CIGRE CIRED 24. OKTOBER 2017

Sichere Energieversorgung –Wie lässt sich ein Störfall simulieren?Prof. Dr. rer. nat. Edgar Dullni

Study Committee A3HIGH VOLTAGE EQUIPMENT

• Deutschland hat eine der sichersten Energieversorgungen inEuropa mit sehr wenigen Stromausfällen.

• Die Bundesnetzagentur erhebt einmal im Jahr den SAIDI(System Average Interruption Duration Index)

• Die durchschnittliche Stromausfalldauer pro Netzabnehmer betrug2014 nur 12,28 min.

• Die Anzahl gemeldeter Unterbrechungen war ca. 180.000, davonentfielen 150.000 auf die Niederspannung und 27.000 auf die Mittel-spannung.

Stromausfälle in Deutschland

October 24, 2017 StörfallsimulationSlide 2

Ursachen der Stromausfälle

October 24, 2017 StörfallsimulationSlide 3

• SAIDI erfasst ungeplante Unterbrechungen größer 3 mindurch:

- Atmosphärische Einwirkungen

- Einwirkungen Dritter

- Zuständigkeit des Netzbetreibers

- Aber nicht durch Naturkatastrophen

• Kurzunterbrechungen – Schalteröffnung undWiedereinschaltung nach z.B. 300 ms – werden nicht erfasst,treten aber um ein Vielfaches häufiger auf.

• In der Zuständigkeit des Netzbetreibers sind Störfällejeglicher Art in Schaltanlagen unter anderem auchStörlichtbögen.

Welchen Anteil haben Störlichtbögen an den Ausfällen?

October 24, 2017 StörfallsimulationSlide 4

• Schwer zu bestimmen

• Die Berufsgenossenschaft erhebt die Anzahl der elektrischenUnfälle mit Personenschaden in Deutschland.

• Daraus lässt sich in etwa ein Aufkommen ablesen von:

- ca. 100 bis 200 Ereignisse mit Störlichtbogen pro Jahr inNS-Schaltanlagen

- weniger als 20 Ereignisse in MS-Schaltanlagen bis 30 kV

Source: BGETEM Germany,2012

0

250

500

750

1000

1250

1500

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

Num

ber

ofac

cide

nts

Total number ofelectrical accidents

Arc faults(all voltages)

Low-voltagearc faults(up to 1 kV)

Medium-voltagearc faults(> 1 kV to 30 kV)

Störfallsimulation

Was ist ein Störlichtbogen ?

n Das Resultat einerplötzlichen Entladungaufgrund eines Fehlerszwischen den Phasen oder zurErde.

n Der Bogen erzeugt heißes Gas undPlasma

n Die Lichtbogentemperaturerreicht bis zum Fünffachen derOberflächentemperatur der Sonne(20.000°C)

n Die Lichtintensität kann das 2000-fache des Normaltageslichtserreichen.

Temperatur derSonnenoberfläche

ist ca. 5000°C.

Störfallsimulation

Druckanstieg des Gases durch den Störlichtbogenz.B. im geschlossenen Schottraum einer Schaltanlage

• Bei einem Kurzschlussstrom von 25 kA und einerLichtbogenspannung von 500 V, werden Leistungen bis zu20 MW frei, bei höheren Strömen entsprechend mehr.

• Ein Großteil der Leistung entlädt sich durch das Gas undheizt dieses auf.

• Das hat einen Druckanstieg im Schottraum zur Folge, wenndieser geschlossen ist.

• Der Lichtbogen muss entweder sehr schnell gelöschtwerden oder der Druck kontrolliert in den Außenraumdurch Öffnungen entlastet werden.

• Das ergibt allerdings einen Druckanstieg auch imAufstellungsraum

v

elp

cMVWkR

p××

D×=D

erGasparametVolumenZeitdauerungBogenleistKonstegDruckansti

××

= .

