DE102019204317A1

DE102019204317A1 - Verfahren zur Ermittlung der Kurzschlussfestigkeit einer Schienenanordnung, die durch Änderung der Konfiguration einer Ausgangs-Schienenanordnung gebildet ist

Info

Publication number: DE102019204317A1
Application number: DE102019204317.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Grzeganek
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2020-10-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Kurzschlussfestigkeit einer Schienenanordnung (SO2), die durch Änderung der Konfiguration einer Ausgangs-Schienenanordnung (SO1) gebildet ist, im Vergleich zu der Kurzschlussfestigkeit der Ausgangs-Schienenanordnung (SO1) jeweils für einen vorgegebenen Kurzschluss-Strom anhand eines mathematischen Modells. Die Änderung umfasst zumindest die räumliche Anordnung der parallel verlaufenden Teilleiter (TL) der Ausgangs-Schienenanordnung (SO1). Um eine verbesserte Kurzschlussfestigkeit zu erzielen, wird vorgeschlagen, dass der vorgegebene Kurzschluss-Strom rechnerisch in die aktiven Leiter (L1, L2, L3 (und N)) der beiden Schienenanordnungen (SO1, SO2) eingespeist wird, dass die Lorenzkräfte (FTLi(SO1), FTLi(SO2)), die auf die Teilleiter (TLi(SO1), TLi(SO2)) einwirken, berechnet werden, dass für jede Schienenanordnung (SO1, SO2) die berechneten Lorenzkräfte (FTLi(SO1), FTLi(SO2)) der Teilleiter (TLi(SO1), TLi(SO2)) untereinander verglichen werden und dass dann die größten berechneten Lorenzkräfte (FTLi(SO1)max, FTLi(SO2)max) der Teilleiter(TLi(SO1), TLi(SO2)) der beiden Schienenanordnungen (SO1, SO2) miteinander verglichen werden, wobei die Kurzschlussfestigkeit der veränderten Schienenanordnung (SO2) größer ist als die der Ausgangs-Schienenanordnung (SO1), wenn die größte Lorenzkraft (FTLi(SO2)max) der Teilleiter (TLi(SO2)) der veränderten Schienenanordnung (SO2) kleiner ist als die größte Lorenzkraft (FTLi(SO1)max) der Teilleiter (TLi) der Ausgangs-Schienenanordnung (SO1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Kurzschlussfestigkeit einer (zweiten) Schienenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die durch Änderung der Konfiguration einer Ausgangs-Schienenanordnung (ersten Schienenanordnung) gebildet ist, deren Kurzschlussfestigkeit für einen vorgegebenen Kurzschluss-Strom (vorzugsweise anhand einer Messung) bekannt ist.
Schienenanordnungen, die Sammelschienen bilden, werden insbesondere im Mittel- und Niederspannungsbereich in Schaltanlagen zum Energietransport verwendet. Die Schienenanordnungen umfassen abhängig von der Höhe der fließenden Ströme je Phase mehrere schienenförmige Teilleiter. Zusammen mit Schaltgerätekombinationen befinden sich die Schienenanordnungen der Sammelschienen in sogenannten Schaltfeldern, wobei meist mehrere Schaltfelder unmittelbar nebeneinander angeordnet und elektrisch miteinander verbunden sind. Von den Schienenanordnungen der Sammelschienen gehen Feldschienen zu verschiedenen Anlageteilen der Schaltanlage ab.
Bekannte Schaltfelder mit einer Schienenanordnung verfügen über eine Tragkonstruktion in Form eines Gerüsts und Umhüllungsteile zur zusätzlichen Umhüllung der Schienenanordnung. Die Schienenanordnung der Sammelschiene besteht bei einem Dreiphasenwechselstrom (Drehstrom) meist aus vier aktiven Leitern, die man in Außenleiter (auch Phasenleiter genannt) und einen Neutralleiter unterteilt. Die vier aktiven Leiter sind in Form von vier räumlich zusammenhängenden und vertikal untereinander angeordneten Gruppen von beispielsweise jeweils sechs Teilleitern an mehreren vertikal angeordneten Schienenhaltern in Form von Querträgern befestigt. Jede Gruppe besteht aus drei horizontal nebeneinander liegenden Teilleiter-Paaren, wobei die beiden Teilleiter eines Teilleiter-Paars jeweils vertikal beabstandet und einander unmittelbar zugewandt sind. Alle Teilleiter verlaufen quer zu den Querträgern und parallel zueinander. Jeder Teilleiter ist beispielsweise als flacher schienenförmiger Stromleiter ausgebildet und besteht meist aus Elektrokupfer. Das Querschnittsprofil (der Querschnitt) der Teilleiter ist meist jeweils ein Rechteck. Alternative Querschnittsprofile sind runde Hohlleiter-Profile, U-Profile und dergleichen. Die Teilleiter sind mittels der Querträger isoliert mechanisch mit den gerüstteilen verbunden und liegen meist mit einer ihrer Flachseiten am Querträger an.
Werden die räumlich dicht nebeneinander angeordneten Teilleiter von einem Strom durchflossen, kommt es zum Auftreten von Lorenzkräften. Durch den Einsatz bei üblichen Frequenzen von 50/60 Hz besitzen diese Kräfte eine dynamische Komponente, welche insbesondere die Teilleiter selbst und die Querträger, an denen diese befestigt sind, mechanisch beansprucht. Im Fall eines Kurzschlusses ist die Beanspruchung wegen des meist sehr hohen Stroms besonders groß. Um den sicheren Betrieb und Weiterbetrieb zu gewährleisten, sind erhebliche konstruktive Aufwendungen zur Beherrschung dieser Kräfte notwendig. Insbesondere, weil im Bereich der Sammelschienen von Schaltanlagen innerhalb der Anlagen die größten Entfernungen zu überbrücken sind.
