Multiphysikalische Simulationen und experimentelle Untersuchungen an extrudierten DC-Kabeln und Kabelgarnituren

Publikation: StudienabschlussarbeitMasterarbeit

Abstract

Durch den stetigen Zuwachs der Nutzung von dezentralen, erneuerbaren Energien wird es immer wichtiger Energie von ruralen Gebieten in Verbraucherzentren zu transportieren. Des Weiteren müssen die im Netz vorhandenen Betriebsmittel künftig bestmöglich ausgenutzt werden, da der Bau von neuen Freileitungen und Kabelstrecken in der Bevölkerung auf einen starken Widerstand stößt. Dies stellt bei der Übertragung der Energie, welche zukünftig in ruralen Regionen erzeugt wird, eine Herausforderung dar. Ein möglicher Lösungsansatz ist, vorhandene Drehstrom-Übertragungssysteme mit Gleichspannung zu betreiben oder Übertragungs- und Verteilnetze mit Mittelspannungs-Gleichstromübertragungs-Strecken zu verstärken. Um die Vorgänge in Gleichspannungskabeln besser zu verstehen, befasst sich diese Arbeit mit multiphysikalischen Simulationen von DC-Kabeln und -Kabelgarnituren sowie mit experimentellen Untersuchungen im Bereich der Aufnahme der Temperaturprofile von Kabelgarnituren und mit der Ermittlung der Gleichspannungsfestigkeit. Im Zuge der Arbeit wurde eine Literaturrecherche zum spezifischen Widerstand der gängigen Isolierstoffe VPE, SiR und EPDM/EPR durchgeführt. Diese ist bei Gleichspannungsbeanspruchung wegen der auftretenden Effekte, wie beispielsweise der Feldinversion, notwendig. Die Effekte sind stark vom spezifischen Widerstand, genauer vom Temperatur- und Feldstärkekoeffizient des jeweiligen Isolierstoffes, abhängig.

Durch Simulationen von Kabeln mit verschiedenen Leiterquerschnitten wurde erkannt, dass der Strom bei DC-Beanspruchung im Vergleich zur AC-Beanspruchung um 17 – 36 % bei gleicher Leitertemperatur erhöht werden kann. Dies ist neben dem Wegfallen von AC-spezifischen-Verlusten und -Limitierungen darauf zurückzuführen, dass anstatt von drei Wärmequellen nur zwei Wärmequellen im Kabelsystem vorhanden sind. Die Simulationen zu den Garnituren haben gezeigt, dass Luft, Kontaktwiderstände und Konvektion schwer in ein Modell eingebunden werden können. Wegen dieser Erkenntnis sind Temperaturprofile von einem Endverschluss und einer Muffe aufgenommen worden. Die Simulationen zum Endverschluss und zur Muffe haben ergeben, dass die Materialparameter der Isolierkörper bei Gleichspannungsbeanspruchung die elektrische Feldverteilung verbessern können, da sie wie eine resistive Feldsteuerung wirken. Die Bedingung ist, dass der Isolierkörper der jeweiligen Garnitur einen geringeren spezifischen Widerstand aufweist als die Kabelisolierung.

Zum heutigen Stand der Technik ist noch kein einheitlicher Step-Test zur Bestimmung der Gleichspannungsfestigkeit vorhanden. Die Simulationen haben gezeigt, dass die Stufen eines Step-Tests eine längere Dauer aufweisen müssen als beim Step-Test, welcher bei Wechselspannung verwendet wird. Die Stufenweite muss größer gewählt werden, da eine resistive Feldverteilung im Kabel während der einzelnen Stufen erreicht werden muss.
Titel in ÜbersetzungMulitphysical simulations and experimental investigations on extruded DC cables and cable accessories
Originalsprachedeutsch
QualifikationMaster of Science
Gradverleihende Hochschule
  • Technische Universität Graz (90000)
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Schichler, Uwe, Betreuer
  • Buchner, Anton Andreas, Betreuer
PublikationsstatusVeröffentlicht - Apr 2020

Schlagwörter

  • Mittelspannungs-Gleichspannungs-Kabel
  • Mittelspannungs-Wechselspannungs- Kabel
  • MGÜ-Strecken
  • multiphysikalische FEM-Simulation
  • DC-Durchschlagsfestigkeit
  • nichtlineare Materialparameter

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