Autor: Maximilian Stumpe

Die zunehmende Nutzung und Integration erneuerbarer Energien macht Energietransporte über weite Distanzen notwendig, wobei wegen technischer Vorteile zunehmend Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen (HGÜ) mit technologieabhängigem Fehlerstromregelungsvermögen eingesetzt werden. Die Energieübertragung mit Freileitungssystemen ist fehleranfällig gegenüber atmosphärischen Einwirkungen und benötigt entsprechende zuverlässige und schnelle Schutzkonzepte für eine automatische Wiedereinschaltung (AWE). Um eine hochverfügbare und stabile elektrische Energieversorgung zu garantieren, ist insbesondere eine zügige und prognostizierbare Wiederaufnahme der Energieübertragung nach temporären Netzfehlern notwendig.Für selbstgeführte HGÜ-Systeme werden bisher AWE-Konzepte auf Basis der Betriebserfahrungen mit netzgeführten HGÜ- und Drehstromsystemen genutzt. Für den Verlauf der DC-Netzspannung beim Wiederanfahren existieren bisher keine Vorgaben. Die Vorteile selbstgeführter HGÜ-Systeme mit einer schnellen Fehlererklärung sowie einer flexiblen Spannungsregelung werden in bisherigen Konzepten nicht berücksichtigt. Die Zielsetzung dieser Arbeit besteht in der Entwicklung eines AWE-Konzeptes, das auf den physikalischen Grenzen der dielektrischen Wiederfestigung der Luftisolationsstrecke basiert und eine aktive Fehlerklärungsstrategie zur schnellstmöglichen Fehlerklärung bei möglichst geringem Lichtbogenenergieeintrag berücksichtigt. Zur Parametrierung des Konzeptes werden mit numerischen Strömungssimulationen der Energieeintrag in den Lichtbogen sowie die anschließende Abkühlung der Isolationsstrecke untersucht. Sensitivitätsuntersuchungen identifizieren ein Fehlerszenario zur konservativen Auslegung der AWE. Zur Bestimmung der dielektrischen Wiederverfestigung während der Abkühlphase wird ein transientes Leader-Modell implementiert, experimentell verifiziert und nach sensitivitätsspezifische Validierung konzeptionell berücksichtigt. Nach der Fehlerklärung über die multivariable Regelung der Ausgangsströme und der Umrichterspannungen kann die DC-Netzspannung nach einer Verzögerung von 40 ms wieder hochgefahren werden. Unter Berücksichtigung von Modellunsicherheiten wird ein Hüllkurve zum Wiederherstellen der DC-Netzspannung entwickelt, deren Adaption auf beliebige HGÜ-Systeme beschrieben wird. Während nach 450 ms die vollständige Isolationsfestigkeit der Isolationsstrecke wiederhergestellt ist, führt die Belastung mit der Betreibsspannung für eine Exemplarisch untersuchte Isolationsanordnung nach etwa 250 ms zu keiner Wiederzündung. Das entwickelte AWE-Konzept wirkt sich, neben einer signifikanten Verkürzung der Unerbrechungsdauer, positiv auf die Systemstabilität aus.

