TY - CHAP A1 - Küchler, Andreas A1 - Reumann, Andreas A1 - Wirth, Isabell A1 - Langens, Achim A1 - Berger, Frank T1 - Erfassung transienter elektrischer Potentialverteilungen in thermisch hoch belasteten Gleichspannungsdurchführungen BT - ETG-Fachtagung Diagnostik Elektrischer Betriebsmittel T2 - ETG-Fachbericht 144 N2 - Mit Hilfe kapazitiver Steuerung können Durchführungen hochspannungsführende Leiter durch geerdete Wände in Gebäuden oder Geräten führen. Bei zeitveränderlichen Belastungen (Stoß-, Wechselspannungen) wird die gewünschte Potentialaufteilung durch die Kapazitäten zwischen den leitfähigen Steuerbelägen erzwungen. Bei Gleichspannung ergibt sich eine resistive Steuerung, die bei homogener Leitfähigkeit des Isolierkörpers eine prinzipiell gleichartige Potentialaufteilung ergibt. Durchführungen sind jedoch thermisch hoch belastete Betriebsmittel, in denen starke Temperaturgradienten und in ihrer Folge starke Leitfähigkeitsgradienten entstehen, die zu einer erheblichen Verschiebung der Potentialverteilung führen können [1]. Für Design und Diagnose ist das Verständnis dieser bisher nur theoretisch erfassbaren Vorgänge von großer Bedeutung. Deshalb wurden für experimentelle Untersuchungen zwei identische Durchführungskörper hergestellt, die mit Temperaturfühlern für thermische Messungen bzw. mit Anzapfungen für die Erfassung von elektrischen Potentialen ausgerüstet wurden. Die identische Beheizung beider Leiterrohre erlaubt es, eine Korrelation gemessener thermischer und elektrischer Profile und Transienten herzustellen. Für rückwirkungsfreie Messung der Gleichspannungspotentiale wurde ein Rotationsvoltmeter benutzt. Die Untersuchungen bestätigen das theoretisch erwartete thermisch-elektrische Verhalten und sie zeigen, dass erhebliche transiente und stationäre elektrische Belastungen auftreten können, die im Zusammenhang mit thermischen Transienten und Belastungen gesehen werden müssen. Sie sind beim Design in Rechnung zu stellen und sie zeigen, dass die bei dielektrischen Diagnosemessungen erfassten Materialkenngrößen wichtige Aussagen über den elektrischen Belastungszustand der Durchführung liefern können. Y1 - 2014 UR - https://www.vde-verlag.de/proceedings-de/453648016.html PB - VDE CY - Berlin ER - TY - CHAP A1 - Küchler, Andreas A1 - Wirth, Isabell A1 - Reumann, Andreas A1 - Zink, Markus H. A1 - Schnitzler, Tim A1 - Langens, Achim A1 - Berger, Frank T1 - Steady-state and Transient Electrical Potential Distributions in HVDC Bushings Measured under Different Thermal Conditions T2 - 19th International Symposium on High Voltage Engineering N2 - High voltage DC (HVDC) applications become more and more important and the voltage level for energy transportation increases steadily. Hence the design of the DC insulation systems becomes more and more difficult. The difference between HVDC and HVAC insulation systems is that in HVAC the electrical field is distributed according to the permittivities of the materials. Permittivity is only weakly dependent on temperature, so there is no significant difference between the electrical field distribution at room temperature and operating temperature of the insulation system. In HVDC however the electrical field is distributed according to the conductivities of the insulation materials whereas the conductivity is strongly dependent on temperature. This can lead to completely different field distributions at varying temperatures. The investigations presented here show simulation results of HVDC bushing cores in comparison with measurements on those test objects. Simulations and measurements were performed both for temperature distributions and electric potentials of the grading layers in the bushing at DC voltage. For the first time, it was shown by experiment that the FEM simulation can reproduce real DC field distributions very well. It was also shown, that there is a strong influence of temperature gradients or temperature transients on transient and steady-state electrical potential distribution inside the insulation. Y1 - 2015 CY - Pilsen, Czech Repbulic ER - TY - CHAP A1 - Wirth, Isabell A1 - Reumann, Andreas A1 - Küchler, Andreas A1 - Schnitzler, Tim A1 - Langens, Achim A1 - Berger, Frank A1 - Zink, Markus H. T1 - Steady-state and Transient Electrical Potential Distribution in HVDC