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.