Die zunehmende Nutzung und Integration erneuerbarer Energien macht Energietransporte über weite Distanzen notwendig, wobei wegen technischer Vorteile zunehmend Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen (HGÜ) mit technologieabhängigem Fehlerstromregelungsvermögen eingesetzt werden. Die Energieübertragung mit Freileitungssystemen ist fehleranfällig gegenüber atmosphärischen Einwirkungen und benötigt entsprechende zuverlässige und schnelle Schutzkonzepte für eine automatische Wiedereinschaltung (AWE). Um eine hochverfügbare und stabile elektrische Energieversorgung zu garantieren, ist insbesondere eine zügige und prognostizierbare Wiederaufnahme der Energieübertragung nach temporären Netzfehlern notwendig.Für selbstgeführte HGÜ-Systeme werden bisher AWE-Konzepte auf Basis der Betriebserfahrungen mit netzgeführten HGÜ- und Drehstromsystemen genutzt. Für den Verlauf der DC-Netzspannung beim Wiederanfahren existieren bisher keine Vorgaben. Die Vorteile selbstgeführter HGÜ-Systeme mit einer schnellen Fehlererklärung sowie einer flexiblen Spannungsregelung werden in bisherigen Konzepten nicht berücksichtigt. Die Zielsetzung dieser Arbeit besteht in der Entwicklung eines AWE-Konzeptes, das auf den physikalischen Grenzen der dielektrischen Wiederfestigung der Luftisolationsstrecke basiert und eine aktive Fehlerklärungsstrategie zur schnellstmöglichen Fehlerklärung bei möglichst geringem Lichtbogenenergieeintrag berücksichtigt. Zur Parametrierung des Konzeptes werden mit numerischen Strömungssimulationen der Energieeintrag in den Lichtbogen sowie die anschließende Abkühlung der Isolationsstrecke untersucht. Sensitivitätsuntersuchungen identifizieren ein Fehlerszenario zur konservativen Auslegung der AWE. Zur Bestimmung der dielektrischen Wiederverfestigung während der Abkühlphase wird ein transientes Leader-Modell implementiert, experimentell verifiziert und nach sensitivitätsspezifische Validierung konzeptionell berücksichtigt. Nach der Fehlerklärung über die multivariable Regelung der Ausgangsströme und der Umrichterspannungen kann die DC-Netzspannung nach einer Verzögerung von 40 ms wieder hochgefahren werden. Unter Berücksichtigung von Modellunsicherheiten wird ein Hüllkurve zum Wiederherstellen der DC-Netzspannung entwickelt, deren Adaption auf beliebige HGÜ-Systeme beschrieben wird. Während nach 450 ms die vollständige Isolationsfestigkeit der Isolationsstrecke wiederhergestellt ist, führt die Belastung mit der Betreibsspannung für eine Exemplarisch untersuchte Isolationsanordnung nach etwa 250 ms zu keiner Wiederzündung. Das entwickelte AWE-Konzept wirkt sich, neben einer signifikanten Verkürzung der Unerbrechungsdauer, positiv auf die Systemstabilität aus.

Die zunehmende Nutzung und Integration erneuerbarer Energien macht Energietransporte über weite Distanzen notwendig, wobei wegen technischer Vorteile zunehmend Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen (HGÜ) mit technologieabhängigem Fehlerstromregelungsvermögen eingesetzt werden. Die Energieübertragung mit Freileitungssystemen ist fehleranfällig gegenüber atmosphärischen Einwirkungen und benötigt entsprechende zuverlässige und schnelle Schutzkonzepte für eine automatische Wiedereinschaltung (AWE). Um eine hochverfügbare und stabile elektrische Energieversorgung zu garantieren, ist insbesondere eine zügige und prognostizierbare Wiederaufnahme der Energieübertragung nach temporären Netzfehlern notwendig.Für selbstgeführte HGÜ-Systeme werden bisher AWE-Konzepte auf Basis der Betriebserfahrungen mit netzgeführten HGÜ- und Drehstromsystemen genutzt. Für den Verlauf der DC-Netzspannung beim Wiederanfahren existieren bisher keine Vorgaben. Die Vorteile selbstgeführter HGÜ-Systeme mit einer schnellen Fehlererklärung sowie einer flexiblen Spannungsregelung werden in bisherigen Konzepten nicht berücksichtigt. Die Zielsetzung dieser Arbeit besteht in der Entwicklung eines AWE-Konzeptes, das auf den physikalischen Grenzen der dielektrischen Wiederfestigung der Luftisolationsstrecke basiert und eine aktive Fehlerklärungsstrategie zur schnellstmöglichen Fehlerklärung bei möglichst geringem Lichtbogenenergieeintrag berücksichtigt. Zur Parametrierung des Konzeptes werden mit numerischen Strömungssimulationen der Energieeintrag in den Lichtbogen sowie die anschließende Abkühlung der Isolationsstrecke untersucht. Sensitivitätsuntersuchungen identifizieren ein Fehlerszenario zur konservativen Auslegung der AWE. Zur Bestimmung der dielektrischen Wiederverfestigung während der Abkühlphase wird ein transientes Leader-Modell implementiert, experimentell verifiziert und nach sensitivitätsspezifische Validierung konzeptionell berücksichtigt. Nach der Fehlerklärung über die multivariable Regelung der Ausgangsströme und der Umrichterspannungen kann die DC-Netzspannung nach einer Verzögerung von 40 ms wieder hochgefahren werden. Unter Berücksichtigung von Modellunsicherheiten wird ein Hüllkurve zum Wiederherstellen der DC-Netzspannung entwickelt, deren Adaption auf beliebige HGÜ-Systeme beschrieben wird. Während nach 450 ms die vollständige Isolationsfestigkeit der Isolationsstrecke wiederhergestellt ist, führt die Belastung mit der Betreibsspannung für eine Exemplarisch untersuchte Isolationsanordnung nach etwa 250 ms zu keiner Wiederzündung. Das entwickelte AWE-Konzept wirkt sich, neben einer signifikanten Verkürzung der Unerbrechungsdauer, positiv auf die Systemstabilität aus.