Sind die Teilleiter wie üblich in Form von mehreren räumlich zusammenhängenden und vertikal untereinander angeordneten Gruppen zusammengefasst, so wirken auf die einzelnen Teilleiter wegen der räumlichen Nähe der Teilleiter zueinander und den Strömen gleicher Phasenlage insbesondere im Kurzschlussfall sehr große Kräfte. Um die im Falle eines Kurzschlusses auftretenden Kräfte zu beherrschen, werden die Konstruktionen und Abmessungen der Teilleiter so gewählt, dass die Teilleiter im Zusammenspiel mit Versteifungen und Auflagern die erforderliche Steifigkeit und Festigkeit aufweisen.
Die Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Ermittlung der Kurzschlussfestigkeit einer zweiten Schienenanordnung, die durch Änderung der Konfiguration einer ersten Schienenanordnung als Ausgangs-Schienenanordnung gebildet ist, deren Kurzschlussfestigkeit für einen vorgegebenen Kurzschluss-Strom bekannt ist.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.
Die Lösung sieht vor, dass rechnerisch ein und derselbe vorgegebene Kurzschluss-Strom mit ein und derselben vorgegebenen Frequenz in die aktiven Leiter sowohl der ersten Schienenanordnung als auch der zweiten Schienenanordnung eingespeist wird, wobei die Ströme innerhalb einer Schienenanordnung unterschiedliche Effektivwerte und Phasenlagen haben können. Dann werden die Lorenzkräfte der Teilleiter berechnet und für jede Schienenanordnung die berechneten Lorenzkräfte der Teilleiter untereinander verglichen. Anschließend werden die größten berechneten Lorenzkräfte der Teilleiter der beiden Schienenanordnungen miteinander verglichen, wobei die Kurzschlussfestigkeit der zweiten Schienenanordnung größer ist als die der ersten Schienenanordnung, wenn die größte Lorenzkraft der Teilleiter der zweiten Schienenanordnung um eine vorgegebene Mindest-Differenz kleiner ist als die größte Lorenzkraft der Teilleiter der ersten Schienenanordnung. Das Verfahren kann damit auch zum Auffinden einer (zweiten) Schienenanordnung mit größerer Kurzschlussfestigkeit verwendet werden.
Mit anderen Worten: Die Erfindung ermöglicht es, die Lorenzkräfte, die auf einzelne Teilleiter einer Schienenanordnung in Folge eines Stroms einwirken, zu minimieren. Da die mechanischen Belastungen innerhalb der Anlage mit zunehmender Stromhöhe steigen, ist es sinnvoll das Verfahren für die größte innerhalb der Konfiguration zu erwartende Stromstärke durchzuführen. Dabei handelt es sich in der Regel um einen Kurzschlussstrom. Dazu werden auf der Basis einer existierenden Konfiguration (eines Referenzdesigns) als Ausgangs-Konfiguration die Lorenzkräfte, welche auf die einzelnen Teilleiter einwirken, für den Fall eines vorgegebenen dreipoligen symmetrischen Kurzschluss-Stroms berechnet. Dabei ist die Kurzschlussfestigkeit der Ausgangs-Konfiguration für den vorgegebenen Kurzschluss-Strom als Ergebnis einer durchgeführten Kurzschlussprüfung bekannt. Die Kurzschlussfestigkeit einer bereits verwendeten Schienenanordnung lässt sich insbesondere dadurch erhöhen, dass die Teilleitergruppen der aktiven Leiter gegenüber der bekannten Anordnung variiert (insbesondere aufgelöst) werden.
Die Mindest-Differenz der Lorenzkräfte zwischen den Anordnungen ist vorzugsweise so zu wählen, dass ein ermittelter Unterschied in der Kurzschlussfestigkeit signifikant ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:

1 ein Querschnitt durch die Teilleiter einer ersten Schienenanordnung mit sechs Teilleitern pro aktivem Leiter eines Schaltfelds,
2 ein Schaltfeld einer Schaltanlage mit einer zweiten Schienenanordnung mit sechs Teilleitern pro aktivem Leiter,
3 den zugehörigen Querschnitt durch die Teilleiter TL der zweiten Schienenanordnung SO2 gemäß 2,
4 ein einzelnes Schaltfeld einer Schaltanlage mit einer weiteren zweiten Schienenanordnung, bei der die Neutralleiter als Gruppe angeordnet sind,
5 den Querschnitt durch die Teilleiter der zweiten Schienenanordnung gemäß 4 und
6 ein Verfahren zum Vergleich zweier Schienenanordnungen in Bezug auf ihre Kurzschlussfestigkeit.

