Simulation und messtechnische Untersuchung der Wechselstromverluste von Energiekabeln (SiMUWEK)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ronald Plath; Professor Dr. Rolf Schuhmann
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 289991964

Der nötige Ausbau der Energienetze sorgt weltweit für einen zunehmenden Einsatz von Hochspannungskabeln mit großen Leiterquerschnitten (über 1000 mm²). Neben den durch Querschnitt, Material und Länge festgelegten Gleichstromverlusten des Kabelleiters treten im Betrieb bei der Netzfrequenz Wechselstromverluste auf, die zu den Gesamtverlusten der Leiter in erheblichem Maß beitragen können. Bezogen auf bestehende und zukünftig eingesetzte Kabel besitzen schon kleinere Optimierungen ein großes Einsparpotential bezüglich der elektrischen Verlustleistung und der damit verbundenen CO2-Emissionen.Die Wechselstromverluste sind durch die Variation verschiedener Herstellungsparameter beeinflussbar. Aufgrund der komplexen Leitergeometrie ist es bisher jedoch schwer, zuverlässige und detaillierte Aussagen über die Performance neuer Leiterbauweisen zu treffen. Das Ziel dieses Forschungsprojekts ist daher die Weiterentwicklung von Werkzeugen zur Analyse der Wechselstromverluste in solchen Kabeln. In enger Kooperation der zwei beteiligten Arbeitsgruppen sollen Simulationsrechnungen ebenso vorangetrieben werden, wie analytische Abschätzungen und Messungen. Im ersten Schritt werden vergleichende Analysen bestehender Berechnungsmethoden durchgeführt, um anschließend die erforderliche Finite-Elemente-Simulationstechnik gezielt weiterzuentwickeln. Gleichzeitig werden bestehende Leiter im Labor messtechnisch untersucht, dabei die Messergebnisse und die Berechnungen stets gegeneinander validiert.Im Ergebnis steht einerseits ein besseres grundlegendes Verständnis für das Zusammenwirken der verschiedenen Verlustmechanismen in Hochspannungskabeln. Andererseits sollen die entwickelten Werkzeuge dazu geeignet sein, neue Designs für verbesserte Energiekabel abzuleiten und deren Effizienz verlässlich vorherzusagen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen