DE3424363A1

DE3424363A1 - Stoerlichtbogenfeste elektrische anlagen

Info

Publication number: DE3424363A1
Application number: DE19843424363
Authority: DE
Inventors: Hans Dr.-Ing. 4030 Ratingen Petry
Original assignee: RITTER STARKSTROMTECH
Current assignee: RITTER STARKSTROMTECH
Priority date: 1984-07-03
Filing date: 1984-07-03
Publication date: 1986-01-09

Description

Die Öffentlichkeit verlangt in zunehmendem Maße den Schutz von Personen
und Sachen vor schädlichen Auswirkungen der Technik, und zwar auch dann, wenn die Wahrscheinlichkeit eines Schadensfalles äußerst gering ist. Zu solchen seltenen Ereignissen zählen Störlichtbögen infolge von inneren Fehlern in elektrischen Schaltanlagen, die Sachschäden an der Schaltanlage selbst und am Gebäude verursachen und die manchmal auch Verletzungen von Menschen zur Folge haben können. Auch an anderen elektrischen Betriebsmitteln und Anlagen,wie Transformatoren, elektrische Maschinen und Leitungen, können Störlichtbögen auftreten.
Durch verschiedene anlagen- und netzschutztechnische Maßnahmen können die Wahrscheinlichkeit von Lichtbogenstörungen und ihre Auswirkungen erheblich verringert werden. Ursache für die möglichen Sach- und Personenschäden durch Hochstrom-Lichtbögen ist die dabei kurzzeitig freiwerdende gewaltige Energie, die sich vor allem in Form von Wärmestrahlung, Druckwellen, Strömung heißer Gase, Auswurf fester Partikel und Schall ausbreitet.
Menschen können besonders durch die dabei auftretenden sehr hohen Temperaturen (bis etwa 20.000° C) verletzt werden. Die Temperaturen sind deshalb so hoch, weil sie bei den bisherigen Bauweisen im wesentlichen an die in den Schaltanlagen befindliche Luft oder andere Isoliergase gebunden sind, die eine vergleichsweise geringe: Wärmekapazität haben. Über Strömungsvorgänge brei -ten sich diese heißen Gase und damit die freiwerdende Energie sehr rasch in Räume außerhalb der Schaltanlage aus.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die laufend entstehende, an die stark erhitzten Gase gebundene Lichtbogenenergie möglichst schnell und auf kurzem Wege auf feste Stoffe zu übertragen, die im Vergleich zu Gasen allgemein eine wesentlich größere Wärmekapazität besitzen. Dadurch bleiben die in den festen Körpern auftretenden Temperaturen wesentlich niedriger - nutzbar sind Erwärmungen bis etwa zur Schmelztemperatur -, und das erforderliche Volumen zur Wärmespeicherung ist im Vergleich zu Gasen sehr gering.
Dazu folgendes Beispiel: Eine dreipolige Lichtbogenstörung mit 32 kA während 1 s in einer Mittelspannungs-Schaltanlage führt normalerweise zu schweren Schäden an der Anlage und im Gebäude, wenn die Lichtbogengase nicht sicher ins Freie geleitet werden, was auch nicht immer ohne Risiken möglich ist. Ohne Druckentlastung tritt im obigen Fall in einem Schaltanlagengebäude von 2000 m3 Volumen nämlich ein Überdruck von etwa 40 mbar (d. h., eine Kraft von etwa 0,4 Tonnen/m2) auf. Dieser Beanspruchung sind Ziegelwände, Türen und Fenster meist nicht gewachsen.
Wenn die Lichtbogenenergie dieses Beispiels dagegen völlig von Eisen aufgenommen wird, das sich im Mittel z. B. um etwa 3000 C erwärmt, dann sind dazu nur rund 200 kg Eisen erforderlich, was mit Hilfe der Materialkonstanten leicht berechnet werden kann. Das Volumen dieser Eisenmasse wäre nur etwa 25 Liter.
Ein gefährlicher Überdruck im Schaltanlagengebäude tritt in diesem Fall nicht mehr auf. Eine Druckentlastung ins Freie ist nicht erforderlich. Der Schaden wird bei entsprechender konstruktiver Ausführung im wesentlichen auf das Innere der betroffenen Schaltanlagenkapselung und zusätzliche Behälter beschränkt, so daß auch Personen, die zufällig vor der Anlage stehen, nicht verletzt werden können.
