Harmonic distorted voltage waveforms can lead to excessive heat in the insulation of electrical equipment. The prospectively increasing number of power electronic devices in electrical grids requires the careful examination of the conse- quences of harmonics, which are introduced due to the operating principle of the semiconductor switches. Investigations of the thermal breakdown of solid dielectrics that may occur as a consequence of harmonic distortion on the voltage waveform of electrical grids are presented in this contribution. A thermo-electrical multi-frequency model allows the calculation of the overtemperature in the material. The calculations are confirmed by breakdown experiments of phenolic paper and epoxy resin. Generally, the additional dielectric losses due to the harmonic voltage distortion increase the possibility of exceeding the thermal equilibrium. However, modern insulation materials like the investigated epoxy resin have very low loss factors which is favourable for good thermal performance even with severely distorted voltages.

The shift from centralized to distributed generation of energy and increasingly flexible electrical equipment brings a large number of power converters into the energy systems. Such power electronics-based applications may provoke harmonic distortion of the system voltage if they are not properly filtered or if resonance effects occur. The latter can be caused by the interplay of inductive and capacitive components as well as parasitic properties leading to additional capacitances. Single frequencies can then be extraordinarily amplified, resulting in the distortion of voltage waveforms. This thesis aims to analyze some of the major effects of harmonic voltage distortion on typical polymeric insulation materials that are utilized in medium-voltage applications. These principal effects of voltage distortion range from additional dielectric losses in insulation materials causing dielectric heating to the altered partial discharge (PD) behaviour. For the experiments and calculations, typical harmonic distorted voltages in the frequency range up to 1550 Hz (31st harmonic) with a total harmonic distortion up to 20 % are utilized. To achieve the goals of this thesis, several test setups, methods and models have been developed, implemented, verified and tested. Especially the generation of harmonic distorted voltages up to several 10 kV is challenging when using conventional laboratory equipment. Besides the factual results that are explained in this thesis, the developed methods and verified models as well as the utilized parameters provide a framework for subsequent investigations. Several methods to quantify the dielectric losses under harmonic distorted voltages are introduced, compared and experimentally verified on epoxy polymer samples. One of the methods, the direct power measurement method, allows to measure the dielectric losses under high electrical field strength and harmonic distortion simultaneously. Other methods rest upon the spectral decomposition into single frequency components and then the superimposition of each dielectric loss proportion. The experiments on epoxy polymer samples show that the deviation between the methods is within the inaccuracy of the measurement systems. The direct power measurement method is especially useful for so-called nonlinear materials with electrical field-dependent dielectric properties. For these materials, spectral decomposition is not feasible as the electrical field conditions dominate the dielectric loss behaviour. The influence of different electrical field strength magnitudes and of the temperature is quantified for the specified epoxy polymer using the direct power measurement method. The material under investigations has very low dielectric losses and even at temperatures close to the glass transition of the epoxy polymer, the danger of thermal runaway is low. The dielectric losses themselves are of course increasing with higher electrical field strength, but the measurements show clearly that the behaviour is predictable even with harmonic distortion. A developed thermo-electrical multi-frequency model allows to calculate the dielectric heating and hence the temperature increase due to harmonic voltage distortion. The calculations are carried out for two materials: epoxy polymer as a low-loss dielectric and phenolic paper (FR2) which inhibits high dielectric losses. The temperature increase due to the dielectric losses (regardless of harmonic distortion) is below 1 K for epoxy polymer. On the contrary, phenolic paper heats up by up to 15 K for the observed geometry and boundary conditions. Harmonic distortion in that case accounts for up to +55 % of temperature increase, when compared to a purely sinusoidal voltage with the fundamental frequency. Thermal breakdown measurements of both materials, epoxy polymer and phenolic paper, verify the calculated heating. The breakdown field strength