Das Forschungsfeld der Hochspannungstechnik und der Isoliersysteme ist von zentraler Bedeutung in der modernen Industriegesellschaft. Hohe Spannungen respektive hohe Feldstärken in den Isoliersystemen werden für die verlustarme Übertragung elektrischer Energie genauso benötigt wie für eine Vielzahl industrieller Anwendungen von der Medizin- über die Fertigungs- bis zur Automobiltechnik.
Die Hochspannungstechnik umfasst die Beherrschung hoher elektrischer Feldstärken in allen Arten elektrischer Isolierungen. Das einfache Grundprinzip lautet:
Die elektrische Beanspruchung (d.h. die elektrische Feldstärke) muss unter allen Bedingungen immer kleiner sein als die elektrische Festigkeit der isolierenden Medien.
Die Aufgabe der Hochspannungstechnik ist folglich nicht die Erzeugung elektrischer Entladungen, auch wenn diese für Besucher unseres Labors immer besonders imposant sind, sondern deren Verhinderung, um den sicheren Betrieb von Geräten und Anlagen zu gewährleisten.
Mittlerweile ist es erforderlich, die Isoliersysteme aus technischen wie ökonomischen Gründen immer weiter auszureizen. Deshalb ist ein tiefes Verständnis der Werkstoffe unverzichtbar, weshalb sich die Forschung im Bereich der Hochspannungsisolierwerkstoffe und -systeme inzwischen sehr stark auf die Materialwissenschaft ausgerichtet hat. Dabei ist die direkte Kooperation mehrerer am IEHT beteiligter Laboratorien von großem Vorteil. In der Arbeitsgruppe Materialwissenshaften und im chemisch-physikalischen Labor stehen moderne Analyseverfahren, wie FTIR- oder Raman-Spektroskopie zur Verfügung.
Das Hochspannungslabor der THWS bietet für die studentische Ausbildung, die Forschung sowie die Kooperation mit Industriepartnern eine hervorragende Infrastruktur mit teilweise weltweit einzigartigen Anlagen. Eine genauere Beschreibung der Ausstattung ist auf der Homepage des Labors.
... weil in Zukunft weltweit die Drehstrom-Netze an ihre Leistungsgrenzen stoßen und mit Hochspannungs-Gleichstromübertragung HGÜ vernetzt werden müssen ...
Forschungsfelder:
... weil die Netze der Industrienationen vor Jahrzehnten ausgebaut wurden, so dass ein sicherer Betrieb von Anlagen und Geräten eine zuverlässige Diagnostik des Alterungszustandes erfordert ...
Forschungsfelder:
...weil gerade die neuen Anforderungen im Bereich der elektrischen Maschinen, wie eine Erhöhung der Effizienz, der Einsatz moderner, schnell schaltender Leistungshalbleiter sowie neuer Isolierwerkstoffe zu steigenden Belastungen der Isoliersysteme führen...
Forschungsfelder:
Leitung Prof. Zink, Prof. Dr. Kobus
Forschungspartner Siemens Energy Global GmbH & Co. KG, Weidmann Electrical Technology AG
Laufzeit 2018-2025
Im Zuge der Energiewende und der Umstrukturierung der Energienetze gewinnt die Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ) zunehmend an Bedeutung und bringt steigendende Anforderungen an die Betriebsmittel mit sich. Von besonderem Interesse sind die Isoliersysteme der HGÜ-Betriebsmittel, allen voran der Transformatoren. Der Hauptbestandteil solcher Isoliersysteme sind Isolierflüssigkeiten und ölimprägniertes Pressboard aus Zellulose, die unter Gleichspannungsbelastung komplexe elektrische Leitungs- und Polarisationsmechanismen aufweisen, die noch nicht tief genug untersucht sind. Zur dielektrische Beschreibung dieser Materialien und der auftretenden Mechanismen sind konventionelle RC-Schaltkreismodelle nur bedingt geeignet. Vielmehr sind multiphysikalische Modellierungsansätze gefordert, die unterschiedliche physikalisch-chemische Effekte berücksichtigen. Zu diesen zählt hauptsächlich das Poisson-Nernst-Planck (PNP) Gleichungssystem. Bei dessen Anwendung ist bisher allerdings kein klarer Konsens bezüglich der Parametrisierung festzustellen und oft werden die der Simulation zugrunde gelegten Parameter nur sinnvoll abgeschätzt oder empirisch variiert.
