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TransHK

Mehr Leistung mit Gleich- und Wechselstrom übertragen

Projektstatus
Begonnen
Wechselspannungsprüfung im Höchstspannungsprüffeld der HSP Hochspannungsgeräte GmbH in Troisdorf.
Wechselspannungsprüfung einer Höchstspannungswanddurchführung mit einer zweistufigen Wechselspannungskaskade (Bildmitte im Hintergrund) im Höchstspannungsprüffeld der HSP Hochspannungsgeräte GmbH in Troisdorf.
© HSP Hochspannungsgeräte GmbH

Die Energiewende stellt das bestehende Stromnetz vor wesentliche Herausforderungen. Durch die zunehmend dezentrale und zeitlich schwankende Produktion von Strom aus regenerativen Quellen ist es notwendig, weitere Transportkapazitäten für elektrische Energie zu schaffen. Bei kritischen Komponenten der Energieübertragung hängen thermische und elektrische Phänomene stark voneinander ab und bestimmen die Stromtragfähigkeit. Das Verbundvorhaben Trans-HK beschäftigt sich unter der Leitung von Prof. Dr. Andreas Küchler, Prof. Dr. Johannes Paulus, Prof. Dr. Markus H. Zink und Dipl.-Ing. Achim Langens mit der Möglichkeit, für elektrisch und thermisch stark belastete Komponenten Verfahren für eine thermisch-elektrisch gekoppelte Simulation zu entwickeln. Diese Verfahren werden die Projektpartner dann an originalgetreuen Durchführungen verifizieren und auf weitere kritische Komponenten der Energieübertragung übertragen.

Als eines der Hauptziele möchten die Wissenschaftler die Transportkapazität von Drehstromnetzen und Gleichspannungsübertragungsstrecken erhöhen und sicherstellen. Dies lässt sich durch Analysen von kritisch belasteten Hochspannungskomponenten erreichen. Hierzu zählen beispielsweise Transformatordurchführungen, Wanddurchführungen, Kabel, Kabelmuffen, Kabelendverschlüsse oder Kabelausleitungen, sogenannte J-Tubes. In diesen Komponenten limitieren die stark miteinander gekoppelten thermischen und elektrischen Phänomene die Stromtragfähigkeit der Komponenten, der zugehörigen Betriebsmittel und letztlich der ganzen Übertragungskette.

Die Probleme gestalten sich bei Hochspannungsdrehstromübertragungen (HDÜ) etwas anders als bei Hochspannungsgleichstromübertragungen (HGÜ): Bei Wechselspannung haben die thermischen Belastungen, die auch durch dielektrische Eigenschaften der Isolationen mitbestimmt werden, ein starkes Gewicht. Für Gleichspannung besteht dagegen die Gefahr elektrischer Überlastungen durch thermisch verursachte Feldverschiebungen.

Die Ergebnisse des Projektes werden in Simulationsmethoden bestehen, die die wechselseitige thermisch-elektrische Kopplung für die betrachteten Komponenten erfassen, die an einer Komponente experimentell verifiziert sind und die komponentenübergreifend einsetzbar sind. Sie sollen der Optimierung von Komponenten der Energieübertragungskette dienen. Dabei wird auch ein großer Beitrag zum Verständnis der physikalischen Vorgänge erwartet, die zum Versagen von Isoliersystemen und somit zum Ausfall der Übertragungskette führen könnten. Darüber hinaus können gegebenenfalls auch ungenutzte Potentiale vorhandener Komponenten aufgezeigt und dadurch ein Zubaubedarf verringert werden.

Die Meilensteine im Überblick

  • Recherche und Planung – Schwachstellen der Energieübertragungsketten werden ermittelt und darauf aufbauend eine Arbeitsplanung erstellt.
  • Mock-ups für die experimentelle Verifikation von Simulationsmodellen – Komponenten werden ausgewählt und ein geeignetes Simulationsverfahren bestimmt. Anschließend baut der Projektpartner HSP herunterskalierte Mock-ups.
  • Verifikation separater thermischer und elektrischer Simulationsmodelle – elektrische und thermische Belastungen werden getrennt simuliert und mit Labormessungen verglichen. Die Modellbildung lässt sich so verifizieren.
  • Verifikation gekoppelter thermisch-elektrischer Simulationsmodelle – die gekoppelte thermisch-elektrische Simulation wird wiederum an den Mock-ups verifiziert.
  • Simulation kritisch belasteter Komponenten – Aus ermittelten Schwachstellen lassen sich Risiken ermitteln. Außerdem werden vorhandene Reserven aufgezeigt und quantifiziert. Letztendlich lassen sich Vorschläge für eine Optimierung der Komponenten ableiten.

Die Aufgaben der Projektpartner

In der Hochschule Würzburg-Schweinfurt (FHWS) sind v.a. vier Teilnehmer konkret am Projekt beteiligt: Das Institut für Energie- und Hochspannungstechnik IEHT koordiniert das Projekt, das Labor für Wärmetechnik und Thermodynamik übernimmt die wärmetechnischen Messungen an Materialien, wärmetechnische Simulationen sowie gekoppelte Simulationen, im Labor für Hochspannungstechnik werden hochspannungstechnische Prüfungen und dielektrische Messungen an Materialien durchgeführt, und das Labor für dielektrische Diagnostik und Simulation nimmt durch dielektrische Messungen an Materialien, elektrische Simulationen sowie gekoppelte Simulationen teil.

Auf Seiten des Industriepartners HSP Hochspannungsgeräte GmbH sind ebenfalls mehrere Projektteilnehmer beteiligt: Die technische Leitung übernimmt die Koordination, die Abteilungen für Technik und Entwicklung liefern Materialdaten und Versuchsmuster und sie bereiten die Herstellung von Versuchsobjekten und originalen Durchführungen vor. Die Fertigung übernimmt die Herstellung der realitätsnahen Objekte. Elektrische und thermische Tests in den Prüffeldern dienen der Verifizierung der Methoden.

Projektlaufzeit

09/2014 – 08/2018

Kontakt

Prof. Dr. Andreas Küchler
Projektkoordinator
Hochschule Würzburg-Schweinfurt
Institut für Energie- und Hochspannungstechnik IEHT
Ignaz-Schön-Str. 11
97421 Schweinfurt
+49(0)9721-940-840
+49(0)9721-940-800

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.

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