Ersatzschaltbild eines NLCM
Herkömmliche bzw. lineare Isolierstoffe stellen im Normalfall für Wechselspannung hauptsächlich eine kapazitive Last dar. Sollen Kriech- bzw. Leckströme berücksichtigt werden, so kann das Ersatzschaltbild (ESB) um einen parallelgeschalteten Widerstand erweitert werden.
Im Falle einer Gleichspannung verhält es sich genau umgekehrt: Der Isolierstoff kann als hochohmiger Widerstand betrachtet werden und im Falle kurzer Schaltvorgänge wird die parallelgeschaltete Kapazität berücksichtigt.
Bei NLCM wird ebenfalls die Parallelschaltung beider Komponenten genutzt, um das Verhalten zu beschreiben, jedoch wird der Widerstand dabei als Varistor definiert – ein spannungsabhängiger variabler Widerstand. Betrachtet man nun den durch den Isolierstoff fließenden Gesamtstrom, der stets eine Überlagerung von kapazitivem und resistivem Strom darstellt, so ergeben sich im Wesentlichen zwei mögliche Szenarien.
Im Fall 1 ist die Spannung bzw. resultierende Feldstärke zu gering, sodass der Varistor einen sehr hohen Widerstandswert aufweist. Für den Strom stellt dieser Widerstand ein zu großes Hindernis dar, sodass der Leckstrom nur durch die Kapazität bestimmt wird. Hier wirkt das NLCM (bei Wechselspannung) wie ein herkömmlicher Isolierstoff. Für Fall 2 wurde die Spannung/Feldstärke nun so weit erhöht, dass der Varistor durchschaltet – sprich: Der Widerstandswert sinkt nun so stark, dass der Innenwiderstand der Kapazität viel höher wird.
Dadurch fließt der Strom nun hauptsächlich durch den Widerstand. Die beiden Fälle sind in Abbildung 1 dargestellt. Zusätzlich sind die in diesen Fällen resultierenden Feldstärken und Stromdichten qualitativ in Abbildung 2 aufgezeigt.
Anwendung des ESB
Bezieht man das oben vorgestellte Modell auf ein Volumenelement eines Isolierstoffvolumens, so muss man das gesamte Volumen als Reihenschaltung von mehreren Elementen betrachten. Wählen wir also als Isoliervolumen das bekannte Modell eines Zylinderkondensators (Abbildung 3).
Entlang der in der Abbildung markierten, roten Linie definieren wir exemplarisch drei Volumenelemente. Je nach angelegter Spannung können diese Volumenelemente nun in einem von drei möglichen Zuständen sein: 1. Resistiver Strom überwiegt, 2. Kapazitiver und resistiver Strom in etwa gleich groß und 3. Kapazitiver Strom überwiegt. Die Nummerierung der Zustände ist von innen nach außen zu verstehen, denn Innen herrscht die höchste Feldstärke, während außen nur noch eine sehr geringe Feldbelastung vorliegt. In Abbildung 4 sind diese drei Zustände anhand der roten Pfeile zu erkennen, die den Stromfluss repräsentieren.
Insgesamt sorgt das Verhalten des nichtlinearen Materials durch diese Prozesse für eine Homogenisierung der Feldverteilung.
Abschluss der Serie
Wie wir feststellen, schließt sich an dieser Stelle der Kreis und der Bogen zurück zum Anfang der Blogserie wurde geschaffen. Die Homogenisierung durch das NLCM wurde bereits in Blog 3 aufgezeigt und anhand von mehreren Modellen diskutiert. Dort wurde auch der beliebte Zylinderkondensator besprochen.
Für praxisnahe Anwendungen bedeutet dies, dass wir bspw. unebene, spitze Elektrodenkonturen durch das Auftragen von dünnen Schichten NLCM von starken Feldstärkespitzen befreien können (Abbildung 5).
Für weitere, tiefergehende Informationen zu NLCM oder bei Interesse an maßgeschneiderten Untersuchungen kontaktieren Sie gern auf allen gängigen Kanälen.