Im Rahmen des Projekts EFI-DC soll deshalb das geschichtete Isoliersystem bei verschiedenförmiger DC-Belastung und Konfiguration des Isoliersystems untersucht werden, um ein tieferes Verständnis über die dominanten Ladungsträgerphänomene zu erlangen. Dabei können weitere Umgebungsparameter (Temperatur, Druck …) variiert werden, die zur Überprüfung verschiedener Hypothesen herangezogen werden können. Die vordergründigen Messmethoden der Verifizierung sind die gleichzeitige Messung des transienten Polarisationsstromes (PDC-Messung) und der stationären und der transienten Feldstärke in vorhandenen transparenten Bereichen des Isoliermediums. Aus diesen Messungen resultierende Feld- und Stromverläufe können zur Parametrisierung bzw. Verifizierung der vorhandenen Modelle benutzt werden. Mit einem akkuraten Modell und daraus gewonnenen Verständnissen kann das Design des Isoliersystems verschiedener Betriebsmittel unter DC-Belastung hinsichtlich der Schwachstellen und einer potenziellen Reduzierung des Bauraums der Transformatoren effektiver entworfen werden, welches gleichzeitig die Wettbewerbsfähigkeit der HGÜ-Technologie wesentlich erhöht.
Leitung Prof. Zink, Prof. Kobus
Forschungspartner Pfisterer Kontaktsysteme
Laufzeit 2022-2025
In komplexen Isoliersystemen für Kabelanwendungen (Kabelmuffen) in der Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) kommen unter anderem Elastomere als Isolierwerkstoffe zum Einsatz. Die Auswahl und Qualifizierung geeigneter Werkstoffe für spezifische Anwendungen gestaltet sich als herausfordernd. Neben den elektrischen Parametern, die für die Konstruktion von Bedeutung sind, spielt auch das Wissen über das Alterungsverhalten dieser Werkstoffe eine zentrale Rolle. Insbesondere können konstruktions- und montagebedingte Situationen in einer Kabelmuffe, wie beispielsweise die "Edelfuge", oder für den Zusammenbau benötigte Zusatzstoffe (Schmiermittel), das Lebensdauerverhalten signifikant beeinflussen. Auch die Kombination bzw. Schichtung verschiedener Isolierstoffe wie Silikone oder EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuke) mit dem im Kabel eingesetzten XLPE (engl. Cross-linked Polyethylene) im Rahmen der HGÜ bringt neue Herausforderungen für die Isoliersysteme mit sich. Hierbei entscheidet die elektrische Leitfähigkeit maßgeblich über die Feldverteilung innerhalb des Schicht-Isoliersystems. Diese wird jedoch durch ihre Abhängigkeit von verschiedenen Einflussfaktoren wie beispielsweise der Umgebungstemperatur, dem angelegten elektrischen Feld oder produktionsbedingten Fehlstellen signifikant beeinflusst.
Im Rahmen des Projekts ELSA (Elastomere mit spezifischer Leitfähigkeit und deren Alterungsverhalten) werden in Zusammenarbeit mit dem Projektpartner Pfisterer unterschiedliche Alterungsmechanismen verschiedener Elastomere untersucht. Durch die Anwendung dielektrischer Diagnosemethoden, wie beispielsweise Polarisations- und Depolarisationsmessungen oder Raumladungsmessungen mithilfe der PEA-Methode, wird der Zustand des Isolierstoffs im Laufe seiner Lebensdauer beurteilt. Durch die zusätzliche Interpretation der dielektrischen Eigenschaften mit spektralen Untersuchungsmethoden wie der Infrarot- und Ramanspektroskopie, welche eine Aussage über die Bindungssituation im Polymer zulassen, kann somit ein einheitliches Bild über das Alterungsstadium gewonnen werden.
Dieses neu gewonnene Wissen soll maßgeblich zur besseren Qualifizierung und Prüfung von Isolierstoffen beitragen, was zu fortgeschrittenen und zuverlässigeren Garnituren führen soll.
