Neue Ansätze in der Elektrischen Energietechnik durch numerische Feldberechnung - Isolationsbeanspruchung von HVDC-Transformatoren

Studentische Projektleitung:

• Kevin Krause, Elektrotechnik (B.Sc.)

Projektteam:

• Kristofer Buß, Elektrotechnik (B.Sc.)                            

• Leo Honerkamp, Elektrotechnik (B.Sc.)

• Lea Meyer zu Hörste, Elektrotechnik (B.Sc.)

• Sebastian Schöpf, Elektrotechnik (B.Sc.)

• Luca Stölting, Elektrotechnik (B.Sc.)

• Vincent Wienberg, Elektrotechnik (B.Sc.)

Modul: Elektrotechnik-Projekt

Betreuer:

• Prof. Dr. Eckart Buckow

Die Erzeugung elektrischer Energie erfolgt zunehmend durch erneuerbare Energien, sie lösen die konventionellen Gasturbinen- und Dampfkraftwerke ab. Durch diese Veränderungen muss die elektrische Energieübertragung angepasst werden, da die Stromerzeugung nicht mehr zentral in Großkraftwerken an den Lastschwerpunkten erfolgt, sondern über weite Entfernungen, beispielsweise von Offshore-Windparks in der Nordsee bis nach Süddeutschland, übertragen werden muss.

Um die bei langen Wechselspannungsübertragungsstrecken auftretenden Stabilitäts- und Blindleistungsprobleme zu vermeiden, erfolgt die Energieübertragung mit Gleichspannung. Diese Übertragungsart besitzt darüber hinaus noch den Vorteil geringerer Verluste und hat damit einhergehend eine erhöhte Wirtschaftlichkeit. Für die Gleichspannungsübertragung sind Konverterstationen mit speziellen Transformatoren notwendig. Diese sogenannten „HVDC-Transformatoren“ (High Voltage Direct Current) müssen einer extremen Isolationsbelastung standhalten, da sie im Dauerbetrieb einer Mischspannung aus Gleich- und Wechselspannung ausgesetzt sind. Zusätzlich treten bei Umpolvorgängen der Gleichspannung oder bei Blitzeinschlägen hohe dynamische Isolationsbeanspruchungen auf.

Innerhalb der Transformatoren befindet sich ein komplexes Isoliersystem aus Öl und Pressspanbarrieren. Das Verhältnis dieser beiden Materialien muss so dimensioniert sein, dass bei den beschriebenen Spannungsbeanspruchungen die elektrische Feldstärke an keinem Ort die zulässigen Grenzwerte überschreitet.

In diesem Projekt wurde untersucht, ob sich die  Software „COMSOL Multiphysics 5.6“ zur Berechnung der elektrischen Feldstärken in HVDC-Transformatoren bei Mischspannungsbeanspruchung und bei dynamischen Spannungsbeanspruchungen eignet. Die Untersuchungen erfolgen an einem realistischen HVDC-Isolationssystem.