Elektrische Feldverteilung (AC/DC)

Elektrische Feldverteilung an Epoxidharz-Luft-Grenzschichten unter Gleichspannung

Die Anforderungen an Energieversorgungsnetze steigen kontinuierlich. Das liegt auch daran, dass regenerative Energiesysteme zunehmend weit entfernt vom Verbraucher aufgebaut werden – und an der technischen Weiterentwicklung der Energieumwandlung. Soll eine kompakte, verlustarme und zuverlässige Energieverteilung und -übertragung erzielt werden, bieten hochgleichstrombetriebene (HVDC) gasisolierte Schaltanlagen (GIS) sowie gasisolierte Übertragungsleitungen (GIL) ein großes Entwicklungspotenzial.

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Gekapselte Systeme für HVDC

Gasisolierte Systeme gehören für den Einsatz unter Wechselspannung bereits seit mehreren Jahrzehnten zum Stand der Technik. In der Entwicklung gekapselter Systeme für HVDC liegt hingegen eine große Herausforderung. Die Schlüsselkomponenten dieser neuen Anlagengeneration beschreiben aus elektrischer Sicht maßgebend das Design und die chemische Zusammensetzung verbauter Stütz- und Schottisolatoren.

Für den Einsatz unter Wechselspannung wird das elektrische Feld in Abhängigkeit der relativen Permittivität des Dielektrikums verteilt. Unter HVDC orientieren sich die Feldlinien in Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit des Schutzgases, des Isolierstoffvolumens sowie dessen Oberfläche. Gesteuert durch die Richtung dieser Feldlinien fließen elektrische Ladungsträger und können an der Isolatoroberfläche akkumulieren. Die lokale Ansammlung von Ladungsträgern sowie die zeitliche Charakteristik des Ladungsauf- und -abbaus hängen von mehreren physikalischen Effekten ab. Diese werden auf Basis modernster numerischer Simulationen transient abgebildet.

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Schematische Darstellung der physikalischen Effekte in Gas-Feststoff-isolierten Anlagen

Physikalische Einflussgrößen

Ionisation durch natürliche Strahlung, Emission aus metallischen Oberflächen, Rekombinations- und Anlagerungseffekte zwischen den Ladungsträgern

Konvektive Verteilung in Abhängigkeit des elektrischen Feldes, Diffusion von Ladungsträgern infolge von Konzentrationsunterschieden, Ladungsakkumulation und Leitung an dielektrischen Grenzflächen, nichtlinearer Ladungstransport im Isolierstoffvolumen

Auch bekannt als superponiertes E-Feld, Überlagerung resitiv geladener Systeme mit einem kapazitiven Stoß (Blitzschlag, Störfall), Untersuchung resultierender Feldverschiebung

Wärmeerzeugung durch ohmsche Verluste am Innenleiter, Temperaturverteilung durch Konvektionsströmungen, Konduktion und Strahlung

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