1997 - Fachgebiet Hochspannungstechnik - Schering-Institut

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Dr.-Ing. C.-D. Ritschel - 16 - "Blitzschutzuntersuchungen an CFK-Flugzeugkomponenten" Die Anwendung der CFK-Technologie bietet im Flugzeugbau eine Reihe von überzeugenden Vorteilen gegenüber der herkömmlichen Bauweise. Für die sich in der Entwicklung befindenden Tragflächen eines großen Passagierflugzeuges bedeutet dies: 15 bis 20 Prozent Gewichtsersparnis, günstige Beeinflussung des elastischen Verhaltens durch entsprechenden Laminataufbau, geringes Ermüdungsverhalten und keine Korrosion. Allerdings erfordert der strukturelle Aufbau dieses Verbundwerkstoffes mit seinen charakteristischen elektrischen Eigenschaften, insbesondere seiner geringen Stromtragfähigkeit, ein geeignetes Blitzschutzkonzept. Es kommt hierbei darauf an, grobe Strukturschäden im Falle eines Blitzschlages so gering zu halten, daß das Flugzeug flugfähig bleibt und strukturmechanisch zwar unbedeutende, aber für den Integraltankbereich äußerst gefährliche Effekte wie die Entstehung von Zündfunken und hot spots zu verhindern. Für die Detektion von Zündfunken bewährt sich seit etwa zwei Jahren ein Videosystem mit Mikro-Kamera. Neu am Schering- Institut ist der Einsatz einer Infrarotkamera, durch Unterstützung des Instituts für Elektrowärme der Universität Hannover, zur Temperaturmessung an CFK-Elementen unter Blitzbeanspruchung, wodurch die Palette der Hilfsmittel zur Prüfung der Wirksamkeit von Blitzschutzmaßnahmen erweitert wurde. Der Vorteil dieser Temperaturmeßmethode liegt darin, daß die transienten Temperaturvorgänge an der CFK- Oberfläche berührungslos, flächig und zeitaufgelöst aufgenommen werden können. CFK-Komponente IR-Kamera Bild 1 Schematische Darstellung des Versuchaufbaus Das verwendete IR-Kamerasystem hat einen kurzwelligen Halbleiterdetektor mit einem spektralen Empfindlichkeitsbereich von 2 bis 5 µm. Die Prüflingsoberfläche wird mit 85 x 130 Bildpunkten mit Hilfe eines in der Kamera vorhandenen Spiegelsystems abgetastet. Die Bildfolgefrequenz beträgt 6,25 Hz. Bei einer Entfernung von 1 m vom Meßobjekt und einem Bildwinkel von 7° sind die Abmessungen des Blickfeldes etwa 10 cm x10 cm und die des kleinsten auflösbaren Punktes etwa 1,2 mm x 0,8 mm. Die Kamera besitzt einen analogen Videoausgang, dessen Signal über eine 10-m-Leitung zur A/D-Wandlerkarte des in der geschirmten Kabine befindlichen PC gelangt. Hier werden die Rohdaten auf einer Festplatte gespeichert und im Anschluß an den 200 2 Versuch ausgewertet. Unter Berück- kA 100 kA 1 sichtigung einer 8-Bit-Quantisierung bei der digitalen Bildverarbeitung liegt die thermische Auflösung bei etwa 0,5 K. 0 0 Um eine Oberfläche zu gewährleisten, die eine homogene Wärme- -100 -1 strahlung emittiert, werden die unterschiedlichen Oberflächen- -200 -2 0 0,5 100 200 300 400 500 600 700 ms Bild 2 Blitzstromverlauf abschnitte der Proben mit einem von der PTB zertifizierten Schwärzungslack (Emmissionsgrad ε = 0,95) beschichtet. - 17 - Der prinzipielle Versuchsaufbau geht aus der Skizze in Bild 1 hervor. Das im Schnitt dargestellte CFK-Bauteil wird über einen kurzen Lichtbogen mit dem Blitzstrom beaufschlagt. Die IR-Kamera erfaßt die