Modellbasierte Bestimmung der SF6-Verlustrate in Gasisolierten Schaltanlagen

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• Publisher: Cuvillier Verlag
• Year: 2010
• eBook ISBN:
  9783736931305
• Print ISBN:
  9783869551302
• Edition: 1

Die Norm 62271-203 der IEC (International Electrotechnical Commission)erlaubt eine maximale SF6 -Leckrate in Gasisolierten Hochspannungsanlagenvon 0.5% pro Jahr. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, solch kleineLeckraten messen zu können oder gar permanent zu überwachen. DerenErfassung ist bis heute nicht zufriedenstellend gelöst. Problematisch sindeinerseits natürliche, thermisch bedingte Fluktuationen in Druck- undlokalen Dichtewerten und andererseits die hohen Ansprüche an die Messgenauigkeitund Langzeitstabilität der einzusetzenden Sensoren.Die erwähnten Fluktuationen ergeben sich aus einem inhomogenen, instationärenTemperaturfeld im Gasraum, welches seine Ursachen in derErwärmung gewisser Komponenten durch ohmsche Verluste sowie in zeitlichveränderlichen Umgebungsbedingungen wie Aussentemperatur undSonneneinstrahlung hat. Diese Fluktuationen können den Wert der durchdie IEC maximal zugelassenen Leckrate ohne weiteres um das Zehnfacheüberschreiten. Damit können Lecks über längere Zeit verborgen bleiben.Bisher wurde der Fluktuation des Messsignals damit begegnet, dassdieses nachträglich geglättet wurde, beispielsweise durch Bildung des gleitendenMittelwertes. Damit besteht die Möglichkeit, die tageszeitlichenSchwankungen zu dämpfen. Jahreszeitliche Schwankungen lassen sich damitkaum reduzieren. Unter der Annahme, dass die Fluktuationen deterministischerNatur sind, wurde davon ausgegangen, dass diese berechenbarsind. Dazu wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Untersuchungjener Phänomene notwendig, welche die Fluktuationen verursachen. NumerischeStrömungssimulationen (CFD, Computational Fluid Dynamics)und die experimentelle Messung des Strömungsfeldes erlaubten die Quantifizierungder instationären Konvektionsströmung im kreiszylindrischenRingspalt, wie sie beispielsweise näherungsweise bei Gasisolierten Leitungen(GIL) und Sammelschienen Gasisolierter Schaltanlagen (GIS) auftritt.Es zeigte sich, dass der stark erwärmte Innenzylinder – also beispielsweisedas Leiterrohr – eine ausgeprägte Konvektionsströmung von bis zu 7 cm/soberhalb des Innenzylinders verursacht. Diese Strömung führt aber nurpartiell zur Vermischung von warmen und kalten Gaszonen. Insbesondereunterhalb des Innenzylinders bildet sich eine Zone relativ kühlen unddamit dichten Gases. Würde an dieser Stelle ein Dichtesensor eingesetzt, wäre mit verhältnismässig grossen Fluktuationen zu rechnen.Um die zeitlichen Verläufe des Gasdrucks und der Gasdichte an verschiedenenPositionen messen zu können, wurde im Labor ein Versuchsstandmit einem GIS-Sammelschienensegment aufgebaut. Es konnten verschiedeneStrom-Lastkurven, kombiniert mit Sonneneinstrahlung, vorgegebenwerden. Dabei hat sich gezeigt, dass die Druckfluktuationen ungefähr dreimalgrösser als die höchsten Dichtefluktuationen sind (11% gegenüber4%). Die uniforme Druckverteilung führt dazu, dass die Druckfluktuationenüberall im Gasraum den gleichen Wert aufweisen. Die inhomogeneDichteverteilung führt hingegen positionsabhängig zu signifikanten Unterschiedender Dichte in Form und Amplitude der Fluktuationen. MaximaleDichtefluktuationen ergeben sich an der tiefsten Stelle im Gasraum, minimaleDichtefluktuationen auf mittlerer Höhe. Wie am Versuchsstandgezeigt werden konnte, gilt dies auch für vertikale Elemente, wie sie inGIS und SF6 -Durchführungen vorkommen.Als mögliche Filtermethode zur Reduktion der Fluktuationen wird einmodellbasierter Ansatz vorgeschlagen. Dabei wird der Messwert permanentmit einem simulierten Wert verglichen. Die Abweichung entsprichtdann den Gasverlusten durch eine Leckage. Um die Komplexität und damitden Rechenaufwand dieses Modelles niedrig zu halten, empfiehlt sichder Gasdruck als Messgrösse. Anders als die Gasdichte ist dieser homogenverteilt. Auf dieseWeise ist es realistisch, einen realen Gasverlust von 0.5%erkennen zu können. Unter Laborbedingungen konnte sogar eine Modellgenauigkeitvon 0.3% erreicht werden, welche entsprechend die Ansprechschwellefür Leckagen auf 0.3% reduziert. Dies setzt eine entsprechendhohe Messgenauigkeit und Langzeitstabilität des Drucksensors voraus. Erfreulicherweisekonnte ein geeigneter und leicht erhältlicher Drucksensorgefunden werden.Die vorliegende Arbeit zeigt, dass eine Erkennung von Gaslecks gemässder IEC-Vorgabe von maximal 0.5% pro Jahr anspruchsvoll und bis heutenicht zufriedenstellend gelöst war. Erstmals steht nun mit der vorgestelltenmodellbasierten Filtermethode ein Verfahren zur Verfügung, welchesin Kombination mit einem sorgfältig ausgewählten Sensor und allenfallsdessen optimaler Positionierung, solch kleine Leckagen messen, und damiteine unzulässig hohe Leckrate erkennen kann.

Table of contents

• Einführung in die Problematik
• Stand des Wissens
• Aufgabenstellung
• Analyse der Fluktuationsursachen
• Modellbasierte Filterung der Messdaten
• Schlussfolgerungen und Ausblick
• Literatur
• Umweltaspekte
• Details zur CFD-Simulation
• Experimente
• Dimensionsanalyse
• Studentenprojekte im Kontext der Arbeit