Sichere Energieversorgung Wie lässt sich ein Störfall simulieren?

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1 CIGRE CIRED 24. OKTOBER 2017 Sichere Energieversorgung Wie lässt sich ein Störfall simulieren? Prof. Dr. rer. nat. Edgar Dullni Study Committee A3 HIGH VOLTAGE EQUIPMENT

2 Stromausfälle in Deutschland Deutschland hat eine der sichersten Energieversorgungen in Europa mit sehr wenigen Stromausfällen. Die Bundesnetzagentur erhebt einmal im Jahr den SAIDI (System Average Interruption Duration Index) Die durchschnittliche Stromausfalldauer pro Netzabnehmer betrug 2014 nur 12,28 min. Die Anzahl gemeldeter Unterbrechungen war ca , davon entfielen auf die Niederspannung und auf die Mittelspannung. October 24, 2017 Slide 2

3 Ursachen der Stromausfälle SAIDI erfasst ungeplante Unterbrechungen größer 3 min durch: - Atmosphärische Einwirkungen - Einwirkungen Dritter - Zuständigkeit des Netzbetreibers - Aber nicht durch Naturkatastrophen Kurzunterbrechungen Schalteröffnung und Wiedereinschaltung nach z.b. 300 ms werden nicht erfasst, treten aber um ein Vielfaches häufiger auf. In der Zuständigkeit des Netzbetreibers sind Störfälle jeglicher Art in Schaltanlagen unter anderem auch Störlichtbögen. October 24, 2017 Slide 3

4 Welchen Anteil haben Störlichtbögen an den Ausfällen? Schwer zu bestimmen Die Berufsgenossenschaft erhebt die Anzahl der elektrischen Unfälle mit Personenschaden in Deutschland. Daraus lässt sich in etwa ein Aufkommen ablesen von: - ca. 100 bis 200 Ereignisse mit Störlichtbogen pro Jahr in NS-Schaltanlagen - weniger als 20 Ereignisse in MS-Schaltanlagen bis 30 kv 1500 Number of accidents Total number of electrical accidents Arc faults (all voltages) Low-voltage arc faults (up to 1 kv) Medium-voltage arc faults (> 1 kv to 30 kv) Source: BG ETEM Germany, 2012 October 24, 2017 Slide 4

5 Was ist ein Störlichtbogen? Das Resultat einer plötzlichen Entladung aufgrund eines Fehlers zwischen den Phasen oder zur Erde. Der Bogen erzeugt heißes Gas und Plasma Temperatur der Sonnenoberfläche ist ca C. Die Lichtbogentemperatur erreicht bis zum Fünffachen der Oberflächentemperatur der Sonne ( C) Die Lichtintensität kann das fache des Normaltageslichts erreichen.

6 Druckanstieg des Gases durch den Störlichtbogen z.b. im geschlossenen Schottraum einer Schaltanlage Bei einem Kurzschlussstrom von 25 ka und einer Lichtbogenspannung von 500 V, werden Leistungen bis zu 20 MW frei, bei höheren Strömen entsprechend mehr. Ein Großteil der Leistung entlädt sich durch das Gas und heizt dieses auf. Das hat einen Druckanstieg im Schottraum zur Folge, wenn dieser geschlossen ist. Bogenleistung Zeitdauer Druckanstieg = Konst. Volumen Gasparameter Der Lichtbogen muss entweder sehr schnell gelöscht werden oder der Druck kontrolliert in den Außenraum durch Öffnungen entlastet werden. Das ergibt allerdings einen Druckanstieg auch im Aufstellungsraum Dp = R k p DW V M c el v

7 Schotträume einer MS Schaltanlage gasisolierte Anlage (GIS) mit SF6 luftisolierte Anlage (AIS)

8 Lichtbogen in einer Schaltanlage mit Entlastungsöffnung Druckanstieg im Schottraum Zündung des Lichtbogens Öffnung einer Entlastungsöffnung Ausströmen heißer Gase und Druckanstieg im Aufstellungsraum

9 Prüfung mit Lichtbogen in einer Schaltanlage nach internationalem Standard IEC Typprüfung soll Festigkeit der Anlage gegen Bersten zeigen. - Entlastungsöffnungen bewahren den Schottraum vor dem Bersten. Die Prüfung soll aber auch die Sicherheit von Personen vor der Anlage zeigen. - Kanäle leiten die heißen Austrittsgase zur Seite und schützen das Personal davor. - Baumwollindikatoren vor der Anlage dürfen sich nicht entzünden.

10 Prüfung mit Lichtbogen in einer Schaltanlage nach internationalem Standard IEC

11 Auswirkung eines Lichtbogens auf ein Gebäude Source: TÜV Rheinland / Berlin-Brandenburg Schutzseminar 2002 Ausströmen der heißen Gase führt zu Druckanstieg im Aufstellungsraum Ohne ausreichende Entlastungsöffnung kann der Druckanstieg Wände oder das Dach herausblasen. Ein Differenzdruck von z.b. 20 mbar ergibt eine Kraft von 3t auf eine 6 m breite Wand. Fenster oder Jalousien können bereits eine Entlastung bringen.

