Fakultät Maschinenbau :: FHWS

Hochschule für angewandte Wissenschaften

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Simulation mit Comsol Multiphysics
Simulation mit Comsol Multiphysics

Analyse der Verluste in der Stahlarmierung von Energieseekabeln

In dieser Arbeit werden die Wirbelstrom- und Hystereseverluste in der Stahlarmierung und der Bleischirmung eines Energieseekabels untersucht. Die Verluste in einem Energieseekabel lassen sich nach der IEC Norm 60287-1-1 berechnen. Für das betrachtete Kabel mit einem Leiterquerschnitt von 1200mm2 ergeben sich sehr hohe Verluste in der Stahlarmierung und im Bleischirm. Ziel dieser Arbeit war es anhand einer Finite-Elemente-Simulation die Größenordnung dieser Verluste zu ermitteln. Des Weiteren wurden unterschiedliche Einflussfaktoren wie die Permeabilität der Metalle, Art und Anzahl von Kontaktstellen sowie den Einsatz unterschiedlicher Materialien untersucht.

Prinzipiell ergab die Arbeit, dass die Verluste in der Stahlarmierung und im Bleischirm deutlich niedriger sind als nach IEC Norm. Die Verluste in der Stahlarmierung und im Bleischirm stehen in Wechselwirkung zueinander. Die elektrische Leitfähigkeit dieser Komponenten hat einen großen Einfluss auf die Wirbelstromverluste. Ebenso bewirken Kontaktstellen eine deutliche Erhöhung der Verluste im Energieseekabel. Das Ersetzen einzelner Armierungsdrähte durch PE Fülldrähte reduzierte die Wirbelstromverluste deutlich. Eine Erhöhung der magnetischen Permeabilität bewirkt eine Verringerung der Verluste in den Armierungsdrähten. Die Verluste im Kabel insgesamt können aufgrund der Wechselwirkung von Schirm und Bewehrung steigen. Die magnetischen Verluste sind aufgrund der geringen Flussdichte an den Armierungsdrähten relativ klein.

Strömungsverlauf der Simulation
Strömungsverlauf der Simulation

Strömungstechnische Analyse zur DESERTEC HVDC-Durchführung

In diesem Projekt werden Hochspannungsdurchführungen für das DESERTEC-Projekt strömungs- und wärmetechnisch untersucht. Die auftretende Strömung an den Hochspannungsdurchführungen kommt dabei durch natürliche Konvektion zustande.

Um die Hochspannungsdurchführungen unter extremen Wüstenbedingungen zu untersuchen, wurde ein verifiziertes Simulationsmodell erstellt.
Es wurde ein Prüfstand gebaut, um sicherzustellen, dass die Simulationsergebnisse mit der Realität übereinstimmen. In diesem Prüfstand wurde das Aufheizen der Hochspannungsdurchführung und der Luft durch diverse Heizmedien realisiert. Die Messdaten aus dem Prüfstand wurden mit den Ergebnissen des Simulationsmodells verglichen und bestätigen dessen Richtigkeit.

Durch das Simulationsmodell ist es möglich die Hochspannungsdurchführung ohne aufwendige Messungen zu untersuchen. So kann unter anderem durch die Simulation der Wärmeübergangskoeffizient an der Hochspannungsdurchführung bestimmt werden.

Versuchsaufbau des Prüfstandes für die Untersuchung des transienten Kabelverhaltens
Versuchsaufbau des Prüfstandes für die Untersuchung des transienten Kabelverhaltens

Analyse der thermisch-elektrischen Grenzbelastung von Energieseekabel unter transienten Betriebsbedingungen

In diesem Projekt werden thermische Grenzbelastungen in Kabelschutzrohren, in denen Energieseekabel z.B. an Windkraftanlagen hochgeführt werden, untersucht.  Die Ermittlung der Grenzbelastung erfolgt mit Hilfe eines Simulationsmodells, welches mit dem Multiphysikprogramm COMSOL erstellt wird.