In 1 ist ein Querschnitt durch die Teilleiter TL einer bekannten typischen ersten Schienenanordnung SO1 einer Sammelschiene S eines Schaltfelds schematisch dargestellt. Die erste Schienenanordnung SO1 besteht aus vier aktiven Leitern A4, die man in drei Außenleiter L1, L2, L3 und einen Neutralleiter N unterteilt. Die vier aktiven Leiter A4 sind in Form von vier räumlich zusammenhängenden und vertikal untereinander angeordneten Gruppen G, GN von jeweils sechs Teilleitern TL angeordnet. In 1 ist gezeigt, zu welchem Außenleiter L1, L2, L3 und Neutralleiter N die Teilleiter TL jeweils gehören (an welche Phase sie angeschlossen sind). Jede Gruppe G, GN besteht aus drei horizontal nebeneinander liegenden Teilleiter-Paaren TLP, wobei die beiden Teilleiter TL eines Teilleiter-Paars TLP jeweils mit einem Abstand DN (Neutralleiter-Abstand), D0 (Außenleiter-Abstand) voneinander unter Belassung eines entsprechenden Zwischenraums ZN (Neutralleiter-Zwischenraum), Z0 (Außenleiter-Zwischenraum) vertikal beabstandet und einander unmittelbar zugewandt sind. Dabei kann der Abstand DN, D0 der beiden Teilleiter TL der mittleren Teilleiter-Paare TLP jeweils auch etwas größer sein als der Abstand DN, D0 der beiden Teilleiter TL der seitlichen Teilleiter-Paare TLP. Alle Teilleiter TL verlaufen horizontal parallel zueinander und weisen einen rechteckigen Querschnitt auf. Die mittleren Teilleiter-Paare TLP liegen in einer mittleren vertikalen Ebene MTS (mittlere gestrichelte Linie) und die seitlichen Teilleiter-Paare TLP in zwei beidseitig der mittleren Ebene MTS angeordneten seitlichen Ebenen STS (seitliche gestrichelte Linien), die parallel zur mittleren Ebene MTS angeordnet sind. Die Teilleiter TL sind an vertikalen Querträgern Q mit einer vertikalen Querträger-Längserstreckung QTE befestigt, die quer zur Teilleiter-Längserstreckung TLE verläuft (in 1 nicht dargestellt).
Die Anschlussstellen AP der vier aktiven Leiter A4 befinden sich hier also beispielhaft in der gemeinsamen rechten Ebene STS, könnten sich aber auch in der Ebene MTS oder der linken Ebene STS befinden.
2 zeigt ein einzelnes Schaltfeld SF einer Schaltanlage mit einer zweiten Schienenanordnung SO2 einer Sammelschiene in einer schematischen räumlichen Darstellung und 3 den zugehörigen Querschnitt durch die Teilleiter TL der zweiten Schienenanordnung SO2 gemäß 2, wobei der Querschnitt in analoger Weise zu 1 schematisch dargestellt ist. Die Teilleiter TL sind nachfolgendend auch speziell mit HTL, HTLu, HTLo, NTL und TL2 bezeichnet. Die zweite Schienenanordnung SO2 ist hier durch Änderung der Anordnung der Teilleiter TL der ersten Schienenanordnung SO1 gebildet, wobei die (Gesamt-)Zahl der Teilleiter TL beibehalten wurde. Im Unterschied zur ersten Schienenanordnung SO1 sind alle vier Gruppen G, GN (s. 1) in der zweiten Schienenanordnung SO2 (s. 2) aufgelöst. Es sind immer noch die drei vertikalen Ebenen STS, MTS, STS vorhanden, in denen die Teilleiter TL paarweise angeordnet sind. Der Abstand der Ebenen STS, MTS, STS ist ebenfalls beibehalten worden, hätte aber auch vergrößert oder verkleinert sein können. Die vertikalen Ebenen STS und MTS sowie MTS und STS haben hier beispielhaft denselben Abstand voneinander. Alle Teilleiter TL sind an zwei vertikalen Querträgern Q befestigt und die Befestigungsstellen der Teilleiter TL an den Querträgern Q sind entsprechend in Querträger-Längserstreckung QTE (quer zur Teilleiter-Längserstreckung TLE) hintereinander an den Querträgern Q angeordnet. Sie sind als flache schienenförmige Stromleiter mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet und liegen mit zumindest einer ihrer Flachseiten am jeweiligen Querträger Q an.
Die Querträger-Längserstreckung QTE ist in 2 und 3 eingezeichnet und verläuft hier vertikal und die Teilleiter-Längserstreckung TLE entsprechend horizontal; die Querträger-Längserstreckung QTE und die Teilleiter-Längserstreckung TLE verlaufen damit orthogonal zueinander. Die Querträger Q erstrecken sich in Richtung R1 gesehen vertikal nach oben und in Richtung R2 gesehen vertikal nach unten.
Die zweite Schienenanordnung SO2 weist unverändert, wie die erste Schienenanordnung SO1, vier aktive Leiter A4 auf, die wieder aus drei Außenleitern L1, L2, L3 und einem Neutralleiter N gebildet sind. Man kann alternativ und etwas allgemeiner die aktiven Leiter A4 auch als erste Stromleiter (active wire), die Außenleiter L1, L2, L3 auch als zweite Stromleiter (phase wire) und die Neutralleiter N auch als dritte Stromleiter (neutral wire) bezeichnen, d.h. man kann die Bezeichnungen in der gesamten Beschreibung (einschließlich der Patentansprüche) auch jeweils entsprechend austauschen.
Die aktiven Leiter A4 umfassen (wie in 1) jeweils sechs Teilleiter TL. Alle Teilleiter TL verlaufen parallel zueinander. Die Querschnittsflächen aller Teilleiter TL sind hier gleich große Rechtecke, die Querschnittsflächen und ihre rechteckige Form wurden gegenüber 1 ebenfalls nicht geändert, hätten aber als Abwandlung gegenüber der ersten Schienenanordnung SO1 in 1 auch geändert werden können. Das Querschnittsprofil der Teilleiter TL ist also jeweils ein Rechteckprofil.
