Leistungstransformatoren gehören zu den Schlüsselkomponenten der Hochspannungstechnik. Mit steigenden Anforderungen an Energieeffizienz, Betriebssicherheit und Geräuschreduzierung gewinnt die Vorhersage des Schwingungsverhaltens von Transformatorkernstrukturen zunehmend an Bedeutung. Mechanische Schwingungen entstehen infolge magnetischer Anregungen und können bei Resonanz zu erhöhten Geräuschemissionen, mechanischen Beanspruchungen sowie einer Verringerung der Lebensdauer des Transformators führen. Eine frühzeitige und zuverlässige Vorhersage dieser Schwingungseigenschaften ist daher für die Entwicklung geräuscharmer und langlebiger Transformatoren eminent.

Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich der Forschungsschwerpunkt mit der Entwicklung einer Technologie zur Vorhersage des Schwingungsverhaltens von Transformatorkernstrukturen. Ziel ist die Entwicklung wissenschaftlich fundierter Modellierungs- und Simulationsmethoden, mit denen die dynamischen Eigenschaften von Transformatorkernen bereits während derer Entwicklungsphase zuverlässig beschrieben und vorhergesagt werden können. Hierzu werden experimentelle Untersuchungen und numerische Simulationen miteinander kombiniert, um die wesentlichen Einflussgrößen auf das strukturdynamische Verhalten zu identifizieren, geeignete Modellierungsansätze zu entwickeln und diese anhand experimenteller Messdaten systematisch zu validieren.

Langfristiges Ziel ist die Bereitstellung einer prädiktiven Technologie, welche die Auslegung zukünftiger Transformatorkernstrukturen unterstützt, Resonanzerscheinungen frühzeitig erkennt und einen Beitrag zur Reduzierung von Schwingungen und Geräuschemissionen sowie zur Verbesserung der Betriebssicherheit und Lebensdauer von Leistungstransformatoren leistet. Dieser Forschungsansatz verbindet experimentelle Strukturdynamik, numerische Modellierung und Modellvalidierung zu einer integrierten Methodik für die Analyse und Vorhersage des dynamischen Verhaltens von Transformatorkernstrukturen. Ziel ist die Bereitstellung einer wissenschaftlich fundierten Technologie, welche eine zuverlässige Vorhersage des Schwingungsverhaltens ermöglicht und damit die Entwicklung geräuscharmer und schwingungsoptimierter Leistungstransformatoren unterstützt.

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. 

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.