The insulation of the electrical equipment in medium and high-voltage grids is subjected to significant electrical and thermal stresses. The switching characteristic of the increasing number of power electronic devices in electric grids leads to the distortion of the voltage waveform which causes additional dielectric losses in insulation materials. The consequent dielectric heating and elevated temperatures present a risk of thermal breakdown and generally accelerated ageing. This manuscript presents how temperatures up to the glass transition and severely distorted sinusoidal voltages influence the dielectric losses in epoxy resin samples. The impact of additional dielectric losses is depicted and the risk of thermal runaway is assessed by comparing the distorted voltage stress to a pure sinusoidal oscillation. The ratio between the losses at distorted voltage and sinusoidal voltage declines with increasing temperature, reducing the risk of thermal runaway even at high temperatures and significant voltage distortion. A generalization of the risk assessment is given based on the discussion of the results and simple standardized measurement techniques.

The increasing propagation of power electronics technologies and the related operational equipment such as inverter-fed drives and solid-state transformers in electrical grids lead to growing harmonic distortion of the voltage waveform. Harmonics modify the shape of a voltage waveform but also affect the peak voltage despite constant RMS voltage. Resulting from this, it was previously found that harmonics not only have an influence on the partial discharge patterns and characteristics but also the lifetime of model insulations. The epoxy-mica main wall insulation of rotating electrical machines is partial discharge-resistant to certain extent. Nonetheless, severe production faults should be detected by partial discharge measurements as they may lead to accelerated ageing. The purpose of this contribution is to investigate the impact of harmonics on the partial discharge characteristics of the insulation system of rotating electrical machines in general and especially on a test object with an artificial void fault. An assessment of the partial discharge pattern and apparent charge measurement is given by analyzing the characteristics to harmonic waveform parameters that incoporate peak alteration and shape modification. It is shown that the voltage shape and gradients play a subordinate role compared to the voltage peak altering effect of harmonics. The effects are more pronounced with the test object with an artificially introduced fault.