Erwärmung der dem Lichtbogen abgewandten Rückwandoberfläche. Der Blitzstrom setzt sich zusammen aus einem oszillierenden Stoßstromanteil, der innerhalb von 500 µs abgeklungen ist, mit Amplituden zwischen 100 kA und 200 kA sowie einem Langzeitanteil von einigen hundert Ampere und einer Dauer von 80 bis 800 ms, was Ladungsmengen von etwa 30 bis 300 C entspricht (Bild 2). Ein Beispiel für die Temperaturverteilung an einer CFK-Rückwand im Zeitaugenblick der Bild 3 Temperaturverteilung auf der CFK- Rückwandoberfläche maximalen Temperatur zeigt Bild 3. Der Ort der Maximaltemperatur ist durch ein weißes Fadenkreuz markiert. Entlang dieser weißen Linien verläuft das unterhalb bzw. rechts des Isothermendiagramms dargestellte Temperaturprofil. Im waagerechten Profil sind die durch unterschiedliche Wanddicken bedingten Temperaturstufen zu erkennen. Der zeitliche Temperaturverlauf im Oberflächenpunkt der Maximaltemperatur ergibt sich aus den mit der Bildfrequenz von 6,25 Hz aufeinanderfolgenden Einzelwerten (Bild 4). An den hier dargestellten Kurven ist eine deutliche Abhängigkeit von der Höhe der Blitzbelastung zu erkennen, wobei sich der Langzeitanteil des Blitzstromes mit 184 C durch Zerstörung des Blitzschutzsystems sehr stark auswirkt (Kurve 1). Bemerkenswert ist weiterhin die schwache Wärmeleitfähigkeit des CFK (langsamer Temperaturanstieg, Kurve 3) gegenüber der eines Schraubverbindungselementes aus Titan (schneller Temperaturanstieg, Kurve 2). Ein Vergleich der Zeitachsen in Bild 2 und Bild 4 läßt erkennen, daß der Temperaturanstieg erst nach dem vollständigen Abklingen des Blitzstromes verzögert einsetzt. Die umfassende Auswertung aller Ver- 120 suche zeigt, daß die Temperaturerhö- °C 100 1 hung ∆T gegenüber einer Umgebungstemperatur von 17°C je nach Wanddicke und Blitzbelastung zwischen 6°C 80 und 21°C liegt. Metallische Verbindungselemente erreichen maximal ∆T = 60 40 2 46°C. Zerstört der Lichtbogen das Blitzschutzsystem oder ist der Blitzschutz bereits vorgeschädigt, so daß der Blitzstrom in die Struktur eindringt, so 20 3 erwärmt sich die Struktur auf der Rückwand je nach Wanddicke und 0 0 10 20 30 40 s 50 Blitzbelastung bis auf ∆T = 84°C. In keinem Fall wird die kritische Entzündungstemperatur eines Kraftstoff/Luft- Bild 4 Zeitlicher Verlauf der Maximaltemperatur Gemisches von 220°C erreicht. 1 CFK-Rückwand 94 kA, 0,33 MJ/Ω, 184 C 2 Verbindungselement 186 kA, 1,93 MJ/Ω, 30 C 3 CFK-Rückwand 94 kA, 0,33 MJ/Ω, 29 C
Dipl.-Ing. R. Kotte, Dipl.-Ing. M. Krins - 18 - "Einfluß von Feuchtigkeit auf die elektrische Festigkeit eines keramischen Isoliermaterials" Für die elektrische Isolation in Anlagen mit sehr hohen Betriebstemperaturen ist die Auswahl an geeigneten Materialien begrenzt. Hier bieten sich z. B. keramische Werkstoffe an, die sich unter anderem durch eine hohe Hitzebeständigkeit und gute elektrische sowie dielektrische Eigenschaften auszeichnen. Bei dem im Rahmen der vorgestellten Untersuchungen eingesetzten Keramik-Werkstoff handelt es sich um ein Produkt auf der Basis von Aluminiumoxid. Das im Ausgangszustand in Pulverform vorliegende Isoliermaterial wird mit Hilfe einer Plasmaflamme bei extrem hohen Temperaturen von ca. 20000 °C auf das zu isolierende Trägermaterial