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Lehrstuhl für Theoretische Elektrotechnik


Prof. Dr. rer. nat. Markus Clemens

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Forschungsförderprojekt der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG CL143/17-1)

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Modellierung und elektro-quasistatische Simulationen von DC-Hochspannungskomponenten mit Raumladungs- und thermodynamischen Effekten

Projektnehmer:

Clemens, Markus, Prof. Dr. rer. nat. - Lehrstuhl für Theoretische Elektrotechnik

Laufzeit:

2019-2022

Mitarbeiter:

Christoph Jörgens, M. Sc.

Pressemitteilung

Projektbeschreibung:

Der Umbau hin zu dezentralen regenerativen Energiequellen im Rahmen der Energiewende ist verbunden mit Planungen zum Ausbau des Stromnetzes unter Verwendung von Erdkabeln zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ).

Moderne HGÜ-Erdkabel sowie deren Verbindungskomponenten beinhalten polymere Isolierstoffe, die zwar hervorragende Isolationseigenschaften besitzen, jedoch den Nachteil haben, dass sich dort elektrische Raumladungen ausbilden. Diese Ladungen fungieren als Quellen elektrischer Felder und können im Extremfall zu einem Überschreiten der elektrischen Durchschlagsfeldstärke in den Isolierstoffen führen. Durch die hieraus resultierende Schädigung des Isolierstoffes kann es zu einem Kurzschluss und damit zu einem kostenintensiven Ausfall des Energiekabels kommen. Um mögliche Schäden zu verhindern und damit die Zuverlässigkeit des Betriebsmittels zu gewährleisten, ist eine genaue Kenntnis der elektrischen Feldverteilung nötig. Diese kann mittels Methoden der numerischen Simulation bestimmt werden. Die Simulation der elektrischen Feldverteilung in einem Energiekabel kann als elektro-quasistatisches Problem betrachtet werden, da es Tage oder Wochen dauern kann, bis sich eine zeitlich konstante Raumladungsverteilung im Isolierstoff ausgebildet hat.

In diesem Forschungsprojekt werden die physikalischen Grundlagen des Verhaltens solcher elektrischer Ladungsverteilungen in Isolierstoffen von HGÜ-Erdkabeln untersucht. Daraus sollen verbesserte hochauflösende dreidimensionale Computersimulationsmodelle entstehen, mit denen das elektrische und thermische Verhalten der HGÜ-Kabelsysteme in einer annähernd realen Umgebung berechnet und durch den Einsatz neuartiger elektrisch feldsteuernder Isolationsmaterialien optimiert werden kann.

Schlagworte:

Elektro-quasistatische Felder, elektrische Energieübertragung, Hochspannungs-Gleichstromkabel, nichtlineare organische Materialien, Raumladungen, Ladungsinjektion, Ladungsbewegung

 

Veröffentlichungen (chronologisch):

C. Jörgens; M. Clemens, A Conductivity-Based Model for the Simulation of Homo- and Heterocharges in XLPE HVDC Cable Insulation, Preprint. Submitted to: IET Science Measurement and Technology. Full paper accepted for publication in 2019, März 2019, noch nicht publiziert

C. Jörgens; F. Kasolis; M. Clemens, Numerical Simulations of Temperature Stability Limits in High Voltage Cable Insulations, IEEE Transactions on Magnetics, February 2019. Early access publication., Februar 2019, DOI: 10.1109/TMAG.2019.2894023

C. Jörgens; M. Clemens, Empirical Conductivity Equation for the Simulation of Space Charges in Polymeric HVDC Cable Insulations, 2018 IEEE International Conference on High Voltage Engineering and Application (ICHVE 2018), Athens, Greece, 10.-13.09.2018, 2018, DOI: 10.1109/ICHVE.2018.8641940

C. Jörgens und M. Clemens, Thermal breakdown in high voltage direct current cable insulations due to space charges. Submitted to: COMPEL - The international journal for computation and mathematics in electrical and electronic engineering, Vol. 37, No. 5, pp. 1689-1697, 2018, DOI: 10.1108/COMPEL-12-2017-0531

C. Jörgens und M. Clemens, Modelling the Electric Field in Polymeric Insulation Including Nonlinear Effects due to Temperature and Space Charge Distributions, 2017 IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomenon (CEIPD 2017), Fort Worth, TX, USA, 22.-25.10.2017, 2017, DOI: 10.1109/CEIDP.2017.8257455