Simulation und messtechnische Untersuchung der Wechselstromverluste von Energiekabeln (SiMUWEK)
Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt „Simulation und messtechnische Untersuchung der Wechselstromverluste von Energiekabeln“ (SiMUWEK) befasste sich mit einer Analyse von erdverlegten Hochspannungskabeln, wie sie in modernen Energieversorgungsnetzen zum Einsatz kommen. Als eines der drängendsten Probleme der Energiewende gilt der Ausbau dieser Energienetze, für den in großem Umfang neue Wechselstromleitungen vorgesehen sind. Bei den großen übertragenen Leistungen bieten auch kleine Optimierungen in den Kabelwiderständen bereits großes Einsparpotential, sowohl ökonomisch als auch bezüglich des Energieverbrauchs und den damit verbundenen Klimafolgen. Das Projekt widmete sich daher der Analyse von Wirbelstromverlusten, die durch die verschiedenen Mechanismen der Stromverdrängung bei der üblichen 50Hz-Netzfrequenz (Skin- und Proximityeffekt) unvermeidlich sind. Die klassische Messtechnik für diese Kabel erfasst im Wesentlichen nur den Gesamtwiderstand (pro Länge), aber nicht die Vorgänge im Inneren der Kabel. Ziel einer kombinierten Herangehensweise war es daher, sowohl die Messtechnik für solche Kabel zu verbessern, als auch durch analytische Berechnungen sowie den Einsatz und die Weiterentwicklung von elektromagnetischer Feldsimulation zu einem verbesserten Verständnis der Verlustmechanismen zu kommen, die perspektivisch zu einer Optimierung des Kabeldesigns führen können. Zu diesem Zweck wurde das Projekt in einer engen Kooperation der Fachgebiete Hochspannungstechnik und Theoretische Elektrotechnik an der TU Berlin durchgeführt. Ein Schwerpunkt der erzielten Ergebnisse bezieht sich auf die Verbesserung der Messtechnik für den Wechselstromwiderstand von Energiekabeln. Mit Hilfe der durch Analytik und Simulation gewonnenen Kenntnisse über die Verteilung des Stroms in den Leitungen und die auch außerhalb wirkenden magnetischen Felder konnten eine Reihe von Störeinflüssen identifiziert und sowohl qualitativ als auch quantitativ untersucht werden. So erzeugen z.B. auch für runde Kabel deren komplexer Aufbau selbst, aber auch weitere metallische Gegenstände in der Nähe wie die unvermeidlichen Rückleitungen kleine Abweichungen von der Rotationssymmetrie der äußeren Felder. Dies führt aber dazu, dass der Messaufbau im Labor und insbesondere die Verlegung der Messleitungen einen deutlichen Einfluss auf die Messergebnisse haben, der u.a. auch durch Simulationen klar nachgewiesen wurde. Zusammen mit einigen weiteren Ergebnissen dieser Art führten die Untersuchungen zu einer Reihe von praktischen Empfehlungen, wie solche parasitären Störungen in realen Messungen minimiert werden können. Weiterhin wurden während der Projektlaufzeit eine Reihe von Kabeln messtechnisch untersucht. Mit dem verbesserten Messaufbau sind nun valide quantitative Aussagen möglich, wie die Wechselstromwiderstände von verschiedenen Parametern in den Querschnittsprofilen abhängen. Daraus entstanden auch wichtige Beiträge in der Diskussion über die üblicherweise verwendete Zielgröße solcher Charakterisierungen, den ks-Faktor, dessen Interpretation bisher häufig auf empirischen Erkenntnissen beruht. Parallel wurde an einer Verbesserung der Simulationstechnik gearbeitet mit dem Ziel, auch komplexere Kabel verlässlich durch Feldberechnungen untersuchen zu können. Wie zu erwarten war, eignen sich auch moderne (kommerzielle) Simulationswerkzeuge zur Zeit nur zur Behandlung vereinfachter Modelle, insbesondere führen bereits der komplizierte Aufbau des Kabelquerschnitts (2D) zu sehr großen und langwierigen Rechnungen. Als wichtigste Herausforderung stellte sich in diesem Zusammenhang heraus, dass aktuelle Kabeldesigns aber gerade nicht zweidimensional sind, sondern (zur Minimierung der Verluste) die einzelnen Stränge gegeneinander verseilt werden. Da eine voll-dreidimensionale Simulation mit den wichtigsten geometrischen Details auch mittelfristig nicht realistisch ist, wurde ein Konzept entwickelt, auch die Geometrie und die Felder in Helix-förmigen Strukturen in 2D-Querschnittsmodelle abzubilden. Solche erweiterten geometrischen Transformationen sind vereinzelt in der Literatur zu finden, erforderten aber eine aufwendige mathematische Neuformulierung der Simulationsansätze, die bisher erst wenig Eingang in die ingenieurwissenschaftliche Forschung gefunden haben. Die erzielten Ergebnisse sind sehr vielversprechend, insbesondere konnten die wichtigsten Validierungsschritte für dieses Konzept erfolgreich abgeschlossen werden. Das Projekt hat eindeutig gezeigt, dass in der Charakterisierung von Energiekabeln die Verbindung von Messtechnik und Simulationstechnik ein vielversprechender Weg zu genaueren und verlässlicheren Ergebnissen ist. Nicht zuletzt durch die aktive Mitwirkung in einem Vornormierungsgremium haben die Projektergebnisse dazu beigetragen, sowohl die verwendete Messmethode als auch die Anwendung von Feldsimulation in dieser Community weiter zu etablieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „Besonderheiten bei der AC Widerstandsmessung an Leitern mit grossen Querschnitten“, Fachtagung Energie, Werkstatt Kabel, Kabel- und Kabelmesstechnik, Dresden, 2016
R. Suchantke
- „Besonderheiten bei der Messung von Wechselstromwiderstaenden von kurzen Leitern und kurzen Kabelstücken mit grossen Querschnitten: Difficulties with AC Resistance Measurements of Short Conductorand Cable Samples with Large Cross-Sections“, in VDE-Hochspannungstechnik 2016, Ser. ETG-Fachbericht, Berlin: VDE-Verlag, 2016, isbn: 978-3-8007-4310-0
R. Suchantke, R. Plath und R. Schuhmann
- „Alternating Current Loss Measurement of Power Cable Conductors with Large Cross Sections Using Electrical Methods“, Diss., Technische Universität Berlin, 2018
R. Suchantke
(Siehe online unter https://doi.org/10.14279/depositonce-7345) - „Dimensional Reduction for the Numerical Simulation of AC Losses of Power Cables“, International Symposium on Electric und Magnetic Fields, Darmstadt, 2018
M. C. Lehmann, M. Hadžiefendić, R. Suchantke und R. Schuhmann
- „Simulation of Eddy Current Losses in High Voltage Power Cables“, Eighteenth Biennial IEEE Conference on Electromagnetic Field Computation CEFC, 2018
M. C. Lehmann, M. Hadžiefendić, A. Piwonski, R. Schuhmann, R. Suchantke und R. Plath
- „Encoding Electromagnetic Transformation Laws for Dimensional Reduction“, 2019
M. C. Lehmann, M. Hadžiefendić, A. Piwonski und R. Schuhmann
