Berücksichtigung dielektrischer Materialeigenschaften in der Finiten-Elemente-Simulation von HGÜ-Isoliersystemen

Wirth, Isabell

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.

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.

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Wirth, I., 2020. Berücksichtigung dielektrischer Materialeigenschaften in der Finiten-Elemente-Simulation von HGÜ-Isoliersystemen. Ilmenauer Beitr{\"a}ge zur elektrischen Energiesystem‐, Ger{\"a}te- und Anlagentechnik, Ilmenauer Beitr{\"a}ge zur elektrischen Energiesystem‐, Ger{\"a}te- und Anlagentechnik. Universitätsverlag Ilmenau, Ilmenau. https://doi.org/10.22032/dbt.41185
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