Gasisolierte Systeme im Gleichspannungsbetrieb vereinen für Anwendungen moderner Energieübertragung die Forderungen nach kleinräumigen Anlagen und verlustarmem Energietransport über große Entfernungen. Für einen zuverlässigen und sicheren Betrieb muss das Verhalten der eingesetzten Gas-Feststoff-Isolierung im technologischen System bis an die Grenzen des Isolationsvermögens bekannt sein. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist deshalb das Überschlagsverhalten von Gas-Feststoff-Isoliersystemen unter Gleichspannungsbelastung. Dabei stehen zwei wesentliche Einflussfaktoren im Vordergrund: die Temperatur, motiviert durch reale Stromwärmeverluste, und eine feste Störstelle auf der Gas-Feststoff-Grenzfläche, motiviert durch in der Praxis nicht völlig auszuschließende, metallische Partikel. Die Effekte dieser beiden Parameter auf die Feldverteilung, die Oberflächen- und Raumladungsbildung sowie das Isolationsvermögen bei Gleichspannung werden zunächst in zwei Versuchsanordnungen separat experimentell untersucht. Anschließend wird deren Zusammenwirken und gegenseitige Beeinflussung im Gesamtsystem analysiert. Die betriebsbedingte Erwärmung der Leiter gasisolierter Systeme führt zu einer inhomogenen Temperaturverteilung, die sich auf die Eigenschaften der Isolierstoffe Gas und Epoxidharz auswirkt. Die von der Temperatur abhängige Leitfähigkeit der Feststoffisolatoren führt zu einer temperaturabhängigen Feldverteilung, bei der sich der Ort der Höchstfeldstärke verschiebt. Dabei kann sich der Absolutwert der Höchstfeldstärke erhöhen und somit das Isolationsvermögen verringern. Gleichzeitig weist das Isoliergas nahe des erwärmten Leiters lokal eine geringere Dichte und damit eine geringere dielektrische Festigkeit auf. Die thermisch bedingte Minderung des Isolationsvermögens bei Gleichspannung beträgt in der untersuchten Anordnung (25 ... 35) %. In den schwach inhomogenen Feldern gasisolierter Anlagen erweisen sich metallische Partikel auf Isolatoren ab drei Millimetern Länge als besonders kritisch. Bei einem Gasdruck unterhalb von 0,3 MPa setzen an den Partikelspitzen zum Teil bereits ab 50 % der Durchschlagsspannung ohne Partikel Teilentladungen ein, sodass die Koronastabilisierung zu einer vergleichsweise hohen Überschlagsspannung führt. Durch diese stabilen Glimmentladungen kann die Störstelle bei Gleichspannung durch die üblichen Detektionsverfahren jedoch nicht zweifelsfrei nachgewiesen werden. Oberhalb von 0,3 MPa treten vor dem Überschlag keine Teilentladungen auf. Aufgrund der fehlenden Koronastabilisierung kann die Isolationsfestigkeit durch einen erhöhten Gasdruck nicht oder nur stark unterproportional gesteigert werden. Die mit der Modellanordnung gewonnenen Erkenntnisse sind nachweislich auf Isolatoren kommerzieller Anlagen übertragbar. Das in der vorliegenden Arbeit untersuchte Überschlagsverhalten von Gas-Feststoff-Isoliersystemen unter Gleichspannungsbelastung wird maßgeblich durch die Temperaturverteilung und durch feste Störstellen auf der Grenzfläche beeinflusst. Oberflächen- und Raumladungen verändern das üblicherweise ohmsch-kapazitiv beschriebene Verhalten des Isolierstoffsystems bei Gleich- und Mischspannungsbelastung. Der Einfluss zusätzlicher Ladungsträger auf die stark temperaturabhängige Feldumbildung demonstriert, dass das Isoliergas in diesem Fall mit teilchendichte- und feldstärkeabhängigen Drift- und Diffusionsprozessen zur Modellierung des transienten Verhaltens von Gleichspannungssystemen berücksichtigt werden muss. Die Untersuchung des Systemverhaltens an den Grenzen des Isolationsvermögens ist wichtiger Bestandteil bei der Entwicklung innovativer Technologien