Leitung Prof. Zink
Forschungspartner intern
Laufzeit 2023-2026
Der Aufbau einer Energieübertragung mit Hochspannungsgleichstrom (HGÜ) ist ein zentrales Element der Energiewende. Eine besondere Herausforderung stellt dabei die sichere Auslegung der Hochspannungsisoliersysteme dar, deren Aufgabe es ist, die hohen Spannungen und Feldstärken innerhalb der Betriebsmittel sicher zu beherrschen. Während in Anwendungen für Wechselspannung das elektrische Feld (Verschiebungsfeld) durch die Geometrie der Elektroden und Grenzflächen gesteuert werden kann, ist dies bei Gleichspannung (Strömungsfeld) nicht möglich. Denn hier bestimmen die Leitfähigkeiten der Isolierwerkstoffe die Feldverteilung im Isoliersystem. Allerdings sind die Leitfähigkeiten der Isolierwerkstoffe untereinander nicht nur sehr unterschiedlich, sondern auch hochgradig von den Parametern Feldstärke und Temperatur abhängig, wohingegen diese Abhängigkeit für die Permittivität nicht gilt, die die Auslegung im Verschiebungsfeld dadurch leichter als beim Strömungsfeld macht. Im Betrieb der Isoliersysteme, v.a., wenn sich z.B. die Temperaturverteilung ändert oder sich Temperaturgradienten ausbilden, können die genannten Abhängigkeiten zur Bildung von Raum‐ oder Oberflächenladungszonen führen, wodurch sich die Feldstärkeverteilung im Isoliersystem drastisch verändern kann, sog. Feldmigration bzw. -inversion, s. Bild 1. U.U. kann dies bis hin zur Ausbildung von (Teil‐)Entladungen führen, die dann wiederum die Werkstoffe erodieren und das Isoliersystem bis zum Totalausfall schädigen können. Derartige Probleme treten nicht nur bei den Isoliersystemen der HGÜ‐Betriebsmittel auf, sondern z.B. auch in Hightech‐Anwendungen hoher Gleichspannung, wie z.B. der Grundlagenphysik, der Halbleitertechnik oder der Mikroskopie. Ein innovativer Ansatz, um die beschriebenen Probleme zu verbessern, liegt im Einsatz sog. Feldsteuermaterialien (field grading materials, FGM) mit einer gezielt eingestellten oder gar feldstärkeabhängigen elektrischen Leitfähigkeit. Mit diesen Materialien können Bereiche mit höherer Feldstärke automatisch entlastet und die Feldverteilung im Isoliersystem vergleichmäßigt werden. Derartige Werkstoffe basieren auf einem Trägermaterial, z.B. Lack oder Epoxidharz, in das Füllmaterialien (z.B. Silizimcarbide oder Metalloxide) eingebettet sind, die ein feldstärkeabhängiges, varistorähnliches Leitfähigkeitsverhalten zeigen.
Leitung Prof. Zink, Prof. Rahimpour
Forschungspartner NN
Laufzeit 2023-2024
Die Transformation der Automobilindustrie hin zu vollelektrisch angetriebenen Fahrzeugen bringt diverse Herausforderungen in der Auslegung und Entwicklung einzelner Komponenten mit sich. Durch immer größer werdende elektrische Verbraucher steigt der Bedarf nach hohen Spannungen im Bordnetz, um Ströme klein zu halten und somit eine wirtschaftliche Auslegung der Maschinen zu ermöglichen. Daraus resultiert eine hohe elektrische Belastung für die Isolierwerkstoffe im Antriebsstrang, weshalb bewährte Isolationssysteme oft nicht mehr ausreichend sind. Um auch in Zukunft einen zuverlässigen Betrieb über die Lebensdauer zu gewährleisten, ist es wichtig das Alterungsverhalten der Isolationssysteme zu untersuchen.
Im Forschungsprojekt MEMO sollen die Alterungsmechanismen bei verschiedenförmiger Belastung untersucht werden, um Kenntnis über die dominanten Alterungsfaktoren zu erlangen. Die beschleunigten Alterungsuntersuchungen finden an kompletten Statoren und Motor-Formetten mit verschiedenen Isoliersystemen statt. Um den Alterungszustand der Prüflinge in den einzelnen Alterungsstadien zu bewerten, wird auf verschiedene zerstörungsfreie dielektrische Messungen aus der Hochspannungstechnik zurückgegriffen. Unter anderem wird die Messung des Isolationswiderstandes (PDC-Messung), des Verlustfaktors, der Teilentladungsaktivität bei Stoß- und Wechselspannung sowie die Frequenzbereichsmessung (FDS) zur Ermittlung des Alterungszustandes verwendet. Gegebenenfalls werden zusätzlich Durchschlagsprüfungen (HiPot) benutzt, um die Degradation der Isoliersysteme festzustellen.
Die aus den Prüfungen resultierenden charakteristischen Werte sollen für die Parametrierung eines Lebensdauermodells herangezogen werden. Ein besonderes Augenmerk liegt auch auf dem Teilentladungsverhalten der Prüflinge in verschiedenen Alterungszuständen, welches mit Hilfe der phasenaufgelösten Teilentladungsanalyse (PRPDA) und der Puls-Sequenzanalyse (PSA) untersucht werden soll. Dies dient zum weiteren Verständnis der Alterungsmechanismen der Isolationssysteme und bietet dem Kooperationspartner die Möglichkeit die gewohnte und geforderte Zuverlässigkeit weiterhin zu gewährleisten. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen die Grenzen der Isolationssysteme auf und bieten einen Vergleich untereinander. Zudem können die angewendeten Prüfungen im Qualifikations- und Fertigungsprozess eines neuen Produktes Anwendung finden.