Bushings Measured under Different Thermal Conditions T2 - 19th International Symposium on High Voltage Engineering Y1 - 2015 CY - Pilsen, Czech Republic ER - TY - CHAP A1 - Wirth, Isabell A1 - Reumann, Andreas A1 - Zink, Markus H. A1 - Küchler, Andreas A1 - Langens, Achim A1 - Schnitzler, Tim T1 - Messung elektrischer und thermischer Transienten an Hochspannungsgleichstromdurchführungen T2 - Highvolt Kolloquium, Dresden, 2015 (Poster) Y1 - 2015 ER - TY - CHAP A1 - Wirth, Isabell A1 - Sturm, Sebastian A1 - Küchler, Andreas A1 - Zink, Markus H. A1 - Berger, Frank A1 - Schnitzler, Tim T1 - Berücksichtigung von Leitungs- und Polarisationsmechanismen in transienten FEM-Simulationen von HGÜ-Isoliersystemen T2 - VDE-Hochspannungstechnik 2018, Berlin N2 - The calculation of electrical field distributions in insulation systems for high voltage direct current (HVDC) transmission using the finite element method (FEM) usually only considers the dielectric properties in the form of permittivities and conductivities. Due to not sufficiently well simulated transient processes, state of the art is considering the polarization processes by equivalent network models. The application and implementation of polarization mechanisms in a FEM soft- ware closes this gap and allows calculating the electric field distribution more precisely. An implementation of additional differential equations, according to the RC-network model, describing the field dependent polarization mechanisms, are complementing the displacement and conduction current. Material equations and their parameters are determined by measuring the polarization and depolarization currents (PDC). These equations are necessary for both the RC-network models and the differential equations for the FEM. They can be adapted to the actual temperatures in the insulation system. Hence, the necessarily multidimensional electric field calculations of complex insulation systems with stationary or transient temperature-gradients are possible. The described calculation method is verified by reactionless fieldmill voltmeter measurements of transient voltage profiles at the grading foils of modified high voltage DC-bushings. A better accuracy is achieved for the simulation of transient and stationary potential distributions. N2 - Bei der Berechnung elektrischer Feldverteilungen in Isoliersystemen für die Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) mit Hilfe der Finiten Elemente Methode (FEM) werden die dielektrischen Eigenschaften bisher meist in Form von Permittivitäten und Leitfähigkeiten berücksichtigt. Da die transienten Verläufe nicht ausreichend genau abgebildet werden, ist Stand der Technik die Polarisationsvorgänge exakter durch Netzwerkmodelle nachzubilden. Durch Implementierung von Polarisationsmechanismen in einem FEM-Programm wurde diese Lücke geschlossen und es können nun elektrische Feldverteilungen vor allem im transienten Zustand wesentlich präziser berechnet werden. In Analogie zum RC-Netzwerkmodell werden hierfür zusätzlich zu den Gleichungen, die die feldabhängigen Verschiebungs- und Leitungsströme beschreiben, weitere Differentialgleichungen eingesetzt, welche die ebenfalls feldabhängigen Polarisationsströme abbilden. Die Materialfunktionen und ihre Parameter werden durch Messung von Polarisations- und Depolarisationsströmen (PDC) ermittelt. Diese Gleichungen werden sowohl für die RC-Netzwerkmodelle als auch für die Aufstellung der Differentialgleichungen für die FEM benötigt. Sie können unmittelbar auf die am jeweiligen Ort im Isoliersystem herrschende Temperatur umgerechnet werden. Somit sind transiente elektrische Feldberechnungen auch für komplexe Isoliersysteme möglich, die sich nur durch mehrdimensionale FEM-Modelle abbilden lassen und in denen oftmals stationäre oder transiente Temperaturgradienten vorliegen. Das beschriebene Berechnungsverfahren wird durch die rückwirkungsfreie Messung transienter Potentialverläufe an den Steuerbelägen von entsprechend modifizierten kondensatorgesteuerten Hochspannungsdurchführungen verifiziert. Dabei kann eine höhere Übereinstimmung der transienten und stationären Potentialverläufe zwischen Simulation und Messung erzielt werden. Y1 - 2018 UR - https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=8576769 ER - TY - CHAP A1 - Koch, Myriam