der modernen Energieübertragung bei steigender Übertragungsleistung. / DC operated gas-insulated systems combine the demand for space saving installations and lowloss energy transport over long distances for applications of recent energy transmission. In order to ensure a reliable and safe operation, the behaviour of the gas-solid insulation, which is used in the technological system, has to be known up to the limits of the insulation properties. Hence, this thesis deals with the flashover behaviour of gas-solid insulation systems under DC voltage stress. Thereby, it focuses on two main influence factors: the temperature, due to real current heat losses, and an adhesive defect on the gas-solid interface, due to metallic particles that cannot be fully excluded in practice. Firstly, it is investigated experimentally in two test arrangements, how each parameter separately affects the electrical field distribution, the surface and volume charge accumulation and the insulation performance under DC voltage stress. Following that, their interaction and mutual influence is analysed in the whole system. Due to operating currents, the heating of the conductors in gas-insulated systems causes an inhomogeneous temperature distribution, that affects the properties of the insulating materials gas and epoxy resin. The temperature-dependent conductivity of the solid insulators leads to a temperature-dependent field distribution. Thereby, the location of the highest field strength is shifted. Since the absolute value of the highest field strength can increase, the insulation performance can decrease. Simultaneously, the insulating gas close to the heated conductor locally has a lower gas density and therefore a lower dielectric strength. The thermal related reduction of the insulation performance under DC voltage stress amounts to (25 ... 35) % in the investigated arrangement. Metallic particles, with a length of more than three millimetres and adhering on spacers, turn out to be particularly critical in the weakly inhomogeneous field of gas-insulated systems. At pressures below 0,3 MPa, partial discharges at the particle tips partly ignite already at 50 %of the breakdown voltage without a particle. The corona stabilisation leads to a relatively high flashover voltage. However, due to these stable glow discharges under DC voltage stress, the defect can not be unequivocally proven by usual detection methods. Above 0,3 MPa, no partial discharges occur before the flashover. Due to the missing corona stabilisation, with a higher gas pressure, the insulation strength is not or only disproportionately low increasing. The findings gained with the model arrangement are evidently applicable to spacers of commercial installations. The flashover behaviour of gas-solid insulation systems under DC voltage stress, examined in this thesis, is influenced significantly by the temperature distribution and adhesive particles on the interface. Surface and volume charges change the generally resistive-capacitive described behaviour of the insulation system under DC and superimposed voltage stress. The influence of additional charge carriers on the strongly temperature-dependent field transition demonstrates, that in this case, the insulating gas with its drift and diffusion processes, depending on the particle density and the field strength, has to be considered, when modelling the transient behaviour of DC operated systems. Investigating the system behaviour to the limits of the insulation properties is a crucial element of developing innovative technologies of the modern energy transmission at increasing transmissions powers.

