Studien- und Abschlussarbeiten

Im Rahmen unserer Forschungsarbeiten suchen wir laufend Studierende für die Bearbeitung von Bachelor-, Master-, und Seminararbeiten. Die Themen der studentischen Arbeiten beziehen sich auf die gesamte Bandbreite der aktuellen Forschungsschwerpunkte des Schering-Instituts. Zur Bearbeitung stehen Ihnen moderne Labor- sowie Arbeitsplätze am Institut zur Verfügung. Hier finden Sie die Themenschwerpunkte zu denen Bachelor-, Master- und Projektarbeiten in deutscher und englischer Sprache angeboten werden. Bei Interesse an einer Arbeit wenden Sie sich bitte an den Verantwortlichen des jeweiligen Themenschwerpunkts.


Themenschwerpunkte

  • Untersuchungen des elektrischen Verhaltens an Isolierstoffen unter nicht sinusförmigen Spannungsbeanspruchungen für die Energiewende

    Die mit der Energiewende einhergehende Veränderung der Stromnetztopologie stellt eine Herausforderung für die Hochspannungsanlagen dar. Die Übertragung elektrischer Energie mit Hochspannungs-Gleichstrom-Systemen (HGÜ) und die zunehmende Nutzung erneuerbarer Energiequellen, die den Einsatz von Leistungselektronik erfordern, führen zu elektrischen Beanspruchungen in der Isolierung der Hochspannungsanlagen, wie Transformatoren oder Übertragungskabel, die sich deutlich von denen unterscheiden, die durch herkömmliche sinusförmige Wechselspannungen hervorgerufen werden.

    Solche Beanspruchungen können sich auf die Lebensdauer der Isolationsmaterialien auswirken und somit die Integrität des Geräts gefährden. Hochfrequente Impulse mit einer hohen Spannungssteilheit können die Bedingungen fördern, welche möglicherweise zu einem früheren Versagen des Materials führen. Eine konstante hohe Gleichspannung begünstigt die Bildung von Raumladungen im Isolationsmaterial, welche die räumliche Feldverteilung verändern und zu lokalen Feldübererhöhungen führen können.

    In diesem Zusammenhang sollen die Auswirkungen solcher Beanspruchungen auf die Lebensdauer der Isolation untersucht werden. Darüber hinaus müssen Diagnoseverfahren, die sich besonders an Assets orientieren, die diesen Beanspruchungen ausgesetzt sind, erarbeitet werden.

    Leitung und Ansprechpartner

  • Ermittlung der Lebensdauerkennlinie für polymere Isolierstoffe unter hoher Gleichspannungsbelastung (HVDC)

    Infolge der weltweit stattfindenden Energiewende und den damit verbundenen Veränderungen im Energiesystem, werden neue Hochspannungsübertragungssysteme installiert, die im Gegensatz zur bisher verwendeten Wechselspannungstechnik auf Gleichspannungsübertragung basieren werden. In Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssystemen (HGÜ) kommen vermehrt feste polymere Isolierstoffe zum Einsatz. In Projekten wie Suedlink oder SuedOstLink sollen Strecken mit einer Länge von bis zu 700 km mit Höchstspannungskabeln, deren Isoliersystem aus vernetztem Polyethylen (VPE) besteht, realisiert werden. Hierbei stellt sich die Frage, ob die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der HGÜ-Komponenten mindestens so gut ist wie die der Wechselspannungsanlagen. Die Langzeiterfahrungen mit polymeren Isolierstoffen in HGÜ-Systemen sind im Vergleich zu denen der Wechselstromsysteme als gering einzustufen.

    Die Lebensdauer einer Hochspannungskomponente wird maßgeblich durch das verwendete Isoliersystem bestimmt, wobei für Wechselspannung Methoden entwickelt wurden, mit denen die Lebensdauer fester polymerer Isolierstoffe in Abhängigkeit der elektrischen Feldstärke bestimmt werden kann. Ein solches Verfahren steht derzeit für Gleichspannung nicht zur Verfügung, was die Lebensdauerabschätzung des Isoliersystems nahezu unmöglich macht. Ein Grund hierfür ist die Bildung von Raumladungen im Isoliersystem unter Gleichspannung, welche die Lebensdauer der Isolierung signifikant beeinflussen.

