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Die empirisch ermittelte Formel beschreibt den eindeutigen Zusammenhang zwischen Kriechstromfestigkeit und Durchschlagfestigkeit.
Søren Find Madsen von der Ørsted-DTU, der dänischen technischen Universität, weist in seiner soeben abgeschlossenen Doktorarbeit nach, dass Oberflächengüte und Kriechstromfestigkeit eindeutige Rückschlüsse auf die Materialstruktur und Durchschlagfestigkeit von GFK zulassen.
"Anhand der von mir entwickelten Formel lässt sich aus der relativ einfach zu ermittelnden Kriechstromfestigkeit die Durchschlagfeldstärke berechnen, deren Bestimmung normalerweise aufwendige Tests in Hochspannungslabors erfordert", erklärt Søren Find Madsen.
Nach der von Søren Find Madsen aus seinen Versuchen abgeleiteten Formel ergibt sich die Durchschlagfeldstärke Eb zu:
Eb = TI x C1 + C2/d
mit
TI = Kriechstromfestigkeit (trackingindex)
d = Materialstärke
C1 und C2 empirisch durch Versuche ermittelte Konstante
Im Klartext: Bei faserverstärkten Kunststoffen mit niedriger Kriechstromfestigkeit ist mit entsprechend niedriger Durchschlagfestigkeit zu rechnen. Hohe Kriechstromfestigkeit ist in erster Linie eine Frage der Oberflächengüte und damit der Fertigungsqualität, die sich auch im Inneren des Materials niederschlägt.
Søren Find Madsen: "Eine raue, unebene Oberfläche, eventuell noch mit losen Fasern, ergibt niedrige Kriechstromfestigkeit. Bei solchen Bauteilen wird man auch in der inneren Materialstruktur Fehler finden. Großen Einfluss auf die Durchschlagfestigkeit haben z.B. Lufteinschlüsse, Risse oder Verunreinigungen. Diese und ähnliche Probleme treten vor allem in Grenzschichten auf, also zwischen Kunstharz und Glasfaser".
Materialzerstörung setzt vorzugsweise an derartigen Schwachstellen ein, da dort elektrische Felder meist stärker sind und die Festigkeit von vornherein herabgesetzt ist. In Lufteinschlüssen lösen starke Elektrofelder beispielsweise kleine Entladungen aus, wobei Temperaturen von 20.000-30.000 Grad Celsius auftreten können, die starke Erosion mit sich bringen. Auf diese Weise führen anfangs nicht unmittelbar feststellbare Materialfehler mit der Zeit zum Versagen der Konstruktion.
"Es handelt sich um mikroskopisch kleine Materialfehler, die durch zerstörungsfreie Werkstoffprüfung nicht zu identifizieren sind. Mit der in meiner Formel beschriebenen Relation zwischen Kriechstrom- und Durchschlagfestigkeit kann eine einfache Kriechstromprüfung aufwendige Tests im Hochspannungslabor ersetzen", erläutert Søren Find Madsen.
Neben der Doktorarbeit von Søren Find Madsen befassen sich mehrere in Zusammenarbeit mit anderen DTU-Forschern verfasste Forschungsberichte mit dem Zusammenhang zwischen Kriechstrom- und Durchschlagfestigkeit von GFK-Bauteilen. Einen Überblick vermittelt Søren Find Madsens Website www.highvoltage.dk.
Zwei weitere Artikel zum Zusammenhang zwischen Kriechstrom- und Durchschlagfestigkeit (auf englisch) finden Sie hier:
http://www.fiberline.dk/d/articles/art5183.asp
http://www.fiberline.dk/d/articles/art5142.asp
Ein früherer Artikel zum Thema Kriechstromfestigkeit: http://www.fiberline.dk/d/newsroom/press5076.asp
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