In 3 sind die rechteckigen Querschnittsprofile (Querschnitte) der Teilleiter TL in ihrer Anordnung zueinander und ihren Abständen voneinander gezeigt. Die Querschnittsflächen aller Teilleiter TL weisen vertikale Abstände D1, D2, D3 und einen horizontalen Mittenabstand D4 voneinander auf. Weiter ist in 3 wie in 1 gezeigt, zu welchem Außenleiter L1, L2, L3 und Neutalleiter N die Teilleiter TL jeweils gehören (an welche Phase sie angeschlossen sind). Wie bereits aus 2 entnehmbar ist, bleiben die Querschnitte längs der Teilleiter TL gleich und alle Teilleiter TL weisen in Teilleiter-Längserstreckung TLE dasselbe Querschnittsprofil, ein Rechteckprofil, auf.
Zwei Teilleiter TL jedes aktiven Leiters A4 sind in Querträger-Längserstreckung QTE (quer zur Teilleiter-Längserstreckung TLE) jeweils mit einem vorgegebenen ersten Abstand D1 voneinander beabstandet und unter Belassung eines ersten Zwischenraums Z1 unmittelbar hintereinander angeordnet. Diese beiden Teilleiter TL der aktiven Leiter A4 bilden jeweils die beiden Haupt-Teilleiter HTL eines Haupt-Teilleiter-Paars HTP. Alle Haupt-Teilleiter-Paare HTP haben in Querträger-Längserstreckung QTE (quer zur Teilleiter-Längserstreckung TLE) jeweils einen Abstand D3 voneinander, hier beispielhaft denselben vertikalen Abstand D3.
Die Haupt-Teilleiter-Paare HTP der aktiven Leiter A4 liegen in einer gemeinsamen Ebene, nachfolgend als Haupt-Teilleiter-Ebene MTS bezeichnet, die (hier vertikal) längs durch die Haupt-Teilleiter HTL verläuft. In der Haupt-Teilleiter-Ebene MTS liegen zahlenmäßig genauso so viele Haupt-Teilleiter-Paare HTP wie aktive Leiter A4 vorhanden sind.
Die beiden Haupt-Teilleiter HTL eines Haupt-Teilleiter-Paars HTP gehören jeweils zu demselben aktiven Leiter A4. An den Haupt-Teilleiter-Paaren HTP befinden sich Anschlussstellen (oder Anschlusspunkte) AP der aktiven Leiter A4. Die Anschlussstellen AP sind die Stellen an den Haupt-Teilleiter-Paaren HTP, an denen sich die Stromabgänge oder Einspeisungen der aktiven Leiter A4 befinden. An den Anschlussstellen AP verlaufen Anschlussmittel in Form von beispielsweise Schrauben hier jeweils durch den Zwischenraum Z1 eines Haupt-Teilleiter-Paars HTP hindurch, welche die beiden Haupt-Teilleiter HTL des zugehörigen Haupt-Teilleiter-Paars HTP und den zugehörigen Stromabgang kraftbeaufschlagt verbinden.
Man kann hier bezogen auf die zweite Schienenanordnung SO2 in 2 und 3 auch sagen, die Haupt-Teilleiter-Paare HTP sind hier ausführungsgemäß (definiert als) die Teilleiter-Paare TLP, an denen die Anschlussstellen AP angeordnet sind.
Die Anschlussstellen AP der vier aktiven Leiter A4 befinden sich hier also beispielhaft in der gemeinsamen Haupt-Teilleiter-Ebene MTS, also bei drei Ebenen STS, MTS, STS wie hier an der mittleren Ebene, was eine spezielle vorteilhafte Ausführung ist. Grundsätzlich können sich die Anschlusspunkte AP aber auch in verschiedenen vertikalen Ebenen HTS oder NTS befinden.
Die Anschlussstellen AP sind hier bei der zweiten Schienenanordnung SO2 außerdem unabhängig von der Anzahl der Teilleiter TL der aktiven Leiter A4 innerhalb des Gerüsts GR und damit im Schaltfeld SF jeweils an derselben Stelle und damit jeweils an derselben Gerüst-Position angeordnet, obwohl die Anzahl der Teilleiter TL eines aktiven Leiters A4 für unterschiedliche (maximal zulässige) Stromstärken in der Regel verschieden ist. Das hat den Vorteil, dass ein und dasselbe Schaltfeld mit seinem Gerüst GR (seiner Gerüstkonstruktion) für viele verschiedene Schienenanordnungen SO verwendet werden kann, insbesondere unabhängig von der Anzahl der Teilleiter TL.
Bis auf das unterste Haupt-Teilleiter-Paar HTPu sind unmittelbar neben jedem der beiden Haupt-Teilleiter HTL der Haupt-Teilleiter-Paare HTP jeweils zwei Teilleiter TL angeordnet, also auf jeder der beiden Seiten ein Teilleiter TL, die im Folgenden als Neben-Teilleiter NTL bezeichnet werden und dem Haupt-Teilleiter HTL und damit dem Haupt-Teilleiter-Paar HTP jeweils zugeordnet sind. Umgekehrt sind entsprechend die Haupt-Teilleiter HTL auch dem jeweiligen Neben-Teilleiter NTL zugeordnet.
Bei dem untersten Haupt-Teilleiter-Paar HTPu sind aa) nur unmittelbar neben dem oberen (in Richtung R1 gesehen) der beiden Haupt-Teilleiter HTL zwei Teilleiter TL als Neben-Teilleiter NTL angeordnet und dem Haupt-Teilleiter-Paar HTPu zugeordnet.