aufgebrannt. Als Prüflinge kamen bei den hier durchgeführten Versuchen Vierkantrohre aus Edelstahl mit einem Querschnitt von (36 • 36) mm2 und einer Länge von 195 mm zum Einsatz. Die Stahlkörper waren an den vier Längsseiten sowie an einer der Stirnflächen mit der Keramik beschichtet. Die zweite Stirnfläche mußte aufgrund der erforderlichen Kontaktierungsmöglichkeit des Stahlrohres unisoliert bleiben. Die Versuche zur elektrischen Stehspannungsfestigkeit der Keramik wurden an Anordnungen, bestehend aus jeweils zwei aufeinanderliegenden Probekörpern, durchgeführt. Durch das Eigengewicht des oberen Prüflings war ein konstanter Anpreßdruck zwischen den Kontaktflächen gewährleistet. Für die Messungen wurde der obere Prüfling mit Hochspannung und der untere mit Erdpotential verbunden. Die Beanspruchung der Anordnung erfolgte mit Gleichspannung im 60-s-Stufentest mit einer Anfangsspannung von 500 V sowie einer Stufenweite von ebenfalls 500 V. Bei der Bestimmung des Isolationswiderstands des Keramik-Werkstoffs bildete jeweils der Edelstahlkorpus des Prüflings die eine Elektrode. Die Gegenelektrode wurde mit Hilfe einer polierten Kupferplatte realisiert, auf der die Probe für die Messungen plaziert wurde. Die Ermittlung des Widerstands erfolgte nach dem Strom-Spannungs-Verfahren. Dabei wurde der durch den Prüfling fließende Strom eine Minute nach dem Anlegen der Beanspruchungs- Gleichspannung von 500 V gemessen. Es wurden Meßwerte bei relativen Umgebungsfeuchten von 33 %, 60 % und 90 % aufgenommen. Zusätzlich wurden Proben nach einer fünfminütigen Lagerung in Wasser den Festigkeitsversuchen unterzogen und die dabei ermittelten Werte einer Luftfeuchtigkeit von 100 % zugeordnet. In Bild 1 sind die bei Raumtemperatur bestimmten mittleren Stehspannungen der Isolieranordnung in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit dargestellt. Tabelle 1 enthält die je Probenkollektiv gemessenen Minimalwerte des Widerstands der Keramik-Beschichtung für die untersuchten relativen Umgebungsfeuchten. mittlere Stehspannung 3,0 2,5 kV 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 30 40 50 60 70 80 90 % 100 rel. Luftfeuchtigkeit Bild 1 Stehspannungsfestigkeit der Keramik-Schicht in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit rel. minimaler Luftfeuchtigkeit Widerstand [%] [MΩ] 33 200 60 2 90 0,2 Tabelle 1 Minimalwiderstand der Keramik-Schicht für verschiedene relative Luftfeuchtigkeiten - 19 - Sowohl aus Bild 1 als auch aus Tabelle 1 geht hervor, daß mit zunehmender relativer Luftfeuchtigkeit und damit einhergehender ansteigender Feuchtigkeit des keramischen Isoliermaterials die elektrische Festigkeit der Anordnung stark abnimmt. So ist bei Raumtemperatur und einem relativen Feuchtegrad der Luft von 33 % eine elektrische Stehfestigkeit der Anordnung von etwa 2,1 kV zu verzeichnen, die sich jedoch bei 90 % relativer Luftfeuchtigkeit um ca. 70 % auf etwa 0,6 kV verringert. Im Anschluß an eine Lagerung der Proben in Wasser kann an der Isolierung keine Spannungsfestigkeit mehr ermittelt werden, da die Keramik-Beschichtung offensichtlich galvanisch leitend wird. Somit ist die Stehspannungsfestigkeit der Prüflingsanordnung für eine relative Luftfeuchtigkeit von 100 % zu 0 kV angegeben. Ein ähnlicher Einfluß der Feuchtigkeit ist auch für den Isolationswiderstand der untersuchten Beschichtung zu verzeichnen, wie die in Tabelle 1 aufgeführten Werte verdeutlichen. Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 33 % kann für den somit vergleichsweise trockenen Isolierstoff noch ein Minimalwiderstand von 200 MΩ ermittelt werden. Das Isoliervermögen des Materials nimmt jedoch mit steigendem Feuchtegrad der Luft stark ab und beträgt bei einem Wassergehalt der Luft von 90 % nur noch ca. 200 kΩ, was 0,1 % des Ausgangs-Isolationswiderstands entspricht. Ausgehend von den Experimenten zur Spannungsfestigkeit kann für das Material bei einer Luftfeuchtigkeit von 100 % ein gegen null strebender Isolationswiderstand angenommen werden. Als Ursache für die hohe Empfindlichkeit des Materials gegenüber der Umgebungsfeuchte ist die Porosität des Werkstoffs zu nennen. Das zur Herstellung der Beschichtung verwendete Pulver weist zu 90 % eine Korngröße von < 23 µm auf. An den dadurch bedingten Unregelmäßigkeiten in der Oberflächenbeschaffenheit der Keramik-Schicht kann es zu Wasserablagerungen kommen, die zu einer Verringerung der elektrischen Festigkeit der Isolation führen. Den vorangegangenen Ausführungen ist zu entnehmen, daß ein Kontakt des untersuchten keramischen Materials mit Wasser vermieden werden sollte. Daher ist der Einsatz dieses Isolierstoffs auf Systeme beschränkt, in denen stets ein definiertes, möglichst trockenes Klima vorherrscht bzw. einzustellen ist. Dipl.-Ing. M. Krins "Einfluß von Ruß auf die Stoßspannungsfestigkeit von Ölstrecken im inhomogenen Feld" Mit Stufenschaltern ausgerüstete Leistungstransformatoren sind in vielen Fällen direkt an das Freileitungsnetz angeschlossen, so daß die Isolation des Stufenschalters auch atmosphärischen Überspannungen ausgesetzt sein kann. Mit Blick auf diese Tatsache wurden als Fortführung der im letzten Jahresbericht vorgestellten Untersuchungen mit Wechselspannung ergänzende Messungen zum Einfluß von Rußpartikeln auf die Durchschlagfestigkeit von Ölstrecken in einem stark divergenten elektrischen Feld bei Beanspruchung mit negativer und positiver Blitzstoßspannung durchgeführt. Bei der gewählten Elektrodenkonfiguration handelte es sich um eine vertikale Anordnung aus zwei Rogowski-Profil-Elektroden, wobei in die obere Elektrode zur Nachbildung einer definierten Fehlstelle eine Nadel mit einem Spitzenradius von 50 µm eingebracht wurde. Die Nadelspitze ragte um 7 mm aus der Plattenelektrode heraus, so daß das Feld vornehmlich durch die vorgeschobene Spitze determiniert war. Für die Untersuchungen wurde ein Stoßspannungsgenerator verwendet, der eine maximale Ausgangsspannung von 310 kV mit einer Wellenform von 1,2/50 µs lieferte. Die Stufenspannung wurde zu 10 kV gewählt, und die Ölstrecke im zeitlichen Abstand von 15 s jeweils mit fünf Impulsen pro Stufe beansprucht. In Bild 1 sind die bei Raumtemperatur ermittelten Durchschlagspannungen von technisch reinem sowie einem verrußten Mineralöl in Abhängigkeit von der Schlagweite für negative und positive Polarität der Blitzstoßspannung aufgetragen. Die Ölfeuchte betrug bei diesen Versuchen jeweils 20 ppm.
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