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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.
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.
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.
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.
Measurements and calculations of critical thermal and electrical stress conditions for HVDC bushings
(2017)
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.