Transiente und stationäre Potentialverteilung in Gleichspannungsdurchführungen bei thermischen Belastungen

Sowohl in Deutschland als auch international gewinnt die Hochspannungsgleichstromübertragung zunehmend an Bedeutung. Gleichspannungsdurchführungen stellen dabei aufgrund der elektrischen und thermischen Eigenschaften ihrer Isolation einen leistungsbegrenzenden Engpass der Übertragung dar.

Die Temperatur eines Dielektrikums hat einen starken Einfluss auf die zugehörige elektrische Leitfähigkeit. Durch die in Durchführungen vorkommenden hohen Temperaturgradienten nehmen die veränderten Leitfähigkeiten Einfluss auf die Aufteilung des elektrischen Potentials welches damit deutlich vom Auslegungsfall abweichen kann. Bisher wurde die Verschiebung des Potentials nur durch Simulationen ermittelt.

Von besonderer Bedeutung für diese Arbeit ist demnach die experimentelle Bestimmung der Potentialverteilung im Inneren einer Gleichspannungsdurchführung. Hierzu wurden zwei spezielle, weitgehend identische Prüfwickel gefertigt. Ein Prüfkörper dient dabei zur Erfassung der transienten und stationären Temperaturverteilung bei nachgebildeten Betriebsbedingungen. Der Zweite dient zur Erfassung der elektrischen Potentialverteilung. Durch identisch nachgebildete Bedingungen wird es möglich, die Potentialverteilung bei stationärer Gleichspannung und bei transienten Betriebszuständen basierend auf unterschiedlichen Temperaturgradienten zu ermitteln. Hierdurch konnte erstmals experimentell nachgewiesen werden, dass die thermisch-elektrische Potentialverschiebung in der Realität auftritt.

Es wurde ein Simulationsmodell erstellt, welches anhand der gemessenen Potentialverteilungen erfolgreich verifiziert werden konnte. Mit dem Modell ist es möglich, anhand von gemessenen Materialdaten die real vorhandene transiente und stationäre Potentialverteilung bei gegebener Temperaturverteilung zu berechnen.

Weiterhin wird eine Methodik vorgestellt, mit welcher auch bei extrem langsamen Polarisationsvorgängen mit den dazugehörigen langen Zeitkonstanten im Material dennoch die notwendigen Materialwerte für eine erfolgreiche Simulation gewonnen werden können.

Die Simulationen und Messungen zeigen die erwartete Potentialverschiebung in die kühleren Randbereiche der Durchführung und quantifizieren damit die erwartete erhöhte Feldstärkebelastung in diesen Gebieten. Weiterführende Simulationen stellen die Problematik bei Umpolmessungen dar, bei welchen sich auch eine Potentialüberhöhung  in Bereichen der Durchführung einstellen kann, welche aus der angelegten Spannung nicht direkt erwartet werden können.

Die vorgestellte Arbeit erweitert das Verständnis der thermisch-elektrischen Vorgänge in Hochspannungsgleichstromdurchführungen und kann zu einer Sicherung der Verfügbarkeit dieser beitragen.

Not only in Germany with the connection of offshore wind parks, but also internationally, the high-voltage direct current transmission (HVDC) is becoming more and more important. Due to their electrical and thermal properties of the insulation DC voltage bushings represent a power-limiting bottleneck of the actual energy transmission.

The temperature of a dielectric has a strong influence on the associated electrical conductivity. Because of the high temperature gradients, which are common in bushings, the extremely changing conductivities have a strong influence on the distribution of the electrical potential. So the electrical potential can deviate significantly from the original design case. Until now, the electrical potential shift has only been determined by simulations and hasn’t been proven experimentally.

So the experimental determination of the potential distribution inside a DC bushing is especially important for this thesis. For this purpose, two special, nearly identical test windings were produced and used for the measurement. The first one is used to detect the transient and stationary temperature distribution during simulated operating conditions. The second one is used to measure the electrical potential distribution. Due to the identical reproduced operating conditions, it is possible to determine the potential distribution at steady-state DC voltage and at transient operating states based on different temperature gradients. With this it could experimentally demonstrated that the thermal-electric potential shift occurs in reality.

In parallel, a simulation model was created which could be successfully verified using the measured potential distributions. With this simulation model and with the measured material data it is possible to calculate the transient and stationary potential distribution during a given temperature distribution.

In Addition a method to obtain the necessary material values is presented. This method can determinate the values even if the material has extremely slow polarization processes and the associated long time constants so that a successful simulation can be performed.

The simulations and also the measurements shows the expected potential shift into the cooler regions near the border of the bushing. In this way, they quantify the expected increased field strength of the insulating material in these areas. Further simulations presents the problems which occur at polarity reversals. In this case an elevation in the electrical potential can occur in certain areas of the bushing which isn’t directly expected from the applied voltage.

The presented thesis expands the understanding of the thermal-electric processes in high-voltage direct current bushings and thus can lead to ensure the availability of these bushings.