Modellierung der Auswirkungen von Störlichtbögen in elektrischen Anlagen

Zhang, Xiang; Pietsch, Gerhard J.

doi:24374

Modellierung der Auswirkungen von Störlichtbögen in elektrischen Anlagen

Zhang, Xiang (Author)

2002

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Xiang Zhang

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2002

UmfangII, 97 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2002

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Pietsch, Gerhard J. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2002-07-19

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-4011
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/57047/files/Zhang_Xiang.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik (600000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Störlichtbögen in elektrischen Anlagen sind seltene Ereignisse. Treten sie jedoch auf, so können sie neben der Unterbrechung der Energieversorgung und Schäden in elektrischen Anlagen auch Personen gefährden. Zur Beherrschung ihrer Auswirkungen, insbesondere der Druckentwicklung in ihrer Umgebung, ist deren Modellierung von Bedeutung. Eine exakte Bestimmung der Druckentwicklung ist auch für die Fälle unerlässlich, in denen keine Messungen vorgenommen werden können, z. B. bei bereits bestehenden Anlagen, in denen keine Versuche vorgenommen werden können. Ein wichtiger Parameter für die Bestimmung der Druckentwicklung ist der Anteil der im Störlichtbogen umgesetzten elektrischen Energie, der in die Druckerhöhung geht. Dieser Anteil, auch als thermischer Transferkoeffizient oder kp–Faktor bezeichnet, wird in der Arbeit erstmalig theoretisch bestimmt in Abhängigkeit von der Art und der Dichte des Isoliergases, dem Volumen in dem der Lichtbogen brennt, sowie vom Elektrodenmaterial unter Berücksichtigung von Materialverdampfung und chemischen Reaktionen des Metalldampfes mit dem Isoliergas. Um dieses zu erreichen, wird der thermische Transferkoeffizient kp0 bei „relativer Reinheit“ des Isoliergases eingeführt, der für SF6 bei hohen Gasdichten experimentell bestimmt werden kann und von dem man auf diejenigen anderer Gase schließen kann. Die berechneten Werte von kp stimmen gut mit verfügbaren experimentellen Werten überein. Die Dichteabhängigkeit von kp ist von besonderer Bedeutung, weil in Anordnungen mit Druckentlastungsöffnungen die Gasdichte abnimmt. Um den Einfluss des sich ändernden Gaszustands auf die Lichtbogeneigenschaften (Temperatur und Brennspannung) beschreiben zu können, wird weiterhin ein Strahlungsmodell mit einem Nettoemissionskoeffizienten eingeführt. Die hier vorgestellte Strahlungsnachbildung im Lichtbogen und in seiner Umgebung kann für die Bestimmung der Temperaturentwicklung in Schaltanlagen herangezogen werden. In einem weiteren Anhang wird die Wandverformung von Schaltanlagengebäuden durch die Druckeinwirkung von Störlichtbögen simuliert. Das Besondere daran ist, dass die Lagerungsbedingungen der Wände und die Eigenschaften der Krafteinwirkung mitberücksichtigt werden und eine Lösung gefunden wird, die mit analytischen Funktionen auskommt. Die Leistungsfähigkeit des entwickelten Verfahrens zur Bestimmung der Druckbelastung durch Störlichtbögen wird an einigen Beispielen demonstriert. Diese umfassen Störlichtbögen in abgeschlossenen Räumen, in Räumen mit Druckentlastung über Öffnungen und über Kanäle, sowie einen Fall mit starker Materialverdampfung, für den experimentelle Ergebnisse aus einem Hochleistungsprüffeld vorliegen.

An internal arc in electrical systems is a rare event. However, if it arises, it can endanger persons apart from the interruption of the power supply and the damage of electrical apparatus. For the control of its effects, in particular the modelling of the pressure development in its environment, is important. An accurate determination of the pressure development is essential also for the existing equipment, in which no measurements can be made. An important parameter for the determination of the pressure development is the portion of the electric energy converted from the internal arc, which increases the pressure. This portion can also be described as a thermal transfer coefficient or kp–factor, which will be determined theoretically for the first time in the work as a function of the kind and the density of the isolating gas, in which the arc burns and the gas volume, as well as of the electrode material with the consideration of material evaporation and chemical reactions of metal vapor with the isolating gas. In order to reach this, the thermal transfer coefficient kp0 is introduced as "relative purity" of the isolating gas, which can be determined for SF6 with high gas densities experimentally, and with that one can get those. The calculated values of kp agree good with available experimental values. The dependence of gas density on kp is of special importance, because in arrangements with pressure–relief–openings the gas density decreases. In order to be able to describe the influence of the changing gas conditions on the arc characteristics (temperature and arcing voltage), a radiation model with a net emission coefficient is introduced. The reproduction of the radiation in the arc and in its environment, presented here, can be consulted for the determination of the temperature development in switchgears. In a further Appendix, the wall deformation is simulated in the substation with switchgear by the effect of the pressure due to the internal arc. The speciality to the fact is that the conditions of support of the walls and characteristics of pressure are considered and a solution is found, which gets along with analytic functions. The efficiency of the developed method of calculation for the determination of the pressure load by internal arc is demonstrated by some examples. The internal arcs are in a case with pressure–relief–openings or with channels, as well as in a case with strong material evaporation, for which experimental results from a test field are present.

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