Jeder Neben-Teilleiter NTL ist jeweils vom ersten Zwischenraum Z1 des ihm zugeordneten Haupt-Teilleiter-Paars HTP aus in Querträger-Längserstreckung QTE gesehen gegenüber dem ihm zugeordneten Haupt-Teilleiter HTL um einen Versatz V nach hinten versetzt angeordnet.
Vom ersten Zwischenraum Z1 aus kann man einmal in Richtung R1 auf einen (den oberen) Haupt-Teilleiter HTL eines Haupt-Teilleiter-Paars HTP oder aber in umgekehrter Richtung, also in Richtung R2, auf den anderen (den unteren) Haupt-Teilleiter HTL dieses Haupt-Teilleiter-Paars HTP schauen. In jedem Falle sind die Neben-Teilleiter NTL, wenn man auf den ihnen zugeordneten Haupt-Teilleiter HTL schaut, gegenüber diesem zugeordneten Haupt-Teilleiter HTL um einen Versatz V nach hinten versetzt angeordnet. Der Versatz V ist hier für alle Neben-Teilleiter NTL jeweils gleich groß.
Der Versatz ist in 3 so gewählt, dass sich die Rechtecke der Haupt-Teilleiter HTL und der zugeordneten Neben-Teilleiter NTL quer zur Querträger-Längserstreckung QTE gesehen überlappen (überdecken). Grundsätzlich muss dies nicht der Fall sein.
Bis auf das unterste Haupt-Teilleiter-Paar HTPu sind in 3 an jedem Haupt-Teilleiter-Paar HTP vier Neben-Teilleiter NTL angeordnet, c) zwei Neben-Teilleiter NTL also beidseitig neben den beiden Haupt-Teilleitern HTL.
3 zeigt weiter, dass neben zwei unmittelbar hintereinander angeordneten Haupt-Teilleiter-Paaren HTP jeweils zwei Neben-Teilleiter NTL auf beiden Seiten einander unmittelbar gegenüberliegen, und zwar allgemein mit einem zweiten Abstand D2 in Querträger-Längserstreckung QTE gesehen, wobei der zweite Abstand D2 hier beispielhaft gleich dem ersten Abstand D1 ist. Die beiden zwischen zwei Haupt-Teilleiter-Paaren HTP einander auf einer Seite unmittelbar gegenüberliegenden Neben-Teilleiter NTL bilden jeweils ein inneres oder erstes Neben-Teilleiter-Paar NTP.
Weiter zeigt 3, dass die beiden Neben-Teilleiter NTL des (in Richtung R1 gesehen) oberen Haupt-Teilleiters HTLo des obersten Haupt-Teilleiter-Paars HTPo mit keinem anderen Neben-Teilleiter NTL ein erstes (inneres) Neben-Teilleiter-Paar bilden NTP, sondern dass jeweils ein zu keinem Haupt-Teilleiter-Paar gehörender Teilleiter TL2 mit einem zweiten Abstand D2 (hier gleich dem Abstand D1) in Querträger-Längserstreckung (und quer zur Teilleiter-Längserstreckung) in Richtung R1 gesehen dem jeweiligen Neben-Teilleiter NTL unmittelbar gegenüberliegend angeordnet ist. Dieser dem Neben-Teilleiter NTL unmittelbar gegenüberliegende Teilleiter TL2 bildet zusammen mit diesem Neben-Teilleiter NTL ein äußeres oder zweites Neben-Teilleiter-Paar NTP2. Entsprechend ist am obersten Haupt-Teilleiter-Paar HTPo auf beiden Seiten jeweils ein zweites (äußeres) Neben-Teilleiter-Paar NTP2 angeordnet.
Die Neben-Teilleiter NTL in 3 gehören also entweder zu einem inneren Neben-Teilleiter-Paar NTP oder zu einem äußeren Neben-Teilleiter-Paar NTP2, wobei die Neben-Teilleiter-Paare NTP, NTP2 jeweils in einer der beiden Neben-Teilleiter-Ebenen NTS liegen (angeordnet sind), die parallel zur Haupt-Teilleiter-Ebene HTS verlaufen (angeordnet sind). Die auf der einen Seite liegenden Neben-Teilleiter-Paare NTP, NTP2 sind also alle in der auf dieser Seite liegenden (gemeinsamen) Neben-Teilleiter-Ebene NTS angeordnet und die auf der anderen Seite liegenden Neben-Teilleiter-Paare NTP, NTP2 sind also alle in der auf dieser anderen Seite liegenden (gemeinsamen) Neben-Teilleiter-Ebene NTS angeordnet.
Alle Neben-Teilleiter NTL der inneren oder äußeren Neben-Teilleiter-Paare NTP, NTP2 gehören weiter jeweils zu demselben aktiven Leiter A4, aber jeweils zu einem anderen aktiven Leiter A4 als das Haupt-Teilleiter-Paar HTP, dem die Neben-Teilleiter NTL, TL2 zugeordnet sind.
Alle Teilleiter TL gehören zu Teilleiter-Paaren TLPN, NTP, NTP2, HTP, HTPu, HTPo.
4 zeigt ein einzelnes Schaltfeld SF einer Schaltanlage mit einer weiteren zweiten Schienenanordnung SO2N mit sechs Teilleitern TL pro aktivem Leiter A4 in einer schematischen räumlichen Darstellung.
5 zeigt den zugehörigen Querschnitt durch die Teilleiter TL der zweiten Schienenanordnung SO2N gemäß 4 analog zu 3.