of epoxy resin is independent of the harmonic distortion and no thermal breakdown was triggered. On the other hand, with higher frequency distortion the required thermal breakdown field strength in phenolic paper decreases significantly. The calculations of the developed model were hence verified indirectly. Besides dielectric losses, it is known that harmonic distortion influences the PD behaviour. With the intention of a quantitative analysis, surface discharges on a PET foil triggered by a sphere-plate electrode arrangement are measured. The PD characteristics such as apparent charge Q and PD repetition rate n are investigated using a constant voltage amplitude for different harmonic distorted waveforms and hence focussing on the voltage shape-distorting effect of the harmonics. With increasing harmonic order h, the apparent charge tends to decrease while the repetition rate increases. Additionally, the phase-resolved PD patterns are analyzed in a way that the repeated inception and extinction of PD within one voltage period can be quantified by a so-called phase interval with PD. The harmonic distortion of the voltage affects the total length of the interval and hence the time within one period in which PD are active. Differently distorted voltages do not influence the PD inception voltage. Constant peak voltage tests using the identical electrode arrangement lead to the conclusion that neither the total harmonic distortion (THD) or the harmonic order have an unambiguous impact on PD aging. There is no statistically significant correlation between the altered PD characteristics and the measured lifetime of the Polyethylene terephthalate (PET) foil samples in the context of harmonic distortion. The presented thesis demonstrates that moderately distorted voltages which stress modern polymeric insulation materials do not pose a severe problem for longevity and reliability of insulation systems. The described results, but also the test setups, methods and models hence provide a basis for subsequent edge case investigations for more specific applied problems. / Die Zahl der leistungselektronischen Frequenzumrichter wird in der Zukunft weiter signifikant zunehmen. Die Gründe dafür sind die vermehrt dezentrale und verteilte Energiebereitstellung mit Anlagen kleiner Anschlussleistung sowie die zunehmende Flexibilisierung der elektrischen Betriebsmittel. Prinzipbedingt haben leistungselektronische Bauteile zur Folge, dass die harmonische Verzerrung der Systemspannung zunimmt. Dabei spielen unzureichend ausgelegte oder nicht vorhandene Filter eine Rolle, jedoch können Resonanzeffekte zwischen Induktivitäten und Kapazitäten der Komponenten auch einzelne Frequenzen über das erlaubte Maß hinaus verstärken. Mit dieser Dissertation werden die Auswirkung eben jener harmonischer Verzerrung auf polymere Isoliermaterialien, wie sie typischerweise in Betriebsmitteln der Mittelspannungs-ebene eingesetzt werden, analysiert. Prinzipiell verursachen harmonisch verzerrte Spannungen zusätzliche dielektrische Verluste in Isoliermaterialien, die dann zu zusätzlichem Wärmeeintrag führen können. Weiterhin ändert sich das Teilentladungverhalten (TE-Verhalten) durch die nichtsinusförmigen Spannungsformen. In dieser Arbeit werden harmonisch verzerrte Spannungen mit einem Gesamtoberschwingungsgehalt bis zu 20 % und einer Frequenz bis 1550 Hz (entspricht der 31. Harmonischen) untersucht. Verschiedene spezifische Versuchsaufbauten, Messmethoden und Berechnungsmodelle wurden entwickelt und verifiziert, um die Ziele dieser Arbeit zu erreichen. Besonders herausfordernd ist die Umsetzung der Erzeugung der harmonisch verzerrten Spannungen bis zu einigen 10 kV mittels konventioneller Prüftechnik. Dementsprechend sind, neben den eigentlichen (Mess-) Ergebnissen, die entwickelten Methoden und Modelle ein wichtiges Element dieser Arbeit. Mehrere Methoden zum Quantifizieren der dielektrischen Verluste werden dargestellt, miteinander verglichen und experimentell verifiziert. Dabei werden Epoxidharzplatten als Prüflinge eingesetzt. Die direkte (Wirk-)Leistungsmessung als eine der Methoden ist in der Lage die dielektrischen Verluste sowohl bei hohen elektrischen Feldstärken als auch gleichzeitig harmonisch verzerrten Spannungsformen zu bestimmen. Die anderen Methoden basieren auf der Addition der einzelnen Frequenzkomponenten bzw. der jeweiligen Verluste im Frequenzbereich. Die Experimente zeigen, dass die Unterschiede aller Messmethoden im Bereich der Messungenauigkeit liegen und damit gleichermaßen gut geeignet für einen linearen Isolierstoff wie Epoxidharz sind. Für nichtlineare Materialien, deren Eigenschaften sich mit der beanspruchenden elektrischen Feldstärke ändern, ist die Leistungsmessmethode besonders interessant. Eine Zerlegung in einzeln gemessene Frequenzkomponenten ist hier nicht zielführend, da dabei die elektrischen Feldverhältnisse missachtet werden. Die Arbeit analysiert den Einfluss verschiedener elektrischer