Lehrstuhl für Hochspannungstechnik und Elektrische Anlagen
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Item Elektromagnetische Teilentladungsdiagnose mit ausrichtungsunabhängigen Patch-Antennen und robusten Entstörungsmethoden(2025) Friebe, Kerstin; Jenau, Frank; Hirsch, HolgerDie Teilentladungsdiagnose ist ein wichtiger Bestandteil der Zustandsbewertung von Betriebsmitteln und dient der Gewährleistung der Übertragungssicherheit des Energieübertragungsnetzes. Teilentladungen (TE) sind Ionisierungsvorgänge aufgrund überhöhter Feldstärken und stellen ein lokales Versagen der Isolierung dar. Eine Möglichkeit der Erfassung von TE ist die elektromagnetische Erfassung. Die Erfassung von TE durch Antennen erfolgt kontaktlos während des Betriebs. In Umgebungen mit hohem Störpegel werden die TE-Signale allerdings von schmalbandigen und breitbandigen Störern sowie Rauschen vollständig überlagert. Neben klassischen Filterverfahren und Mittelung bietet hier das Wavelet-Denoising einen Ansatz zur Störreduktion. Im Rahmen des Wavelet-Denoisings wird eine skalierbare und verschiebbare Funktion, die sogenannte Wavelet-Funktion, über das Zeitsignal geschoben. Das Zeitsignal wird in Koeffizienten zerlegt, die dann nach bestimmten Schwellwertregeln zur Störunterdrückung manipuliert werden. Die Bestimmung des Schwellwerts erfolgt durch Verfahren zur Schätzung der Störumgebung. Es erfolgen Untersuchungen zur optimalen Wahl von Wavelet-Funktion, Schätzverfahren und Schwellwertregel. Zur Bewertung der Störreduktion, der Signalverzerrung durch den Entstörungsprozess und der Detektion der TE-Impulse wird ein Verfahren entwickelt, welches in einer Vorstudie mit einem synthetischen eindeutig bekannten Signal durchlaufen und im Anschluss auf die realen Messdaten angewendet wird. Ein spezieller Messaufbau ermöglicht die Validierung der erfolgreichen Isolation der TE-Signale von der Störumgebung durch gezielte Erzeugung von TE und eine parallele leitungsgebundene Referenzmessung. Klassische Antennenstrukturen wie die logarithmisch periodische Richtfunkantenne werden bereits zur Erfassung von TE genutzt. Aufgrund ihrer Richtcharakteristik ist Kenntnis über den Entstehungsort der TE erforderlich. Außerdem sind die Maße solcher breitbandigen Strukturen in der klassischen Bauform mit über 2 Metern in der Anwendung unhandlich. Im Rahmen dieser Arbeit werden Patch-Strukturen zur ausrichtungsunabhängigen Erfassung von TE designed und qualifiziert. Durch Aufbringen von Kupferstrukturen auf ein Dielektrikum sind die benötigten geometrischen Dimensionen für den gleichen Frequenzbereich geringer. Es werden eine logarithmisch periodische Patch-Struktur, eine Hilbert-Fraktal-Struktur sowie eine Flügel-Struktur realisiert. Das Design erfolgt zur Realisierung einer Rundstrahlcharakteristik antipodal. Zur Qualifizierung der Strukturen erfolgt eine Gegenüberstellung der Strukturen hinsichtlich relevanter Antennenparameter, sowie der Eignung zur ausrichtungsunabhängigen Erfassung von TE-Signalen unter Berücksichtigung der Sensitivität gegenüber Ausrichtung und Störumgebung. Zur Bestimmung der Ladungsmenge, die im Rahmen der TE-Diagnose eine relevante Kenngröße zur Zustandsbewertung des Betriebsmittel darstellt, wird ein Kalibrierungsverfahren für die Strukturen entwickelt. Dabei wird zunächst eine geeignete Signalgröße bestimmt und durch Messungen mit Kalibrierimpulsen eine Korrekturfunktion festgelegt. Zur Validierung wird das Verfahren auf TE-Signale angewendet, die mit dem genannten Messaufbau erzeugt und den entwickelten Patch-Strukturen erfasst werden. Zur Bewertung der Genauigkeit der Bestimmung der Ladungsmenge wird diese synchron über einen integrierten Teilentladungsmesskreis nach IEC 60270 gemessen.Item Methoden und Aspekte