Stromrichtertransformatoren der Hochspannungsgleichstromübertragung bilden das Bindeglied zwischen Gleichspannungs- und Drehstromsystem. Um den ausfallsicheren Betrieb über die gesamte Lebensdauer zu gewährleisten, muss deren Öl-Papier-Isoliersystem entsprechend dimensioniert werden. Eine optimale Dimensionierung setzt ein detailliertes Verständnis über die Beanspruchung des Isoliersystems sowie deren zuverlässige Modellierung sowohl unter Betriebsspannung als auch bei den überlagerten, transienten Überspannungen voraus. Im Rahmen dieser Arbeit wird daher das dielektrische Verhalten des Öl-Papier-Isoliersystems in Anlehnung an dielektrische Prüfungen sowohl unter Gleichspannungsbelastung als auch einer zusammengesetzten Spannungsbelastung aus einer Gleich- und einer Blitzstoßspannung (einer sog. Mischspannungsbelastung) untersucht. Der Vergleich von numerischen Berechnungen auf Grundlage eines ladungsträgerbasierten Ansatzes nach Poisson-Nernst-Planck (PNP) mit Durchschlagexperimenten gibt dabei Aufschluss über die Beanspruchung des Öl-Papier-Isoliersystems. Weiterhin wird gezeigt, dass der in den etablierten, resistiv-kapazitiven Berechnungsmodellen vernachlässigte Ladungsträgereinfluss in Bezug auf die Beanspruchung des Isoliersystems unzureichende Ergebnisse zur Folge hat und demnach zwingend zu berücksichtigen ist. Die an realitätsnahen, Öl-Papier-isolierten Anordnungen erzielten Ergebnisse zeigen nicht nur den Einfluss der an Grenzflächen oder im Papier akkumulierten Ladungsträger auf die Beanspruchung des Isoliersystems. Ebenso werden die Annahmen des ladungsträgerbasierten Ansatzes und die Berechnungsergebnisse des PNP-Modells qualitativ bestätigt. Infolge der Ladungsakkumulation im Papier tritt die höchste Beanspruchung im Ölspalt und nicht im Papier auf. Öl-Papier-isolierte Anordnungen werden somit geringer beansprucht, als eine Strömungsfeldberechnung vermuten lässt. Dies widerspricht den Annahmen der etablierten Berechnungsmodelle und wird im Weiteren durch Polaritätseffekte an homogenen, aber unsymmetrischen, papierisolierten Elektrodenanordnungen oder durch den nachweisbaren Einfluss des Ölvolumens im Prüfgefäß auf die Beanspruchung einer Anordnung verdeutlicht. Unter Mischspannungsbelastung wird weiterhin gezeigt, dass eine Überlagerung der Gleichspannung und damit auch der Polaritätswechsel keine höhere Beanspruchung des Isoliersystems im Vergleich zur reinen Gleichspannungsbelastung zur Folge hat. Die etablierten, resistiv-kapazitiven Modelle ließen jedoch den Polaritätswechsel als kritischste Beanspruchung vermuten. Somit wird nicht nur die Anwendbarkeit der ladungsträgerbasierten PNP-Modellierung an Öl-Papier-Isolieranordnungen qualitativ verifiziert. Ebenso wird demonstriert, dass die stark vereinfachten Annahmen der etablierten Berechnungsmodelle die Beanspruchungen unter Gleich- und der untersuchten Mischspannungsbelastung nicht abbilden können. Der Einsatz klassischer Strömungsfeldberechnungen zur Nachbildung der Beanspruchung des Öl-Papier-Isoliersystems unter Gleichspannungsbelastung entspricht damit nicht mehr dem Stand der Forschung. / Converter transformers of HVDC transmission systems connect HVDC and HVAC systems. To ensure a reliable operation during the entire lifetime, their oil-paper-insulation system must be designed appropriately. An optimized dielectric design demands a fundamental understanding of the dielectric stresses as well as a reliable modeling of the insulation system both under operating voltages and under superimposed, transient overvoltages. Hence, in this work the dielectric behavior of the oil-paper-insulation system is investigated. Based on dielectric tests the investigations are performed under DC voltage stress and a composite voltage stress of a DC voltage in stationary conditions superimposed by a lightning impulse voltage. The comparison of numerical calculations using a charge-carrier-based approach according to Poisson-Nernst-Planck (PNP) with breakdown experiments clarifies the dielectric stress of the oil-paper-insulation system. Furthermore, the comparison with results determined by the established, resistive-capacitive calculation models shows that it is mandatory to take the influence of the charge carrier accumulation into account. The presented results, which were obtained at oil-paper-insulated arrangements which represent the dielectic stress of real arrangements, show the influence of the charge carriers accumulating at interfaces or in the paper insulationon on the dielectric stress. The results confirm the calculations and the assumptions according to the charge-carrier-based model as well. Due to the charge carrier accumulation, the highest dielectric stress occurs in the mineral oil and not in the paper insulation. In contrast, the findings obtained assuming an ohmic conductivity would results in a higher dielectric stress of the oil-paperinsulated arrangements. Furthermore, polarity effects in homogeneous but asymmetrical, paper-insulated electrode arrangements or the influence of the surrounding oil in the test vessel demonstrate the effects of the charge carriers. Under composite voltage stresses it is also shown, that the applied superimposed voltage as well as the fast polarity reversal does not lead to a higher dielectric stress of the arrangements compared to the pure DC voltage stress. Commonly used calculation models would determine higher stresses due to the fast polarity reversal instead. Consequently, the applicability of the charge-carrier-based PNP calculation model is verified qualitatively in the presented investigations. Furthermore, it is demonstrated that the simplified assumptions of the commonly used calculation models cannot simulate the dielectric stresses under DC voltage stress and under the investigated superimposed voltage stresses. Hence, the determination of the dielectric stresses of oil-paper-insulation systems under DC voltage stress according to the commonly used calculation models assuming an ohmic conductivity does not correspond to the current state of research.

