Studien- und Abschlussarbeiten

Infolge der weltweit stattfindenden Energiewende und den damit verbundenen Veränderungen im Energiesystem, werden neue Hochspannungsübertragungssysteme installiert, die im Gegensatz zur bisher verwendeten Wechselspannungstechnik auf Gleichspannungsübertragung basieren werden. In Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssystemen (HGÜ) kommen vermehrt feste polymere Isolierstoffe zum Einsatz. In Projekten wie Suedlink oder SuedOstLink sollen Strecken mit einer Länge von bis zu 700 km mit Höchstspannungskabeln, deren Isoliersystem aus vernetztem Polyethylen (VPE) besteht, realisiert werden. Hierbei stellt sich die Frage, ob die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der HGÜ-Komponenten mindestens so gut ist wie die der Wechselspannungsanlagen. Die Langzeiterfahrungen mit polymeren Isolierstoffen in HGÜ-Systemen sind im Vergleich zu denen der Wechselstromsysteme als gering einzustufen.

Die Lebensdauer einer Hochspannungskomponente wird maßgeblich durch das verwendete Isoliersystem bestimmt, wobei für Wechselspannung Methoden entwickelt wurden, mit denen die Lebensdauer fester polymerer Isolierstoffe in Abhängigkeit der elektrischen Feldstärke bestimmt werden kann. Ein solches Verfahren steht derzeit für Gleichspannung nicht zur Verfügung, was die Lebensdauerabschätzung des Isoliersystems nahezu unmöglich macht. Ein Grund hierfür ist die Bildung von Raumladungen im Isoliersystem unter Gleichspannung, welche die Lebensdauer der Isolierung signifikant beeinflussen.

Ziel dieses Forschungsprojektes ist es deshalb, eine Methode zu entwickeln, mit der die Lebensdauer von polymeren Isolierstoffen in Abhängigkeit der Gleichspannungsbeanspruchung und sich im Isolierstoff bildenden Raumladungen beschleunigt ermittelt werden kann. Dafür werden typische polymere Isolierstoffe unter Gleich- und Wechselspannung bis zum Versagen gealtert, wobei parallel eine Raumladungsmesstechnik zum Einsatz kommt, welche es ermöglicht, zerstörungsfrei die Intensität und den Ort der auftretenden Raumladungen zu bestimmen. 

Ziel ist es den globalen Temperaturanstieg rechtzeitig unter 2 °C – wenn möglich unter 1,5 °C – zu begrenzen. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen in sämtlichen Sektoren Maßnahmen zur Minderung des Treibhausgasausstoßes ergriffen werden. Folglich betreffen diese Maßnahmen ebenfalls den Energie- und Stromsektor. Insbesondere die Bedeutung von Energieeffizienzmaßnahmen und Energieeinsparung rücken immer weiter in den Fokus.

In der Forschung und Entwicklung liegt aktuell ein Schwerpunkt auf dem Einsatz von Elektromotoren, da deren Bedarf verbunden mit dem Umbruch hin zu einer Elektrifizierung und Mobilisierung stetig steigen wird.  Der erwartete steigende Bedarf und höhere Anforderungen an Elektromotoren setzen eine Weiterentwicklung und Realisierung von Fertigungs- und Qualitätsprüfverfahren voraus. Diese Weiterentwicklung betrifft neben der Qualität und Lebensdauer, ebenfalls Kostensenkungen von Material und Fertigung. Insbesondere bei der Qualität der Isolation besteht Handlungsbedarf, da die Produktion von Elektromotoren im Gegensatz zur Produktion von Verbrennungsmotoren einen stochastischen Prozess mit schwankendem Qualitätsniveau und hohem Ausschuss darstellt. Der Ausfall eines Motors verursacht nicht nur im späteren Betrieb, sondern bereits in der Fertigung, hohe Kosten.

Vor diesem Hintergrund sind neben der Untersuchung bestehender Prüf- und Diagnosemöglichkeiten und deren Weiterentwicklung, Alterungs- und Materialtests für neu entwickelte Isolationen notwendig. 

Eine der Hauptausfallursachen von Transformatoren stellt die Öl-Papier-Isolieranordnung der Windungen dar. Denn mit zunehmender Alterung steigt der Säuregehalt im Isolieröl, wobei insbesondere die Temperatur und die Säureart die Alterungsgeschwindigkeit der Isolation beeinflussen. Die Säuren verändern die dielektrischen Eigenschaften des Öls und beschleunigen den Abbau von Papierzellulose. Neben hochmolekularen Säuren entstehen auch niedermolekulare Säuren. Dabei verbleiben von den sich bildenden hochmolekularen Säuren 85 - 90 % im Isolieröl, während die niedermolekularen Säuren sich zu 10 % - 15 % im Isolieröl befinden. Es sind vor allem die niedermolekularen Säuren, die im Zusammenspiel mit hydrolytischen Prozessen für die Papieralterung verantwortlich sind. Daher ist es von großer Bedeutung den Alterungszustand von Isolierpapier frühzeitig durch geeignete Methoden zur Zustandsdiagnostik vorzunehmen zu können.    

