Schaltvorgänge
Allgemeines
In elektrischen Energiesystemen treten aufgrund von Fehlerfällen oder durch Änderungen des gewünschten Lastflusses Schaltvorgänge auf. Bei diesen transienten Vorgängen werden hochfrequente Schwingkreise angeregt, welche zu Überspannungen führen können. Diese sogenannten Schaltüberspannungen bestehen in der Regel aus einer Überlagerung der betriebsfrequenten Spannung mit hochfrequenten transienten Spannungen.
Obwohl diese Schaltüberspannungen über eine verhältnismäßig kurze Zeit der Netzfrequenz auftreten, haben sie das Potential die Lebensdauer der Betriebsmittel zu verringern oder im ungünstigsten Fall zu zerstören. Mit Hilfe von Untersuchungen mit dem Simulationsprogramm EMTP (Electromagnetic Transients Program) können die auftretenden Spannungen und Ströme berechnet und Maßnahmen zum Einhalten der Grenzen der Betriebsmittel laut Herstellerangaben bzw. der entsprechenden Gerätenormen untersucht werden. Neben Kurzschlussströmen können insbesondere das Schalten von kapazitiven oder induktiven Lasten wie z.B. Kondensatorbänken, Drosselspulen und Transformatoren problematisch sein.
Abbildung 1: Modellierung des Schaltens einer induktiven Last mit EMTP
Kurzschlussversuch
Um die wiederkehrende Spannung an einem 110-kV-Leistungsschalter nach dem Klären eines Kurzschlussstromes näher zu untersuchen wurden Messungen an einem Umspannwerk durchgeführt. Der Messaufbau wurde anschließend im Simulationsprogramm EMTP nachgebildet und die wesentlichen Einflussgrößen für die auftretenden transienten Spannungen über eine Sensitivitätsanalyse festgestellt. Die Abbildung 2 zeigt die hierbei gemessenen Spannungen über den Leistungsschalter wobei eine Rückzündung und zwei dominante transiente Spannungen erkennbar sind.
Abbildung 2: Gemessene wiederkehrende Spannung nach dem Klären eines Kurzschlusses eines 110-kV-Leistungsschalters
Schalten von kleinen induktiven Strömen
Ein weiterer kritischer Fall ist das Schalten von kleinen induktiven Strömen welcher durch die Verwendung von Kompensationsdrosselspulen auftreten kann. Hierbei können durch das frühzeitige Trennen des Stromflusses (Stromabriss), bei Rückzündungen und durch Resonanzschwingkreise hochfrequente transiente Spannungen entstehen. Wobei vor allem die auftretenden Spannungsmaxima und die Steilheit der (wiederkehrenden) Spannungen von Wichtigkeit sind. Dies kann zu Schäden an Transformator- und Drosselspulenwicklungen sowie am Leistungsschalter selbst führen. Als Abhilfe können systemoptimierte RC-Dämpfungsglieder (RC-Snubber) und die richtige Auslegung von Überspannungsableiter verwendet werden.
Abbildung 3: Transiente wiederkehrende Spannung (TRV) am Leistungsschalter beim Ausschalten von induktiven Strömen
Publikationen
P. Hackl, K. Friedl, R. Schuerhuber, B. Heimbach, B. Wartmann and A. Casura,
"Switching overvoltages caused by shunt reactor switching and mitigation methods,"
27th International Conference on Electricity Distribution (CIRED 2023), Rome, Italy, 2023, pp. 2460-2464, doi: 10.1049/icp.2023.1162
P. Hackl,
Analyse von Schaltüberspannungen eines 110-kV-Leistungsschalters mit EMTP
Masterarbeit, 2020
Projekte
Transiente Überspannungen beim Schalten von Kompensationsdrosseln 1
Transiente Überspannungen beim Schalten von Kompensationsdrosseln 2
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