Gasisolierte Systeme im Gleichspannungsbetrieb vereinen für Anwendungen moderner Energieübertragung die Forderungen nach kleinräumigen Anlagen und verlustarmem Energietransport über große Entfernungen. Für einen zuverlässigen und sicheren Betrieb muss das Verhalten der eingesetzten Gas-Feststoff-Isolierung im technologischen System bis an die Grenzen des Isolationsvermögens bekannt sein. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist deshalb das Überschlagsverhalten von Gas-Feststoff-Isoliersystemen unter Gleichspannungsbelastung. Dabei stehen zwei wesentliche Einflussfaktoren im Vordergrund: die Temperatur, motiviert durch reale Stromwärmeverluste, und eine feste Störstelle auf der Gas-Feststoff-Grenzfläche, motiviert durch in der Praxis nicht völlig auszuschließende, metallische Partikel. Die Effekte dieser beiden Parameter auf die Feldverteilung, die Oberflächen- und Raumladungsbildung sowie das Isolationsvermögen bei Gleichspannung werden zunächst in zwei Versuchsanordnungen separat experimentell untersucht. Anschließend wird deren Zusammenwirken und gegenseitige Beeinflussung im Gesamtsystem analysiert. Die betriebsbedingte Erwärmung der Leiter gasisolierter Systeme führt zu einer inhomogenen Temperaturverteilung, die sich auf die Eigenschaften der Isolierstoffe Gas und Epoxidharz auswirkt. Die von der Temperatur abhängige Leitfähigkeit der Feststoffisolatoren führt zu einer temperaturabhängigen Feldverteilung, bei der sich der Ort der Höchstfeldstärke verschiebt. Dabei kann sich der Absolutwert der Höchstfeldstärke erhöhen und somit das Isolationsvermögen verringern. Gleichzeitig weist das Isoliergas nahe des erwärmten Leiters lokal eine geringere Dichte und damit eine geringere dielektrische Festigkeit auf. Die thermisch bedingte Minderung des Isolationsvermögens bei Gleichspannung beträgt in der untersuchten Anordnung (25 ... 35) %. In den schwach inhomogenen Feldern gasisolierter Anlagen erweisen sich metallische Partikel auf Isolatoren ab drei Millimetern Länge als besonders kritisch. Bei einem Gasdruck unterhalb von 0,3 MPa setzen an den Partikelspitzen zum Teil bereits ab 50 % der Durchschlagsspannung ohne Partikel Teilentladungen ein, sodass die Koronastabilisierung zu einer vergleichsweise hohen Überschlagsspannung führt. Durch diese stabilen Glimmentladungen kann die Störstelle bei Gleichspannung durch die üblichen Detektionsverfahren jedoch nicht zweifelsfrei nachgewiesen werden. Oberhalb von 0,3 MPa treten vor dem Überschlag keine Teilentladungen auf. Aufgrund der fehlenden Koronastabilisierung kann die Isolationsfestigkeit durch einen erhöhten Gasdruck nicht oder nur stark unterproportional gesteigert werden. Die mit der Modellanordnung gewonnenen Erkenntnisse sind nachweislich auf Isolatoren kommerzieller Anlagen übertragbar. Das in der vorliegenden Arbeit untersuchte Überschlagsverhalten von Gas-Feststoff-Isoliersystemen unter Gleichspannungsbelastung wird maßgeblich durch die Temperaturverteilung und durch feste Störstellen auf der Grenzfläche beeinflusst. Oberflächen- und Raumladungen verändern das üblicherweise ohmsch-kapazitiv beschriebene Verhalten des Isolierstoffsystems bei Gleich- und Mischspannungsbelastung. Der Einfluss zusätzlicher Ladungsträger auf die stark temperaturabhängige Feldumbildung demonstriert, dass das Isoliergas in diesem Fall mit teilchendichte- und feldstärkeabhängigen Drift- und Diffusionsprozessen zur Modellierung des transienten Verhaltens von Gleichspannungssystemen berücksichtigt werden muss. Die Untersuchung des Systemverhaltens an den Grenzen des Isolationsvermögens ist wichtiger Bestandteil bei der Entwicklung innovativer Technologien