DE3424363A1 - Electrical installations which are proof against disturbing arcs - Google Patents
Electrical installations which are proof against disturbing arcsInfo
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Abstract
Description
Die Öffentlichkeit verlangt in zunehmendem Maße den Schutz von Personen The public increasingly demands the protection of people
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. and things from the harmful effects of technology, and that too when the probability of damage is extremely low. To such rare occurrences include arcing faults as a result of internal faults in electrical Switchgear that causes material damage to the switchgear itself and to the building and which can sometimes result in injury to people. Also on other electrical equipment and systems, such as transformers, electrical Machines and cables, arcing faults can occur.
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. Through various system and network protection measures, significantly reduces the likelihood of arc faults and their effects will. The cause of the possible damage to property and personal injury from high-current arcs is the tremendous energy released for a short time, which is mainly in form of thermal radiation, pressure waves, flow of hot gases, ejection of solid particles and Propagates sound.
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. People can especially do this because of the very high levels that occur Temperatures (up to about 20,000 ° C) are violated. The temperatures are therefore so high because in the previous designs they were essentially similar to those in the switchgear air or other insulating gases are bound, which is a comparatively low: have heat capacity. These are called through flow processes Gases and thus the energy released very quickly in rooms outside the switchgear the end.
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. The invention is based on the idea that the continuously emerging, Arc energy bound to the strongly heated gases as quickly and as possible short ways to transfer to solid substances, compared to gases in general have a much greater heat capacity. This means that they stay in the solid Bodies occurring temperatures are much lower - warming can be used up to about the melting temperature - and the required volume for heat storage is very low compared to gases.
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. The following example: A three-pole arc fault with 32 kA for 1 s in a medium-voltage switchgear normally leads to severe Damage to the system and in the building if the arc gases fail for sure be directed into the open, which is not always possible without risks. Without pressure relief occurs in the above case in a switchgear building with a volume of 2000 m3 Overpressure of about 40 mbar (i.e. a force of about 0.4 tons / m2). This Brick walls, doors and windows are usually not able to withstand stress.
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.If the arc energy of this example is entirely of iron is recorded, which is on the average z. B. heated by about 3000 C, then add only around 200 kg of iron required, which is easy with the help of the material constants can be calculated. The volume of this iron mass would only be about 25 liters.
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.A dangerous overpressure in the switchgear building occurs in this Don't stand out anymore. Pressure relief to the outside is not required. Of the Damage is essentially due to the appropriate structural design The inside of the affected switchgear enclosure and additional containers restricted, so that people who happen to be in front of the facility are not injured can.
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.The problem with realizing the above basic idea lies in the required very fast and as complete as possible transfer of the arc energy on solid material. For this purpose, according to the invention, filter arrangements through which the Li chtbogengase flow through, proposed, in addition to large heat capacity and high thermal conductivity are so constructed that the inner surfaces of the Filter material is particularly large and its wall thickness is particularly small.
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.For the effective and economical realization of the idea of the invention there are a number of options with regard to the filter material and the design Design of the filter in connection with the switchgear and the switchgear building; These options can be used accordingly for other electrical systems.
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).The filter material is used because of its high thermal capacity and thermal conductivity and because of the ease with which thin wall thicknesses can be produced, especially metals such as Iron, copper and aluminum and all common alloys of these metals in question. The usual steel chips of usually less than 0.5 are particularly economical mm thickness from machining. This inexpensive waste product of the metal processing industry easily on small volume Squeeze and place in a filter canister away from the arc gases is flowed through (Figure 1). In order not to reduce the flow resistance in the event of damage To make them large, the steel chips must not be compressed too much. It is therefore about 200 times the volume of the required iron mass required (in the numerical example above about 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.Numerous parallel steel sheets can also be placed in the filter container for example 0.35 mm wall thickness at a distance of z. B. 10 mm can be arranged (Figure 2). The sheets can be distanced by means of wart-shaped indentations. For better spreading of the arc gases, it is advisable to have the metal sheets with holes to provide.