A1 - Hohloch, Jens A1 - Wirth, Isabell A1 - Sturm, Sebastian A1 - Zink, Markus H. A1 - Küchler, Andreas T1 - Experimental and simulative analysis of the thermal behavior of high voltage cable joints T2 - VDE-Hochspannungstechnik 2018, Berlin N2 - Nowadays, cable systems are often preferred when deciding on the type of new transmission lines even in the high and extra high voltage range. One of the main reasons is the better public acceptance. In addition, the power to be transmitted in the grid is increasing leading to increased ohmic losses and thus, to higher thermal stress on the materials. The investigations in this contribution focus on cable joints, which represent important and decisive components of cable systems. In order to optimize the design and to ensure reliable operation over the entire service life, the temperature profile within these components is of special interest. For their detailed investigation, a test circuit was set up consisting of a cable section and sections with build-up stages of a cable joint. A large number of measuring points were defined also at points where no measurement is possible in normal operation. With a thermographic camera the surface temperature distributions were observed. With the laboratory setup temperature profiles under various load conditions were recorded. A detailed FEM model was built and verified with help of these measurements. The model permits the investigation of specific questions of cable systems such as the comparison of temperature loads resulting from normal operating conditions and of test procedures according to the relevant standards. Besides others the effect of stressing the insulation and sealing system by heating the inner conductor vs. heating from outside by surrounding water is discussed. Y1 - 2018 UR - https://ieeexplore.ieee.org/document/8576752 ER - TY - CHAP A1 - Wirth, Isabell A1 - Reumann, Andreas A1 - Küchler, Andreas A1 - Zink, Markus H. A1 - Berger, Frank A1 - Langens, Achim A1 - Schnitzler, Tim A1 - Heil, B. T1 - Measurement and simulation of transient field stresses and impacts on advanced insulation design and new test procedures for HVDC components T2 - Cigre-Konferenz, Paris Y1 - 2020 ER - TY - CHAP A1 - Wirth, Isabell A1 - Heßdörfer, Nadja A1 - Küchler, Andreas A1 - Zink, Markus H. A1 - Langens, Achim A1 - Berger, Frank T1 - Measurements and calculations of critical thermal and electrical stress conditions for HVDC bushings T2 - 20th International Symposium on High Voltage Engineering, Buenos Aires, 2017 Y1 - 2017 ER - TY - CHAP A1 - Hopf, K. A1 - Wirth, Isabell A1 - Sturm, Sebastian A1 - Küchler, Andreas A1 - Zink, Markus H. A1 - Langens, Achim T1 - Temperature-dependent and anisotropic electrical conductivity of resin-impregnated paper T2 - Power and Energy Student Summit, Nürnberg, 2017 Y1 - 2017 ER - TY - CHAP A1 - Wirth, Isabell A1 - Küchler, Andreas A1 - Zink, Markus H. A1 - Berger, Frank A1 - Langens, Achim T1 - Elektrische Feldverteilung und Polarisationsströme in HGÜ Durchführungen T2 - Fachtagung Polymere Isolierstoffe und ihre Grenzflächen, Zittau, 2018 Y1 - 2018 ER - TY - THES A1 - Wirth, Isabell T1 - Berücksichtigung dielektrischer Materialeigenschaften in der Finiten-Elemente-Simulation von HGÜ-Isoliersystemen T2 - Ilmenauer Beiträge zur elektrischen Energiesystem‐, Geräte- und Anlagentechnik N2 - Verbrauchsfern erzeugter Strom aus regenerativen Energien kann über große Distanzen am wirtschaftlichsten mittels der Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) transportiert werden. Die HGÜ führt zu einer veränderten elektrischen Belastung der Hochspannungskomponenten. Transiente Übergangsvorgänge bestimmen die elektrischen Feldverteilungen. Bei der Berechnung elektrischer Feldverteilungen in Isoliersystemen für die Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode (FEM) wurden die dielektrischen Eigenschaften bisher in Form von Permittivitäten und parameterabhängigen Leitfähigkeiten berücksichtigt. Langsame Polarisationsvorgänge werden dabei nicht berücksichtigt. Für die Berechnung komplexer Isoliersysteme durch die FEM ist deshalb die Beschreibung der langsamen Polarisationsvorgänge im Isolierstoff durch Differentialgleichungen wünschenswert, die direkt in die FEM einbezogen werden und mit denen je nach Bedarf sowohl