TU Darmstadt / ULB / TUbiblio

Sensitivity Calculation Based on the Adjoint Variable Method for the Transient Nonlinear Electroquasistatic-Thermal HVDC Cable Joint Problem

Ruppert-Schmidt, Maren Greta (2025)
Sensitivity Calculation Based on the Adjoint Variable Method for the Transient Nonlinear Electroquasistatic-Thermal HVDC Cable Joint Problem.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00028949
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Germany's transition to green energy requires new transmission infrastructure, including underground High-Voltage Direct Current (HVDC) technology. HVDC cable joints, which interconnect cable segments, are the most vulnerable part of these systems due to installation errors and electric field stresses. Since the length of individual cable segments is limited to 1.5-2 km due to transportation constraints, a large number of cable joints is required. As a result, the reliability of these joints is critical to the overall performance of the system. This dissertation contributes to enhancing the reliability of HVDC cable joints by developing simulation tools aimed at facilitating future advancements in joint design and reliability assessment.

The dissertation begins with a discussion on electrothermal modeling of HVDC cable joints during steady-state and transient operations. A freely available electrothermal solver is implemented, specifically tailored for HVDC cable joint simulation. The solver addresses challenges such as field- and temperature-dependent material properties and the multi-rate nature of the transient electrothermal problem. It is validated against commercial software using a 320 kV HVDC cable joint specimen, with brief analyses conducted for both steady-state and transient operations.

The dissertation focuses on developing simulation tools for efficient sensitivity computation, which are vital for design and optimization. Two complementary methods for sensitivity computation are implemented: the direct sensitivity method, which scales with the number of investigated design parameters, and the adjoint variable method, which scales with the number of investigated quantities of interest but is independent of the number of design parameters. The derivation of the adjoint variable method for transient electroquasistatic-thermal problems represents a core contribution of this thesis.

The dissertation also demonstrates how simulation can estimate model parameters from experimental data using an inverse problem approach, highlighting the role of measurement data quality. It discusses factors such as measurement sensitivity, data points, and noise corruption.

Finally, the dissertation provides a comprehensive literature review on modeling and simulation approaches for slow polarization processes in HVDC cable joints. This chapter reviews various methodologies from the literature, aiming to enhance the accuracy of simulations and analyses for HVDC insulation systems exposed to prolonged unidirectional electric fields.

By providing tools for simulation-aided design, this dissertation aims to enable more effective and reliable approaches to HVDC cable joint development. In doing so, it supports the broader goal of improving energy transmission infrastructure and contributing to a stable and sustainable energy supply.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2025
Autor(en): Ruppert-Schmidt, Maren Greta
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Sensitivity Calculation Based on the Adjoint Variable Method for the Transient Nonlinear Electroquasistatic-Thermal HVDC Cable Joint Problem
Sprache: Englisch
Referenten: Späck-Leigsnering, Dr.-Ing. Yvonne ; Koch, Prof. Dr. Myriam ; De Gersem, Prof. Dr. Herbert
Publikationsjahr: 10 Januar 2025
Ort: Darmstadt
Kollation: xix, 82 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 20 November 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00028949
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/28949
Kurzbeschreibung (Abstract):

Germany's transition to green energy requires new transmission infrastructure, including underground High-Voltage Direct Current (HVDC) technology. HVDC cable joints, which interconnect cable segments, are the most vulnerable part of these systems due to installation errors and electric field stresses. Since the length of individual cable segments is limited to 1.5-2 km due to transportation constraints, a large number of cable joints is required. As a result, the reliability of these joints is critical to the overall performance of the system. This dissertation contributes to enhancing the reliability of HVDC cable joints by developing simulation tools aimed at facilitating future advancements in joint design and reliability assessment.

The dissertation begins with a discussion on electrothermal modeling of HVDC cable joints during steady-state and transient operations. A freely available electrothermal solver is implemented, specifically tailored for HVDC cable joint simulation. The solver addresses challenges such as field- and temperature-dependent material properties and the multi-rate nature of the transient electrothermal problem. It is validated against commercial software using a 320 kV HVDC cable joint specimen, with brief analyses conducted for both steady-state and transient operations.

The dissertation focuses on developing simulation tools for efficient sensitivity computation, which are vital for design and optimization. Two complementary methods for sensitivity computation are implemented: the direct sensitivity method, which scales with the number of investigated design parameters, and the adjoint variable method, which scales with the number of investigated quantities of interest but is independent of the number of design parameters. The derivation of the adjoint variable method for transient electroquasistatic-thermal problems represents a core contribution of this thesis.

