Entwicklung eines allgemeingültigen Modells zur Beschreibung der Durchschlagspannung in Abhängigkeit der klimatischen Umgebungsbedingungen

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Kornhuber; Professor Dr.-Ing. Uwe Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410830434

In Elektroenergiesystemen werden bei Blitzeinwirkungen und bei Schalthandlungen Überspannungen generiert, die die Isolierung der Betriebsmittel beanspruchen. Für die Auslegung bzw. die Koordination der Isolation ist die Kenntnis der Durchschlagspannung wesentlich, um Schäden als Folge des dielektrischen Versagens weitestgehend zu vermeiden.Insbesondere bei Betriebsmitteln, deren Isolierstrecke sich in atmosphärischer Luft befindet, hängt die dielektrische Festigkeit von den meteorologischen Umgebungsparametern Temperatur, Luftfeuchte, Luftdruck und Luftleitfähigkeit ab. Diese Parameter, und damit die Durchschlagspannung, sind stark vom geographischen Einbauort abhängig.Die bisherigen Methoden zur Korrektur der Durchschlag- und Stehspannung basieren auf empirischen Ansätzen ohne differenzierte Berücksichtigung der Teilprozesse. Die wichtigsten diesbezüglichen Standards sind die IEC 60060 der Hochspannungsprüftechnik und die IEC 60071 der Isolationskoordination. Die Anwendung dieser Korrekturmethoden auf atypische Umgebungsbedingungen (z.B. Meereshöhen von über 2000 m NHN) führt zu Abweichungen gegenüber aktuellen Messwerten. Die genannten Standards weisen zudem Unstimmigkeiten zueinander auf, obwohl beide Normen auf denselben empirischen Modellvorstellungen basieren. Die weltweite Diskussion zu diesen Unzulänglichkeiten führte zur Etablierung verschiedener Arbeitsgruppen, ohne dass bisher die Schwachstellen ausreichend ausgeräumt werden konnten (IEC JWG 42/22; CIGRE WG D1.50).Die dafür notwendigen Grundlagen sollen im Rahmen dieses Forschungsvorhabens gelegt werden. Die genannten Arbeitsgruppen haben hierfür ihre Unterstützung signalisiert. Ziel ist es, ein allgemeingültiges physikalisches Modell zu entwickeln, welches die Abhängigkeit der Durchschlagspannung von spezifischen Parametern der meteorologisch-geographischen Umgebungsbedingungen für unterschiedliche Elektrodenanordnungen und Spannungsformen beschreibt.Neuere Forschungsergebnisse haben gezeigt, dass sich jeder Durchschlagprozess in luftisolierten Funkenstrecken aus den Teilprozessen Streamer und Leader zusammensetzt. In Erweiterung zu den bisherigen Ansätzen wird daher in diesem Forschungsvorhaben der gesamte Durchschlagprozess für spezifische Elektrodenkonfigurationen und Umgebungsbedingungen differenziert nach seinen Teilprozessen (Streamer, Leader) messtechnisch erfasst und bewertet. Aufbauend auf dieser Parameterstudie werden im Anschluss die Einflüsse der meteorologisch-geographischen Umgebungsbedingungen auf die Teilprozesse bestimmt.Auf Basis der Untersuchungsergebnisse wird ein physikalisches Modell des Durchschlagmechanismus unter Berücksichtigung der Teilprozesse entwickelt. Das Modell soll die konsistente meteorologisch-geographische Korrektur der Prüfspannungen (Durchschlag- und Stehspannungen) ermöglichen. Für die Isolationskoordination wird die Stehspannungs-Korrektur in Abhängigkeit der Installationshöhe abgeleitet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Weidong Shi
• Mitverantwortliche: Professor Dr.-Ing. Steffen Großmann; Professor Dr.-Ing. Wolfgang Schufft