Grundlegende Untersuchungen zum Teilentladungsverhalten in Gas-Feststoff-Isoliersystemen unter Gleichspannungsbelastung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Steffen Großmann
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 379542208

Der Ferntransport großer Energiemengen durch verlustarme Hochspannungsgleichstromübertragung trägt der weltweit zunehmenden Integration regenerativer Energiequellen in eine moderne und nachhaltige Energieversorgung Rechnung. Die gleichzeitige Forderung nach zuverlässigen, von Umgebungsbedingungen unabhängigen und kleinräumigen Anlagen für Offshore-Anwendungen und in dicht besiedelten Gebieten wird dabei von gekapselten, gasisolierten Systemen in besonderem Maße erfüllt. Die Zuverlässigkeit dieser Gas-Feststoff-Isoliersysteme kann jedoch durch Teilentladungen an betriebs- und montagebedingten Störstellen herabgesetzt werden. Im Vergleich zur Wechselspannungsbelastung tritt allerdings bei Gleichspannung ein zum Teil prinzipiell verändertes Verhalten der Teilentladungen auf. Dabei wird die bekannte Entladungsphysik grundlegend durch zusätzliche Effekte beeinflusst. Dazu zählen z. B. eine gerichtete Bewegung von Ladungsträgern, die Ansammlung von Oberflächen und Raumladungen und eine durch impulslose Vorströme veränderte Entladungsausbildung. Damit sind prinzipielle Grundlagenuntersuchungen zum Einfluss dieser Effekte auf das Verhalten von Teilentladungen an Störstellen in Gas-Feststoff- Isoliersystemen erforderlich. Das von der Dauer der Beanspruchung bestimmte Entladungsverhalten wird abhängig von Isoliergasdruck, Feldstärke und Spannungspolarität in einer Modellanordnung experimentell untersucht. Insbesondere wird der Einfluss von Raumladungen auf den Entladungseinsatz, die Stabilität der Entladung und das Auf- bzw. Entladen von dielektrischen Grenzflächen betrachtet. Weiterhin erfolgt eine Charakterisierung der auftretenden Entladungsformen sowohl anhand leitungs- als auch feldgebundener optischer und elektrischer Größen im Zeit- und Frequenzbereich. Unter Berücksichtigung absehbarer technischer und politischer Entwicklungen werden die Versuche nicht nur mit dem in gasisolierten Anlagen bewährten Isoliergas Schwefelhexafluorid, sondern auch mit synthetischer Luft als natürliche Alternative durchgeführt. Im Rahmen des Forschungsprojektes werden neue, grundlegende Modelle zur Entladungsausbildung in Isoliergasen bei Gleichspannungsbelastung entwickelt, welche die Anwendung einer hybriden Energieversorgungsinfrastruktur mit Wechsel- und Gleichspannungskomponenten beschleunigen. Erwartet wird, dass die Ergebnisse Rückschlüsse auf Teilentladungscharakteristika erlauben, die zukünftig eine sichere Identifikation von Störstellen im Gleichspannungsbetrieb ermöglichen. Auch liefern die Untersuchungen einen grundlegenden Baustein zur Berechnung der transienten Vorgänge für Dimensionierung und Weiterentwicklung der Gas-Feststoff-Isoliersysteme. Durch die Betrachtung des Langzeitverhaltens wird ein wesentlicher Beitrag zur aktuell noch fehlenden Standardisierung der Prüfprozeduren von Gleichspannungssystemen geleistet. Insgesamt werden die Untersuchungen zu einem langfristig sicheren Betrieb innovativer Energieversorgungsinfrastrukturen beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen