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Lehrstuhl für Theoretische Elektrotechnik


Prof. Dr. rer. nat. Markus Clemens

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Lapp Insulators GmbH

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Elektrostatische 3D FEM-Feldberechnung und Optimierung für Langstabisolatorketten

Mitarbeiter:

Ye, Hanyu, M.Sc. (EE)


Kooperationspartner:

Seifert, Jens-Martin, Dr.-Ing.; Stefanini, Daniele, Dipl.-Ing. (beide Lapp Insulators GmbH); Weida, Daniel, Dipl.-Ing. (Helmut-Schmidt-Universität / UniBW Hamburg)

 

Projektbeschreibung:

Das unter dem Titel „Elektrostatische 3D FEM-Feldberechnung für Langstabisolatorketten“ durchgeführte Projekt beinhaltet die detailgenaue Modellierung und rechnergestützte Simulation von elektrostatischen Feldverteilungen an geometrisch komplexen dreidimensionalen Langstabisolatoranordnungen. Hierbei werden Finite-Elemente-Simulationen zur Lösung des zugrundeliegenden dreidimensionalen elliptischen Randwertproblems verwendet, wozu das am Lehrstuhl entwickelte Feldsimulationsprogramm MEQSICO (Magneto-/Electro-Quasistatic Simulation Code) mit FEM-Ansatzfunktionen höherer Ordnung eingesetzt wird. Von besonderem Interesse ist hierbei die Einhaltung der maximalen Feldstärkewerte von 4,5kV/cm nach EPRI-Norm an den kritischen Tripelpunkten der Konstruktionen (Tripelpunkt= Luft-Isolator-Metall-Übergang). Obwohl die Isolatoren im Wesentlichen rotationssymmetrisch sind, werden trotzdem vollständige dreidimensionale Berechnungen durchgeführt, da nur so die Koppelkapazitäten zwischen den Isolatorgeometrien und den benachbarten Strukturen wie der Mastenkonstruktion, dem Erdboden sowie den angehängten Hochspannungskabeln in ausreichender Genauigkeit berücksichtig werden können. Diese hochdetailgetreue Auflösung benötigt Gittermodelle, in denen die geometrischen Abmessungen Unterschiede in den Gitterkantenlängen von bis zu 5 Größenordnungen zur Folge haben können. Da dies die aktuell verfügbaren Gittergeneratoren regelmäßig an ihre Grenzen führt, erfordern diese FEM-Modelle besondere Maßnahmen bei der Erstellung des FEM-Gittermodells. Die aus der FEM-Diskretisierung resultierenden algebraischen Gleichungssysteme werden mit modernen Verfahren der Numerischen Linearen Algebra auf Hochleistungs-Workstations berechnet. Um die Robustheit der erzielten  Feldberechnungsergebnisse zu verifizieren, sind umfangreiche Konvergenzstudien erforderlich.

Diskretisierung durch MESH Dreiecke (links); Elektrische Feldverteilung (rechts)

Laufzeit:

2009 - heute


Drittmittelgeber:

Lapp Insulators GmbH


Schlagworte:

Elektrische Energieübertragung, Langstabisolatoren, Numerische Feldberechnung


Veröffentlichungen:

  • D. Weida, T. Steinmetz, M. Clemens, D. Stefanini, J. Seifert, Benefits of Higher Order Elements for Electrostatic Simulations of Large-Scale 3D Insulator Structures, Proceedings of the 29th 2009 IEEE Electrical Insulation Conference (EIC 2009), Montréal, Québec, Canada, 31.05..-03.06.2009, p. 558 – 561. (ISBN: 978-1-4244-3916-4,IEEE Catalog No. CFP09EEI-PRT)

  • D. Stefanini, M. Clemens, J.M. Seifert, Three Dimensional FEM Electric Field Calculations for EHV Composite Insulator Strings, International Power Modulators and High Voltage Conference (IPMHVC 2010), 23.-27.05.2010, Atlanta, USA. Book of Abstracts, p. 276. Full paper to appear in Proceedings volume..