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Messung ultrahoher Gleichspannung bis 2 Megavolt

05.10.2022

Im Rahmen eines internationalen Forschungsprojektes leitet die PTB ein Arbeitspaket zur Entwicklung von messtechnischen Lösungen bei ultrahohen Gleichspannungen. Im Sommer 2022 wurde ein internationaler Vergleichstest zwischen dem schwedischen nationalen Metrologieinstitut RISE und der PTB mit neuen Spannungsteilern durchgeführt. Diese Komponenten sind Grundlage für zukünftige Kalibrier- und Prüfdienstleistungen im Hochspannungsbereich und Basis für den Einsatz zahlreicher Hochspannungsprüffelder weltweit.

 

Historisch bedingt wird elektrische Energie heute noch überwiegend zentral erzeugt und mittels Hochspannungs-Drehstromleitungen über größere Strecken übertragen. Die Energiewende in Deutschland und das Bestreben um mehr Unabhängigkeit von internationalen Märkten bedingen jedoch paradigmatische Veränderungen der Energieversorgungsinfrastruktur. Dabei wird elektrische Energie in zunehmendem Maße dort erzeugt, wo das natürliche regenerative Energieangebot zur Verfügung steht, beispielsweise durch Windkraft in Offshore-Anlagen vor der Nordseeküste oder mittels Photovoltaik in großen Solarparks in Süddeutschland. Diese Energie wird zukünftig mittels Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) bei Betriebsspannungen von einigen hundert Kilovolt und teilweise auch Spannungen größer als 800 kV transportiert, was nach heutigem Kenntnisstand bei Übertragungsstrecken mit Längen von annähernd 1000 km die einzig effiziente und wirtschaftliche Lösung ist.

 

Zur Sicherung von Verfügbarkeit und Versorgungsqualität von elektrischer Energie über die bislang üblichen Spannungsbereiche hinaus sind daher Prüfungen von Geräten und Komponenten bei höchsten Gleichspannungen erforderlich. Hochspannungsprüfungen und Kalibrierungen oberhalb von 1000 kV Gleichspannung sind aktuell jedoch nicht verfügbar. Das Ziel der PTB im Rahmen des europäischen Metrologie­forschungs­projekts „FutureEnergy“ (EMPIR 19ENG02) ist die Erweiterung der Messmöglichkeiten auf bis zu 2000 kV Gleichspannung. Für dieses Projekt sind zwei modulare Präzisionsspannungsteiler der PTB zu ultrahohen Spannungen hin erweitert worden. Es steht nun ein Spannungsteiler zur Verfügung, der von 200 kV auf 1200 kV in 200 kV Stufen erweiterbar ist, sowie ein in der PTB entwickelter modularer Universal­spannungsteiler, der für Spannungen bis 2000 kV in fünf 400 kV Stufen verwendet werden kann.

 

Die beiden Spannungsteiler wurden in einem Vergleichstest auf dem Freifeld der PTB gegen einen baugleichen 1200 kV-Spannungsteiler und einen zusätzlichen 1000 kV-Teiler des RISE überprüft. Der 2000 kV-Teiler ist in der Abbildung auf der linken Seite, die beiden baugleichen 1200 kV-Teiler auf der rechten Seite zu erkennen. Dazwischen steht der 2000 kV-Hochspannungs­generator und im Hintergrund der 800 kV-Teiler. Die Hochspannungsteiler stimmten hinsichtlich ihrer Teilungsverhältnisse im Rahmen ihrer Messunsicherheiten von einigen 10-5 V/V sehr gut überein, so dass diese für zukünftige Kalibrierdienstleistungen verwendet werden können.

 

Die Forschungsergebnisse werden auf internationaler Ebene in die laufende Überarbeitung der IEC 60060-Reihe im Technical Commitee 42 der IEC „High-voltage and high-current test techniques” eingebracht.

 

Bild: Hochspannungsgenerator für 2000 kV Gleichspannung (Mitte) und mehrere Präzisionsspannungsteiler für hohe Gleichspannungen (nähere Erläuterung siehe Text).

 

Ansprechperson:

Johann Meisner

Fachbereich 2.3 „Elektrische Energiemesstechnik“

johann.meisner@ptb.de

 

 

 

Veröffentlichung

  • On the Stability of a Modular 1000 kV HVDC divider design”, A.-P. Elg, E. Houtzager, G. Rietveld, A. Merev, J. Hällström, J. Havunen, J. Meisner, S. Dedeoglu, and A. Bergman. Conference on precision electromagnetic measurements 2022, genehmigt, zur Veröffentlichung anstehend
  • “Modular Wideband High Voltage Divider for Metrological Purposes”, S. Passon, J. Meisner, A. Heinrich, M. Martern, C. Klosinski, N. Hemdan, M. Hilbert, M. Kurrat, F. Gerdinand. Conference paper, Buenos Aires, Argentina: The 20th International Symposium on High Voltage Engineering 2017
  • High Frequency High Voltage Power Supplies“, F. Schilling, S. Passon, J. Meisner, A. Walker, M. Kurrat, B. Weber. Erschienen in: Proceedings of the 21st International Symposium on High Voltage Engineering (Springer International Publishing)