Praktische Erfahrungen aus der Störlichtbogenprüfung

Zusammenfassung

Das Auftreten von Lichtbogenfehlern in elektrischen Anlagen, z. B. in Trafostationen, ist ein Ausnahmezustand, bei dem aufgrund der thermischen und mechanischen Wirkungen eine Personengefährdung sowie Schäden an Schaltanlagen und Gebäuden auftreten können. Mit dem Störlichtbogen geht eine Druckbelastung einher, welche bei der bautechnischen Auslegung der Anlage und Anlagengebäude berücksichtigt werden muss. Zur Abschätzung der dabei auftretenden Drücke werden Störlichtbogendruckberechnungen mit unterschiedlichen Verfahren durchgeführt.

Die gegenständliche Arbeit behandelt eine Transformatorstation in Betonfertigteilbauweise mit einem Störlichtbogenereignis in der Mittelspannungs-Schaltanlage. Es werden die vor der Prüfung simulierten Drücke den tatsächlich gemessenen Werten bei der Prüfung gegenübergestellt. Mit den aufgenommenen elektrischen Größen und dem Druck wird dann der thermische Transferkoeffizient als wesentlicher Eingangsparameter für die Drucksimulation bestimmt, der für neue Simulationen herangezogen werden kann. Außerdem wird die Wirkung eines Absorbergitters im Entlastungsweg betrachtet, und es werden die Druckverläufe vor und nach diesem Energie dissipierenden Element verglichen.

Bei der Vorbereitung auf den Störlichtbogenversuch werden die Druckverläufe in der Transformatorstation mit zwei unterschiedlichen kommerziellen Programmen berechnet. Beim Versuch wird im Kabelkeller der Anfangsdruckverlauf bei einem kontrolliert initiierten Störlichtbogen mit piezoelektrischen Drucksensoren gemessen. Die Druckverläufe werden mit den gemessenen Werten bei der Störlichtbogenprüfung verglichen. Der Druck, der sich im geschlossenen Schaltkessel (innere Blechumhausung der Schaltanlage) aufgrund des Lichtbogens aufbaut, wird mit einem piezoresistiven Drucksensor gemessen. Zusammen mit der Berechnung des Leistungsumsatzes des Lichtbogens wird der thermische Transferkoeffizient der Schaltanlage zum Anfangszeitpunkt ermittelt. Damit kann ein wichtiger Parameter für die Druckberechnung durch raummittelnde und ortsaufgelöste Druckberechnungsverfahren ermittelt werden und somit ein Beitrag zu einer Verbesserung dieser Verfahren und zu einer besseren Annäherung der Simulation an die Praxis erbracht werden.

Abstract

The occurrence of arc faults in electrical systems, e.g., in transformer substations, is an exception with a risk of personal injury and damage to switchgear and the surrounding buildings due to the thermal and mechanical effects. The arc fault involves a pressure load, which has to be taken into account in the structural design of the system. In order to estimate the pressures that occur, arc fault pressure calculations are carried out using different methods.

The paper focuses on a transformer substation (a precast concrete construction) with an internal arc fault in the medium voltage switchgear. The pressures simulated before the test are compared to the values measured during the test. With the recorded electrical quantities and the pressure, the thermal transfer coefficient, which can be used for new simulations, is then determined as an essential input parameter for the pressure simulation. In addition, the effect of an absorber grille in the relief path is examined, and the pressure plots before and after this energy-dissipating element are compared.

In preparation for the arc fault test, the pressure plots in the transformer substation are calculated using two different commercial programs. During the experiment, the initial pressure of an arc fault initiated in a controlled way is measured in the cable basement with piezoelectric pressure sensors. The pressure plots are compared with the values measured during the internal arc fault test. The pressure that builds up in the switching chamber (inner metal housing of the switchgear) due to the arc is measured with a piezoresistive pressure sensor. Together with the calculation of the power conversion of the arc, the thermal transfer coefficient of the switchgear is determined at the beginning. This way, an important parameter for the pressure calculation can be determined by means of space-averaging and spatially resolved pressure calculation methods. Thus, a contribution can be made to improve these methods and to bring the simulation closer to practice.