Kompetenzen

Der Arbeitsschwerpunkt des Instituts für Hochspannungstechnik, Energiesystem- und Anlagendiagnose liegt in der Lösung komplexer Fragestellungen im Bereich der Energie- und Hochspannungstechnik.

Die unterschiedlichen Themenstellungen werden innerhalb von zwei spezifisch ausgerichteten Arbeitsgruppen bearbeitet.

ARBEITSGRUPPEN

Prof. Dr.-Ing. Michael Rossner

Michael Rossner

Michael Rossner

PROF. DR.-ING.

Fachgebiete: Hochspannungstechnik und Elektrische Energieverteilung
E-Mail: michael.rossner@hs-coburg.de

Die Arbeitsgruppe von Prof. Rossner hat mehrere Themenschwerpunkte. Zum einen geht es um dielektrische Untersuchungen von Kraftstoffen (Biofuel), Isolierölen, Isolierfolien und Isoliergasen mit besonderem Fokus auf DC-Belastung. Zum anderen stehen Prüfungen und Messungen ganzer Hochspannungsbetriebsmittel (Durchführungen, Kabel) im Vordergrund. Darüber hinaus werden Fragen der Energietechnik behandelt, wie die Kurzschlussstrombelastung von Generatorableitungen, Impedanzspektroskopie bei Batterien und die Brennstoffzellen-Elektrolyseur-Technologie.

Prof. Dr.-Ing. habil. Christian Weindl

Christian Weindl

Christian Weindl

PROF. DR.-ING. HABIL.

Fachgebiete: Netz- und Betriebsmitteldiagnose, Smart Grid, Speicherintegration
E-Mail: christian.weindl@hs-coburg.de

Die Arbeitsgruppe von Prof. Weindl beschäftigt sich mit zentralen Themenstellungen im Bereich des Betriebes, der zukünftigen Entwicklung und der Diagnose von Betriebsmitteln und Verteilnetzstrukturen innerhalb der elektrischen Energieversorgung.

Einen Arbeitsschwerpunkt bilden innovative Verfahren und neue technische Lösungen, die eine nutzbringende Integration intelligenter Netze zur erfolgreichen Umsetzung der Energiewende ermöglichen. Durch den Einsatz clusterbasierter Verfahren und moderner Simulationstechnologien werden Methoden entwickelt, die die Versorgungsicherheit und Netzstabilität auch bei einem sehr hohen Durchdringungsgrad verteilter regenerativer Erzeugung auf wirtschaftlich tragfähiger Weise gewährleisten.

Weitere zentrale Themenstellungen liegen in den Bereichen der Anwendung und Entwicklung neuer Verfahren zur Zustandsdiagnose und Restlebensdauerästimation von Betriebsmitteln. Zustandsorientierte Verfahren zur methodischen Instandhaltung und des Asset-Managements bilden weitere thematische Schwerpunkte der Arbeitsgruppe

Forschungsvorhaben

Arbeitsgruppe: Prof. Dr.-Ing. habil. Christian Weindl

Innovative Mess- und Diagnoseverfahren (Mehrfrequenz-Verlustfaktormessungen, Trend- und TE-Analysen)

In einem zentralen Arbeitsbereich der Forschungsgruppe werden innovative Mess- und Diagnoseverfahren entwickelt, die dazu beitragen sollen, die derzeitig vorherrschende ereignis- und somit fehlerorientierte Wartung und Investitionsplanung, die bereits heute zu verlängerten Ausfallzeiten, zum Verbrauch von Sicherheitsreserven und zur Reduktion der Versorgungssicherheit führt, durch zustandsorientierte diagnostische Methoden an die veränderte Netznutzung adaptieren zu können. Durch darauf aufbauende, neuartige, intelligente und zustandsorientierte Instandhaltungs- und Asset-Management-Strategien sollen Optionen zur Erhöhung der Sicherheit, Qualität und Wirtschaftlichkeit der in Zukunft immer komplexer werdenden Versorgungsnetze geschaffen werden.

