Thermo-elektroquasistationäres Modell zur umgebungsabhängigen Berechnung von Feldbelastungen in Hochspannungs-Gleichstromkabeln

Abstract:
Gleichstromkabel besitzen meist eine Isolierung aus vernetztem Polyethylen (VPE) oder masse-imprägniertem Papier (MI), welche beide eine nichtlineare elektrische Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke und der Temperatur besitzen. Durch akkumulierte Raumladungen verändert sich das elektrische Feld, wobei es in Bereichen hoher Temperatur sinkt und in Bereichen niedriger Temperatur steigt. Feldüberhöhungen nahe des metallischen Außenmantels können dabei zu einer Schädigung des Isolierstoffes führen. Aufgrund der charakteristischen Verbindung zwischen Temperatur und elektrischer Feldstärke wird ein Modell entwickelt, mit dem das stationäre elektrische Feld direkt aus einer beliebigen Temperaturverteilung im Kabelinneren berechnet werden kann. Für die Temperaturverteilung wird ein Kabel im Boden betrachtet und mittels Wärmeleitungsgleichung berechnet, wobei Verluste in der Isolation vernachlässigt werden. Ausgehend von einer im Allg. unsymmetrischen Temperaturverteilung wird zur Berechnung des elektrischen Feldes dieses zunächst als rein radialsymmetrisch betrachtet. Der Betrag des radialsymmetrischen Feldes wird beschrieben mit E = K ∙ exp(-η), wobei die Variable η u.a. von der zuvor berechneten Temperaturverteilung abhängt. Da aufgrund der unsymmetrischen Temperatur η und damit auch E variiert, wird die Konstante K anschließend für jeden Winkel ϕ und jeden Ortspunkt z der Zylinderkoordinaten berechnet, damit die gesamte Spannung über der Isolation abfällt. Vergleiche der stationären elektrischen Feldverteilungen, transient nach etablierten Modellen, sowie über das hier vorgestellte Modell berechnet, in Seekabeln und Kabelbündeln zeigt eine maximale Abweichung der Ergebnisse von < 1,5 %.