zur Leitfähigkeitsanalyse von Isolationsmaterialien der Kabeltechnologie und zur Isolationskoordination für Systeme der Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ)(2020) Freye, Claudius; Jenau, Frank; Leibfried, ThomasDie Betriebsbedingungen und das dynamische Betriebsverhalten von Modularen Multilevel-Umrichtern (MMC) in Systemen der Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) führen zu neuartigen Isolationsbeanspruchungen. Daher wird zunächst im Themenfeld der Isolationskoordination ein Verfahren zur Dimensionierung erforderlicher Luftstrecken und der klimatischen Korrektur von Auslegungsspannungen für HGÜ-Systeme vorgestellt. Darüber hinaus werden simulativ und exemplarisch die bei einem Pol-Erde-Schluss auftretenden Überspannungen einer MMC-HGÜ (symmetrischer Monopol, Halbbrücke) am Freileitungs- respektive Kabelabgang analysiert und Konzepte zur synthetischen Labornachbildung dieser Spannungen diskutiert. Die elektrische Feldverteilung vor transienten Beanspruchungen ist von Relevanz, um die Auswirkungen von Überspannungen auf Isolationssysteme der HGÜ bewerten zu können. Hierzu rücken Verfahren der Leitfähigkeitsanalyse in den Fokus, sodass zu diesem Zweck ein automatisiertes, modulares, skalier- und erweiterbares Versuchskonzept präsentiert wird. Die nachfolgend eingeführten allgemeinen Modellierungsmethoden dienen der Formulierung der Voraussetzungen einer präzisen Leitfähigkeitsbestimmung aus messtechnisch-theoretischer und feldtheoretischer Sicht. Additiv werden neuartige Analyse- und Entrauschungsmethoden präsentiert, die eine Berücksichtigung der Zeitabhängigkeit des erfassten Absorptionsstroms ermöglichen und die Rückschlussmöglichkeit auf die dem Werkstoff zu Grunde liegende dielektrische Antwortfunktion steigern. Im Zuge von experimentellen Untersuchungen von LSR- und VPE-Prüfkörpern werden die Leistungsfähigkeit der Versuchstechnik sowie der neuartigen Trend- und Steigungsanalysen bestätigt und Erweiterungen der Prüfumgebung für zukünftige Untersuchungen angeregt.Item Oil impregnated pressboard barrier systems based on ester fluids for an application in HVDC insulation systems(2017-12-15) Rumpelt, Patrick; Jenau, FrankEster-based insulation fluids are being increasingly used in high-voltage insulation systems. The reasons are the advantages in the area of ecological compatibility and resource-saving provision. The intention to use ester-based insulation fluids in high voltage direct current (HVDC) equipment is new. The major challenge in designing the HVDC insulation system is, that the systems do not only experience an alternating voltage, but also a direct voltage Offset. This presents a challenge to predict the electric field distribution. For this purpose, basic investigations are carried out in the form of conductivity investigations for various insulation barrier systems. In addition, a mineral oil serves as a reference oil for estimating existing insights. The results show the influence of the ester-based insulating liquids on the direct current (DC) conductivity for basic arrangements, consisting of pressboard barriers and mixed insulations.Item Transiente Modellierung koaxialer Spulensysteme unter Berücksichtigung nichtlinearer Materialeigenschaften(2013-08-06) Cernat, Radu-Marian; Peier, Dirk; Kulig, Tadeusz StefanDie vorliegende Dissertation behandelt die Modellierung koaxialer Spulensysteme mit der finiten Elementen Methode an den Anwendungsfällen Zündtransformator und Hubmagnet. Hierfür wird ein nichtlineares Modell für die magnetischen und elektrischen Materialeigenschaften aufgestellt und an die besonderen Anforderungen der FEM-Berechnung angepasst. Im Anschluss werden die elektrische und magnetische Feldverteilung im transienten Fall und