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.Even non-metallic filter materials, which then expediently grainy can be used. The grain size should be roughly spherical and approximately uniform in diameter (e.g. 5 mm (»), so that when flowing through the Arc gases heat transfer well and the flow resistance is small. In question come natural stones such as quartz, limestone or olevin as well as artificial stones made of concrete, magnesite, chamotte or the like.
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.An additional effect of heat storage can be used, if the filter material consists of salts or salt mixtures that melt when consume additional heat. The heat of evaporation can also be used be used, for example in the case of water-containing filter materials.
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.Since the arc gases usually also contain toxins, e.g. B. nitrogen oxides, fluorine compounds or contain decomposition products from plastics and paints, it is also expedient, as a filter material absorbing substances for these toxic components to use, for example activated carbon, aluminum oxide, molecular sieves or catalysts. It can also be advantageous to use the filter material from a mixture of these Manufacture of the substances mentioned in the text.
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).There are also some aspects to consider when designing the filter appropriately to be observed. Because of the usually high pressures of the arc gases the filter material in a corresponding pressure-resistant container, for. B. in a sheet steel enclosure, be accommodated. In the case of metal-enclosed switchgear, the filter with its inflow opening connected to the openings in the switchgear enclosure, from which the arc gases escape in the event of a malfunction. Depending on the conditions In some cases the filter does not need an outflow opening (FIG. 2) or it has one Outlet opening, then as far as possible from the inlet opening narrows far lit'-gt'n s <> ll (Figure 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.About the very steep rise in pressure in switchgear with a small enclosure volume to reduce, it is useful between the switchgear enclosure and the filter container a correspondingly pressure-tight air-filled container, e.g. B. made of sheet steel, as To arrange intermediate buffer (Figure 3). The volume of this container should be roughly the same be as large as the filter volume.
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).The different encapsulation areas of the adjacent fields a metal-enclosed switchgear usually contain separate pressure relief flaps at the top, which can only be opened to the outside. It is convenient to use the air-filled container to be arranged as a channel above all relief flaps of a switchgear. Near the affected pressure relief valve, the filter material becomes very hot and can even melt, while at a greater distance it becomes considerably less warm. A cross section that is as large as possible is favorable as the inflow opening, which is used for delimitation the filter room (covered with the steel chipboard, for example with expanded metal is. The unaffected pressure relief flaps remain closed in the event of a fault and thus protect the switchgear panels underneath (Figure 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.In usual switchgear buildings is above and to the side of metal-enclosed Control panels generally have enough space for the filter and air-filled To arrange containers. The ceiling and walls of the building can be used to encapsulate this Additional devices are also used (Figure 3). An enlargement of the building compared to the previous construction is mostly not necessary.
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.The outflow opening of the filter container can be in the switchgear building if the dimensioning is such that in the event of an arc fault, at most harmless warm gases flow out. Otherwise it is advisable to close the outflow opening of the filter container Via a sheet steel duct from the switchgear building to the outside, e.g. B. over the roof or in a sewer. The outflow opening is expedient with a grid, e.g. B made of expanded metal, covered.
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.Depending on the location of the switchgear building, e.g. B. at network stations in Inner cities, it can be undesirable to also have cooled arc gases outside respectively. In such cases, it is possible to close the outflow opening of the Filter container to connect to another container located in the building, which is filled with air and is correspondingly pressure-resistant; its volume should be about the same as that of the His filter container (Figure 3). The arrows indicate the main directions of flow of the Arc gases, not taking into account reflections and backflows.
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.If the overall system is suitably dimensioned, the in Figure 3 sketched the effects of an arc fault completely on the interior of the encapsulated switchgear including the additional mentioned Encapsulated container limited. Neither people who are in the event of an arc fault stay inside the switchgear building or in front of it, or the building itself can then suffer damage.
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.In each individual case, it must be decided which of the various described Possibilities for building accidental arc-proof systems are necessary and economical is. Not only switchgears are suitable for the application of these measures, but basically all electrical power engineering equipment and systems, where dangerous arcing faults can occur.
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.The effectiveness of the proposed solution should be matched by a realistic one Arc test in a high-performance field can be proven, since the the physical and chemical processes occurring in the process only to a limited extent are predictable.
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