Projektleitung
| Name | Kontakt | |
|---|---|---|
| Tobias Müller M.Sc. | tobias.mueller5@tu-... +49 6151 16-20441 S3|21 403 |
Hintergrund
Aufgrund des steigenden Bedarfs an langen nationalen und internationalen Energieübertragungsstrecken sind viele Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Projekte (HGÜ) geplant bzw. befinden sich bereits in der Bauphase (siehe Abbildung). In Deutschland wird ein Großteil der Strecken in Form von erdverlegten Kabeln umgesetzt. Die Zuverlässigkeit dieser Energiekabelanlagen ist fundamental für den Erfolg der Energieübertragung und die Netzstabilität.
Für Landkabelverbindungen ist eine hohe Anzahl von Kabelverbindungen (Muffen) erforderlich, da die Kabelstücke fertigungs- bzw. transportbedingt nicht länger als 1 bis 2 km hergestellt werden. Aus HVAC-Anwendungen ist bekannt, dass Kabelgarnituren anfällig für Fehler sind, insbesondere Kabelmuffen. Es wird davon ausgegangen, dass die Kabelmuffen auch bei HGÜ-Kabelsystemen eine Schwachstelle darstellen. Neben einem guten Design hängt der Entwicklungserfolg von robusten HGÜ-Kabelgarnituren stark von zuverlässigen Isoliermaterialien ab.
Elektrothermische Materialcharakterisierung
Ein wichtiger Schritt bei der Auslegung von Hochspannungskabelgarnituren ist die Bestimmung der elektrischen Feldverteilung innerhalb der multidielektrischen Anordnung mit Hilfe numerischer Modelle (Simulation). Die Modelle müssen sowohl temperatur- und feldabhängige elektrische Leitfähigkeiten als auch Raumladungsphänomene berücksichtigen. Die numerischen Modelle basieren auf Daten, die aus elektrischen Messreihen abgeleitet werden. Um robuste Berechnungsergebnisse zu erzielen, muss die experimentelle Datenbasis zuverlässig sein und die relevanten Parameter der Betriebsbedingungen berücksichtigen. Grundlage dieser Datenbasis ist die experimentelle elektrothermische Charakterisierung der Isolationsmaterialen, das heißt z.B. die Gleichstromleitfähigkeit oder die Permittivität in Abhängigkeit der Temperatur.
Die elektrische Feldverteilung im stationären Strömungsfeld ist abhängig von den Leitfähigkeiten der beteiligten Isolationsmaterialien. Die Leitfähigkeit von Isoliermaterialien kann temperatur- und feldstärkeabhängig sein. Weiterhin besteht ein Temperaturgradient während des Betriebs vom bestromten Innenleiter hin zur Außenseite des Kabels. Dies kann, bezogen auf das unbestromte Kabel, eine Inversion des elektrischen Feldes zur Folge haben.
Hinzu kommt bei Gleichstromanwendungen die mögliche Akkumulation von Raumladungen in Isolationsmaterialien. Raumladungen beeinflussen die elektrische Feldverteilung und den Ladungstransport im Isolationsmaterial. Sie stellen daher sowohl bei stationären als auch bei transienten Belastungen ein zusätzliches Risiko für die Zuverlässigkeit des Isoliersystems dar (z.B. Feldüberhöhung, Verpolung, schnelle Erdung, transiente Überspannungen durch Stromrichterausfälle, Durchschlag oder Einkopplung von Blitzstoßspannungen).
Ziel des Forschungsprojektes
Das Forschungsprogramm zielt auf ein besseres Verständnis des physikalischen Verhaltens der Materialien von HGÜ-Kabelmuffen ab. Dies soll mittels elektrischer und thermischer Charakterisierung in Verbindung eines hochpräzisen Berechnungsmodells erfolgen. Hierzu wurde die Simulationssoftware „Pyrit“ in Kooperation mit dem Fachgebiet für Theorie Elektromagnetischer Felder (EMFT) entwickelt und erweitert. Sie basiert auf der Finite-Elemente-Methode.
Neben der Charakterisierung einzelner Materialien soll auch eine vollständige HGÜ-Kabelmuffe elektrothermisch vermessen werden, insbesondere um die Simulationen zu validieren.
Schließlich sollen aus den Untersuchungen Empfehlungen für die essentiellen dielektrischen Eigenschaften der Materialien hervorgehen. Durch Kombination der experiementell erfassten Messdaten mit dem Berechnungsmodell können neue Design Konzepte für HGÜ-Kabelmuffen entstehen.