Das Problem bei der Realisierung des obigen Grundgedankens liegt in der erforderlichen sehr schnellen und möglichst vollständigen Übertragung der Lichtbogenenergie auf festes Material. Dazu werden erfindungsgemäß Filter-Anordnungen, durch die die Li chtbogengase hindurchströmen, vorgeschlagen, die neben großer Wärmekapazität und großer Wärmeleitfähigkeit so aufgebaut sind, daß die inneren Oberflächen des Filtermaterials besonders groß und seine Wandstärken besonders klein sind.
Zur wirksamen und wirtschaftlichen Realisierung des Erfindungsgedankens gibt es eine Reihe von Möglichkeiten bezüglich des Filtermaterials und der konstruktiven Gestaltung des Filters in Verbindung mit der Schaltanlage und dem Schaltanlagengebäude; bei anderen elektrischen Anlagen sind diese Möglichkeiten entsprechend anwendbar.
Als Filtermaterial kommen wegen der hohen Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit sowie wegen der leichten Herstellbarkeit dünner Wandstärken vor allem Metalle wie Eisen, Kupfer und Aluminium und alle gängigen Legierungen dieser Metalle in Frage. Besonders wirtschaftlich sind die üblichen Stahlspäne von meist weniger als 0,5 mm Stärke aus der spanabhebenden Fertigung. Dieses preiswerte Abfallprodukt der metallverarbeitenden Industrie läßt sich leicht auf kleines Volumen zusammendrücken und in einem Filterbehälter unterbringen, der von den Lichtbogengasen durchströmt wird (Figur 1). Um den Strömungswiderstand im Schadensfall nicht zu groß werden zu lassen, dürfen die Stahlspäne nicht zu sehr zusammengepreßt werden. Es ist deshalb das etwa 200fache des Volumens der benötigten Eisenmasse erforderlich (in dem obigen Zahlenbeispiel etwa 5 m3).
In dem Filterbehälter können auch zahlreiche parallele Stahlbleche von beispielsweise 0,35 mm Wandstärke im Abstand von z. B. 10 mm angeordnet werden (Figur 2). Die Distanzierung der Bleche kann durch warzenförmige Eindellungen erfolgen. Zur besseren Ausbreitung der Lichtbogengase ist es zweckmäßig, die Bleche mit Löchern zu versehen.
Auch nichtmetallische Filtermaterialien, die dann zweckmäßigerweise körnig sind, können verwendet werden. Die Korngröße sollte etwa kugelförmig und im Durchmesser etwa gleichmäßig (z. B. 5 mm (») sein, damit beim Durchströmen der Lichtbogengase der Wärmeübergang gut und der Strömungswiderstand klein ist. In Frage kommen natürliche Steine wie Quarz, Kalkstein oder Olevin sowie künstliche Steine aus Beton, Magnesit, Schamotte oder ähnlichem.
Ein zusätzlicher Effekt der Wärmespeicherung kann genutzt werden, wenn das Filtermaterial aus Salzen oder Salzgemischen besteht, die beim Schmelzen zusätzliche Wärme verbrauchen. Auch die Verdampfungswärme kann zusätzlich genutzt werden, beispielsweise bei wasserhaltigen Filterstoffen.
Da die Lichtbogengase meist auch Giftstoffe, z. B. Stickoxide, Fluorverbindungen oder Zersetzungsprodukte von Kunststoffen und Lacken enthalten, ist es außerdem zweckmäßig, als Filtermaterial Absorbtionsstoffe für diese toxischen Bestandteile zu verwenden, beispielsweise Aktivkohle, Aluminiumoxid, Molekularsiebe oder Katalysatoren. Vorteilhaft kann es auch sein, das Filtermaterial aus einer Mischung der in dieser Schrift genannten Stoffe herzustellen.
Bei der baulichen Gestaltung des Filters sind ebenfalls einige Gesichtspunkte zweckmäßigerweise zu beachten. Wegen der meist hohen Drücke der Lichtbogengase sollte das Filtermaterial in einem entsprechend druckfesten Behälter, z. B. in einer Stahlblechkapselung, untergebracht werden. Im Falle einer metallgekapselten Schaltanlage wird der Filter mit seiner Einströmöffnung an die Öffnungen der Schaltanlagenkapselung angeschlossen, aus denen im Störungsfall die Lichtbogengase austreten. Je nach den Bedingungen des Einzelfalls braucht der Filter keine Ausströmöffnung (Figur 2) odei er hat eine Ausströmöffnung, die dann von der Einstrijniöffnung möglichst weit engt fern lit'-gt'n s<>ll (Figur 1).