Die derzeitigen Methoden zur Bestimmung des Säuregehalts im Isolieröl können keine genauen Informationen über den Papierzustand geben, da sich die verschiedenen Säurearten in unterschiedlichen Konzentrationen in Isolieröl und Isolierpapier befinden. Zudem wird bei den gängigen Messmethoden nur eine integrale Sicht der Säurekonzentrationen in Form einer „Säurezahl“ oder „Neutralisationszahl“ ermöglicht. Mit dem neuen Verfahren soll sowohl die Säure als auch das Wasser nach Konzentration und Art direkt im Isolierpapier bestimmt werden, wodurch eine genauere Abschätzung des Papierzustandes ermöglicht werden soll, um somit rechtzeitig eventuelle Maßnahmen zur Zustandsverbesserung der Isolierung einleiten zu können.

Das Papier-Öl-Isoliersystem in Transformatoren unterliegt im Einsatz verschiedenen Beanspruchungen. Die Gas-in-Öl-Analyse (DGA) hat sich als Diagnoseverfahren für die Fehlererkennung von Transformatoren etabliert. Die Konzentrationen von den in Alterungsmechanismen generierten Fehlergasen und vor allem deren Verhältnisse zueinander erlauben einen Rückschluss auf einen vorhandenen Fehler und auf eine ungefähre Einordnung der Fehlerart. Es gibt eine Vielzahl an DGA-Interpretationen auf dem Markt, die allerdings meist lediglich auf Erfahrungen mit Mineralöl basieren und vor allem lediglich im Öl gelöste C₁- bis C₂-Kohlenwasserstoffe und Wasserstoff als Fehlergase berücksichtigen.

Neben den konventionellen Fehlergasen werden aber auch noch weitere höherwertige C₃- bis C₅-Kohlenwasserstoffe gebildet. Vor diesem Hintergrund wurde mithilfe eines Projektpartners ein Messsystem entwickelt und aufgebaut, welches neben den konventionellen Fehlergasen auch die Detektion höherwertiger Kohlenwasserstoffe erlaubt.

Mithilfe dieses Messsystems sollen in verschiedenen studentischen Arbeiten an verschiedenen Isolierflüssigkeiten unterteilt in unterschiedlichen Transformatorfehlerarten verschiedene Einflüsse in Hinblick auf das Gasungsverhalten der Isolierflüssigkeiten untersucht werden. Dazu zählen insbesondere die Art der Isolierflüssigkeit sowie der Alterungsausgangzustand der Isolierflüssigkeit, wie beispielsweise der Wassergehalt sowie Fehlergasgehalt im Ausgangszustand oder auch eine vorweggegangene Alterung infolge weiterer Fehlerarten. Aber auch je Fehlerart werden verschiedene Einflüsse analysiert, wie Belastungsdauer, Energie, Stoßanzahl, Temperatur etc. Es sollen dabei ausschlaggebende charakteristische Fehlergase ermittelt werden und deren Verhalten über die Einflussparameter analysiert werden.

Die Gas-in-Öl-Analyse (DGA) hat sich als Diagnoseverfahren für die frühzeitige Fehlererkennung von Transformatoren etabliert. Die Konzentrationen von den in Alterungsmechanismen generierten Fehlergasen und vor allem deren Verhältnisse zueinander erlauben einen Rückschluss auf einen vorhandenen Fehler und auf eine ungefähre Einordnung der Fehlerart.

Das Wissen über die Gaslöslichkeit dieser Fehlergase und deren Verhalten über der Temperatur und Druck ist essentiell, um die DGA-Messergebnisse interpretieren zu können. Die Gaslöslichkeiten unterscheiden sich signifikant je nach Isolierflüssigkeit, aber auch je nach dem Alterungszustand einer Isolierflüssigkeit.

Vor diesem Hintergrund sollen verschiedene Fehlergase in Hinblick auf deren Löslichkeit in unterschiedliche Isolierflüssigkeiten und auf deren Ausgangszustand untersucht werden. Dazu werden die Isolierflüssigkeiten mit verschiedenen Messmethoden vermessen und im Anschluss die ermittelten Gaslöslichkeiten untereinander und mit der Literatur verglichen. Insbesondere der Einfluss der Temperatur, der Isolierflüssigkeitsart sowie der Alterungszustand der Isolierflüssigkeit soll ermittelt werden.