Alterungs- und Ausfallverhalten von Betriebsmitteln

Für das Alterungsverhalten und die Lebensdauer der Betriebsmittel der elektrischen Energieversorgung gibt es meist nur grobe Richtwerte. Da die Isoliersysteme der heute im Einsatz befindlichen Betriebsmittel häufig einen sehr komplexen Aufbau und/oder eine inhomogene Struktur aufweisen, stehen darüber hinaus in der Regel keine zuverlässigen Aussagen zur Belastungsabhängigkeit des Alterungsverhaltens und der unter spezifischen Verhältnissen erreichbaren Lebensdauer zur Verfügung. Faktisch bedeutet das, dass kostenintensive Betriebsmittel wie Kabelsysteme unter Umständen deutlich zu früh ersetzt werden, wodurch betriebs- und letztendlich auch volkswirtschaftliche Kosten in erheblichem Umfang verursacht werden. Im Gegenzug führt die in weiten Bereichen zur Anwendung kommende ereignisorientierte Instandhaltung zu Versorgungsunterbrechungen und somit ebenfalls zu teilweise erheblichen Folgekosten. Effizienter und wirtschaftlicher ist es daher, ein bedarfsorientiertes Asset-Management einzuführen.
Die Arbeitsgruppe von Prof. Weindl verfügt über sehr spezifische Kenntnisse zur realitätsnahen beschleunigten Alterung von Betriebsmitteln sowie zur Untersuchung, Analyse und Modellierung des Alterungsverhaltens, die u.a. auf dem langjährigen Betrieb eines einzigartigen Systems zur beschleunigten Alterung von Massekabelsystemen sowie Feldstudien basieren. Die entsprechenden Methoden, diagnostischen Verfahren und technischen Lösungen (z.B. Datenbanksysteme) sollen zukünftig anwendungsbezogen auf andere Materialien, Isoliersysteme und Komponenten übertragen werden.

Systeme zur Zustandsdiagnose und Restlebensdauerevaluierung

Vor dem Hintergrund des zunehmenden Nutzungswandels der heute bestehenden elektrischen Verteilnetzarchitekturen wird es immer wichtiger, zuverlässige Aussagen zum Zustand und zur Restlebensdauer einzelner Komponenten, ganzer Betriebsmittel und von Teilnetzen treffen zu können. In Folge der Energiewende gilt es, die Netzbetriebsmittel in Abhängigkeit ihres jeweiligen Zustands durch Ausbau- und Erneuerungsmaßnahmen an neuartige Lastprofile und dezentrale, d. h. meist stark volatile, Erzeugerstrukturen anzupassen. Dabei gilt es insbesondere, die Auswirkungen der stark veränderten Belastungen und Nutzungsprofile auf den sich zwangsläufig ergebenden Lebensdauerverbrauch und die daraus folgenden Restlebensdauern der Betriebsmittel zu bewerten und zu berücksichtigen. Eine entscheidende Rolle kommt modernen Diagnoseverfahren zu, mit deren Hilfe sich Aussagen über den Zustand, die Lebensdauercharakteristik und die zu erwartende Restlebensdauer der Betriebsmittel treffen lassen.
Im Rahmen eines Teilprojekts werden bestehende dielektrische und teilentladungsbasierte Verfahren der Zustandsdiagnostik untersucht und weiterentwickelt. Darüber hinaus werden Laboruntersuchungen und umfangreiche Feldtests zusammen mit Netzbetreibern und Partnerfirmen aus dem Diagnosebereich durchgeführt, um neue, präzise Methoden der Zustandsevaluierung zu entwickeln und im praktischen Einsatz zu erproben. Die entwickelten Mess- und Diagnoseverfahren werden hierzu auch in Form von Prototypensystemen realisiert und für Felduntersuchungen eingesetzt.

Instandhaltungsstrategie und Asset-Management

Die Niederspannungs- und Mittelspannungskabelnetze sind aufgrund verschiedener Faktoren, z.B. durch den massiven Ausbau von Photovoltaik- und Windkraftanlagen, einem starken Wandel unterworfen. Während sie bis in die 1980er Jahre ausschließlich der Versorgung von Endverbrauchern dienten, müssen sie nun darüberhinausgehende Transportaufgaben für regenerativ erzeugte elektrische Energie übernehmen. Sowohl die zum Teil wesentlich erhöhte Auslastung als auch die stark volatilen Einspeisungen regenerativer Erzeuger erfordern eine an diese Situation angepasste Netzplanung und werden zudem einen großen Einfluss auf notwendige Instandhaltung und die mittlere Lebensdauer der Betriebsmittel haben. Insbesondere die Frage der Lebensdauer von Betriebsmitteln, die damit verbundenen Ersatzinvestitionen und die Optimierung der Instandhaltungsstrategie gewinnen unter den verstärkten Ausnutzungsbedingungen erheblich an Bedeutung.
Durch eine auf diagnostischen Feldmessungen und weitergehenden Analysen basierende, zustandsorientierte Ausrichtung der Asset-Management-Strategie kann es zukünftig möglich werden, Fehler innerhalb der Netze infolge einer ereignisorientierten Instandhaltung weitgehend zu reduzieren und gleichzeitig den Lebenszyklus von Betriebsmitteln und energietechnischen Komponenten optimal auszuschöpfen. Im Rahmen eines Teilprojekts sollen dafür sowohl technische und strukturelle Lösungen abgeleitet werden als Systeme zur innerbetrieblichen Umsetzung geschaffen und wirtschaftlich bewertet werden.

