Rashid Hussain

Rashid Hussain, M.Sc.

Isolierstoffe zur Feldsteuerung in HGÜ-Systemen

+49 6151 16-20444
+49 6151 16-20434

Fraunhoferstr. 4
64283 Darmstadt

Raum: S3|21 405

Studentische Arbeiten

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Offen:

In Bearbeitung:

Abgeschlossen:

Lehre

Sommersemester 2017

Forschungsschwerpunkt

Untersuchung von funktionell gefüllten polymeren Isolierstoffen zur Feldsteuerung in HGÜ-Systemen

Projektbeschreibung

Hintergrund

Im Rahmen der Energiewende muss immer mehr Energie über immer größere Distanzen transportiert werden. Dabei ist es notwendig die entstehenden Verluste so gering wie möglich zu halten. Es liegt auf der Hand, dass die Energiewende in Deutschland entscheidend mit dem Ausbau der Übertragungs- und Verteilnetze verbunden ist. Zurzeit sind die Hochspannungsleitungen als auch die Verteilnetze kaum auf die Anforderungen der Energiewende ausgerichtet. Gerade bei den langen Trassen von Offshore-Windparks im Norden zu den Verbrauchern im Süden sind neue Leitungen notwendig.

Ein wesentlicher Baustein des Netzausbaus ist in diesem Zusammenhang die HGÜ-Technik (Hochspannungsgleichstromübertragung). Mit der HGÜ-Technik sind 30 bis 50 Prozent weniger Verluste als mit herkömmlichen Drehstrom-Freileitungen möglich. HGÜ-Freileitungen sind dabei erst ab einer Länge von 600 km wirtschaftlicher als Freileitungen auf Basis klassischer Drehstromtechnik. Im Gegensatz dazu ist der Energietransport über Kabel ab einer Länge von etwa 80 km nur noch durch HGÜ möglich. Hier wird deutlich wie wichtig die HGÜ-Technik für die Energiewende und damit auch für den Netzausbau ist.

Feldsteuerung

Nichtlineare resistive Steuerung an einem Kabelende
Nichtlineare resistive Steuerung an einem Kabelende

Eine wichtige Rolle bei Betrachtung der HGÜ-Technik spielt das Verhalten der Isolierstoffe in den eingesetzten Betriebsmitteln. Dieses weicht bei einer Belastung mit Gleichspannung unter Umständen erheblich vom Verhalten unter Wechselspannungsbeanspruchung ab.

Beispielsweise die Ansammlung von Ladungsträgern in den Isolierstoffen kann zu einer Verzerrung des elektrischen Feldes führen und damit im schlimmsten Fall zum Überschlag und zur Zerstörung des Betriebsmittels. Aus diesem Grund muss der Feldsteuerung in Gleichspannungssystemen eine besondere Berücksichtigung zugeteilt werden. In Wechselspannungsanwendungen kann Feldsteuerung geometrisch, kapazitiv, refraktiv oder resistiv erfolgen. Von diesen Möglichkeiten fällt für Gleichspannungsanwendungen die refraktive Steuerung (Steuerwirkung über unterschiedliche Permittivitäten) raus, da diese nur bei zeitlich veränderlichen Spannungen wirksam ist. Die anderen Steuermöglichkeiten sind prinzipiell zur Feldsteuerung in Gleichspannungsanwendungen geeignet.

Ideale Feldabhängigkeit der Leitfähigkeit für die nichtlineare Feldsteuerung
Ideale Feldabhängigkeit der Leitfähigkeit für die nichtlineare Feldsteuerung

Gleichspannungsanwendungen sind jedoch einer kapazitiv-resistiver Mischfeldbeanspruchung ausgesetzt und dadurch verkompliziert sich die Auslegung der Feldsteuerung. Es muss für das Isoliersystem ein Optimum gefunden werden, welches den transienten – z.B. Ein- und Ausschaltvorgänge – und den stationären Betriebszustand des Betriebsmittels gewährleistet. Eine neue, in letzter Zeit immer stärker untersuchte und vielversprechende Feldsteuertechnik ist die sog. nichtlineare resistive Feldsteuerung. Das Grundprinzip beruht auf einer Abhängigkeit der Gleichstromleitfähigkeit des polymeren Isolierstoffes vom anliegenden elektrischen Feld. Dadurch soll es möglich sein die Feldverteilung für jede Beanspruchung zu optimieren.

Ziel des Projektes

Im Rahmen dieses Projektes sollen polymere Isolierstoffe zur Feldsteuerung in Gleichspannungsanwendungen (speziell für Kabelgarnituren) in der Hochspannungsebene untersucht und entwickelt werden. Dabei wird mit einem Industriepartner zusammengearbeitet, welcher für die Herstellung der polymeren Isolierstoffe zuständig ist. Auf Basis der angesprochenen nichtlinearen resistiven Feldsteuerung sollen dabei unterschiedliche polymere Isolierstoffe mit neuartigen Füllstoffen versetzt werden. Durch die Zugabe von Füllstoffen soll so die Nichtlinearität des Isolierstoffs erreicht werden.

Zu Beginn muss dazu zunächst eine elektrische Charakterisierung des Grundmaterials (Silikone) erfolgen, d.h. z.B. die Bestimmung der Gleichstromleitfähigkeit und der Permittivität. Zu diesem Zweck sollen die benötigten Prüflinge aus dem Grundmaterial am Fachgebiet selbst hergestellt werden und anschließend in einem dafür aufgebauten Charakterisierungsversuchsstand untersucht werden. Anschließend sollen verschiedene Füllstoffe untersucht werden und in variierender Füllstoffkonzentration eingesetzt und untersucht werden. Ist ein vielversprechender polymerer Isolierstoff mit entsprechendem Füllstoff gefunden, soll dieser unter realen Bedingungen getestet werden. Dazu soll dieser in einem Kabelendverschluss oder in einer Kabelmuffe eingesetzt und unter Gleichspannungsbeanspruchung getestet werden.

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