Das kompakte Design von gasisolierten Systemen und die Unabhängigkeit gegenüber Umgebungsbedingungen führt zu einer idealen Eignung des Betriebsmittels für den Einsatz in modernen Energieversorgungssystemen. Ein Betrieb der Anlagen unter Gleichspannungsbelastung ist dabei aufgrund der zunehmenden räumlichen Distanz zwischen Erzeugungs- und Verbrauchszentren unumgänglich. Der sichere Betrieb über die geplante Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten ist nur mit einer genauen Teilentladungsdiagnose, welche eine sensitive Messung und zweifelsfreie Interpretation der Ergebnisse beinhaltet, möglich. Dabei ist zu beachten, dass die von Wechselspannungsanwendungen bekannten physikalischen Zusammenhänge der Entladungsprozesse und des Einflusses von dielektrischen Grenzflächen aufgrund der veränderten Belastung mit einem zeitlich konstanten elektrischen Feld und der damit einhergehenden Raum- und Oberflächenladungsakkumulation nicht direkt übernommen werden können. Ziel dieser Arbeit ist daher die Entladungsprozesse an Defekten mit und ohne dielektrischer Grenzfläche in gasisolierten Gleichspannungssystemen zu analysieren und damit einen Beitrag für die sichere Interpretation von Teilentladungsmessungen zu leisten. Auch werden bekannte elektrische und neuartige optische Messmethoden hinsichtlich ihrer Möglichkeiten und Grenzen beim Einsatz unter Gleichspannungsbelastung untersucht. Für die experimentellen Arbeiten an drei verschiedenen Störstellen wird das schwach inhomogene Isoliersystem der Anlagen in drei Modellanordnungen nachgebildet. Die Untersuchung der ablaufenden Entladungsprozesse wird durch eine direkte Messung des Teilentladungsstroms ermöglicht. Dabei wird zwischen impulsbehafteten und impulslosen Anteilen unterschieden. Infolge von Montagefehlern oder unzureichender Materialqualität können feste, metallische Störstellen im Isoliersystem entstehen. Die experimentell betrachteten Abhängigkeiten der Entladungsprozesse von der Störstellenpolarität, dem Isoliergasdruck und der Spannungsbelastung erlauben eine Klassifizierung von vier verschiedenen Entladungsarten. Zusätzlich zu den Untersuchungen im derzeit am häufigsten verwendeten Isoliergas Schwefelhexafluorid konnte ein Vergleich der Ergebnisse mit der klimafreundlichen alternative synthetische Luft die Gemeinsamkeiten und Unterschiede bei Entladungen an festen Störstellen aufzeigen. Dabei ist insbesondere die signifikant veränderte Polaritätsabhängigkeit hervorzuheben. Der Kontakt von metallischen Partikeln mit der Feststoffisolierung kann zur Anlagerung des zuvor freibeweglichen, metallischen Defektes an der dielektrischen Grenzfläche führen. Die Ansammlung von Oberflächenladungen auf dem Feststoff beeinflusst dabei insbesondere den Entladungseinsatz. Aufgrund des zur festen metallischen Störstelle ohne Grenzfläche vergleichbaren Entladungsverhaltens im stationären Zustand ist eine Unterscheidung der Defekte anhand von Impulswiederholraten und Amplituden herausfordernd. Eine Besonderheit bei Gleichspannungsbelastung sind Entladungen, welche auf einer Gas-Feststoff-Quergrenzfläche an beschichteten Elektroden einsetzen können. Die Untersuchung der Ursachen für das Auftreten dieser Entladungen, die elektrischen und optischen Charakteristika der ablaufenden Prozesse und Strategien für die Vermeidung werden untersucht. Aus den Ergebnissen werden Prüfempfehlungen für die Teilentladungsdiagnose von gasisolierten Gleichspannungssystemen abgeleitet. Diese sind wesentlicher Bestandteil für einen zukünftigen Einsatz gasisolierter Gleichspannungssysteme in einem leistungsfähigen Elektroenergiesystem mit hoher Versorgungszuverlässigkeit. / The compact design and the independence from environmental conditions of gas-insulated systems leads to an ideal suitability of this high-voltage equipment for the use in a modern power supply system. The operation of the assets under DC voltage stress is unavoidable due to the increasing distance between the areas of power generation and consumption. The reliable operation during the estimated lifetime of several decades is only feasible with a precise partial discharge diagnosis. Hence, a sensitive measurement and a doubtless interpretation of the results is necessary. Nevertheless, it is necessary to take into account, that under alternating voltage stress established physical mechanisms of the discharge processes and the influence of dielectric interfaces cannot be adopted directly, due to the changed voltage stress with a constant electric field and the related surface and volume charge accumulation. Aim of this thesis is the analysis of defects in gas-insulated systems with and without dielectric interfaces under DC voltage stress and thereby to contribute to a reliable interpretation of partial discharge measurements. In addition, known electrical and novel optical measurement methods are investigated with respect to their capabilities and limitations when used under DC voltage stress. The experimental investigations are carried out in model electrode arrangements. The weakly inhomogeneous electrical field of the gas-insulated systems is replicated in three configurations, one for each defect investigated. The detailed analysis of the discharge processes is enabled by a direct measurement of the partial discharge currents. A distinction between impulse currents and pulseless currents is made. Due to assembly faults or insufficient material quality fixed, metallic protrusions can be created within the insulation system. The experimentally observed dependencies of the discharge processes on the polarity of the defect, the insulating gas pressure and the voltage stress permit a classification of four different types of discharge. In addition to the investigations in the most commonly used insulating gas sulphur-hexafluoride a comparison of the results with measurements in the climate-friendly alternative synthetic air are made. Derived from this, commonalities and differences in the discharge behaviour are discussed. Free moving, metallic particles can adhere to the gas-solid interface. The accumulation of surface charges at the solid insulator influences the partial discharge inception significantly. Due to the steady-state discharge behaviour, which is comparable to the fixed, metallic protrusion without contact to a dielectric interface, distinguishing between the two defects based on pulse repetition rates and amplitudes is challenging. A unique aspect under DC voltage stress are discharges at the orthogonal interface between electrode coating and insulating gas. The analysis of the causes of the occurrence of these discharges, their optical and electrical characteristics and strategies for the prevention are investigated. Derived from the results, recommendations for partial discharge diagnosis of gas-insulated DC systems are discussed. These recommendations are an essential component for the future use of this asset in a high-performance electric power system with high reliability of the power supply.

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.