Isolinienberechnungen


Isolinienberechnungen elektrische Betriebsmittel::

Trafostationen

isolinien3D Darstellung der Isolinien
Die Berechnungen werden mit der Software EFC-400 oder Copperfield durchgeführt. Diese erlaubt die genaue Bestimmung dreidimensionaler elektrischer und magnetischer Felder im Nahbereich elektrischer Anlagen und zeichnet sich durch hohe Rechengenauigkeit sowie durch eine hervorragende dreidimensionale Visualisierung der Rechenergebnisse aus. Die digitale Simulation und Nachbildung der Anlage entspricht den vorgegebenen technischen Daten.
  • Isolinien-Berechnung von Trafostationen
  • Ausarbeiten von Magnetfeld-Abschirmkonzepten für NISV-konforme Trafostationen
  • Projektieren von Abschirmungen für Räume zum Schutz von Personen und Geräten
  • Beratung bei bestehenden Anlagen bezüglich Sanierungsmöglichkeiten.

Kabeltrassen

KabeltrasseDarstellung der magnetsichen Feldausbreitung einer Kabeltrasse mit Isolinien
Die Berechnungssoftware WinField erlaubt die Berechnung elektrischer und magnetischer Felder. Die Berechnung der magnetischen Felder erfolgt nach dem Gesetz von Biot-Savart. Die Software gestattet die Anordnung der Leiter und die Feldberechnung im dreidimensionalen Raum. Voraussetzung einer korrekten Berechnung ist die Abwesenheit ferro- und diamagnetischer Stoffe und die Vernachlässigung der Induktion von Wirbelströmen.
WinField ermöglicht somit die Berechnung quasistationärer Magnetfelder verschiedener Anlagen der elektrischen Energieversorgung, wenn die felderzeugenden Leiter durch fadenförmige Teilleiter approximierbar sind. WinField wird daher für die Feldberechnung von Freileitungen, Kabeln, Netzstationen und Schaltanlagen eingesetzt. Die Ergebnisausgabe ist sowohl graphisch, als auch in Form von Berechnungswerten möglich.

Freileitungen

FreileitungDarstellung der magnetsichen Feldausbreitung einer Freileitung Die Stärke und die Verteilung der elektrischen und magnetischen Felder im Umfeld einer Freileitung sind von vielen Faktoren abhängig. Die wesentlichen Faktoren, welche die Stärke und Verteilung der elektrischen und magnetischen Felder bestimmen, sind Spannung, Stromstärke, Form des Mastes und Anordnung der Leiterseile, Anzahl der Leiterseile und Durchhang der Leiterseile.
Der Durchhang der Leiterseile bestimmt bei definierter Mastform sowie Spannung und Stromstärke maßgeblich die am Erdboden auftretenden Feldstärken. Der Durchhang ist abhängig von der Temperatur der Leiterseile und nimmt folglich mit steigender Übertragungsleistung (Stromstärke) und der Lufttemperatur zu. Auf Grund der Wetterabhängigkeit des Seildurchhanges und des sich ändernden Stromflusses kann man mit Messungen nur momentane Feldstärken von Freileitungen ermitteln. Aus diesem Grund und zur Abschätzung von "Worst-case-Szenarien" kommen in der Regel Feldberechnungsprogramme zur Ermittlung der elektrischen Feldstärke und der magnetischen Flussdichte von Freileitungen zum Einsatz.

Freiluftanlagen

FreiluftanlageDarstellung der magnetsichen Feldausbreitung einer Freiluftanlage eines 110kV Unterwerkes
Die Berechnung der magnetischen Feldausbreitung von Freiluftanlagen / Unterwerken ist äusserst aufwändig und bedarf einer engen Zusammenarbeit mit den Betreibern der Anlage.
 
Neben der exakten Nachbildung aller Anlagenteile sind auch die Schaltzustände zu definieren, da sich die Ströme je nach Zustand unterschiedlich verteilen. Dies führt entsprechend zu grossen Unterschieden in der magnetischen Feldausbreitung. 
 

Bahnanlagen

BahnDarstellung der magnetsichen Feldausbreitung einer eines 2-gleisigen Trasse.
Bei der Übertragung der Energie bei Bahnanlagen (SBB = 16,7Hz) fliessen die Ströme von den Unterwerken über Fahrdraht, Tragseil und Verstärkungsleitung zum Antriebsystem des Triebfahrzeuges hin.
 
Speziell zu berücksichtigen ist der Rückstrom der sich auf die Schienen, das Erdreich sowie den oder die Rückleiter/Erdleiter verteilt. Wie sich der Strom aufteilt ist für das Ergebniss der Berechnung von grosser Bedeutung.