Störfallsimulation

Schotträume einer MS Schaltanlage

luftisolierte Anlage(AIS)

gasisolierte Anlage(GIS) mit SF6

Störfallsimulation

Lichtbogen in einer Schaltanlage mit Entlastungsöffnung

Zündung desLichtbogens

Öffnung einerEntlastungs-

öffnungAusströmen heißer

Gase undDruckanstieg im

AufstellungsraumDruckanstieg im

Schottraum

Störfallsimulation

Prüfung mit Lichtbogen in einer Schaltanlagenach internationalem Standard IEC 62271-200

• Typprüfung soll Festigkeitder Anlage gegen Berstenzeigen.- Entlastungsöffnungen

bewahren den Schottraumvor dem Bersten.

• Die Prüfung soll aber auchdie Sicherheit von Personenvor der Anlage zeigen.- Kanäle leiten die heißen

Austrittsgase zur Seite undschützen das Personal davor.

- Baumwollindikatoren vor derAnlage dürfen sich nichtentzünden.

Störfallsimulation

Prüfung mit Lichtbogen in einer Schaltanlagenach internationalem Standard IEC 62271-200

Störfallsimulation

Auswirkung eines Lichtbogens auf ein Gebäude

• Ausströmen der heißen Gaseführt zu Druckanstieg imAufstellungsraum

• Ohne ausreichende Entlastungs-öffnung kann der DruckanstiegWände oder das Dachherausblasen.

• Ein Differenzdruck von z.B.20 mbar ergibt eine Kraft von3t auf eine 6 m breite Wand.

• Fenster oder Jalousien könnenbereits eine Entlastung bringen.

Source:TÜV Rheinland /Berlin-BrandenburgSchutzseminar 2002

• Das Ziel der Arbeitsgruppe war, Berechnungsmethoden zu evaluieren:

- Um einen Störlichtbogen in einer Schaltanlage zu simulieren;

- Um Effekte auf die Schaltanlage zu berechnen;

- Um Effekte im Aufstellungsraum zu berechnen.

• Damit können

- Wiederholungen von Prüfungen vermieden werden;

- Anleitungen zur Auslegung eines Gebäudes gegeben werden.

• Die Arbeit der CIGRE WG fokussierte sich auf die folgenden Effekte:

- Druckanstieg in der Schaltanlage

- Mechanische Beanspruchung von Schotträumen und Gebäuden

- Durchbrennen von Kapselungen

- Hintergründe dafür, Lichtbogenprüfungen von SF6 isoliertenSchaltanlagen statt mit SF6 mit Luft durchführen zu können.

Berechnung des Druckanstiegs – CIGRE WG A3.24

October 24, 2017 StörfallsimulatioKSlide 12

• Beginn der Arbeit: 2009• Technische Broschüre TB 602: 2014

• Mitglieder: 20• Experten aus 13 Ländern:• N. Uzelac Convenor (US), L. del Rio (ES), J. Douchin (FR),

E. Dullni (DE), S. Feitoza Costa (BR), E. Fjeld (FI), M. Glinkovski (US), K.Hong-Kyu (KR), M. Kriegel (CH), J. Lopez-Roldan (AU), R. Pater (CA), G.Pietsch (DE), T. Reiher (DE), G. Schoonenberg (NL), S. Singh (FR), R.Smeets (NL), T. Uchii (JP), L. Van der Sluis (NL), P. Vinson (FR), Y.Daisuke (JP)

CIGRE WG A3.24

October 24, 2017 StörfallsimulationSlide 13

TOOLS FOR THE SIMULATION OF EFFECTS OF THE INTERNALARC IN TRANSMISSION AND DISTRIBUTION SWITCHGEAR

© ABB GroupOctober 25, 2017 | Slide 14

Berechnungsmethode (1): Volumen gemittelte GasgleichungVergleich einer luft- und gasisolierten MS-Schaltanlage

§ Gute Anpassung der Berechnung an dengemessenen Innendruckanstieg einerluftgefüllten Anlage.

§ Nicht ganz so gute Anpassung, wenn diegleiche Anlage mit SF6 befüllt ist.

