Während eine Reihe von atmosphärischen Parametern die dielektrische Festigkeit der Außenisolierung beeinflussen, werden die relative Luftdichte (δ) und die absolute Luftfeuchtigkeit als die wichtigsten angesehen. Hier liegt der Schwerpunkt auf der relativen Luftdichte, die eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von Übertragungssystemen in großen Höhen spielt, wie z. B. in China in Höhen bis zu 5000 m. Die Untersuchung der Rolle der Luftdichte begann vor mehr als einem Jahrhundert, beschleunigte sich jedoch mit der Entwicklung der Hochspannungsleitungen und der Notwendigkeit, die Auslegung von Leitungen und Umspannwerken bei Schaltüberspannungen zu optimieren. Höhenversuche mit großen Abständen wurden in Russland (1967 Bazeylan & 1968 Volkova u.a.: Versuche bis 3370 m), in den USA (1967 Phillips u.a.: Versuche bis 3500 m), in Japan (Harada u.a. 1970: Versuche bis 1850 m) sowie in Italien, Südafrika und Mexiko (Pigini u.a. 1989: vergleichende Versuche bis 3000 m) durchgeführt. Neuere Forschungen ergaben sich aus der Notwendigkeit, die Planung von UHV-Projekten in großen Höhen in China zu optimieren, mit systematischen Tests in Wuhan (35 m), Peking (50 m), Chengdu (500 m), Yinchuan (1000) m, Lanzhong (1500 m), Kunming (2100 m), Xining (2260) m, Qinghai (3000) m und Tibet (4300m). Große Klimakammern, wie die bei China EPRI, wurden gebaut, um Höhen von bis zu 6000 m zu simulieren.

In den Normen gibt es unterschiedliche Ansätze, wie die sich mit der Höhe ändernde Luftdichte berücksichtigt werden kann. Die IEC 60060-1 zum Beispiel, die für die Korrektur von Labortests konzipiert wurde, verwendet: U=Uo*K, wobei U und Uo die Dielektrizitätszahlen in großer Höhe bzw. bei normalen atmosphärischen Bedingungen sind und K der Korrekturfaktor für die Luftdichte ist, der sich aus K=δm ergibt, wobei δ die relative Luftdichte in großer Höhe ist. Die IEC 60071-2, die für die Koordinierung der Isolierung konzipiert wurde, bezieht sich direkt auf die Höhe des Standorts (H), wobei δ unter vereinfachten Annahmen mit H durch δ=e(H/8150) verbunden ist. Das Hauptproblem ist die Bestimmung des Parameters m, der von der Art der Spannungsbeanspruchung, der Isolationskonfiguration, der Art des Isolators und den Umgebungsbedingungen (z. B. trocken, nass, verschmutzt) abhängt. Abb. 1 zeigt ein Beispiel für den Bereich der “m”-Werte, die von verschiedenen Forschern für positive Schaltimpulse für verschiedene Konfigurationen mit und ohne Isolatoren ermittelt wurden. Die Ergebnisse sind in Abhängigkeit vom Spaltabstand aufgetragen. In diesem Diagramm stellen die kontinuierlichen Kurven den Korrekturansatz der alten IEC 60 dar, der m mit dem Abstand in Beziehung setzt. Mit dem neueren Ansatz der IEC-Normen 60060 und 60071 wurde versucht, die verfügbaren Informationen (die damals auf 3500 m begrenzt waren) besser zu rationalisieren, indem der Faktor m mit Spannungsparametern statt mit dem Spaltmaß in Beziehung gesetzt wurde. Die beiden Ansätze sind jedoch manchmal widersprüchlich, auch wenn sie von denselben Basisdaten ausgehen, und sie sind auch schwer anzuwenden. Außerdem berücksichtigen sie keine Informationen aus Prüfungen in Höhen bis zu 5000 m. Es bestand daher die Notwendigkeit, solche Korrekturansätze zu aktualisieren und zu harmonisieren und dabei die neuesten Ergebnisse zu berücksichtigen, wie von der IEC empfohlen und von der CIGRE unterstützt, wo Arbeitsgruppen den Einfluss der Höhe auf saubere Isolatoren (WG D1.50) und verschmutzte Isolatoren (WG D1.44) untersuchten.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, den neuen Ansatz zu optimieren:

1. Der Einfluss der Luftdichte ist in der Regel ein kleiner Teil der Durchschlags-/Überschlagsspannung: Eine wirklich kleine Ungenauigkeit bei der Messung, bei der Konfigurationssimulation oder bei den Spannungsparametern kann beim Vergleich der Ergebnisse in verschiedenen Höhen zu erheblichen Ungenauigkeiten beim Parameter m führen. Vergleichstests in verschiedenen Höhen müssen daher genau geplant und durchgeführt werden.

2. Am besten ist es, die vorhandenen historischen Versuchsdaten nicht zu vernachlässigen und neu generierte Daten zu verwenden, um sie besser zu integrieren und umzusetzen.

3. Viele Tests wurden an Basiskonfigurationen wie der Stabebene unter trockenen Bedingungen durchgeführt, bei denen der Einfluss der Luftdichte sehr unterschiedlich zu dem der tatsächlichen Isolatorkonfigurationen sein kann. Neue Daten für tatsächliche Konfigurationen sollten so weit wie möglich zur Verfügung gestellt werden.

4. Eine der wichtigsten Umgebungsbedingungen, die bei der Konstruktion zu berücksichtigen sind, ist das Verhalten bei Regen, der die Isolatorfestigkeit je nach Spannung, Konfiguration und Art des Isolators drastisch verringern kann. Da sich der relative Einfluss der Luftdichte auf die Isolatorfestigkeit bei Regen ändern kann, sind mehr Daten erforderlich, um besser zu verstehen, wie dies geschieht (z. B. durch Untersuchung der Leistung von Isolatoren unter Gleichspannung und Regen).

5. Da die Verschmutzung die maßgebliche Auslegungsbelastung für Gleichstromsysteme ist, werden zusätzliche Daten zum Einfluss der Luftdichte auf den Verschmutzungsüberschlag von hydrophilen und hydrophoben Isolatoren in Abhängigkeit von ihrer Geometrie benötigt.

6. Aufgrund der Komplexität des Phänomens und der vielen beteiligten Parameter kann das Verständnis des Einflusses der Luftdichte erleichtert werden, wenn gleichzeitig seine Auswirkungen auf die physikalischen Prozesse, die zum Überschlag führen, analysiert werden, einschließlich seines Einflusses auf die Streamer- und Leader-Phasen.

7. Aufgrund dieser Komplexität scheint es nicht möglich zu sein, einen einzigen Ansatz zu finden, der sowohl genau als auch relativ einfach ist. Letztendlich sollte die Einfachheit das Ziel für technische Anwendungen sein, und die erforderliche Genauigkeit könnte anhand der typischen Streuung der experimentellen Ergebnisse beurteilt werden.

8. Der “formale” Ansatz sollte so weit wie möglich für alle verschiedenen Normen gleich sein, um Verwirrung in den derzeitigen Normen zu vermeiden, die oft dasselbe Konzept ausdrücken und ähnliche Angaben machen, aber unterschiedliche Formulierungen verwenden.