Feldstärken und Temperaturen im Kontext harmonisch verzerrter Spannungen für das untersuchte Epoxidharz. Das Material hat dabei so geringe dielektrische Verluste, dass sich auch bei hohen Temperaturen nahe der Glasübergangstemperatur keine thermischen Instabilitäten abzeichnen. Die absoluten dielektrischen Verluste selbst steigen mit höher werdender elektrischer Feldstärke und Temperatur. Ein thermoelektrisches Berechnungsmodell für mehrere Frequenzkomponenten der Spannung ermöglicht die Berechnung der Erwärmung des Materials durch die (zusätzlichen) dielektrischen Verluste. Die Berechnungen bestätigen die geringfügige Erwärmung des Epoxidharzprobekörpers (< 1 K). Demgegenüber werden Berechnungen für Hartpapier (Pertinax) durchgeführt, welches vergleichsweise hohe dielektrische Verluste aufweist. Hier steigt die Temperatur in der gewählten Anordnung um bis zu 15 K wobei die überlagerte harmonische Verzerrungen einen Anteil von bis zu +55 % im Vergleich zu unverzerrter Spannung hat. Der berechnete Temperaturanstieg wird indirekt durch Wärmedurchschlagtests an Epoxidharz- und Hartpapierprüflingen bestätigt. Beim Epoxidharz kommt es durch die sehr geringen dielektrischen Verluste nicht zum Wärmedurchschlag und dementsprechend haben die harmonisch verzerrten Spannungen keinen Einfluss auf die in den Versuchen gemessene Durchschlagfeldstärke. Beim untersuchten Hartpapier ist die Feldstärke beim Wärmedurchschlag deutlich geringer, wenn die belastende Spannung verzerrt ist. Neben den thermischen Effekten durch dielektrische Verluste, verändern harmonisch verzerrte Spannungen das TE-Verhalten signifikant. Experimentell kann an einer Gleitentladungsanordnung mit PET-Folie als Isoliermaterial gezeigt werden, dass Messwerte wie die scheinbare Ladung Q und die TE-Wiederholrate n durch die Harmonischen beeinflusst werden. Dabei werden verschiedene harmonisch verzerrte Spannungen mit einer konstanten Spitzenspannung untersucht, um den Einfluss der starken Verzerrung des Spannungsverlaufes hervorzuheben. Die Analyse der phasenaufgelösten TE-Muster zeigt, dass die TE mehrfach pro Periode ein- und aussetzen und die verzerrten Spannungen somit einen Einfluss auf die Länge des gesamten TE-Intervalls pro Periode haben. Konstantspannungstests mit der identischen Gleitentladungsanordnung zeigen, dass weder der Gesamtoberschwingungsgehalt (THD) noch die harmonische Ordnung h einen eindeutigen Einfluss auf die TE-Alterung haben. Weiterhin gibt es keinen statistisch eindeutigen Zusammenhang zwischen den gemessenen TE-Parametern und der gemessenen Isoliermateriallebensdauer, wenn verschiedene harmonisch verzerrte Spannungen untersucht werden. Die vorliegende Dissertation zeigt, dass Spannungsformen mit moderater harmonischer Verzerrung und deren Auswirkungen kein signifikantes Zuverlässigkeitsproblem für moderne Isoliermaterialien darstellen. Sowohl die ermittelten Messergebnisse als auch die erläuterten Messaufbauten, Methoden und Modelle stellen eine Grundlage für nachfolgende, spezifischere Untersuchungen z. B. an anwendungsnahen Anordnungen dar.

Um der Mikrowellenerwärmung als Single- oder Hybridanwendung im industriellen Ofenbau ein weiteres Anwendungsspektrum zu eröffnen, wird dem Anlagenkonstrukteur im Rahmen dieser Arbeit eine Aufstellung von Entwicklungsprioritäten und Konstruktionshinweisen übergeben. Für eine energieeffiziente Ausnutzung des technologischen Potenzials wird hierbei nicht - wie in der Vergangenheit - die Feldstärkenverteilung, sondern das Reflexionsverhalten in den Vordergrund gestellt. Durch die Entwicklung und den Aufbau eines Messplatzes zur Bestimmung temperaturspezifischer Dielektrizitätsparameter konnte die Realitätsnähe der Simulation für die anwendungsorientierte Applikatorentwicklung gesteigert werden. Die Anwendbarkeit der Auslegungskriterien wird im Rahmen der Projektierung und des Aufbaus einer Beispielanlage zur Entbinderung von keramischen Grünkörpern und bei der Entwicklung zahlreicher mikrowellenspezifischer Anlagenbauteile verifiziert.

Um der Mikrowellenerwärmung als Single- oder Hybridanwendung im industriellen Ofenbau ein weiteres Anwendungsspektrum zu eröffnen, wird dem Anlagenkonstrukteur im Rahmen dieser Arbeit eine Aufstellung von Entwicklungsprioritäten und Konstruktionshinweisen übergeben. Für eine energieeffiziente Ausnutzung des technologischen Potenzials wird hierbei nicht - wie in der Vergangenheit - die Feldstärkenverteilung, sondern das Reflexionsverhalten in den Vordergrund gestellt. Durch die Entwicklung und den Aufbau eines Messplatzes zur Bestimmung temperaturspezifischer Dielektrizitätsparameter konnte die Realitätsnähe der Simulation für die anwendungsorientierte Applikatorentwicklung gesteigert werden. Die Anwendbarkeit der Auslegungskriterien wird im Rahmen der Projektierung und des Aufbaus einer Beispielanlage zur Entbinderung von keramischen Grünkörpern und bei der Entwicklung zahlreicher mikrowellenspezifischer Anlagenbauteile verifiziert.