Berechnungsbeispiel Trafostation::

Beschreibung

Was wird für eine Berechnung benötigt ?

•  Dispositionszeichnung, Pläne
- Grundriss und Schnitte der Trafostation und der Geschosse mit OMEN
- Pläne in üblichen Formaten (dxf, pdf, Papier)

•  Verwendete Komponenten
- Mittelspannungsanlage (Disposition, Prinzip Schema)
- Transformatoren (Technisches Datenblatt, Massbild)
- Niederspannungsverteilung (Disposition, Lage der Sammelschienen)
- Kabeltypen

•  Technische Daten
- Betriebsspannung, Betriebsströme
- Betriebszustand

• Beschreibung der OMEN
- Markierung und Beschreibung der OMEN

Zeichnen

Die Trafostation wird 1:1 in dem 3D-CAD Programm EFC400 oder Copperfield® gezeichnet. Als Grundlage dienen die zur Verfügung gestellten Unterlagen.fingerdok_GR

Isolininenberechnungen

Anschliessend wird die Anlage virtuell mit Strom durchflossen und darauf basierend werden die Isolinien berechnet und dargestellt.
Der Kunde erhält als Ergebniss einen Bericht mit Standortdaten und Isolinienbilder der magnetischen Flussdichte. Die Isolinien werden in den Darstellungen: XY (Sicht von oben), XZ (Sicht von vorne), YZ (Sicht von rechts) und als 3D Darstellung dokumentiert.

fingerdok_3D_iso


Berechnungsbeispiel Unterwerk::

Beschreibung

ansicht unterwerk110kv
 
Was wird für eine Berechnung benötigt?
 
•  Dispositionszeichnung, Pläne
- Grundriss und Schnitte der Anlage
- Pläne in üblichen Formaten (dxf, pdf, Papier)
 
•  Verwendete Komponenten
- Transformatoren (Technisches Datenblatt, Massbild)
- Anzahl Felder MS-Anlage (Disposition, Lage der Sammelschienen)
 
•  Technische Daten
- Betriebsspannung, Betriebsströme, Betriebszustand
 
Ansicht des Unterwerkes
 

Zeichnen

Die gesamte Anlage wird massstäblich in 3D gezeichnet. Als Grundlage dienen die zur Verfügung gestellten Unterlagen. Im Beispiel wurde die Einhaltung der 26. BImSchV. überprüft. Der Kunde wollte zudem wissen in welchem Abstand die Störfestigkeitsnrom EN 61000-4-8 für die zukünftige Platzierung von elektronischen Geräten bei Neubau von Unterwerken. Die Abmessungen des berechneten Unterwerkes betragen 200m x 80m.
Eckdaten: 11 Zellen Freiluftanlage 110kV:
  • 2 Dreiwicklertransformatoren 20MVA (2x10KVA) parallel)
  • 11 Felder MS-Anlage 20kV Duplex Sammelschiene
  • 2 Eigenbedarfstransformatoren 400kVA, 20kV
  • 2 Erdschluss-Löschspulen (Petersen-Spulen)
unterwerk110kv 20mva transformatoren unterwerk schema ausschnitt
110kV Freiluftanlage Löschspulen, Eigenbedarfstrafos Disposition des Unterwerkes

Isolininenberechnungen

Anschliessend wird die Anlage virtuell mit Strom durchflossen und darauf basierend werden die Isolinien berechnet und dargestellt. Die Isolinien werden in den Darstellungen: XY (Sicht von oben, in unterschiedlichen Höhen), XZ (Sicht von vorne, mit Schnitten), YZ (Sicht von rechts mit Schnitten) und als 3D Darstellung dokumentiert.

b-feld unterwek b-feld schnitt
Isolinienberechnung Unterwerk
Schnitt durch Anlage


Vergleich EFC400 mit Copperfield®::

Beschreibung

EFC400
copperfield
Wir verwenden die Simulationsprogramme EFC400 (Winfield) und Copperfield® zur Berechnung der Ausbreitung von elektrischen und magetischen Feldern. Interessant war dann zu prüfen wie genau die Ergebnisse der zwei Programme übereinstimmen.

Wir haben hierzu verschiedene Betriebsmittel in beiden Programmen absolut identisch nachgebildet, die Ströme identisch eingestellt und die Ergebnisse miteinander verglichen.