einzelne Polarisationsmechanismen als auch ihre Überlagerungen berücksichtigt werden können. In dieser Arbeit werden hierfür auf Basis des bekannten Debye-Ansatzes, und in Analogie zum Netzwerkmodell, zusätzlich zu den Gleichungen, die Verschiebungs- und Leitungsströme beschreiben, weitere Differentialgleichungen direkt in die FEM einbezogen, welche die feld- und temperaturabhängigen Polarisationsströme individuell abbilden. Die Materialfunktionen und ihre Parameter werden durch Messung von Polarisations- und Depolarisationsströmen (PDC) ermittelt. Durch die Implementierung von beliebigen Polarisationsmechanismen in einem FEM-Programm wurde eine Lücke der Berechnungsmöglichkeiten von komplexen, auch dreidimensionalen Isoliersystemen geschlossen, in denen oftmals stationäre oder transiente Temperaturgradienten vorliegen und in denen sich transiente elektrische Feldverteilungen ausbilden. Zur Verifizierung des beschriebenen Berechnungsverfahrens werden transiente Potentialverläufe an den Steuerbelägen von entsprechend modifizierten Hochspannungsdurchführungen unter Gleich- und Umpolspannungen sowie unter thermischen Gradienten gemessen. Dabei kann eine bisher nicht erreichte Übereinstimmung der transienten und stationären Potentialverläufe zwischen FEM-Simulation und Messung erzielt werden. Auswirkungen auf Prüf- und Belastungsszenarien werden anhand von Simulationen diskutiert. N2 - Consumer-remotely generated electricity from renewable energies can be transported over long distances most economically by means of high-voltage direct current (HVDC) transmission. The HVDC leads to a change in the electrical stress on the high-voltage components. Transient processes determine the electric field distributions. Calculations of electrical field distributions in insulation systems for high-voltage direct current (HVDC) transmission using the finite element method (FEM) by default consider the dielectric properties in the form of permittivities and parameter-dependent conductivities. Thereby, slow polarisation processes are not considered. For FEM calculation of complex insulation systems, a description of slow polarisation processes in insulating materials is therefore desirable. Differential equations should be directly implemented into the FEM in order to consider individual polarisation processes as well as their superposition, according to demand. In this work, differential equations based on the well-known Debye approach, and in analogy with the equivalent-circuit model, are directly implemented into the FEM. Thereby, field-dependent and temperature-dependent polarisation currents are represented individually and additionally to the equations describing displacement currents and conduction currents. Material functions and their parameters are determined by measuring the polarisation and depolarisation currents (PDC). The implementation of any desired polarisation mechanisms in a FEM program has closed a gap in the computational possibilities of complex and even three-dimensional insulation systems, which often have stationary or transient temperature gradients and which show transient electrical field distributions. For the verification of the described calculation method, measurements of transient voltage profiles were made at the grading layers of modified high voltage bushings being stressed with DC voltage, polarity reversals and being subject to thermal gradients. It is shown that a previously unattainable agreement of the transient and stationary potential profiles between FEM simulation and measurement can be achieved. Effects on test and load scenarios are discussed based on simulation results. KW - Hochspannungsgleichstromübertragung KW - Isolierstoff KW - Dielektrische Eigenschaft KW - Finite-Elemente-Methode Y1 - 2020 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2019000601 SN - 978-3-86360-215-4 U6 - https://doi.org/10.22032/dbt.41185 IS - 26 PB - Universitätsverlag Ilmenau CY - Ilmenau ER - TY - CHAP A1 - Sturm, Sebastian A1 - Wirth, Isabell A1 - Paulus, Johannes A1 - Zink, Markus H. A1 - Küchler, Andreas A1 - Berger, Frank T1 - Transient dielectric simulation in time domain with FEM in comparison with circuit models T2 - XIX International Symposium on Theoretical Electrical Engineering, Ilmenau, 2017 Y1 - 2017 ER -