The dissertation also demonstrates how simulation can estimate model parameters from experimental data using an inverse problem approach, highlighting the role of measurement data quality. It discusses factors such as measurement sensitivity, data points, and noise corruption.

Finally, the dissertation provides a comprehensive literature review on modeling and simulation approaches for slow polarization processes in HVDC cable joints. This chapter reviews various methodologies from the literature, aiming to enhance the accuracy of simulations and analyses for HVDC insulation systems exposed to prolonged unidirectional electric fields.

By providing tools for simulation-aided design, this dissertation aims to enable more effective and reliable approaches to HVDC cable joint development. In doing so, it supports the broader goal of improving energy transmission infrastructure and contributing to a stable and sustainable energy supply.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Deutschlands Umstellung auf erneuerbare Energien erfordert eine moderne Übertragungsinfrastruktur, einschließlich der Nutzung unterirdischer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs (HGÜ)-Technologie. HGÜ-Kabelmuffen, welche Kabelsegmente miteinander verbinden, sind aufgrund von Installationsfehlern und elektrischen Feldbelastungen die fehleranfälligsten Komponenten dieser Systeme. Da die Länge einzelner Kabelsegmente aufgrund von Transportbeschränkungen auf 1.5-2km begrenzt ist, ist eine große Anzahl von Kabelmuffen erforderlich. Daher ist die Zuverlässigkeit der Kabelmuffen entscheidend für die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems. Diese Dissertation trägt durch die Entwicklung von Simulationswerkzeugen, welche künftige Fortschritte im Design robuster Kabelmuffen ermöglichen, zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von HGÜ-Kabelmuffen bei.

Zu Beginn wird eine elektrothermische Modellierung von HGÜ-Kabelmuffen im stationären und transienten Betrieb vorgestellt. Ein eigens entwickelter, frei verfügbarer elektrothermischer Löser wird eingeführt, der speziell auf die Herausforderungen der HGÜ-Simulation zugeschnitten ist, wie z.B. feld- und temperaturabhängige Materialeigenschaften und stark unterschiedliche elektrische und thermische Zeitskalen. Dieser Löser wird am Beispiel einer 320 kV-HGÜ-Kabelmuffe validiert und eine kurze Analyse des elektrothermischen Verhaltens vorgestellt.

Ein Schwerpunkt der Dissertation liegt auf der Entwicklung von Simulationswerkzeugen zur effizienten Berechnung von Sensitivitäten, die für das Design und die Optimierung von Kabelmuffen unerlässlich sind. Zwei komplementäre Methoden werden vorgestellt: die direkte Sensitivitätsmethode, die mit der Anzahl der untersuchten Designparameter skaliert, und die adjungierte Methode, die mit der Anzahl der untersuchten Zielgrößen skaliert, aber unabhängig von der Anzahl der Designparameter ist. Die Herleitung der adjungierten Methode für transiente elektrothermische Probleme ist ein wesentlicher Beitrag dieser Arbeit.

Zusätzlich wird gezeigt, wie durch Simulationen Modellparameter aus experimentellen Daten mittels inverser Probleme ermittelt werden können. Dabei wird die Bedeutung der Messdatenqualität betont und es werden Faktoren wie Messsensitivität, Anzahl der Datenpunkte und Rauschverfälschung diskutiert.

Abschließend bietet die Dissertation einen umfassenden Literaturüberblick über bestehende Modellierungs- und Simulationsansätze für langsame Polarisationsprozesse in HGÜ-Kabelmuffen. Ziel ist es, die Genauigkeit der Simulationen und Analysen für HGÜ-Isolationssysteme unter langanhaltenden unidirektionalen elektrischen Feldern zu verbessern.

Durch die Bereitstellung von Werkzeugen für simulationsgestützte Designverfahren zielt diese Dissertation darauf ab, effektivere und zuverlässigere Ansätze für die Entwicklung von HGÜ-Kabelmuffen zu ermöglichen. Damit unterstützt sie das übergeordnete Ziel einer stabilen und nachhaltigen Energieversorgung.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-289492
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 621.3 Elektrotechnik, Elektronik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Teilchenbeschleunigung und Theorie Elektromagnetische Felder
Hinterlegungsdatum: 10 Jan 2025 13:05
Letzte Änderung: 15 Jan 2025 13:35
PPN:
Referenten: Späck-Leigsnering, Dr.-Ing. Yvonne ; Koch, Prof. Dr. Myriam ; De Gersem, Prof. Dr. Herbert
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 20 November 2024
Export:
Suche nach Titel in: TUfind oder in Google
Frage zum Eintrag Frage zum Eintrag

Optionen (nur für Redakteure)
Redaktionelle Details anzeigen Redaktionelle Details anzeigen