Calculation of pressure rise in electrical installations due to internal arcs considering SF 6-air mixtures and arc energy absorbers

Anantavanich, Kittipong; Pietsch, Gerhard J. (Thesis advisor)

Aachen / Mainz (2010) [Doktorarbeit]

Seite(n): III, 125 S. : Ill., graph. Darst.

Kurzfassung

Störlichtbögen in elektrischen Anlagen verursachen einen schnellen Temperatur- und damit Druckanstieg im betroffenen Anlagenraum, der das Bedienpersonal, die Anlage und sogar das Schaltanlagengebäude sowie die Versorgungssicherheit gefährden kann. Der entstehende Überdruck wird üblicherweise durch Druckentlastungsöffnungen begrenzt. Der Nachweis der Störlichtbogensicherheit erfolgt durch Versuche in Hochleistungsprüffeldern oder – wo dieses nicht möglich oder praktikabel ist – über Druckberechnungen. Heutzutage existieren bereits bewährte Druckberechnungsverfahren, die den Druckanstieg aufgrund von Fehlerlichtbögen bestimmen können. Für praktische Anwendungen haben sich zwei Arten von Druckberechnungsverfahren als bedeutsam erwiesen, das „CFD-Verfahren”, das ortsaufgelöste Ergebnisse mit einer Computational Fluid Dynamics-Software liefert und das sogenannte „Standardverfahren”, mit dem man räumlich gemittelte Druckverläufe erhält. Der Anwendungsbereich dieser Verfahren ist jedoch eingeschränkt. Zum Beispiel ist es bislang mit allen bekannten Verfahren nicht möglich, das Ausströmverhalten bei SF6-isolierten Anlagen zuverlässig in die Druckberechnung einzubeziehen. Dasselbe gilt für Lichtbogenenergieabsorber, deren Wirkung bislang wenig theoretisch untersucht worden ist. In der vorliegenden Arbeit werden diese für die Druckberechnung wichtigen Phänomene betrachtet. Schwerpunkt bei der Modellierung von ausströmenden SF6-Luft-Gemischen mit sich verändernder Gaszusammensetzung ist die Erzeugung und Behandlung von zuverlässigen realen Gasdaten. Damit werden Effekte wie z.B. Dissoziation, Ionisation und Wechselwirkungen zwischen Gaspartikeln einschließlich chemischer Reaktionen mitberücksichtigt. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit ist die Modellierung von Absorbern. Hierzu werden zunächst die Wärmeaufnahme und der Strömungswiderstand getrennt behandelt. Um beide Wirkungen gleichzeitig zu beschreiben, werden bestehende sowie verbesserte Modellansätze evaluiert und geeignete Kombinationen von Modellansätzen vorgeschlagen. Die Strömung von SF6-Luft-Gemischen und die Wirkung von Lichtbogenenergieabsorbern werden erstmalig in ein Standardverfahren und mit realistischen Gasdaten in ein CFD-Verfahren eingebunden. Dabei spielt die Behandlung der Gasdaten und die Modifizierung der Gleichungssysteme eine besondere Rolle. – Die Wirkung von Absorbern erfolgt durch die Berücksichtigung von Wärmesenken und Reibungskräften. Weiterhin wird ein auf dem Standardverfahren beruhendes Rechenprogramm entwickelt, das schnell Resultate liefert, einfach zu handhaben ist und die beiden Phänomene Gasgemischströmung und die Wirkung von Energieabsorbern mitberücksichtigen kann (Improved Standard Calculation (ISC)-Methode). Dabei werden realistische Gasdaten verwendet. Das Programm ist in Java programmiert und damit plattformunabhängig, vielseitig einsetzbar und z.B. in der Lage, eine beliebige Anzahl von miteinander verbundenen Räumen und Druckentlastungsöffnungen zu berücksichtigen. Durch Vergleich von Messungen in verschiedenen Anordnungen mit Rechenergebnissen, durchgeführt mit dem CFD- als auch dem ISC-Verfahren, wird die Einbindung von Gasgemischströmungen und Energieabsorbern in die beiden Druckberechnungsverfahren validiert.

Identifikationsnummern

  • ISBN: 3-86130-677-8
  • URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-32065
  • REPORT NUMBER: RWTH-CONV-113918