Modellierung und Simulation elektro-quasistatischer Feldverteilungen in Isolationsstoffen von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungskabeln und Kabelgarnituren unter Berücksichtigung nichtlinearer Effekte durch Temperatur- und Raumladungsverteilungen sowie nichtlinearer Feldsteuerungsmaterialien

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Clemens
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Mathematik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 420660738

Durch den Ausbau dezentraler regenerativer Energiequellen mit großen Distanzen zu den Verbraucherzentren steigt die Nutzung der so genannten Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ). Die HGÜ-Technik zeichnet sich durch geringere Übertragungsverluste auf große Distanzen im Vergleich zur Wechselstromtechnik aus. Moderne HGÜ-Erdkabel beinhalten häufig polymere Isolierstoffe. Diese besitzen hervorragende isolierende Eigenschaften, haben jedoch den Nachteil, dass sich dort leicht Raumladungen ausbilden können. Die Ladungen treten als Quellen von elektrischen Feldern auf und können so lokal Feldüberhöhungen hervorrufen. Dies kann zu einem Überschreiten der elektrischen Durchschlagsfeldstärke des Isolierstoffes führen, wodurch es zu einer Schädigung des Isolierstoffes und einem Ausfall des Betriebsmittels kommen kann. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Modellierung und rechnergestützte Simulation des Verhaltens elektrischer Ladungsverteilungen in Isolierstoffen von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Kabeln und HGÜ-Kabelgarnituren. Das Konzept sieht vor, zuverlässige rechnergestützte Simulationen der Raumladungsverteilung, unter Verwendung zu erweiternder mathematisch-physikalischer Modelle von HGÜ-Kabeln, zu ermöglichen.Basierend auf den bisher bereits am Lehrstuhl des Antragstellers geleisteten umfangreichen Vorarbeiten zu eindimensionalen elektro-quasistatischen Simulationsmodellen mit radialsymmetrischen Raumladungsverteilungen, sollen zuverlässige Modelle für die elektrischen Leitfähigkeit der Isolationsstoffe formuliert werden, die die Effekte an Rändern und Grenzschichten beinhalten. Damit soll das Grenzflächenverhalten unterschiedlicher Dielektrika, in Bezug auf Raumladungen, untersucht werden. Zudem sollen Spannungsformen, die der Gleichspannung überlagert sein können, untersucht und mit Blick auf Raumladungsakkumulationen analysiert werden. Aufbauend auf bisherigen Vorarbeiten des Antragstellers soll eine vorhandene Simulationsumgebung für zwei- und dreidimensionale Modellierungen geeignet erweitert werden, damit auch zusätzliche Effekte wie Temperatur- oder Druckunterschiede der Umgebung untersucht werden können. Zudem soll der Einsatz feldsteuernder Materialien und deren Auswirkungen auf Raumladungsverteilungen simuliert und untersucht werden. Für eine dreidimensionale Simulation soll das HGÜ-Kabelsystem in einer annähernd realen Umgebung simuliert werden. Im Rahmen des Forschungsprojektes sollen die numerischen Berechnungsverfahren zudem in ihrer numerischen Effizienz verbessert werden, um sie für Parameteroptimierungsaufgaben und stochastische Unsicherheitsuntersuchungen bei toleranzbehafteten Eingangsgrößen geeignet einsetzen zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen