Funktionsprinzip von Papier-ummanteltem Draht: Elektrisches Feld und Wärmemanagementmechanismus von Öl-Papierverbundisolierung

Als wichtiges Wicklungsmaterial für Hochspannungsgeräte und Hochleistungsmotoren basiert das Funktionsprinzip von mit Papier ummantelten Drähten auf dem synergistischen Mechanismus der Stromübertragung durch den Metallleiter und der Unterdrückung der elektrischen Feldkonzentration und der Verzögerung der thermischen Alterung durch das Papier-Öl-Verbundisolationssystem. Im Betrieb hält papierummantelter Draht nicht nur hohen Strombelastungen stand, sondern muss auch in ölgetränkten oder abgedichteten Umgebungen langfristig eine zuverlässige elektrische Isolierung und thermische Stabilität aufrechterhalten. Sein Wirkmechanismus kann aus zwei Aspekten erklärt werden: Leitfähigkeitsübertragung und Isolationsschutz.

Auf der Ebene der Leitfähigkeitsübertragung ist der Kern des mit Papier-ummantelten Drahts ein Leiter aus hochleitfähigem Kupfer oder Aluminium. Wenn das Gerät mit Strom versorgt wird, wird Wechsel- oder Gleichstrom gleichmäßig über den Querschnitt des Leiters verteilt, wodurch die Energieübertragung von der Stromquellenseite zur Lastseite erfolgt. Die Wahl der Querschnittsfläche und des Materials des Leiters bestimmt seine Strombelastbarkeit und den Grad der Joule'schen Erwärmung unter Betriebsbedingungen, die den Ausgangspunkt für die Konstruktion des Wärmemanagementmechanismus bilden.

Auf der Isolationsschutzebene besteht die Isolationsschicht des mit Papier-ummantelten Drahts aus speziell behandeltem elektrischem Isolierpapier, das eng um die Leiteroberfläche gewickelt ist. Das Isolierpapier besteht aus veredelten Pflanzenfasern und weist eine hervorragende Durchschlagsfestigkeit und mechanische Belastbarkeit auf. Bei alleiniger Verwendung kann die Papierschicht zwar Leckströme blockieren, ist jedoch unter Hochspannungsbedingungen aufgrund von Luftspalten oder Feuchtigkeit anfällig für Teilentladungen. Daher muss die Papierschicht mit mineralischem oder synthetischem Isolieröl imprägniert werden. Das Öl dringt in die Mikroporen des Papiers ein und entfernt Luft, wodurch ein Öl--Papier-Verbundisolationssystem entsteht.

Das Funktionsprinzip der Öl-{0}}Papier-Verbundstruktur besteht darin, die komplementären Eigenschaften der beiden Medien zu nutzen: Die hohe Dielektrizitätskonstante und die Fließfähigkeit des Isolieröls tragen dazu bei, das elektrische Feld gleichmäßig zu verteilen und lokale Wärme abzuleiten. Das Isolierpapier sorgt für einen stabilen mechanischen Halt und eine dielektrische Barriere und verhindert so die Bildung von Entladungskanälen durch Verunreinigungen im Öl. Bei Wechselhochspannung verteilt sich das elektrische Feld hauptsächlich in der Ölschicht, während die Papierschicht als Spannungsteiler fungiert und eine Oberflächenentladung verhindert. In Gleich- oder Impulsfeldern kann der Volumenwiderstand des Papiers die Ladungsansammlung verzögern und den Spitzenwert der lokalen Feldstärke verringern.

Im Hinblick auf das Wärmemanagement wird die beim Betrieb des papierisolierten Drahts erzeugte Joule-Wärme über den Leiter zur Papierschicht geleitet und dann durch Konvektion und Leitung des Imprägnieröls an den Öltank oder das Kühlsystem des Geräts abgegeben. Das Öl-Papiersystem sorgt für eine stabile Leistung innerhalb eines geeigneten Temperaturbereichs und verhindert so eine Verschlechterung der Isolierung durch thermische Zersetzung der Papierschicht oder Verflüchtigung des Imprägniermittels.

Im Allgemeinen besteht das Funktionsprinzip von papier-isolierten Drähten darin, Strom effizient durch einen metallischen Leiter zu leiten und durch ein Öl-Papier-Verbundisolationssystem eine Homogenisierung des elektrischen Feldes, Wärmeableitung und mechanische Pufferung zu erreichen. Dies ermöglicht die langfristige Aufrechterhaltung einer zuverlässigen Isolierung und Betriebsleistung in Umgebungen mit hoher{{4}Spannung, hoher-Temperatur und Öl-und stellt eine grundlegende Garantie für den sicheren Betrieb von großen-Energie- und Industrieanlagen dar.