Methoden und Verfahren zur Optimierung der Netznutzung

Einen weiteren Forschungsschwerpunkt bilden die Entwicklung von Methoden und Verfahrensweisen zur Optimierung der Nutzung von Verteilnetzen vor dem Hintergrund einer technisch, betriebswirtschaftlich und volkswirtschaftlich tragfähigen Umsetzung der Energiewende. Die im Rahmen der Forschungsvorhaben entwickelten Konzepte sollen die Voraussetzungen schaffen, um eine aus Sicht der Netzbetreiber dienliche, d.h. die bestehenden lokalen, regionalen und überregionalen Netzstrukturen berücksichtigende, dynamische Auslastung und Systemführung unter Einbeziehung aller Netzteilnehmer zu ermöglichen. Die hierfür notwendigen Verfahren werden an einem derzeit in der Entwicklung befindlichen Systemsimulator untersucht und verifiziert, durch den neben der netzdienlichen Steuerung des dezentralen und verstärkt regenerativ geprägten Energiesystems wichtige Indikatoren zur optimierten Steuerung von Speichersystemen und Prosumern sowie zur Etablierung neuer Betriebsmittel und Geschäftsmodelle abgeleitet werden können.u auch in Form von Prototypensystemen realisiert und für Felduntersuchungen eingesetzt.

Optimierung der Resilience der Energieversorgung

Eine erfolgreiche Umsetzung der Energiewende und der Aufbau sowie die Realisierung intelligenter Netze erfordern einen Paradigmenwechsel in der elektrischen Energieversorgung. Insbesondere im Verteilnetz ist es erforderlich, dass die Netzbetreiber über ihre derzeitigen Aufgabenstellungen hinausgehend verstärkt Verantwortung für die Versorgungsicherheit und Netzstabilität innerhalb der eigenen Netzbereiche wahrnehmen und auf diese Weise einen erkennbaren Beitrag zur Zuverlässigkeit des gesamten Elektroenergiesystems leisten. In konventionell entworfenen und entsprechend ausgestalteten Netztopologien mit einem bereits hohen Anteil dezentraler und volatiler Prosumer sind innovative technische Lösungen notwendig, die den neuentstandenen Problemstellungen (hohe Einspeiseleistungen mit großen Gleichzeitigkeitsfaktoren, stark volatile Last- und Einspeiseprofile, etc.) in wirtschaftlich sinnvoller und vor allem tragbarer Weise entgegenwirken.

Netzintegration von Energiespeichern

Um die nachhaltige Nutzung der bestehenden Netzinfrastrukturen zu unterstützen, Investitionen für Netzverstärkung oder -ausbau zu vermeiden und die technischen und monetären Anforderungen an die Netzbetreiber zu reduzieren werden in diesem Themenschwerpunkt diagnostische Indikatoren und technische Lösungen geschaffen. Sie sollen genutzt werden, um die technischen und wirtschaftlichen Voraussetzungen zur netzdienlichen Integration von Energiespeichern maßgeblich zu verbessern.

Moderne Systeme zur Diagnose bei Feldmessungen

Innerhalb dieses Forschungsschwerpunkts werden neue physikalische und technische Verfahren zur Diagnose und Zustandsevaluierung von Betriebsmitteln, die im Feldeinsatz stehen, entwickelt und erprobt. Im Fokus stehen – neben der Entwicklung neuartiger Messprinzipien und sensorischer Systeme – insbesondere die Anwendung hochgenauer mathematischer Verfahren und digitaler Filtersysteme, um die Messzeiten zu minimieren und gleichzeitig hochqualitative Aussagen zu ermöglichen. Die Integration der entwickelten Diagnosesysteme und der notwendigen Hochspannungsquellen in Mess- und Diagnosewägen erfolgt mit erfahrenen Partnern aus der Industrie. Durch eine enge Zusammenarbeit mit verschiedenen Netzbetreibern können die Systeme beim Feldeinsatz erprobt und die diagnostischen Algorithmen anhand umfangreicher Messergebnisse verifiziert werden.

Forschungsvorhaben

Arbeitsgruppe: Prof. Dr.-Ing. Michael Rossner

Degenerationsmechanismen an PEM Membranen in Abhängigkeit der Betriebsführung

Der Bedeutung von Wasserstoff im Bereich der Speicherung elektrischer Energie kommt eine immer größere Bedeutung zu. In Kooperation mit der Bayerischen Forschungsstiftung, der Uni Bayreuth, Proton Motor und den Stadtwerken Neustadt wurde an der Hochschule Coburg eine 5 kW Brennstoffzelle in Verbindung mit einem 2,5 kW Elektrolyseur und einem 10 Nm3 Wasserstofftank erstellt um die Auswirkungen verschiedener Betriebsstrategien des Energiespeichersystems auf unterschiedliche Membranmaterialien zu untersuchen.