Diese zweite Schienenanordnung SO2N ist hier wieder durch Änderung der Anordnung der Teilleiter TL der ersten Schienenanordnung SO1 gebildet und die Zahl der Teilleiter TL beibehalten worden. Im Unterschied zu der zweiten Schienenanordnung SO2 von 2 und 3 sind nur drei Gruppen G von 1 aufgelöst worden, nämlich die der Außenleiter L1, L2, L3, nicht aber die Gruppe GN der Neutralleiter N.
Alle Teilleiter TL des Neutralleiters N sind weiter als Gruppe GN vorhanden und deren Teilleiter TLN einander paarweise unmittelbar zugewandt. Die Neutralleiter-Paare TLPN sind mit einem Abstand DN voneinander unter Belassung eines Zwischenraums ZN angeordnet. Weiter liegen die Neutralleiter-Paare TLPN jeweils in einer der drei Teilleiter-Ebenen STS, MTS, STS und sind quer zur Querträger-Längserstreckung QTE und quer zur Teilleiter-Längserstreckung TLE nebeneinander angeordnet. Die Mitte der Zwischenräume ZN der Neutralleiter-Paare TLPN liegt quer zur Querträger-Längserstreckung QTE gesehen jeweils auf gleicher Querträgerhöhe QTH (hier auf gleicher vertikaler Höhe), mit anderen Worten: Die Mittelebenen EN der Zwischenräume ZN, die quer zur Querträger-Längserstreckung QTE verlaufen, fluchten zueinander.
Die Teilleiter TL der drei Außenleiter L1, L2, L3 bilden analog zur zweiten Schienenanordnung SO2 gemäß 3 wieder Haupt-Teilleiter HTL von Haupt-Teilleiter-Paaren HTP und Neben-Teilleiter NTL von Neben-Teilleiter-Paaren NTP. Die Teilleiter TL sind nachfolgendend wieder speziell mit HTL, HTLu, HTLo, NTL und TL2 bezeichnet. Die Anschlussstelle AP der Gruppe GN der Neutralleiter N liegt dagegen in eine der beiden Teilleiter-Ebenen STS, hier in der linken Teilleiter-Ebene STS.
Das unterste Haupt-Teilleiter-Paar HTPu weist wieder nur unmittelbar neben dem oberen der beiden Haupt-Teilleiter HTLu jeweils zwei Neben-Teilleiter NTL auf.
Weiter zeigt 5, dass die beiden Neben-Teilleiter NTL des oberen Haupt-Teilleiters HTLo des obersten Haupt-Teilleiter-Paars HTPo (unterhalb der Gruppe GN der Neutralleiter N) mit keinem anderen Neben-Teilleiter NTL ein erstes (inneres) Neben-Teilleiter-Paar NTP bilden, sondern dass jeweils ein zu keinem Haupt-Teilleiter-Paar HTP gehörender Teilleiter TL2 mit einem zweiten Abstand D2 in Querträger-Längserstreckung (und quer zur Teilleiter-Längserstreckung) gesehen dem jeweiligen Neben-Teilleiter NTL unmittelbar gegenüberliegend angeordnet ist. Dieser dem Neben-Teilleiter NTL unmittelbar gegenüberliegende Teilleiter TL2 bildet zusammen mit diesem Neben-Teilleiter NTL ein zweites (äußeres) Neben-Teilleiter-Paar NTP2. Entsprechend ist am oberen Haupt-Teilleiter-Paar HTPo auf beiden Seiten jeweils ein zweites (äußeres) Neben-Teilleiter-Paar NTP2 angeordnet.
Alle Neben-Teilleiter NTL der inneren oder äußeren Neben-Teilleiter-Paare NTP, NTP2 gehören weiter jeweils zu demselben Außenleiter L1, L2, L3, aber nicht mehr jeweils zu einem anderen Außenleiter L1, L2, L3 als das Haupt-Teilleiter-Paar HTP, dem die Neben-Teilleiter NTL zugeordnet sind.
Alle Teilleiter TL gehören zu Teilleiter-Paaren TLPN, NTP, NTP2, HTP, HTPu, HTPo.
Die zweiten Schienenanordnungen SO2 sind durch Änderung der ersten Schienenanordnung SO1 gebildet worden, indem (zumindest) die Gruppen G der drei Außenleiter L1, L2, L3 der ersten Schienenanordnung SO1 gemäß 1 aufgelöst wurden und deren Teilleiter TL neu angeordnet worden sind. Allgemein wurde die Konfiguration der ersten Schienenanordnung SO1 gemäß 1 geändert. Die Konfiguration einer Schienenanordnung umfasst in Längsrichtung der Teilleiter TL gesehen zumindest deren Anordnung zueinander und deren Abstände voneinander, sowie die Querschnittsflächen und die Querschnittsprofile der einzelnen Teilleiter.
Es wird zur Verbesserung der Kurzschlussfestigkeit oder zum Auffinden einer Schienenanordnung (hier beispielhaft die der zweiten Schienenanordnung SO2) mit einer höheren Kurzschlussfestigkeit also jeweils die Konfiguration einer Schienenanordnung (hier beispielhaft die der ersten Schienenanordnung SO1) geändert, welche hier beispielhaft auf die Anordnung der Teilleiter TL beschränkt worden ist, da dies die wichtigste Änderung der Konfiguration darstellt.