Um den sehr steilen Druckanstieg in Schaltanlagen mit kleinem Kapselungsvolumen zu reduzieren, ist es zweckmäßig, zwischen der Schaltanlagenkapselung und dem Filterbehälter einen entsprechend druckfesten luftgefüllten Behälter, z. B. aus Stahlblech, als Zvwischenpuffer anzuordnen (Figur 3). Das Volumen dieses Behälters sollte etwa ebenso groß wie das Filtervolumen sein.
Die verschiedenen Kapselungsräum e der nebeneinanderst ehenden Felder einer metallgekapselten Schaltanlage enthalten meist oben getrennte Druckentlastungsklappen, die sich nur nach außen öffnen lassen. Es ist zweckmäßig, den luftgefüllten Behälter als Kanal über allen Entlastungsklappen einer Schaltanlage anzuordnen. In der Nähe der betroffenen Druckentlastungsklappe wird das Filtermaterial sehr heiß und kann sogar schmelzen, während es in größerer Entfernung wesentlich weniger warm wird. Günstig ist ein möglichst großer Querschnitt als Einströmöffnung, die zur Abgrenzung des Filterraumes (mit den Stahlspänero beispielsweise mit Streckmetall abgedeckt ist. Die nicht betroffenen Druckentlastungsklappen bleiben im Störungsfall geschlossen und schützen somit die darunter befindlichen Schaltfelder (Figur 3).
In üblichen Schaltanlagengebäuden ist oberhalb und seitlich von metallgekapselten Schaltfeldern im- allgemeinen genügend Platz vorhanden, um den Filter und luftgefüllte Behälter anzuordnen. Die Decke und die Wände des Gebäudes können zur Kapselung dieser Zusatzeinrichtungen mitverwendet werden (Figur 3). Eine Vergrößerung des Gebäudes im Vergleich zur bisherigen Bauweise ist meist nicht erforderlich.
Die Ausströmöffnung des Filterbehälters kann im Schaltanlagengebäude liegen, wenn die Dimensionierung so ist, daß im Störlichtbogenfall höchstens ungefährliche warme Gase ausströmen. Andernfalls ist es zweckmäßig, die Ausströmöffnung des Filterbehälters über einen Stahlblechkanal aus dem Schaltanlagengebäude hinaus ins Freie, z. B. über das Dach oder in einen Abwasserkanal, zu führen. Die Ausströmöffnung wird zweckmäßigerweise mit einem Gitter, z. B aus Streckmetall, abgedeckt.
Je nach Lage des Schaltanlagengebäudes, z. B. bei Netzstationen in Innenstädten, kann es unerwünscht sein, auch abgekühlte Lichtbogengase ins Freie zu führen. Für solche Fälle besteht die Möglichkeit, die Ausströmöffnung des Filterbehälters mit einem weiteren, im Gebäude befindlichen Behälter zu verbinden, der luft gefüllt und entsprechend druckfest ist; sein Volumen sollte etwa ebenso groß wie das des Filterbehälters sein (Figur 3). Die Pfeile geben die Hauptströmungsrichtungen der Lichtbogengase an, wobei Reflexionen und Rückströmungen nicht berücksichtigt sind.
Bei geeigneter Dimensionierung des Gesamtsystems bleiben bei der in Figur 3 skizzierten Ausführung die Auswirkungen einer Lichtbogenstörung vollkommen auf das Innere der gekapselten Schaltanlage einschließlich der genannten zusätzlichen Kapselungsbehälter beschränkt. Weder Personen, die sich im Falle einer Lichtbogenstörung innerhalb des Schaltanlagengebäudes oder davor aufhalten, noch das Gebäude selbst können dann einen Schaden erleiden.
Im Einzelfall ist zu entscheiden, welche der verschiedenen beschriebenen Möglichkeiten zum Bau störlichtbogenfester Anlagen erforderlich und wirtschaftlich ist. Nicht nur Schaltanlagen kommen für die Anwendungen dieser Maßnahmen in Frage, sondern grundsätzlich alle Betriebsmittel und Anlagen der elektrischen Energietechnik, bei denen gefährliche Störlichtbögen auftreten können.
Die Wirksamkeit der vorgesehenen Lösung sollte durch eine realistische Lichtbogenprüfung in einem Hochleistungsfeld jeweils nachgewiesen werden, da die dabei auftretenden physikalischen und chemischen Vorgänge nur in beschränktem Umfang berechenbar sind.