Im Vordergrund stehen dabei der Einsatz untergelagerter Batterie-Pufferspeicher zur Reduzierung membranstrapazierender Schwachlastphasen und zur Abfederung von Lastsprüngen und kurzeitigen Überlastszenarien, sowie sie im realen netzstützenden Betrieb einer solchen Speicheranordnung auftreten könnten.

Berechnung mechanischer und thermischer Belastungen von Generatorableitungen

Die elektrische Verbindung zwischen Generator und Hochspannungstransformator stellt ein sensibles Anlagenteil eines Kraftwerks dar. Vor der Inbetriebnahme neuer Kraftwerke oder nach Um- oder Restrukturierung muss diese Verbindung hinsichtlich ihrer Kurzschlussfestigkeit sowohl mechanisch als auch thermisch evaluiert werden.

Hier liegen Nachweis- und Berechnungserfahrungen aus einer Vielzahl von Anfragen vor.

Messung von Potenzialverteilungen an thermisch belasteten DC Durchführungen

Als eine der Schwachstellen bei der Umstellung von AC auf DC Übertragungen gelten in der Höchstspannungstechnik Durchführungen. Sogenannte feldgesteuerte Durchführungen können dabei auch als Folien-Gasisolierte Konstruktionen ausgeführt werden. Hier führen Temperaturgradienten, die sowohl durch äußere, als auch innere Belastungen hervorgerufen sein können in Verbindung mit extrem langsamen Polarisationsvorgängen zu belastenden, ungleichmäßigen Feldverteilungen.

Diese Feld, Potential- und Temperaturverteilungen können in einem speziell dafür entwickelten Druckgefäß, auf dem die Durchführung montiert ist, unter realistischen Spannungsbeanspruchungen nachgemessen werden.

Ebenfalls können Materialuntersuchungen (Polarisations-, Depolarisationsstrommessungen und Spannungswiderkehrmessungen) an den Folienwerkstoffen unter definierten klimatischen Bedingungen in unserer Klimakammer in einer eigens dafür entwickelten Schutzringanordnung durchgeführt werden.

Durchschlagsmessungen in Isoliergasen (bis 25 bar)

Vor dem Hintergrund der SF6- freien Isolationsgasdiskussion ist das Durchschlags- und Löschverhalten von alternativen Isoliergasen wieder vermehrt in den Fokus gerückt.

In einem speziellen Druckgefäß können dabei Durchschlagsmessungen an definierten Kugel – Kugel – Anordnungen bei Drücken bis 25 bar und Spannungen bis 400 kV AC durchgeführt werden.

Erfahrungen mit synthetischer Luft, Stickstoff, Sauerstoff, CO2, SF6 und einigen neuen Substitutionsgasen liegen vor.

Begleitend zu diesen Messungen wurde ein Berechnungsprogramm entwickelt, das Durchschlagsspannungen in schwach inhomogenen Anordnungen (EMax/EMitttel > 0,2)  für die genannten Gase oder Mischungen aus diesen Gasen berechnet. Diese Ergebnisse lassen sich auf beliebige, schwach inhomogene Anordnungen übertragen, so dass Durchschlagsspannungen beliebiger Geometrien vorausberechnet werden können.

Messungen an biogenen Kraftstoffen (Öle, Treibstoffe)

Vor dem Hintergrund eines immer größer werdenden Anteils biogener Zumischungen in Dieselkraftstoffen oder der Verwendung von Biokraftstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen bei gleichzeitig erhöhten Lagerungszeiten im Tank (Hybridantriebe) kommt der Alterungsproblematik dieser Kraftstoffe eine besondere Bedeutung zu.

Ein wesentliches diagnostisches Hilfselement hierbei ist die Veränderung der bei Alterungsprozessen auftretenden elektrischen Permeabilität, die mit dielektrischen Sensoren erfasst werden kann.

Hierzu wurden in mehreren Projekten mit der Automobilindustrie Sensoren entwickelt, die die Dielektrizitätszahl des Kraftstoffes unter Berücksichtigung seiner aktuellen Temperatur hochgenau ermitteln können, ohne dabei vorher mit Hilfsfluiden bekannter Dielektrizitätszahl kalibriert zu sein.

In Zusammenarbeit mit dem ebenfalls an dieser Hochschule ansässigen Institut TAC, das diese Problematik mit optischen Sensoren evaluiert können äußerst differenzierte Kraftstoffanalysen durchgeführt werden.

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