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Abstract (German)

Eine typische Entwicklungsaufgabe im Bereich der elektrischen Energieübertragungstechnik ist das De-sign von Betriebsmitteln. Ein Thema aktueller Forschung ist die feldstärkenabhängige Feldsteuerung durch Materialien mit nichtlinearer Leitfähigkeit. Um deren Geometrie und die Schaltpunkte der feld-steuernden Materialen numerisch zu optimieren sind Lösungen elektroquasistatischer Feldprobleme er-forderlich. Nur so kann die nichtlineare Materialcharakteristik berücksichtigt werden. Ansatz ist hier die Lösung des elektroquasistatischen Problems mit einer 3D-Finite-Elemente-Methode-Simulation im Zeitbereich.

Wesentliches Hindernis zur effektiven Optimierung stellt die lange Rechendauer dieser Simulationen von bis zu mehreren Tagen dar. Daher werden Ansätze vorgestellt die Rechenzeit durch eine Kombina-tion von technischen und methodischen Ansätzen zu reduzierten.

- Zeitintensive Rechenprozesse wie der iterative Löser der algebraischen Gleichungssysteme oder die FEM-Matrixassemblierung werden auf einen oder mehrere Grafikbeschleunigungsprozesso-ren ausgelagert. Dort wird der Rechenprozess massive parallelisiert durchgeführt und beschleu-nigt.

- Durch diese Beschleunigung ist es möglich, die Berechnung des transienten elektroquasistati-schen Feldmodells mit einem semi-expliziten Zeitintegrationsansatz durchzuführen und so eine weitere Beschleunigung zu erreichen.

- Durch die Form der Gleichung für den semi-expliziten Zeitintegrationsansatz können Startwert-schätzer effektiv für diesen Zeitintegrationsansatz eingesetzt werden, um erneut die Rechenzeit zu reduzieren.

Anhand einer Reihe von hochdimensionalen, realistischen Modellbeispielen von Betriebsmitteln wie Hochspannungsisolatoren und Hochspannungsdurchführungen mit nichtlinearen Feldsteuerelementen wird nachgewiesen, dass die erforderlichen Rechenzeiten um mehr als zwei Größenordnungen reduziert werden konnten.

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