Das Isoliersystem eines Leistungstransformators unterliegt verschiedenen Belastungen. Kleinste Fehler innerhalb der Isolierung können zu einer langsam fortschreitenden Schädigung des Isoliersystems und zu schwerwiegenden Ausfällen führen. Demzufolge beeinflusst eine frühzeitige Fehlererkennung die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Transformatoren im Betrieb. Insbesondere Teilentladungen (TE) sind eine häufige Fehlerursache in Transformatoren, wofür TE-Monitoring-Systeme in Transformatoren eingesetzt werden können, die den Betrieb überwachen, um solche Ereignisse frühzeitig zu erkennen. Ferner ist die Gas-in-Öl-Analyse (DGA) der Isolierflüssigkeit in Transformatoren, welche die Konzentration der in ihr gelösten Fehlergase ermittelt, eine etabliertes Zustands- und Monitoringverfahren. Die Konzentrationen der Fehlergase und vor allem die Verhältnisse zueinander erlauben einen Rückschluss auf einen vorhandenen Fehler und auf eine Einordnung der Fehlerart. Solch ein DGA Monitoring System detektiert unter anderem die Konzentration von Wasserstoff, welcher für Teilentladungen ein Schlüsselgas darstellt. Eine hohe Konzentration an Wasserstoff lässt jedoch nicht unmittelbar nur auf Teilentladungen als Fehlerart schließen. Demzufolge könnte eine zusätzliche Implementierung eines TE-Detektors in ein DGA Monitoring einen aussagekräftigeren Rückschluss auf vorhandene Teilentladungen bieten.

Vor diesem Hintergrund besteht die Masterarbeitsaufgabe darin einen TE-Detektor in einem auf dem Markt verfügbaren DGA Monitoring System für Leistungstransformatoren zu integrieren. Hierzu sollen zunächst grundlegende Untersuchungen erfolgen, welche Sensoren möglicherweise eingesetzt werden können und wie diese in dem bestehenden DGA Monitoring System integriert werden können. Nach der Auswahl eines geeigneten Sensors und der Messtechnik soll mittels dessen ein Prototyp entworfen und aufgebaut werden. Mittels des Prototyps sollen anschließend erste Messungen zur Erprobung und Aufnahme von TE Mustern erfolgen. Abschließend soll eine Parameterstudie ausgearbeitet werden, welche die TE-Intensität berücksichtigt.

Die Ausarbeitung hat nach den angegebenen Institutsrichtlinien zu erfolgen, wobei während der Bearbeitung des Themas die im Schering-Institut geltenden Arbeitssicherheitsvorschriften einzuhalten sind. Die beiden einzureichenden Exemplare der Arbeit bleiben Eigentum des Instituts. Die Arbeit ist zusätzlich in elektronischer Form auf einem Datenträger in einem üblichen Format bereitzustellen.

Der voraussichtliche Bedarf an Hochspannungskabeln wird im Zuge der Energiewende in den nächsten Jahren weiter steigen. Ursache dafür ist neben der Verknüpfung der europäischen Stromnetze auch der verstärkte Ausbau und die damit einhergehende Integration erneuerbarer Energien - insbesondere von Wind- und Solarenergie - in das Stromnetz. Da diese Energieerzeugung besonders an dezentralen Standorten stattfindet, muss eine große Übertragungsdistanz überwunden werden, um die Energie zu den Verbrauchszentren transportieren zu können. Als Übertragungsmittel kommen dabei einerseits Kabel und andererseits Freileitungen in Frage, wobei sich die Errichtung neuer Freileitungen vielerorts aufgrund der sozialen und platzbedingten Verträglichkeit problematisch zeigt. Zur Behebung dieser Probleme kann und wird daher auf einen verstärkten Einsatz isolierter Kabel, die unterirdisch und auch unterseeisch verlegt werden können, zurückgegriffen. Dabei werden besonders für die Übertragung über weite Strecken Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssysteme (HGÜ) genutzt, da diese ab einer Kabellänge von ca. 55 km bis 70 km einen wirtschaftlichen Vorteil gegenüber der herkömmlichen Drehstrom-Hochspannungs-Übertragung besitzen.