In 6 ist der Ablauf eines Verfahrens dargestellt, bei dem eine zweite Schienenanordnung SO2 (SO2 steht im Folgenden für alle zweiten Schienenanordnungen SO2, SO2N) jeweils mit einer anderen Schienenanordnung, hier der ersten Schienenanordnung SO1, verglichen wird, um herauszufinden, ob die zweite Schienenanordnung SO2 eine signifikant größere Kurzschlussfestigkeit als die erste Schienenanordnung SO1 aufweist und um wieviel die Kurzschlussfestigkeit größer ist.
Die Ermittlung der Kurzschlussfestigkeit durch Vergleich erfolgt rein rechnerisch, was den Zeit- und Materialaufwand und damit die Kosten erheblich verringert und es insbesondere ermöglicht, auf relativ einfache Art und Weise und mit vergleichsweise sehr geringem Aufwand herauszufinden, welche aus einer Vielzahl an Konfigurationen von zweiten Schienenanordnungen SO2 gegenüber einer ersten Schienenanordnung SO1 die größere Kurzschlussfestigkeit aufweist, wobei die erste Schienenanordnung SO1 dabei jeweils als Ausgangs-Schienenanordnung bzw. als Referenzsystem dient.
Nachfolgend werden die Verfahrensschritte ST1-ST5 zum Vergleich zweier Schienenanordnungen SO1 und SO2 in Bezug auf deren Kurzschlussfestigkeit genauer beschrieben.
Rein rechnerisch wird der gleiche Kurzschluss-Strom I(SO1), I(SO2), d.h. I(SO1) = I(SO2) bezogen auf seinen Effektivwert, seine Frequenz und Phasenlage, in die aktiven Leiter A4 der beiden Schienenanordnungen SO1 und SO2 eingespeist, und zwar wird jeweils in einen aktiven Leiter A4 der ersten Schienenanordnung SO1 und in den entsprechenden aktiven Leiter A4 der zweiten Schienenanordnung SO2 der gleiche Kurzschluss-Strom I(SO1) = I(SO2) eingespeist.
D.h. in den Außenleiter L1 der ersten Schienenanordnung SO1 und in den (entsprechenden) Außenleiter L1 der zweiten Schienenanordnung SO2 wird der gleiche Kurzschluss-Strom I(SO1), I(SO2) eingespeist, also I(SO1) = I(SO2), in den Außenleiter L2 der ersten Schienenanordnung SO1 und in den (entsprechenden) Außenleiter L2 der zweiten Schienenanordnung SO2 wird der gleiche Kurzschluss-Strom I(SO1), I(SO2) eingespeist, und so weiter.
Die Einspeisung erfolgt also rechnerisch in beide Schienenanordnungen SO1 und SO2, d.h. in ein entsprechendes mathematisches Modell für die beiden Schienenanordnungen SO1, SO2, das beide Schienenanordnungen SO1, SO2 modellmäßig umfasst. In diesem Sinne handelt es sich um ein gemeinsames mathematisches Modell. Entsprechende Modelle für derartige Schienenanordnungen SO1, SO2 sind bekannt.
Bei dem hier beispielhaft vorliegenden dreiphasigen System mit den drei Außenleitern L1, L2, L3 wird im Falle einer symmetrischen Kurzschluss-Strom-Belastung in jeden der drei Außenleiter L1, L2, L3 ein Kurzschluss-Strom I(SO1) = I(SO2) desselben Effektivwerts und der gleichen Frequenz eingespeist, und zwar sowohl in die Außenleiter der ersten Schienenanordnung SO1 als auch in die der zweiten Schienenanordnung SO2. In diesem Fall sind die Kurzschluss-Ströme I(SO1), I(SO2) in den Außenleitern L1, L2, L3 innerhalb einer Schienenanordnung SO1 und SO2 jeweils um 120° Grad phasenverschoben.
In einem ersten Schritt ST1 teilt sich dann der Kurzschluss-Strom I(SO1), I(SO2) jeweils auf die Teilleiter TLi(SO1), TLi(SO2) der aktiven Leiter A4 der jeweiligen Schienenanordnung SO1 und SO2 auf.
Dann werden in einem zweiten Schritt ST2 für die beiden Schienenanordnungen SO1, SO2 und damit für die beiden Konfigurationen, also für die Konfiguration der ersten Schienenanordnung SO1 und für die Konfiguration der zweiten Schienenanordnung SO2, jeweils die Teilleiter-Lorenzkräfte FTLi(SO1) aller Teilleiter TLi(SO1) der aktiven Leiter A4 der ersten Schienenanordnung SO1 und die Teilleiter-Lorenzkräfte FTLi(SO2) aller Teilleiter TLi(SO2) der aktiven Leiter A4 der zweiten Schienenanordnung SO2 berechnet, hier speziell mittels der Methode der finiten Elemente. Derartige Berechnungsmethoden sind an sich bekannt. Der Buchstabe i ist hier ein Laufindex über alle Teilleiter TL der jeweiligen Schienenanordnung SO1, SO2.