Leitung Prof. Zink, Prof. Kobus
Forschungspartner Alexander von Humboldt Stiftung
Laufzeit 2023-2025
Die bemerkenswerte Entwicklung der Hochspannungs-Gleichstrom- und Hochspannungs-Wechselstrom-Übertragungssysteme erfordert eine erneute Bewertung der dielektrischen Flüssigkeiten für Isoliersysteme von Transformatoren. Der Zweck der verwendeten flüssigen Isolierung ist die Kühlung und Isolierung. Sie sollte mehrere Eigenschaften aufweisen, wie hohe Durchschlagfestigkeit, niedrige Viskosität, hoher Flammpunkt, sehr geringer Feuchtigkeits- oder Wassergehalt, hoher spezifischer Widerstand und vieles mehr. Erdölabhängige synthetische Öle und Mineralöle wurden in den vergangenen Jahrzehnten konventionell als dielektrische Flüssigkeiten in Transformatoren verwendet, die aufgrund ihrer geringen biologischen Abbaubarkeit und ihres niedrigen Flammpunktes die Umwelt belasten, was die Erforschung von Ersatzstoffen zur Folge hatte. Die Anwendung alternativer Isolierflüssigkeiten nimmt allmählich zu, wobei Sicherheits- und Umweltbedenken die Hauptgründe für die Abkehr von Mineralöl sind.
Das Phänomen des dielektrischen Versagens in flüssigen dielektrischen Hochspannungsisolierungen ist immer noch nicht gut verstanden und stellt eine große wissenschaftliche und technologische Schwierigkeit dar. Das Verständnis des dielektrischen Versagens ist erforderlich, um Einblicke in die Mechanismen des Durchschlagsprozesses und die theoretische Grundlage für die molekulare Modifikation und damit die Verwendung der dielektrischen Isolierung bei geeigneten Anwendungen zu erhalten. Flüssigkeiten auf Kohlenwasserstoffbasis, die aus endlichen Ressourcen gewonnen werden, werden seit mehr als einem Jahrhundert als Isolierung in Hochspannungsanwendungen eingesetzt. Sie sind seit langem erprobt und haben feste Konstruktionsregeln für Anwendungen in Hochspannungsanlagen. Der nicht erneuerbare Charakter dieser Flüssigkeiten auf Kohlenwasserstoffbasis stellt eine große Belastung für die Energiesicherheit und den Umweltschutz dar. Erneuerbare Öle (natürliche Ester/Pflanzenöle), die hauptsächlich aus Triacylglycerinmolekülen bestehen, die aus Pflanzen gewonnen werden, werden zunehmend für die Verwendung in der elektrischen Isolierung, in Schmiermitteln und in Biodiesel eingesetzt. Natürliche Ester weisen als erneuerbare Ressourcen hervorragende physiochemische und dielektrische Eigenschaften auf, z. B. Feuerbeständigkeit, hohe biologische Abbaubarkeit und zufriedenstellende dielektrische Durchschlagsleistung. Aufgrund ihrer Umweltfreundlichkeit sind diese Materialien äußerst beliebt und werden als potenzielle dielektrische Flüssigkeitsisolierung in Betracht gezogen. Bislang konnten sie trotz all dieser Vorteile nur in Mittelspannungsanwendungen eingesetzt werden. Der Hauptgrund für ihre begrenzte Anwendung bei hohen Spannungen ist das Fehlen grundlegender Daten über die dielektrischen Parameter und das Wissen über Versagensphänomene, die für Konstruktionsregeln zur Erzielung einer langfristigen zuverlässigen Leistung von Bedeutung sind. Das Fehlen grundlegender Daten über natürliche Ester führt dazu, dass die Hersteller von Anlagen, Versorgungsunternehmen, Regulierungsbehörden und insbesondere die Isolierstoffindustrie demotiviert sind, sie einzusetzen. Daher muss die elektrische Leistung von natürlichen Estern mit unterschiedlichen Strukturen weiter untersucht werden, was im Mittelpunkt des Projekts BioLiq steht.
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Prof. Dr. Maja Kobus
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Prof. Dr. Maja Kobus
Technische Hochschule
Telefon +49 9721 940-8592 |
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Prof. Dr. Ebrahim Rahimpour
Kontaktinformationen
Prof. Dr. Ebrahim Rahimpour
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Prof. Dr. Markus Zink
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Prof. Dr. Markus Zink
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