Vereinfachte Kurzschlussstromberechnung für Mittel- und Niederspannungsgleichstromnetze

Bleilevens, Raphael; Moser, Albert; Monti, Antonello

doi:HT020680044

Vereinfachte Kurzschlussstromberechnung für Mittel- und Niederspannungsgleichstromnetze = Simplified short-circuit current calculation for medium and low-voltage direct current networks

Bleilevens, Raphael^RWTH*

2020 & 2021

VerantwortlichkeitsangabeRaphael Bleilevens

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : printproduction M. Wolff GmbH 2020

Umfang1 Online-Ressource (ix, 256 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-941704-98-5

ReiheAachener Beiträge zur Energieversorgung ; 203

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Druckausgabe: 2020. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2021

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Moser, Albert (Thesis advisor)^RWTH* ; Monti, Antonello (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-10-30

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-12198
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/808638/files/808638.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elektrizitätsversorgung (frei) ; Gleichstromverteilnetze (frei) ; Kurzschlussstromberechnung (frei) ; Verteilnetzplanung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Mittel- und Niederspannungsgleichstromnetze (DC-Verteilnetze) rücken zunehmend in den Fokus der Forschung. Wie in heutigen Drehstromnetzen (AC-Netzen) rufen auch in DC-Verteilnetzen Ströme im Fall von Kurzschlüssen in der Regel die stärksten Beanspruchungen für stromführende Betriebsmittel hinsichtlich deren thermischer und mechanischer Belastung hervor. Zur sicheren und dennoch wirtschaftlich angemessenen Auslegung dieser stromführenden Betriebsmittel ist somit die Kenntnis über mögliche Kurzschlussströme in DC-Verteilnetzen zwingend erforderlich. Für AC-Systeme stehen heute vereinfachte Approximationsansätze für die Kurzschlussstromberechnung zur Verfügung. Für die Praxis sind derartige vereinfachte Approximationsansätze zur Berechnung der möglichen Kurzschlussströme gewünscht, da der Datenbedarf und die Rechenzeit im Vergleich zur transienten Berechnung deutlich reduziert werden können. Aus diesem Grund ist eine vereinfachte Kurzschlussstromberechnung basierend auf einem Approximationsansatz auch für DC-Verteilnetze wünschenswert. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist daher die Herleitung einer Methode zur vereinfachten Kurzschlussstromberechnung für DC-Verteilnetze. Zur vereinfachten Kurzschlussstromberechnung wird dabei die Verwendung des Berechnungsansatzes der Superposition von approximierten Stromverläufen fokussiert. Bei diesem Berechnungsansatz werden im ersten Schritt die Stromverläufe aller speisenden Kurzschlussstromquellen ohne die Berücksichtigung der Rückwirkungen durch andere Kurzschlussstromquellen approximiert. Anschließend werden die Stromverläufe der einzelnen Kurzschlussstromquellen unter Berücksichtigung des Gleichstromsystems superponiert. Abschließend werden Kurzschlussstromkenngrößen der stromführenden Betriebsmittel ermittelt. Zur Bewertung der vereinfachten Kurzschlussstromberechnungsmethode ist ein Vergleich der berechneten Kurzschlussströme mit Vergleichsdaten erforderlich. Aufgrund der fehlenden Realisierung von DC-Verteilnetzen werden realitätsnahe Vergleichsdaten durch transiente Berechnungen in Form von numerischen Zeitverlaufssimulationen generiert und den Ergebnissen der vereinfachten Berechnung gegenübergestellt. Im Zuge der exemplarischen Untersuchungen erfolgt die Bewertung der vereinfachten Berechnungsmethode für eine Vielzahl unterschiedlicher DC-Verteilnetze. Dabei werden die Netzstruktur, die Versorgungsaufgabe, die Betriebsmittel und die Betriebsspannung der DC-Verteilnetze variiert. Der Bewertung zufolge ist die Berechnung der Kurzschlussstromkenngrößen von beliebigen Teilkurzschlussströmen nicht zielführend. Jedoch erscheint die Berechnung der auslegungsrelevanten Kurzschlussstromkenngrößen von stromführenden Betriebsmitteln mit Einschränkungen möglich.

Medium- and low-voltage direct current (DC) distribution networks are focus of current research. As in today's three-phase alternating current (AC) networks, currents in DC distribution networks generally cause the greatest stresses for current-carrying equipment in terms of their thermal and mechanical load in case of short circuits. Therefore, the knowledge of possible short-circuit currents in DC distribution systems is absolutely essential for the safe and yet economically appropriate design of current-carrying equipment. For AC systems, simplified approximation approaches for short-circuit current calculation are available today. In practice, such simplified approximation approaches for the calculation of possible short-circuit currents are desired, since the data requirements and the computation time can be significantly reduced compared to transient calculations. For this reason, a simplified short-circuit current calculation based on an approximation approach is also desirable for DC distribution networks. The aim of this research project is therefore to derive a method for simplified short-circuit current calculation for DC distribution networks. For the simplified short-circuit current calculation, we focus on the calculation approach of superposition of approximated current courses. In this calculation approach, the current courses of all feeding short-circuit current sources are approximated in the first step without taking into account the feedback effects from other short-circuit current sources. Then, the current courses of the individual short-circuit current sources are superposed, taking the DC system into account. Finally, short-circuit current characteristics of the current-carrying equipment are determined. To evaluate the simplified short-circuit current calculation method, a comparison of the calculated short-circuit currents with comparative data is required. Due to the lack of realized DC distribution networks in practice, realistic comparison data is generated by transient calculations in the form of numerical simulations and compared with the results of the simplified calculation. In the course of the investigations, the simplified calculation method is evaluated for a large number of different DC distribution networks. The network structure, the supply task, the equipment and the operating voltage of the DC distribution networks are varied. According to the evaluation, the calculation of short-circuit current characteristics of partial short-circuit currents is not valid. However, the calculation of the design-relevant short-circuit current characteristics of current-carrying equipment appears to be possible with restrictions.

OpenAccess:
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