    Ziel dieses Forschungsprojektes ist es deshalb, eine Methode zu entwickeln, mit der die Lebensdauer von polymeren Isolierstoffen in Abhängigkeit der Gleichspannungsbeanspruchung und sich im Isolierstoff bildenden Raumladungen beschleunigt ermittelt werden kann. Dafür werden typische polymere Isolierstoffe unter Gleich- und Wechselspannung bis zum Versagen gealtert, wobei parallel eine Raumladungsmesstechnik zum Einsatz kommt, welche es ermöglicht, zerstörungsfrei die Intensität und den Ort der auftretenden Raumladungen zu bestimmen. 

    Leitung und Ansprechpartner

  • Untersuchungen an Isolierungen für die Anwendung im Elektromobilitätssektor

    Ziel ist es den globalen Temperaturanstieg rechtzeitig unter 2 °C – wenn möglich unter 1,5 °C – zu begrenzen. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen in sämtlichen Sektoren Maßnahmen zur Minderung des Treibhausgasausstoßes ergriffen werden. Folglich betreffen diese Maßnahmen ebenfalls den Energie- und Stromsektor. Insbesondere die Bedeutung von Energieeffizienzmaßnahmen und Energieeinsparung rücken immer weiter in den Fokus.

    In der Forschung und Entwicklung liegt aktuell ein Schwerpunkt auf dem Einsatz von Elektromotoren, da deren Bedarf verbunden mit dem Umbruch hin zu einer Elektrifizierung und Mobilisierung stetig steigen wird.  Der erwartete steigende Bedarf und höhere Anforderungen an Elektromotoren setzen eine Weiterentwicklung und Realisierung von Fertigungs- und Qualitätsprüfverfahren voraus. Diese Weiterentwicklung betrifft neben der Qualität und Lebensdauer, ebenfalls Kostensenkungen von Material und Fertigung. Insbesondere bei der Qualität der Isolation besteht Handlungsbedarf, da die Produktion von Elektromotoren im Gegensatz zur Produktion von Verbrennungsmotoren einen stochastischen Prozess mit schwankendem Qualitätsniveau und hohem Ausschuss darstellt. Der Ausfall eines Motors verursacht nicht nur im späteren Betrieb, sondern bereits in der Fertigung, hohe Kosten.

    Vor diesem Hintergrund sind neben der Untersuchung bestehender Prüf- und Diagnosemöglichkeiten und deren Weiterentwicklung, Alterungs- und Materialtests für neu entwickelte Isolationen notwendig. 

    Leitung und Ansprechpartner

  • Entwicklung eines Online-Monitoring-Sensors zur Bestimmung des Säure- und Wassergehalts in der Papierisolierung von Leistungstransformatoren

    Eine der Hauptausfallursachen von Transformatoren stellt die Öl-Papier-Isolieranordnung der Windungen dar. Denn mit zunehmender Alterung steigt der Säuregehalt im Isolieröl, wobei insbesondere die Temperatur und die Säureart die Alterungsgeschwindigkeit der Isolation beeinflussen. Die Säuren verändern die dielektrischen Eigenschaften des Öls und beschleunigen den Abbau von Papierzellulose. Neben hochmolekularen Säuren entstehen auch niedermolekulare Säuren. Dabei verbleiben von den sich bildenden hochmolekularen Säuren 85 - 90 % im Isolieröl, während die niedermolekularen Säuren sich zu 10 % - 15 % im Isolieröl befinden. Es sind vor allem die niedermolekularen Säuren, die im Zusammenspiel mit hydrolytischen Prozessen für die Papieralterung verantwortlich sind. Daher ist es von großer Bedeutung den Alterungszustand von Isolierpapier frühzeitig durch geeignete Methoden zur Zustandsdiagnostik vorzunehmen zu können.    

    Die derzeitigen Methoden zur Bestimmung des Säuregehalts im Isolieröl können keine genauen Informationen über den Papierzustand geben, da sich die verschiedenen Säurearten in unterschiedlichen Konzentrationen in Isolieröl und Isolierpapier befinden. Zudem wird bei den gängigen Messmethoden nur eine integrale Sicht der Säurekonzentrationen in Form einer „Säurezahl“ oder „Neutralisationszahl“ ermöglicht. Mit dem neuen Verfahren soll sowohl die Säure als auch das Wasser nach Konzentration und Art direkt im Isolierpapier bestimmt werden, wodurch eine genauere Abschätzung des Papierzustandes ermöglicht werden soll, um somit rechtzeitig eventuelle Maßnahmen zur Zustandsverbesserung der Isolierung einleiten zu können.

