Labor für Hochspannungstechnik

Durch den stetig wachsenden Energiebedarf und den Ausbau des Energieversorgungsnetzes wachsen auch die Leiterquerschnitte der Energiekabel und damit der Bedarf nach Verbindern für große Querschnitte. Gerade bei diesen großen Querschnitten ist eine dauerhaft zuverlässige, niederohmige Verbindung der Leiter einzelner Kabelabschnitte notwendig. Die Anwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM) in der mechanischen und elektrischen Simulation von Schraubverbindern für Hochspannungskabel, insbesondere bei großen Querschnitten, ist ein wichtiges Werkzeug zur fachgerechten Dimensionierung der Schraubverbinder. Ein wesentlicher Aspekt dieses Forschungsgebietes besteht in der detaillierten Analyse und Bewertung der Simulationsergebnisse anhand von präzisen Messungen. Dieser Forschungsbereich hat das Potenzial, die Effizienz und Zuverlässigkeit der stromführenden Kontakte von Energiekabelsystemen erheblich zu steigern und somit einen bedeutenden Beitrag zur Weiterentwicklung dieser Technologien zu leisten.

Im Zuge der fortschreitenden Energiewende gewinnt die Überwachung und Steuerung von Energieversorgungskabeln zunehmend an Bedeutung. Insbesondere im Hinblick auf den Netzentwicklungsplan und den damit einhergehenden Ausbau des Stromnetzes auf der 110-kV-Ebene (und höher) wird die digitale Abbildung, der sogenannte digitale Zwilling, eines Energieversorgungskabels, zu einem wichtigen Werkzeug. Auf diesem Wege erlangt der Betreiber Erkenntnisse über die Belastungen, denen die Kabelanlagen tatsächlich im Laufe des Betriebs ausgesetzt sind. Die Veränderungen dürften vor allem in Belastungssteigerungen und stärkeren Lastwechseln bestehen. Beides hat eine Auswirkung auf die Lebensdauer der Kabel. Der erste Schritt ist jedoch die Aufnahme von entsprechenden Daten, um ein Bild von der tatsächlichen Belastung der Kabelstrecken zu erhalten und strukturiert abzulegen um in einem nächsten Schritt auf Basis dieser Erkenntnisse, Rückschlüsse auf den Lebensdauerverbrauch durch übermäßige Belastungen ziehen zu können. Das Monitoring und daraus resultierend der witterungsabhängige Betrieb, ist bei Freileitungstrassen im Verteil- und Transportnetz bereits an verschiedenen Stellen möglich, um zum Beispiel Lastflüsse zustandsabhängig steuern zu können. Bei Energieversorgungskabeln ist dies aktuell nur in Einzelfällen so. Dieses Forschungsprojekt beschäftigt sich mit der Erprobung eines digitalen Zwillings für ein 110-kV-Energieversorgungskabel. Aufgabe des Hochspannungslabors der Fachhochschule Südwestfalen im Auftrag der Drittmittelgeber ist es, die Konzeptionierung, Entwicklung und Implementierung dieses digitalen Zwillings durchzuführen. Erforderlich ist hierfür die Erfassung verschiedener hochaufgelöster Messdaten (Spannung, Strom, Teilentladungen und Temperatur (ortsaufgelöst)), die Aggregation und Versendung der Messdaten an eine zentrale Datenbank und die anschließende Visualisierung der Daten durch eine entsprechende Software. Die Sensorik am Kabelsystem wird durch Energy-Harvesting mit Energie versorgt. Durch die Integration der Sensoren entlang der Kabelstrecke (inklusive Muffen und Endverschlüssen), können alle relevanten Zustandsinformationen erfasst werden, um eine umfassende Bewertung des Kabelzustands zu ermöglichen. Das Projekt wird in enger Kooperation mit der Rheinischen NETZGesellschaft mbH und dem Kabelhersteller NKT durchgeführt, sodass am Ende der digitale Zwilling an einer realen 110-kV-Kabelstrecke in Betrieb geht.

Ein Forschungsschwerpunkt im Hochspannungslabor der Fachhochschule Südwestfalen sind elektrische Alterungsmechanismen und -effekte kryogener Verbundisolierungen, wie sie zum Beispiel in supraleitenden Hochspannungskabeln vorkommen. Die Fachhochschule begleitet als wissenschaftlicher Partner das Projekt „SuperLink“ in München, in dem alle Komponenten für ein 110-kV-Supraleitendes-Energiekabel entwickelt und getestet werden. Anders als bei herkömmlichen Energiekabeln mit Kunststoffisolierung besteht die Isolierung von supraleitenden Kabeln, bei Betriebstemperaturen von -196°C, aus Isolierbändern, die mit flüssigem Stickstoff getränkt sind. Um die Langlebigkeit der Kabel sicherzustellen, werden elektrische Alterungseffekte (thermische sind bei den Temperaturen höchst unwahrscheinlich) durch Teilentladungen auf die elektrische Isolierung dieses speziellen Kabeltyps untersucht.

Zur Prüfung und Diagnose von Energiekabelsystemen wird seit Jahren die Teilentladungsmessung (TE) eingesetzt. Insbesondere auf die Kabelgarnituren, also Muffen und Endverschlüsse, sollte ein besonderes Augenmerk gelegt werden. Neben konventionellen Diagnoseverfahren werden auch unkonventionelle Verfahren wie die ultrahochfrequente (UHF) Teilentladungsdetektion erforscht und eigesetzt. Thematisch wird vor allem die UHF-TE-Diagnose an Kabelendverschlüssen untersucht. Hierbei werden die Potentiale und Grenzen der UHF-TE-Detektion und Lokalisation sowohl im Labor, als auch in Hochspannungsschaltanlagen vor Ort untersucht. Dies geschieht im Rahmen eines Innovationsprojektes in Kooperation mit der Bayernwerk Netz GmbH.