Im Gegensatz zu Freileitungen, deren Isoliersystem vorrangig aus der Umgebungsluft und den Isolatoren an den Strommasten besteht, besitzen Kabel ein komplexeres Isolationssystem, welches eine sukzessive Zustandsverschlechterung aufgrund von Alterungsprozessen und Verschleiß im Laufe der Betriebsdauer erfährt. Diese Zustandsverschlechterung wird dabei zusätzlich durch evtl. Produktionsfehler des Isoliersystems oder auch Beschädigungen bei der Kabelverlegung begünstigt. Diese Schwachstellen innerhalb des Kabelisoliersystems können im Laufe der Zeit zu Problemen der Energieübertragung bis hin zum Versagen des Kabels und damit einhergehend zu Ausfällen der Energieversorgung führen. Weiterhin ist eine Reparatur der beschädigten Kabelabschnitte möglich, jedoch aufgrund der Notwendigkeit der Hebung des Kabels mit erheblichen Kosten verbunden.

Aus diesen Gründen soll erstmalig ein Gerät zur Kabelanalyse basierend auf der Frequency-Domain-Analyse (FDA) entwickelt werden. Mit diesem Gerät soll sowohl eine genaue Ortung und Bestimmung hinsichtlich des Typs der Fehler als auch eine Verbesserung der Zustandsüberwachung und der Wartung der Kabel ermöglicht werden.

Um den weltweit steigenden Bedarf an elektrischer Energie zu decken, sind hohe Energieübertragungskapazitäten und lange Übertragungswege erforderlich. Die eingesetzten Komponenten und Betriebsmittel sind vielfältigen Belastungen und äußeren Einflüssen ausgesetzt. Dabei kann es zum Ausfall von Komponenten durch Überspannung kommen. Hierbei wird zwischen innere und äußere Überspannung unterschieden. Innere-Überspannungen werden durch Schaltvorgänge, Erd- und Kurzschlüsse, sowie durch Resonanzerscheinungen hervorgerufen. Äußere-Überspannungen entstehen durch atmosphärische Einflüsse.

Die Analyse der Eigenschaften von Komponenten umfasst unter anderem die Durchführung von Stoßspannungsprüfungen. Im Rahmen dieser Prüfungen erfolgt eine gezielte Beanspruchung der zu testenden Komponente mittels einer definierten Spannungsform. Der Verlauf und die Amplitude dieser Spannung werden dabei mit einem Messteiler überprüft. Infolge der hohen Spannungen weisen diese Messteiler eine große Bauform sowie einen hohen Anschaffungspreise auf.

Im Rahmen des Forschungsprojektes soll eine Methode zur indirekten Spannungsmessung über das elektromagnetische Feld entwickelt werden. Ein wesentlicher Aspekt bei der Entwicklung des berührungslosen Messsystems ist die Fähigkeit zur präzisen Erfassung von erzeugten Spitzenwerten und Zeitparametern, wobei Abweichungen und Verfälschungen durch Umgebungseinflüsse zu vermeiden sind. Das Ziel des Projekts besteht in der Digitalisierung und Miniaturisierung der Messtechnik, wodurch Vorteile wie Platzersparnis, Kostenreduktion und erhöhte Mobilität erzielt werden sollen.

Im Zuge der Energiewende hat die dezentrale Energieversorgung, und damit insbesondere der Einsatz von Wind- und Solarenergie, deutlich zugenommen. Ähnlich der zentralen Energieversorgung werden auch hier Transformatoren benötigt. Ein besonderer Unterschied in der Energieerzeugung zeigt sich allerdings im Lastprofil. Während Kraftwerke in der Regel konstante Leistung bereitstellen, hängt die erzeugte Leistung in Solar- und Windparks besonders von den Witterungsbedingungen sowie der Tageszeit ab. Dabei können einerseits Lastspitzen und andererseits Lasttäler entstehen. Diese Fluktuationen lassen auf eine besondere und vor allem neuartige Belastung der Komponenten, insbesondere der Transformatoren, schließen.

Vor diesem Hintergrund sollen im Rahmen einer Abschlussarbeit zusammen mit dem Unternehmen Enercon GmbH reale Daten untersucht und Transformatorfehler in Windparks identifiziert werden. Ziel der Arbeit ist die Auswertung realer Daten hinsichtlich der Häufigkeit von Fehlern sowie deren Ursachen, um Erkenntnisse über die Schwachstellen von Transformatoren in Windenergieanlagen zu erhalten. Dazu soll eine Datenbank erstellt werden mit zugehörigen Datenbank-Algorithmen, welche eine statische Auswertung und Kategorisierung dieser Fehler erlauben, so dass Maßnahmenempfehlungen im Hinblick auf den Betrieb als auch die Auswahl geeigneter Transformatoren für künftige Windparks ausgearbeitet werden können.