Entladungen bei Gleichspannung mit überlagerter mittelfrequenter Spannung an Grenzflächen in Hochspannungs-Isoliersystemen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Bereitstellung elektrischer Energie wird zukünftig über dezentrale Netze, in denen elektrische Energie erzeugt, transportiert und gewandelt wird und die bei Bedarf an große Übertragungsstrecken angekoppelt werden können, erfolgen. Dabei wird neben der heute dominierenden 50 Hz-Wechselspannung zukünftig die Gleichspannung als Systemspannung an Bedeutung gewinnen. Die Kopplung von Netzmodulen unterschiedlicher Form und Amplitude der Systemspannung erfolgt über leistungselektronische Topologien, deren Isolierstrecken sowohl von den Systemspannungen als auch den intrinsischen stationären und transienten Spannungen, oft mit hohem du/dt, beansprucht werden. Insbesondere bei kaskadierten Schaltungen, die in Mittel- und Hochspannungsnetzen Anwendung finden, werden die Isoliersysteme mit der Systemspannung, z.B. zumeist einer Gleichspannung und einer mittelfrequenten (einige zehn Kilohertz) sinus- oder rechteckförmigen Spannung, welche für die Funktion der leistungselektronischen Schaltungen notwendig ist, beansprucht. Ziel des Projektes war es, grundlegende Erkenntnisse für die Auslegung, Realisierung und den Betrieb von Isoliersystemen zu gewinnen, die mit einer mittelfrequenten Hochspannung, die einer Gleichspannung, überlagert ist (Mischspannung), beansprucht werden. An Grundanordnungen der Hochspannungstechnik wurden wissenschaftliche Untersuchungen zur Zündung, zur Entladungscharakteristik und zum Störpotential von Entladungen bei Mischspannungen durchgeführt. Teilentladungen (TE) bei Gleichspannung oder niederfrequenter Wechselspannung sind hinsichtlich ihres Störpotentials bei Wirkung relativ kleiner Feldstärken unkritisch. Das Störpotential von Entladungen durch mittelfrequente Spannung oder Spannungsanteile ist ungemein größer. Die Bedingungen für den Entladungseinsatz und die Entstehung und Form der Entladungsfiguren bei einer mittelfrequenten Spannung wurden in der Vergangenheit kaum in der Fachliteratur behandelt. Systematische Untersuchungen zum Entladungsbild bei Mischspannungen sind nicht bekannt. Im Vordergrund standen experimentelle Grundlagenuntersuchungen an repräsentativen Anordnungen mit synthetisierten Spannungsformen zur Nachbildung der realen Spannungsbeanspruchung. Sie konzentrierten sich auf Entladungen im gasförmigen Umgebungsmedium, deren Phänomenologie und Wirkungen auf umgebene feste insbesondere polymere Isolierstoffe. Elektrische, chemisch-physikalische und optische Untersuchungsmethoden wurden zur Beschreibung der Phänomenologie angewendet. Gewonnene Ergebnisse und Erkenntnisse leisten einen Betrag zum Verständnis von (Teil)-Entladungen bei mittelfrequenten Mischspannungen und deren Wirkung auf Isoliersysteme in technischen Anwendungen. Sie dienen damit als Grundlage zum Design und der Auslegung von Isoliersystemen moderner und zukünftiger Betriebsmittel, welche mit mittelfrequenten Mischspannungen arbeiten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Endurance of Polymeric Insulation Foil Exposed to DC-Biased Medium-Frequency Rectangular Pulse Voltage Stress. Energies, 13(1), 13.
Färber, Raphael; Guillod, Thomas; Krismer, Florian; Kolar, Johann & Franck, Christian
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Measurement and Numerical Simulation of Discharge Characteristics in Air at Medium Frequency Voltages. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 28(5), 1506-1513.
Seifert, Florian; Jugelt, Stefan & Leu, Carsten
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„Messung der Oberflächenladung von Polymer-Folien nach Corona-Aufladung mit Mischspannung“, Fachtagung Polymere Isolierstoffe und ihre Grenzflächen, Zittau, Deutschland, 6. / 7. Oktober 2021
Seifert, F.; Pichugin, P.; Töpfer, H. & Leu, C.
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„Wirkungen hoher Spannungsänderungsgeschwindigkeiten auf Isoliermaterialien“; EPCE-Online-Seminar: „Belastungen von Wicklungssystemen durch hohe du/dt“; März 2022
Leu, C.
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„Wirkungen von Entladungen auf dielektrische Grenzflächen bei Gleichspannung und überlagerter mittelfrequenter Wechselspannung”; Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022
Seifert, Florian
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„Aging of Epoxy Insulation under Mixed-Frequency Medium-Voltage and Environmental Stress”, Ph.D. Thesis, ETH Zürich, 2023
Küchler, F.
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„Dielectric Strenght of Epoxy-Air interference under Superimposed AC+DC Voltage”, International Symposium on High Voltage Engineering, Glasgow, August 2023
Borvanov, S.; Leu, C. & Töpfer, H.
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„Optical Investigation on Electrical Discharge Behavior ibn Air under DC Voltage with Superimposed AC “; XXII International Conference on Gas Discharges and their Applications, Greifswald, September 2023
Weise, M. & Leu, C.
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„Partial Discharge Detection in Solids at Medium Frequency Voltages by Vibration Measurement”; International Symposium on High Voltage Engineering, Glasgow, August 2023
Weiland, N.; Weise, M. & Leu, C.