Claims

Störlichtbogenfeste elektrische Anlagen Patentansprüche 1. Störlichtbogenfeste elektrische Anlage mit konstruktiven Maßnahmen zum Schutz von Personen und Sachen vor den Temperatur-, Druck-, Schall-und sonstigen Auswirkungen von inneren Lichtbögen dadurch gekennzeichnet, daß diese schädlichen Auswirkungen weitgehend durch einen Filter beseitigt werden, der von den Lichtbogengasen durchströmt wird und im wesentlichen aus Material großer Wärmekapazität und großer Wärmeleitfähigkeit besteht und daß das Filtermaterial so geformt ist, daß die inneren Oberflächen besonders groß und die Wandstärken besonders klein sind.
2. Störlichtbogenfeste elektrische Anlage nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial aus Metall besteht.
3. Störlichtbogenfeste elektrische Anlage nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial aus Stahlspänen besteht.
4. Störlichtbogenfeste elektrische Anlage nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial aus dünnen Stahlblechen besteht, die in geringem gegenseitigem Luftabstand angeordnet sind.
5. Störlichtbogenfeste elektrische Anlage nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial aus nichtmetallischen körnigen Teilen besteht.
6. Störlichtbogenfeste elektrische Anlage nach den Ansprüchen 1 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial aus Steinen besteht.
7. Störlichtbogenfeste elektrische Anlage nach den Ansprüchen 1 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial aus Salzkörnern besteht.
8. Störlichtbogenfeste elektrische Anlage nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial aus Stoffen besteht, die die toxischen Bestandteile der Lichtbogengase absorbieren.
9. Störlichtbogenfeste elektrische Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial aus einer Mischung der in den Ansprüchen 2 bis 8 genannten Stoffe besteht.
10. Störlichtbogenfeste elektrische Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial in einem druckfesten Behälter angeordnet ist.
11. Störlichtbogenfeste elektrische Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß der Filterbehälter an einer Seite geöffnet ist und diese Einströmöffnung mit den Kapselungsräumen der Anlage verbunden ist.
12. Störlichtbogenfeste elektrische Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß der Filterbehälter an der Seite, die von der Einströmöffnung weit entfernt liegt, eine Ausströmöffnung besitzt.
13. Störlichtbogenfeste elektrische Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Anlage und der Einströmöffnung des Filterbehälters ein druckfester luft gefüllter Behälter angeordnet ist.
14. Störlichtbogenfeste elektrische Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, daß die getrennten Kapselungsräume einer Anlage jeweils über eine in den luftgefüllten Behälter sich öffnende Druckentlastungsklappe mit diesem Behälter in Verbindung stehen.
15. Störlichtbogenfeste elektrische Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, daß die Ausströmöffnung des Filterbehälters über einen Kanal aus dem Anlagengebäude hinaus ins Freie führt.
16. Störlichtbogenfeste elektrische Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, daß die Ausströmöffnung des Filterbehält ers mit einem druckfesten luftgefüllten Behälter verbunden ist.