Für diese Modellerstellung werden zunächst Messungen an verschiedenen
Prüfkörpern des Energieseekabels durchgeführt und anschließend das Simulationsmodell des Energieseekabels validiert. In erster Näherung werden für diese Simulationen physikalische Stoffwerte aus der Literatur verwendet. Im Anschluss an die Messungen werden diese Literaturwerte mittels Parameterstudien den vorhandenen Prüfkörpern angepasst. Die Übereinstimmung der Simulationsrechnungen mit den Messungen bestätigt die Richtigkeit der ermittelten Werkstoffkennwerte. Nachdem die Simulationsmodelle vollständig validiert sind, können Aussagen über die untersuchten Effekte getroffen werden.

Des Weiteren wird in der Arbeit die Wärmeleitfähigkeit des Bodens betrachtet. Diese hat einen wesentlichen Einfluss auf den Wärmeabtrag des Energieseekabels. Daher werden Böden mit unterschiedlichen Wassergehältern untersucht.

TEAD-Prüfstand mit eingebautem Prüfkörper
TEAD-Prüfstand mit eingebautem Prüfkörper

Analyse der elektro-thermischen Belastungen von Hochspannungs-Durchführungen für stationäre Betriebszustände

Dieses Projekt beschäftigt sich mit der elektro-thermischen Belastung von Hochspannungsdurchführungen. Für die Untersuchung der Durchführung unter extremen Umgebungsbedingungen, wie sie in möglichen Zukunftsprojekten wie DESERTEC auf-treten können, dient hier ein verifiziertes Simulationsmodell.
Um die Verifikation sicherzustellen, wurden die reale Durchführung sowie deren Komponenten zuvor an einem speziell hierfür errichteten Prüfstand auf das thermische Verhalten untersucht. Wesentlicher Ansatzpunkt war die Bestimmung der notwendigen thermischen Materialdaten der Durchführungskomponenten, da diese noch weitestgehend unbekannt waren. Ohne diese Daten wäre jedoch die Erstellung eines virtuellen Abbilds der Durchführung am Rechner nicht möglich gewesen.

Nach der Prüfung der Richtigkeit des Modells wurden extreme Szenarien in Bezug auf die Umgebungsbedingungen eruiert. Hier standen besonders die hohe Umgebungstemperatur, sowie die hohe Sonneneinstrahlleistung, die auf die Durchführung wirkt, im Vordergrund.

Die Simulationen zeigten, dass die zulässige Maximaltemperatur der Durchführung unter z.B. Wüstenbedingungen überschritten wird. In Folge dieser Grenztemperatur-überschreitung kann es zu Schäden an der Durchführung, sowie an den angrenzenden Betriebsmitteln kommen.

Prüfstand mit eingebautem Prüfkörper
Prüfstand mit eingebautem Prüfkörper

Experimentelle und theoretische Untersuchungen zum gekoppelten thermisch-elektrischen Verhalten von Hochspannungsdurchführungen

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der thermo-elektrischen Belastung von Hochspannungsdurchführungen in der Hochspannungsgleichstrom-Energieübertragung. Diese stellen bereits heute für den Energietransport die leistungsbegrenzende Größe dar, da diese ihre thermische Belastungsgrenze bereits unter normalen Bedingungen erreichen kann.

Für diese Untersuchungen dient ein verifiziertes gekoppeltes Simulationsmodell als Grundgerüst. Um die Verifikation sicherzustellen wurden die Materialien, sowie eine reale Durchführung im Versuchsstand auf das thermische Verhalten untersucht. Wesentlicher Ansatzpunkt für die Umsetzung des Simulationsmodells war die Bestimmung der notwendigen thermischen Materialdaten der Durchführungskomponenten, da diese noch weitestgehend unbekannt waren.

Weiter wurde die thermische Einflussgröße auf die Feldsteuerung der HV-Durchführung im Simulationsprogramm untersucht. Hier zeigt sich nach der Verifikation der elektrischen Gegebenheiten durch analytische Lösungen in Parameterstudien, dass temperaturbedingte Leitfähigkeitsänderungen zu einer erhöhten elektrischen Belastung des Isolationsmaterials führen.