    Leitung und Ansprechpartner

  • Untersuchung unterschiedlicher Einflüsse auf das Gasungsverhalten verschiedener Isolierflüssigkeiten infolge Transformatorfehler

    Das Papier-Öl-Isoliersystem in Transformatoren unterliegt im Einsatz verschiedenen Beanspruchungen. Die Gas-in-Öl-Analyse (DGA) hat sich als Diagnoseverfahren für die Fehlererkennung von Transformatoren etabliert. Die Konzentrationen von den in Alterungsmechanismen generierten Fehlergasen und vor allem deren Verhältnisse zueinander erlauben einen Rückschluss auf einen vorhandenen Fehler und auf eine ungefähre Einordnung der Fehlerart. Es gibt eine Vielzahl an DGA-Interpretationen auf dem Markt, die allerdings meist lediglich auf Erfahrungen mit Mineralöl basieren und vor allem lediglich im Öl gelöste C1- bis C2-Kohlenwasserstoffe und Wasserstoff als Fehlergase berücksichtigen.

    Neben den konventionellen Fehlergasen werden aber auch noch weitere höherwertige C3- bis C5-Kohlenwasserstoffe gebildet. Vor diesem Hintergrund wurde mithilfe eines Projektpartners ein Messsystem entwickelt und aufgebaut, welches neben den konventionellen Fehlergasen auch die Detektion höherwertiger Kohlenwasserstoffe erlaubt.

    Mithilfe dieses Messsystems sollen in verschiedenen studentischen Arbeiten an verschiedenen Isolierflüssigkeiten unterteilt in unterschiedlichen Transformatorfehlerarten verschiedene Einflüsse in Hinblick auf das Gasungsverhalten der Isolierflüssigkeiten untersucht werden. Dazu zählen insbesondere die Art der Isolierflüssigkeit sowie der Alterungsausgangzustand der Isolierflüssigkeit, wie beispielsweise der Wassergehalt sowie Fehlergasgehalt im Ausgangszustand oder auch eine vorweggegangene Alterung infolge weiterer Fehlerarten. Aber auch je Fehlerart werden verschiedene Einflüsse analysiert, wie Belastungsdauer, Energie, Stoßanzahl, Temperatur etc. Es sollen dabei ausschlaggebende charakteristische Fehlergase ermittelt werden und deren Verhalten über die Einflussparameter analysiert werden.

    Leitung und Ansprechpartner

  • Bestimmung der Löslichkeit verschiedener Fehlergase in unterschiedlichen Arten und Ausgangszuständen von Isolierflüssigkeiten

    Die Gas-in-Öl-Analyse (DGA) hat sich als Diagnoseverfahren für die frühzeitige Fehlererkennung von Transformatoren etabliert. Die Konzentrationen von den in Alterungsmechanismen generierten Fehlergasen und vor allem deren Verhältnisse zueinander erlauben einen Rückschluss auf einen vorhandenen Fehler und auf eine ungefähre Einordnung der Fehlerart.

    Das Wissen über die Gaslöslichkeit dieser Fehlergase und deren Verhalten über der Temperatur und Druck ist essentiell, um die DGA-Messergebnisse interpretieren zu können. Die Gaslöslichkeiten unterscheiden sich signifikant je nach Isolierflüssigkeit, aber auch je nach dem Alterungszustand einer Isolierflüssigkeit.

    Vor diesem Hintergrund sollen verschiedene Fehlergase in Hinblick auf deren Löslichkeit in unterschiedliche Isolierflüssigkeiten und auf deren Ausgangszustand untersucht werden. Dazu werden die Isolierflüssigkeiten mit verschiedenen Messmethoden vermessen und im Anschluss die ermittelten Gaslöslichkeiten untereinander und mit der Literatur verglichen. Insbesondere der Einfluss der Temperatur, der Isolierflüssigkeitsart sowie der Alterungszustand der Isolierflüssigkeit soll ermittelt werden.