12 Berechnung des Druckanstiegs CIGRE WG A3.24 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 isolierten Schaltanlagen statt mit SF6 mit Luft durchführen zu können. October 24, 2017 Slide 12 StörfallsimulatioK

13 CIGRE WG A3.24 TOOLS FOR THE SIMULATION OF EFFECTS OF THE INTERNAL ARC IN TRANSMISSION AND DISTRIBUTION SWITCHGEAR 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) October 24, 2017 Slide 13

14 Berechnungsmethode (1): Volumen gemittelte Gasgleichung Vergleich einer luft- und gasisolierten MS-Schaltanlage SF6 Luft Gute Anpassung der Berechnung an den gemessenen Innendruckanstieg einer luftgefüllten Anlage. Nicht ganz so gute Anpassung, wenn die gleiche Anlage mit SF6 befüllt ist. Entlastungskanal ABB Group October 25, 2017 Slide 14

15 Berechnungsmethode (1): Volumen gemittelte Gasgleichung Druckanstieg in einem simulierten Aufstellungsraum (8 m³) GIS GIS Stahlbehälter Geschlossener Behälter GIS Gute Nachbildung des Druckanstiegs im geschlossenen Stahlbehälter (Simulation Aufstellungsraum) Offener Behälter Auch gutes Resultat für den gleichen Behälter mit Entlastungsöffnung. ABB Group October 25, 2017 Slide 15

16 Berechnungsmethode (2): CFD Simulation Druckverteilung in einem Aufstellungsraum Temperaturfeld (K) 21 ms Druckfeld (Pa) 25 ms CFD (Computational Fluid Dynamics) CFD Methoden können Druckverteilung und Gasfluss in 3D Geometrie berechnen. Erfordert allerdings große Computer Leistungen, lange Vorbereitungszeit, lange Rechenzeit und Expertenwissen. ABB Group October 25, 2017 Slide 16

17 Berechnungsmethoden (3): FEA mechanische Verformung Schottraum einer gasisolierten Schaltanlage FEA (Finite Elemente Analyse) FEA erlauben, die mechanische Verformung der Kapselung als Folge des Druckanstiegs im Schottraum zu berechnen. Ist anwendbar auf geschweißte und verschraubte Kapselungen. ABB Group October 25, 2017 Slide 17

18 Reduzierung der Auswirkungen eines Störlichtbogens durch Begrenzung der Bogendauer W arc [kvas]* Konventionelles Schutzsystem Detektion eines Lichtbogens über optische Sensoren oder Schalter an Entlastungsöffnungen Abschaltung über Einspeiseschalter UFES (Ultra-Fast Earthing Switch) Detektion über optische Sensoren unbeeinflusst Elektronische Auswertung des Stroms Einschaltung eines schnellen Erders 1 10 Zeit in ms ABB October 25, 2017 Slide 18

19 Konventionelles Schutzsystem mit Lichtbogenstrom Unterbrechung in weniger als 80 ms October 24, 2017 Slide 19

20 Ultraschnelles Schutzsystem (UFES) auf Basis einer speziellen Vakuumkammer mit Gasantriebssystem zur Erdung des Lichtbogenstroms innerhalb 4 ms Primary switching element section view Gießharzisolator 3. Vakuumkammer 4. Beweglicher Kontakt 5. Sollbruchstelle 6. Beweglicher Kolben 9. Mikrogas Generator ABB October 25, 2017 Slide 20

21 Zusammenfassung Störlichtbögen werden in modernen Schaltanlagen bestmöglich vermieden, können aber nicht komplett ausgeschlossen werden. Prüfungen sind notwendig, um die lichtbogenfeste Konstruktion einer Schaltanlage zu verifizieren. Berechnungsmethoden können den Entwicklungsprozess unterstützen. Die CIGRE WG A3.24 hat grundlegende Arbeit geleistet, um die Möglichkeiten und Grenzen von Berechnungsmethoden aufzuzeigen. Mit verschiedenen Rechenprogrammen ist es möglich, den Druckanstieg durch Störlichtbogen in einer Schaltanlage, aber auch im Gebäude zu berechnen. Eine DKE Arbeitsgruppe unter UK formuliert zur Zeit ein NWP (New Work Proposal) zu dieser Thematik. October 24, 2017 Slide 21

22 Lichtbogenprüfung in einer luftisolierten Schaltanlage Ausströmen heißer Gase aus dem Kanal in Zeitlupe October 24, 2017 Slide 22

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit October 24, 2017 Slide 23

24 Lichtbogenprüfung in einer luftisolierten Schaltanlage