deren gegenseitige Beeinflussung ermittelt. Parasitäre Elemente wie die Streuinduktivität oder die Wicklungskapazität sowie die auftretenden Verluste werden ortsaufgelöst berücksichtigt. Ausgleichsvorgänge innerhalb des Spulensystems werden realitätsgetreu nachgebildet, wodurch eine potentielle punktuelle Überbeanspruchung der eingesetzten Werkstoffe visualisiert wird.Item Untersuchung der Feldqualität kleiner Modenverwirbelungskammern bei elektronischer Feldhomogenisierung(2012-04-17) Obholz, Martin Alexander; Peier, Dirk; Enders, AchimDas resonante Funktionsprinzip einer Modenverwirbelungskammer ermöglicht gerade im Bereich der Störfestigkeit hohe Prüffeldstärken bei niedrigen Eingangsleistungen. Abgesehen von ökonomischen Vorteilen im Hinblick auf die benötigte Verstärkertechnik, lassen sich hierdurch effizient die Störschwellen elektrischer Betriebsmittel ausloten. Der Quotient aus Prüffeldstärke und benötigter HF-Eingangsleistung steigt theoretisch mit sinkender Kammergröße an. Daher wird im Folgenden die Feldqualität innerhalb einer kleinen Modenverwirbelungskammer untersucht. Hierzu wird ein Hohlraumresonator mit den Kantenabmessungen a = 0,5 m, b = 0,74 m und d = 1,04 m aus verzinktem Stahlblech angefertigt, der im multimodalen Bereich betrieben wird. Theoretisch lassen sich elektrische Feldstärken im zweistelligen V/m-Bereich bei mW-Eingangsleistungen generieren. Die zu erwartende untere Grenzfrequenz der Kammer liegt zwischen 1 GHz und 1,1 GHz. Da das zur Verfügung stehende Volumen sehr begrenzt ist, werden ausschließlich elektronische Verwirbelungsverfahren eingesetzt, die zusätzlich eine deutliche Reduktion der üblichen Prüfzeiten bewirken. Die Güte wird mittels einer breitbandigen Postprocessing-Mittelung bestimmt. Da naturgemäß die Güte einer kleinen Kammer relativ niedrig im Vergleich zu großen Versionen ist, werden die Veränderungen bei stark absorbierender Beladung ausgewertet und mit einem theoretischen Grenzfall in Verbindung gebracht. Ebenfalls werden die theoretischen Zusammenhänge zur maßstabsgetreuen Nachbildung der Güte und Modenanzahl einer großen rechteckigen Kammer durch eine kleine Variante ermittelt. Das Verfahren sieht vor, einen Skalierfaktor zu wählen, aus dem sich dann die benötigte Leitfähigkeit, der Betriebsfrequenzbereich und die Abmessungen der skalierten Kammer ergeben. Da bei kleinen Modenverwirbelungskammern die Sende- und Empfangsantenne einen geringen Abstand zueinander aufweisen, ist die Ausbildung direkter Signalpfade wahrscheinlich. Diese ungewollte Verkopplung ist kontraproduktiv für die Reproduzierbarkeit des Prüffeldes. Unklar ist auch, ob eine Abhängigkeit zum eingesetzten Antennentyp besteht. Daher werden statistische Analysen zur Identifikation eines direkten Übersprechens für eine LogPer- Antennenübertragungsstrecke und zwei kelchförmige Monopolantennen in der kleinen Modenverwirbelungskammer durchgeführt. Zur praktischen Generierung eines Prüffeldes werden, angelehnt an das breitbandige „frequency stirring“, frequenzmodulierte Signale in die Kammer eingespeist und die Feldhomogenität qualitativ beurteilt. Als variabler Parameter steht hierbei der Modulationshub zur Verfügung. Zur Reduktion des Modulationshubs und einer Absenkung der unteren Grenzfrequenz werden Kugelsegmentdiffusoren entwickelt und in die Kammer eingebracht. Hierdurch wird die Modenanzahl angehoben, wodurch sich eine Verbesserung der Feldqualität gerade in den unteren Frequenzbereichen ergibt.Item Hohlraumresonanzgüte in Modenverwirbelungskammern(2008-03-06T09:12:50Z) Hillgärtner, Michael; Peier, D.; Enders, A.Item Grundlagen der Elektrotechnik IV(Universität Dortmund, 1999-03-18) Peier, DirkItem Grundlagen der Elektrotechnik III(Universität Dortmund, 1999-03-17) Peier, Dirk