der modernen Energieübertragung bei steigender Übertragungsleistung. / DC operated gas-insulated systems combine the demand for space saving installations and lowloss energy transport over long distances for applications of recent energy transmission. In order to ensure a reliable and safe operation, the behaviour of the gas-solid insulation, which is used in the technological system, has to be known up to the limits of the insulation properties. Hence, this thesis deals with the flashover behaviour of gas-solid insulation systems under DC voltage stress. Thereby, it focuses on two main influence factors: the temperature, due to real current heat losses, and an adhesive defect on the gas-solid interface, due to metallic particles that cannot be fully excluded in practice. Firstly, it is investigated experimentally in two test arrangements, how each parameter separately affects the electrical field distribution, the surface and volume charge accumulation and the insulation performance under DC voltage stress. Following that, their interaction and mutual influence is analysed in the whole system. Due to operating currents, the heating of the conductors in gas-insulated systems causes an inhomogeneous temperature distribution, that affects the properties of the insulating materials gas and epoxy resin. The temperature-dependent conductivity of the solid insulators leads to a temperature-dependent field distribution. Thereby, the location of the highest field strength is shifted. Since the absolute value of the highest field strength can increase, the insulation performance can decrease. Simultaneously, the insulating gas close to the heated conductor locally has a lower gas density and therefore a lower dielectric strength. The thermal related reduction of the insulation performance under DC voltage stress amounts to (25 ... 35) % in the investigated arrangement. Metallic particles, with a length of more than three millimetres and adhering on spacers, turn out to be particularly critical in the weakly inhomogeneous field of gas-insulated systems. At pressures below 0,3 MPa, partial discharges at the particle tips partly ignite already at 50 %of the breakdown voltage without a particle. The corona stabilisation leads to a relatively high flashover voltage. However, due to these stable glow discharges under DC voltage stress, the defect can not be unequivocally proven by usual detection methods. Above 0,3 MPa, no partial discharges occur before the flashover. Due to the missing corona stabilisation, with a higher gas pressure, the insulation strength is not or only disproportionately low increasing. The findings gained with the model arrangement are evidently applicable to spacers of commercial installations. The flashover behaviour of gas-solid insulation systems under DC voltage stress, examined in this thesis, is influenced significantly by the temperature distribution and adhesive particles on the interface. Surface and volume charges change the generally resistive-capacitive described behaviour of the insulation system under DC and superimposed voltage stress. The influence of additional charge carriers on the strongly temperature-dependent field transition demonstrates, that in this case, the insulating gas with its drift and diffusion processes, depending on the particle density and the field strength, has to be considered, when modelling the transient behaviour of DC operated systems. Investigating the system behaviour to the limits of the insulation properties is a crucial element of developing innovative technologies of the modern energy transmission at increasing transmissions powers.