Nachdem die Teilleiter-Lorenzkräfte FTLi(SO1), FTLi(SO2) der einzelnen Teilleiter TLi(SO1), TLi(SO2) berechnet wurden, werden im dritten Schritt ST3 die berechneten Lorenzkräfte FTLi(SO1) der Teilleiter TLi(SO1) und die berechneten Lorenzkräfte FTLi(SO2) der Teilleiter TLi(SO2) für jede Schienenanordnung SO1 und SO2 untereinander verglichen und jeweils die beiden größten Lorenzkräfte FTLi(SO1)max und FTLi(SO2)max der beiden Schienenanordnungen SO1 und SO2 bestimmt. Anschließend werden im vierten Schritt ST4 die beiden größten Teilleiter-Lorenzkräfte FTLi(SO1)max, FTLi(SO2)max der beiden Schienenanordnungen SO1, SO2 miteinander verglichen. Ist die größte Teilleiter-Lorenzkraft FTLi(SO2)max eines Teilleiters TLi(SO2) der zweiten Schienenanordnung SO2 kleiner als die größte Lorenzkraft FTLi(SO1)max eines Teilleiters TLi(SO1) der ersten Schienenanordnung SO1, also FTLi(SO2)max<FTLi(SO1)max, wird im fünften Schritt ST5 geprüft, ob der Unterschied, hier die Mindest-Differenz MD, der beiden größten Lorenzkräfte größer als ein vorgegebener Wert von beispielweise 10% ist: $MD = (FTLi (SO1) max - FTLi (SO2) max) / FTLi (SO1) max<10% .$
Die vorgegebene Mindest-Differenz MD ist so gewählt und stellt damit sicher, dass der Unterschied bezogen auf die Kurzschlussfestigkeit signifikant ist.
Ist bei der Schienenanordnung SO2 der berechnete Unterschied größer als die hier vorgegebene Mindest-Differenz MD1 von 10%, so weist die zweite Schienenanordnung SO2 eine signifikant größere Kurzschlussfestigkeit auf.
Der Ablauf der Verfahren gemäß 6 gilt analog für zweite Schienenanordnungen SO2, die jeweils aus mehreren, beispielsweise aus zwei nebeneinander angeordneten zweiten Schienenanordnungen SO2 gebildet sind. Diese zweiten Schienenanordnungen SO2 werden ebenfalls durch Änderung einer entsprechenden ersten Schienenanordnung SO1 gebildet, indem die erste Schienenanordnung SO1 mit Gruppen G, GN beispielhaft von vier oder sechs Teilleitern TL entsprechend parallel oder spiegelsymmetrisch nebeneinander angeordnet werden, wobei bei der spiegelsymmetrischen Anordnung alternativ auch die innenliegenden Neben-Teilleiter-Ebenen NTS zusammenfallen und eine gemeinsame Neben-Teilleiter-Ebene NTS bilden können. Die zugehörige erste Schienenanordnung SO1 ist dann entsprechend ein jeweils aus mehreren, beispielsweise zwei, ersten Schienenanordnungen SO1 gemäß 1 gebildet.
Die beiden ersten und zweiten Schienenanordnungen SO1, SO2 können sich auch in zwei unmittelbar nebeneinander liegenden Schaltfeldern SF befinden, die beispielsweise rückseitig (back-to-back arrangement) einander zugewandt sind.
Selbstverständlich können mit dem Verfahren gemäß 6 beliebige Schienenanordnungen miteinander verglichen werden, also auch die zweiten Schienenanordnungen SO2 untereinander.
Die Konfigurationen der ersten und zweiten Schienenanordnungen SO1, SO2 können auch jeweils die räumliche Anordnung und Ausdehnung der elektrisch leitfähigen und/oder permeablen Gerüst- und Umhüllungsteile umfassen, jedenfalls soweit diese im Einflussbereich der Magnetfelder der Teilleiter liegen.

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Kurzschlussfestigkeit einer zweiten Schienenanordnung (SO2) im Vergleich zu der Kurzschlussfestigkeit einer ersten Schienenanordnung (SO1) für einen vorgegebenen Kurzschluss-Strom anhand eines mathematischen Modells, wobei die Konfiguration der zweiten Schienenanordnung (SO2) ausgehend von der Konfiguration der ersten Schienenanordnung (SO1) geändert ist, wobei die Konfiguration der ersten und zweiten Schienenanordnung (SO1, SO2) jeweils zumindest die räumliche Anordnung der Teilleiter (TL)umfasst und wobei die erste und zweite Schienenanordnung (SO1, SO2) jeweils mindestens aus Außenleitern (L1, L2, L3) gebildet sind und einen Neutralleiter (N) aufweisen können, die jeweils mindestens zwei sich längserstreckende parallel verlaufende Teilleiter (TL) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass rechnerisch ein und derselbe vorgegebene Kurzschluss-Strom mit ein und derselben vorgegebenen Frequenz in die aktiven Leiter (L1, L2, L3, N) sowohl der ersten Schienenanordnung (SO1) als auch der zweiten Schienenanordnung (SO2) eingespeist wird, dass die auf die Teilleiter (TLi(SO1), TLi(SO2)) einwirkenden Lorenzkräfte (FTLi(SO1), FTLi(SO2)) berechnet werden, dass für die erste Schienenanordnung (SO1) die größte berechnete Lorenzkraft (FTLi(SO1)max) und für die zweite Schienenanordnung (SO2) die größte berechnete Lorenzkraft (FTLi(SO2)max) bestimmt werden, und dass die beiden größten bestimmten Lorenzkräfte (FTLi(SO1)max, FTLi(SO2)max) der Teilleiter (TLi(SO1), TLi(SO2)) der beiden Schienenanordnungen (SO1, SO2) miteinander verglichen werden, wobei die Kurzschlussfestigkeit der zweiten Schienenanordnung (SO2) größer ist als die der ersten Schienenanordnung (SO1), wenn die größte Lorenzkraft (FTLi(SO2)max) der Teilleiter (TLi(SO2)) der zweiten Schienenanordnung (SO2) um eine vorgegebene Mindest-Differenz (MD) kleiner als die größte Lorenzkraft (FTLi(SO1)max) der Teilleiter (TLi) der ersten Schienenanordnung (SO1) ist.