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Modellierung und Simulation elektro-quasistatischer Feldverteilungen in Isolationsstoffen von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungskabeln und Kabelgarnituren unter Berücksichtigung nichtlinearer Effekte durch Temperatur- und Raumladungsverteilungen sowie nichtlinearer Feldsteuerungsmaterialien

Fachliche Zuordnung Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
Mathematik
Förderung Förderung von 2019 bis 2024
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 420660738
 
Erstellungsjahr 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Während der Bearbeitung des Projektes wurden neue Modelle zur Bestimmung der Raumladungsverteilung in Kabelisolierstoffen unter DC-Bedingungen, sowie Verfahren zur schnellen und effizienten Berechnung der elektrischen Felder entwickelt. Des Weiteren wurden die Auswirkungen verschiedenster Faktoren, wie z.B. die Spannungsform, die Temperaturverteilung oder die Umgebung, auf die elektrischen Felder hin untersucht. Im Einzelnen wurden neue Leitfähigkeitsmodelle entwickelt, mit denen eine verbesserte Übereinstimmung der Ergebnisse von Raumladungssimulation und Raumladungsmessung erzielt werden konnte. Mittels theoretischer Überlegungen und analytischer Ergebnisse der statischen Ladungsverteilung zeigte sich, dass eine zusätzliche räumliche Variation der elektrischen Leitfähigkeit die gewünschten Effekte nachbilden kann. Um geometrisch hochauflösende und damit meist hochdimensional diskretisierte Probleme, wie z.B. die zusätzliche Berücksichtigung der Umgebung des Kabels, schneller und effizienter berechnen zu können, wurden zudem Verfahren entwickelt, um zeitlich aufwendige gekoppelte elektro-thermische Berechnung zu vermeiden. Hierbei wurde z.B. auf existierende analytische Ergebnisse zurückgegriffen. Um Feldüberhöhungen oder thermische Instabilitäten zu identifizieren, wurden zuletzt unterschiedliche Kabelgeometrien bei einer Variation der Spannungsform, der Umgebung und der Temperaturverteilung untersucht. Die im Projekt entwickelten Leitfähigkeitsmodelle sind von praktischer Relevanz für das Design und die Auslegung von Kabelsystemen. Nichtberücksichtigte Ladungsansammlungen an Grenzschichten können zu Teilentladungen und einer signifikanten Reduktion der Lebensdauer des Isolierstoffes führen. Die entwickelten effizienten Berechnungsmethoden sind in Bezug auf zeitintensive Parameterstudien ein wichtiges Hilfsmittel, um in kurzer Zeit eine große Variation von Szenarien, wie z.B. geänderte Abmessungen, Spannungen oder Materialeigenschaften, zu berechnen. Zuletzt konnte durch die Untersuchungen der Auswirkungen verschiedenster Randbedingungen des Kabels, ein grundlegendes Verständnis des Ladungsverhaltens, z.B. bei einer anliegenden Stoßspannung oder bei einem erdverlegten Kabel, erhalten werden. Neben den Kabelgeometrien wurden innerhalb des Projektzeitraums auch Kabelverbindungen und Kabelendverschlüsse untersucht. Auch hier wurden neue Modelle entwickelt, um den Ladungstransport besser beschreiben zu können. Gerade an den Grenzschichten zweier unterschiedlicher Dielektrika zeigten Ladungsansammlungen erhöhte elektrische Felder, welche durch die konventionellen, bislang in Nutzung befindlichen Modelle nur unzureichend nachgebildet werden.

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