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Plasma-Beschichtung schützt Messing vor Teilentladungen
Ein chinesisches Forschungsteam hat mit einem atmosphärischen Plasma-Jet (APPJ) siliciumhaltige Dünnfilme auf Messingelektroden abgeschieden, um kontaminationsbedingte Teilentladungen in gasisolierten Anlagen zu unterdrücken. Die Behandlung reduziert die Anzahl der Teilentladungen um bis zu 36,5 % und verwandelt die hydrophile Messingoberfläche in eine nahezu superhydrophobe Oberfläche mit einem Kontaktwinkel von 146°.
Gasisolierte elektrische Anlagen sind Betriebsrisiken ausgesetzt, die durch metallische Partikelkontamination verursacht werden und Oberflächenentladungen auslösen. Diese Entladungen können zu Materialabtrag, Alterung und schliesslich zu Betriebsausfällen führen. Zur Adressierung dieser Herausforderung schlägt das Forschungsteam eine dynamisch rotierende Filmabscheidung auf Messingelektroden mittels eines atmosphärischen Plasma-Jets (APPJ) vor. Durch die Steuerung der Reaktionsbedingungen wird ein Ar/Hexamethyldisiloxan (HMDSO)-Plasma etabliert, das aktive Spezies wie Ar* und siliciumhaltige Fragmente liefert. Diese scheiden einen siliciumhaltigen Film auf der Messingelektrodenoberfläche ab und verbessern damit die dielektrischen Eigenschaften sowie die Austrittsarbeit der Oberfläche.
Für die Untersuchung wurde ein plasmagestütztes Nanosekunden-Pulsabscheidungssystem entwickelt, das mit Plasmadiagnostik-Technologien integriert wurde. Damit konnten die bildgebenden und photoelektrischen Eigenschaften von Entladungen auf behandelten Substraten unter erzwungenem Nullpotential- und Schwebepotential-Zuständen sowohl in Simulationen als auch in Experimenten untersucht werden.
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Deutliche Reduktion der Teilentladungen
Die filmbeschichteten Elektroden wurden hinsichtlich Teilentladungsverhalten, Flashover-Spannung und Benetzbarkeit evaluiert. Bei angelegten Spannungen von 5 kV und 8 kV sank die Anzahl der Teilentladungsereignisse um 36,5 % beziehungsweise 32,3 %. Die durchschnittliche Amplitude reduzierte sich um 37,5 % und 23,8 %, während die maximale Amplitude um 13,8 % und 34,5 % abnahm. Zusätzlich stieg die Flashover-Spannung um 0,6 kV – ein wichtiger Sicherheitsgewinn für den Betrieb elektrischer Anlagen.
Die Kombination aus physikochemischer Charakterisierung und theoretischer Analyse ermöglichte die Aufklärung des Reaktionsmechanismus. Der Mechanismus der Entladungsunterdrückung wurde auf Basis von elektrischen Feldsimulationen und Messungen der Austrittsarbeit erklärt. Diese fundierte mechanistische Aufklärung unterscheidet die Studie von rein empirischen Ansätzen und bietet eine belastbare Grundlage für weitere Optimierungen.
Superhydrophobe Oberfläche als zusätzlicher Nutzen
Neben der elektrischen Performance zeigte die Behandlung auch bemerkenswerte oberflächenchemische Effekte: Die Messingoberfläche wandelte sich von hydrophil (Kontaktwinkel 60° ± 6°) in nahezu superhydrophob (146° ± 3°). Die Austrittsarbeit der Oberfläche stieg um 0,114 eV. Diese Kombination aus verbesserter Isolationsleistung, Superhydrophobie und höherer Austrittsarbeit macht den Ansatz besonders attraktiv für Anwendungen in gasisolierten Schaltanlagen und Hochspannungssystemen.
Der APPJ kann durch Oberflächenbehandlung gezielt die Abscheidung dünner Filme auf Messingelektrodenoberflächen steuern und so kontaminationsbedingte Entladungen unterdrücken. Für die Elektrotechnik und Energieversorgungsindustrie liefert die Studie einen neuen Ansatz zur Verbesserung der Isolationsleistung von Anlagen. Insbesondere im Kontext wachsender Anforderungen an die Zuverlässigkeit elektrischer Infrastrukturen und der zunehmenden Verbreitung gasisolierter Schaltanlagen bietet die APPJ-basierte Beschichtungstechnologie eine wirtschaftliche und effektive Option zur Verlängerung der Lebensdauer kritischer Komponenten.
Quelle: Cheng, H. et al. Silicon film deposition on brass with atmospheric-pressure plasma jet for suppressing metallic contamination-induced partial discharge. Prog. Org. Coat. (2026). https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2026.110303
