Elektrothermische Charakterisierung und Weiterentwicklung von Isolationssystemen für HGÜ-Kabelmuffen durch Simulation und Experiment

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Herbert De Gersem; Professorin Dr. Myriam Koch
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 510839159

Für die angestoßene grüne Energiewende werden unterirdische Hochspannungsgleichstrom (HGÜ) Kabelsysteme anstelle der konventionellen Freileitungen eingesetzt, da sie weniger Platz benötigen und das Landschaftsbild weniger beeinträchtigen, was zu einer größeren öffentlichen Akzeptanz führt. Die Entwicklung der HGÜ-Technologie ist eine der größten Herausforderungen unserer Zeit für die Gemeinschaft der Hochspannungsingenieur*innen. Der Forschungsantrag unterstützt dieses Vorhaben, indem Experiment und Simulation miteinander verwoben werden, sodass ein tieferes Verständnis von HGÜ-Komponenten erlangt wird, wobei der Fokus auf Kabelmuffen als prominentes Beispiel gelegt wird. Feldsteuerung ist das Kernprinzip bei Kabelmuffen, um die elektrische und thermische Stabilität unter regulären und ungünstigen Betriebsbedingungen sicherzustellen. Ziel des Projekts ist daher eine vollständige Charakterisierung von Isolations- und Feldsteuersystemen. Dabei ist die Herausforderung, das komplexe Zusammenspiel zwischen Materialien, Geometrie und Feldern zu verstehen und zu quantifizieren, sowohl innerhalb der Isolation, als auch an Materialgrenzflächen. Im Projekt werden daher elektrothermische Feldsimulationen und Hochspannungsmessverfahren kombiniert, um elektrothermische Feldverteilungen zu charakterisieren, welche durch nichtlineare feld- und temperaturabhängige Materialien, Polarisation und Ladungsakkumulation beeinflusst werden. Dazu werden bestehende und neu entwickelte Verfahren zur Messung von Isolationsmaterialien unter relevanter elektrothermischer Belastung eingesetzt. Aus den Daten werden Materialkennlinien abgeleitet, die alle Abhängigkeiten enthalten und auftretende Unsicherheiten berücksichtigen. Messkampagnen und transiente elektrothermische Feldsimulationen dienen der Untersuchung der elektrischen und thermischen Feldverteilung in Kabelmuffen. Daneben vertiefen Unsicherheitsquantifizierung und Sensitivitätsanalysen das Verständnis der Feldsteuerung, der Feldabschirmung und der thermischen Robustheit, die die wichtigsten Prinzipien der HGÜ-Technologie darstellen. Darüber hinaus untersucht das Projekt die Auswirkung von langsamen (Erwärmung, Ladungsakkumulation) und schnellen Transienten (Polaritätswechsel, Blitzstoß) von HGÜ-Geräten und bewertet so die Robustheit von Kabelmuffen unter realistischen Belastungen und Gefährdungen. Schließlich werden die entwickelten Werkzeuge zur Auslegung eines neuen Kabelmuffendesigns mit feldsteuernden Materialien angewendet. Mithilfe von Simulationen kann ein großer Raum von Designparametern untersucht werden, während Messungen an einem Prototyp der Feinabstimmung dienen. Die Kombination dieser Verfahren ermöglicht erste Schritte hin zu einem innovativen Kabelmuffendesign. Das Forschungsvorhaben wird damit zu einem verbesserten Verständnis von Feldsteuerung und HGÜ-Kabelmuffen beitragen und den Weg zu einer simulationsgestützten Designstrategie für robuste HGÜ-Komponenten des 21. Jahrhunderts ebnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Dr.-Ing. Yvonne Späck-Leigsnering