Luft

SF6

Entlastungs-kanal

© ABB GroupOctober 25, 2017 | Slide 15

Berechnungsmethode (1): Volumen gemittelte GasgleichungDruckanstieg in einem simulierten Aufstellungsraum (8 m³)

GIS

Stahl-behälter

GIS

GIS

Geschlossener Behälter

Offener Behälter

§ Gute Nachbildung des Druckanstiegsim geschlossenen Stahlbehälter(Simulation Aufstellungsraum)

§ Auch gutes Resultat für den gleichenBehälter mit Entlastungsöffnung.

© ABB GroupOctober 25, 2017 | Slide 16

Berechnungsmethode (2): CFD SimulationDruckverteilung in einem Aufstellungsraum

• CFD (Computational FluidDynamics)

• CFD Methoden könnenDruckverteilung undGasfluss in 3D Geometrieberechnen.

• Erfordert allerdings großeComputer Leistungen,lange Vorbereitungszeit,lange Rechenzeit undExpertenwissen.

Temperaturfeld (K) – 21 ms

Druckfeld (Pa) – 25 ms

© ABB GroupOctober 25, 2017 | Slide 17

Berechnungsmethoden (3): FEA mechanische VerformungSchottraum einer gasisolierten Schaltanlage

• FEA (Finite ElementeAnalyse)

• FEA erlauben, diemechanische Verformungder Kapselung als Folge desDruckanstiegs im Schott-raum zu berechnen.

• Ist anwendbar aufgeschweißte undverschraubte Kapselungen.

Warc[kVAs]*

Zeit in ms

unbeeinflusst

Reduzierung der Auswirkungen eines Störlichtbogensdurch Begrenzung der Bogendauer

October 25, 2017 | Slide 18© ABB

100 10001 10

UFES (Ultra-FastEarthing Switch)§Detektion überoptische Sensoren§Elektronische Aus-wertung des Stroms§Einschaltung einesschnellen Erders

Konventionelles Schutzsystem• Detektion eines Lichtbogens über optischeSensoren oder Schalter anEntlastungsöffnungen

• Abschaltung über Einspeiseschalter

Konventionelles Schutzsystem mit LichtbogenstromUnterbrechung in weniger als 80 ms

October 24, 2017 StörfallsimulationSlide 19

1. Gießharzisolator3. Vakuumkammer4. Beweglicher Kontakt5. Sollbruchstelle6. Beweglicher Kolben9. Mikrogas Generator

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Primary switching element – section view

October 25, 2017 | Slide 20© ABB

Ultraschnelles Schutzsystem (UFES) auf Basis einerspeziellen Vakuumkammer mit Gasantriebssystem zurErdung des Lichtbogenstroms innerhalb 4 ms

• Störlichtbögen werden in modernen Schaltanlagen bestmöglichvermieden, können aber nicht komplett ausgeschlossen werden.

• Prüfungen sind notwendig, um die lichtbogenfeste Konstruktioneiner Schaltanlage zu verifizieren.

• Berechnungsmethoden können den Entwicklungsprozessunterstützen.

• Die CIGRE WG A3.24 hat grundlegende Arbeit geleistet, um dieMöglichkeiten und Grenzen von Berechnungsmethodenaufzuzeigen.

• Mit verschiedenen Rechenprogrammen ist es möglich, denDruckanstieg durch Störlichtbogen in einer Schaltanlage, aberauch im Gebäude zu berechnen.

• Eine DKE Arbeitsgruppe unter UK 121.2. formuliert zur Zeit einNWP (New Work Proposal) zu dieser Thematik.

Zusammenfassung

October 24, 2017 StörfallsimulationSlide 21

Lichtbogenprüfung in einer luftisolierten SchaltanlageAusströmen heißer Gase aus dem Kanal in Zeitlupe

October 24, 2017 StörfallsimulationSlide 22

October 24, 2017 StörfallsimulationSlide 23

Vielen Dank für IhreAufmerksamkeit

Störfallsimulation

Lichtbogenprüfung in einer luftisolierten Schaltanlage