    Leitung und Ansprechpartner der Abschlussarbeit

  • Untersuchung und Entwicklung von neuartigen mehrdimensionalen Kompakt-Monitoring-Systemen für Leistungstransformatoren

    Das Isoliersystem eines Leistungstransformators unterliegt verschiedenen Belastungen. Kleinste Fehler innerhalb der Isolierung können zu einer langsam fortschreitenden Schädigung des Isoliersystems und zu schwerwiegenden Ausfällen führen. Demzufolge beeinflusst eine frühzeitige Fehlererkennung die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Transformatoren im Betrieb. Insbesondere Teilentladungen (TE) sind eine häufige Fehlerursache in Transformatoren, wofür TE-Monitoring-Systeme in Transformatoren eingesetzt werden können, die den Betrieb überwachen, um solche Ereignisse frühzeitig zu erkennen. Ferner ist die Gas-in-Öl-Analyse (DGA) der Isolierflüssigkeit in Transformatoren, welche die Konzentration der in ihr gelösten Fehlergase ermittelt, eine etabliertes Zustands- und Monitoringverfahren. Die Konzentrationen der Fehlergase und vor allem die Verhältnisse zueinander erlauben einen Rückschluss auf einen vorhandenen Fehler und auf eine Einordnung der Fehlerart. Solch ein DGA Monitoring System detektiert unter anderem die Konzentration von Wasserstoff, welcher für Teilentladungen ein Schlüsselgas darstellt. Eine hohe Konzentration an Wasserstoff lässt jedoch nicht unmittelbar nur auf Teilentladungen als Fehlerart schließen. Demzufolge könnte eine zusätzliche Implementierung eines TE-Detektors in ein DGA Monitoring einen aussagekräftigeren Rückschluss auf vorhandene Teilentladungen bieten.

    Vor diesem Hintergrund besteht die Masterarbeitsaufgabe darin einen TE-Detektor in einem auf dem Markt verfügbaren DGA Monitoring System für Leistungstransformatoren zu integrieren. Hierzu sollen zunächst grundlegende Untersuchungen erfolgen, welche Sensoren möglicherweise eingesetzt werden können und wie diese in dem bestehenden DGA Monitoring System integriert werden können. Nach der Auswahl eines geeigneten Sensors und der Messtechnik soll mittels dessen ein Prototyp entworfen und aufgebaut werden. Mittels des Prototyps sollen anschließend erste Messungen zur Erprobung und Aufnahme von TE Mustern erfolgen. Abschließend soll eine Parameterstudie ausgearbeitet werden, welche die TE-Intensität berücksichtigt.

    Die Ausarbeitung hat nach den angegebenen Institutsrichtlinien zu erfolgen, wobei während der Bearbeitung des Themas die im Schering-Institut geltenden Arbeitssicherheitsvorschriften einzuhalten sind. Die beiden einzureichenden Exemplare der Arbeit bleiben Eigentum des Instituts. Die Arbeit ist zusätzlich in elektronischer Form auf einem Datenträger in einem üblichen Format bereitzustellen.

    Leitung und Ansprechpartner der Abschlussarbeit

Themenschwerpunkte in englischer Sprache

  • Development of transformer safety system performance in fast and accurate detection of arc fault

    Transformers are known as the most important and expensive piece of equipment in the power grid and are frequently subjected to very serious damage due to various faults and impose heavy costs on the electricity industry. Arc is one of the most serious faults that can destroy the insulation system of transformers and also windings and in some cases even causes the transformer tank to rupture. In addition, the arc dangers can cause fires and life-threatening hazards.

    Commonly, a Buchholz relay is used as safety equipment, which works due to sudden changes in internal pressure caused by the arc inside the transformer tank. Normally, the time between the occurrence of the fault and its detection by the mechanical relay (Buchholz relay) and finally the issuance of the tripping command to the circuit breaker takes 4-5 cycles. Therefore, reliable and rapid detection of arcs can prevent the consequences of damage as much as possible.

    The new method has the potential to detect arc very fast and ultimately prevent damage to the transformer fleet and other consequences related to it.

    Contact Person

Kontakt für allgemeine Fragen zu Studien- und Abschlussarbeiten

Hala Ahmi
Geschäftszimmer
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