Forschungsbereich | Elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik

Forschungs- & Entwicklungsschwerpunkte

➤ Netzvorgänge, Schalttransienten
➤ Entladungen bei Gleich-, Misch- und hochfrequenter Spannung
➤ Dielektrische Eigenschaften von Isolierstoffen
➤ Elektrische Isoliersysteme
➤ Hochspannungstechnologien

Beanspruchung von Isolierstoffen und Isolierstrecken mit Mischspannung (Superposition 50Hz-Spannung und Gleichspannung)

Die Erzeugung und Übertragung elektrischer Energie erfolgt heute überwiegend mit niederfrequenter Wechselspannung, zunehmend aber mit Gleichspannung. Solange klassische Generatoren Wechselspannung erzeugen und beide Spannungsformen bei der Energieübertragung eine Rolle spielen, sind sie in die jeweils andere Form umzuwandeln und an den „Berührungspunkten“ gegeneinander zu isolieren. Dabei wird die Isolierstrecke mit einem Mischfeld beansprucht. Das bedeutet, dass das elektrisches Strömungsfeld und das dielektrisches Verschiebungsfeld gleichzeitig wirken. Forschungsthemen sind:

  • Schaltungen zur Erzeugung von Mischspannungen
  • Physikalische Effekte bei Mischfeldbeanspruchung in Isoliermaterialien und an Grenzflächen bei variierten Spannungsanteilen
  • Messprinzipien für Mischspannungen und den wirkenden elektrischen Feldern

Beanspruchung von Isolierstoffen und -systemen mit Hochspannungs-Gleichstrom (HVDC) und einer überlagerten mittelfrequenten Spannung

Große Fortschritte und Kostensenkungen in der Halbleitertechnik ermöglichen den verstärkten Einsatz leistungselektronischer Topologien für die Wandlung, den Transport und die zeitpräzise Umwandlung elektrischer Energie, z. B. in Bewegungs- und Wärmeenergie für industrielle Prozesse. Die meist kurzzeitige Bereitstellung höherer Leistungen ist zunehmend mit höheren Spannungen verknüpft. Durch die energetische Kopplung zweier Stromkreise über das Magnetfeld mittelfrequenter Ströme treten technische Vorteile und hohe Wirkungsgrade auf. So arbeiten die leistungselektronischen Koppler (z. B. Umrichter) mit Mittelfrequenz. Die elektrischen Isolierstrecken werden dabei mit hochfrequenten Feldstärkeänderungen (auch in der Niederspannungstechnik) beansprucht. Durch die Kaskadierung leistungselektronischer Schaltungen kommt es zur Superposition von mittelfrequenten rechteck- oder sinusförmigen Spannungen von bis zu einigen Kilovolt und von Gleich- oder Wechselspannungen von bis zu einigen 10 oder 100 Kilovolt. Diese Art der dielektrischen Beanspruchung von Isolierstoffen und auch Grenzflächen ist neu. Derartige Spannungsformen werden durch entsprechende Topologien, die das FG Leistungselektronik oder Industriefirmen realisieren, oder durch neu entwickelte Prüfgeneratoren und –schaltungen der Forschergruppe erzeugt. Zum Zeitpunkt der Gründung der FGR war das Forschungsfeld neu, heute arbeiten viele Gruppen auf diesem Gebiet. Die Bedeutung dieses Forschungsgebietes steigt.

Forschungsthemen sind:

  • Erzeugung einer „repräsentativen“ Prüfspannung in Form einer hohen mittelfrequenten sinus- und rechteckförmigen Hochspannung, Schaltungen zur Überlagerung verschiedenster Spannungsformen
  • Polarisation und dielektrische Verluste bei mittelfrequenter sinus- und rechteckförmigen Hochspannung, Bestimmung der Parameter für die Berechnung der Verluste und der Feldverteilung
  • Entladungen bei sinus- und rechteckförmigen Hochspannung an Grenzflächen (z. B. Toepler-Anordnung) und Gasstrecken (z. B. Spitze-Platte-Anordnung)
  • Auslegung/Isolierprinzipien von Mittelfrequenz-Transformatoren

Hochspannungstechnologien

Hohe Spannungen und Feldstärken haben physikalische Wirkungen, die zu verstehen sind und für technologische Verfahren oder besondere Anwendungen genutzt werden können.

Prof. Dr.-Ing. Carsten Leu
Professur Elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik

Institut
EET | Institut für Elektrische Energietechnik

Telefon: +49 (0)341 3076 1273
E-Mail: carsten(dot)leu(at)htwk-leipzig.de

Projekte

HVDC MEASURE

Entwicklung eines Sensorkopfs inkl. Erforschung hierfür grundlegend geeigneter Elektrodenanordnungen für unterschiedliche Spannungsformen und -bereiche

Ziel ist die sichere Bestimmung von Gleich-, Wechsel- und Mischspannungen nach dem Prinzip des generatorischen Spannungsmessers. Messgeräte zur Potential- und Spannungsmessung sind beispielsweise Rotationsvoltmeter, bei denen ein geerdeter Flügel ein Elektrodensegment auf- und zudeckt, so dass durch die Flächenänderung der Kondensator-Anordnung ein kapazitiver Strom generiert wird, über den auf die zu messende Spannung geschlossen werden kann. Das Potential metallischer Teile oder aufgeladenen Oberflächen wird ausschließlich über die influenzierte Spannung am Messkopf hochohmig gemessen. Die elektrischen Energieversorgungssysteme der Zukunft arbeiten mit Wechselspannung und mit Gleichspannung, aber auch mit überlagerten Spannungsformen. Insbesondere in Gleichspannungsanlagen treten Aufladungen auf. Diese sind sicher und ohne Verluste abzubilden. Bisher angewendete Spannungsteiler setzen einen Messstrom und einen metallischen Kontakt voraus. Dies wird mit dem weiter zu entwickelnden Messprinzip vermieden.

Förderung: BMWi, Programm „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand“ (ZIM)
Projektlaufzeit: 08/2021 - 01/2024

Projektseite HVDC MEASURE ↗

MF Discharge

Entladungen bei Gleichspannung mit überlagerter mittelfrequenter Wechselspannung an Grenzflächen in Hochspannungsisoliersystemen

Ziel ist es, grundlegende Erkenntnisse zu physikalischen Effekten sowie Parameter für die Auslegung, Realisierung und den Betrieb von Isoliersystemen zu gewinnen, die mit einer mittelfrequenten Hochspannung, welche einer Systemspannung (Gleichspannung) überlagert ist (Mischspannung), beansprucht werden. Im Vordergrund dieses Projekts stehen wissenschaftliche Untersuchungen zur Zündung, zur Entladungscharakteristik und zum Störpotential von Teilentladungen im Allgemeinen und Gleitentladungen im Besonderen, wie sie an Orten hoher Feldstärke und geringer elektrischer Festigkeit, z. B. an inneren und äußeren Grenzflächen fester Isolierstoffe auftreten. Diese befinden sich in Hochspannungs-Isoliersystemen von Betriebsmitteln neuer dezentraler Netze und elektrischer Energieversorgungssysteme.

Förderung: DFG
Projektlaufzeit: 06/2021 - 08/2023

Projektseite MF Discharge ↗