Fazit: Die Ergebnisse der beiden Programme liegen recht nahe beieinander, wobei Coppefield® etwas konservativer rechnet als EFC400. Die Abweichungen liegen im Bereich von ca 3-5%

Vergleich MS-Anlage

Vergleich einer MS-Anlage

Grundlagen für die Berechnung:
MS-Anlage Typ Unisec
Feld 1: Lasttrenner Eingang 630A
Feld 2: Lastternner Abgang 630A

EFC400 Sicht von oben   EFC400 Sicht von vorne
MS_EFC_OB
     
MS_EFC_VO
Copperfield Sicht von oben   Copperfield sicht von vorne
MS_Copperfield_OB
 
MS_Copperfield_VO

Vergleich NS-Verteilung

Vergleich einer NS-Verteilung

Grundlagen für die Berechnung:
Feld 1: 1200mm    Sefag Abgangsleisten
Feld 2:   500mm    Sirco von unten angeschlossen
Feld 3: 1200mm    Sefag Abgangsleisten
In:       833 A

Sicht von oben 1m ab Boden TS EFC-400   Sicht von vorne EFC-400
NSV WF OB1m
       
NSV WF VO
Sicht von oben 1m ab Boden TS Copperfield   Sicht von vorne Copperfield
NSV CF OB1m
 
NSV CF VO


Wie genau darf es sein?::

Die Isolinien-Berechnungstools haben eine Vielzahl von Klassenbibliotheken implementiert. Wenn eine benötigte Komponente fehlt, was tun? Neu zeichnen oder einfach eine ähnliche Komponente verwenden? Nachfolgend ein Beispiel berechneter Isolinien mit ähnlicher Komponente:


Transformator

Vorhanden/ähnlich: 20kV Transformator: Benötigt: 21.6kV Transformator: Formeln:
Leistung 1000kVA
Spannung OS 20 kV
Spannung US 0.40 kV
Uk 6%
In(os)  28,857 A  (28.87)
In(us)  1442,856 A (1443.38)
In(spule_seg) 72,698 A  (86.603)
(in rot die gerechneten Werte)
Leistung 1000kVA
Spannung OS 21.6 kV
Spannung US 0.42 kV
Uk 6%
In(os)  26,73 A
In(us)  1374,64 A
In(spule_seg) 82,478 A
I(us) = S / √3x U (us)
I(os) = S / √3x U (os)
In(spule) = In*uk /s
In(spule_seg) = In(spule) x 2.5

(s = Schirmwirkung Kessel 2.5)

Der Vergleich mit dem in der Bibliothek vorhandenen/ähnlichen und mit dem exakt benötigten Transformator:
Trafovergleich
Links: Der vorhandene/ähnliche Transformator Rechts: Der exakt benötigte Transformator

Fazit: Der Berechnungsfehler liegt bei ca 5%. Die Abweichung ist zwar auf den ersten Blick nicht sonderlich gross. Wenn jedoch für alle Komponenten nur ähnliche Typen verwendet werden, oder auf das integrieren von Schaltern und Übergängen verzichtet wird, kann das Ergebnis stark verfälscht werden, zu gunsten oder zu ungunsten des Betreibers der Station. Aus diesem Grund vertreten wir die Ansicht, dass nur Bibliothekskomponenten verwendet werden die genau den Herstellerangaben entsprechen. Andernfalls müssen die Komponenten nachgebildet werden.

Achtung: Die in den Bibliotheken vorhandenen Komponenten entsprechen oftmals nicht den tatsächlichen Herstellerangaben und führen somit zu falschen Ergebnissen.


Worst case oder best case?::

Im folgenden Beispiel wird ein Vergleich einer Niederspannungsverteilung mit unterschiedlichem Anschluss der Abgänge angestellt. Hier besteht ein deutlicher Unterschied zwischen "worst-case" und "best-case":

worst best case
Links: "Best case": Gesammter Strom wird gleichmässig auf alle Abgänge verteilt Rechts: "Worst case": Gesammter Strom wird am Ende der Sammelschiene bezogen

Fazit: Die Abweichung der Isolinienberechnung beträgt ~15%. Es ist unerlässlich die Abgänge in der Simulation so nachzubilden wie sie tatsächlich auch angeordnet werden. Ansonsten werden die Ergebnisse der Berechnung zu ungenau.


Unsymmetrie und Magnetfelder::

Wie wirkt sich eine unsymmetrische Belastung der Stromschienen einer NS-Verteilung auf die Magnetfeldstärken aus? Nachfolgend die Ergebnisse von Berechnungen mit verschiedenen unsymmetrischen Belastungen an einer Niederspannungsverteilung:

Symmetrisch
I: L1=866A,  L2=866A,  L3=866A
5% Unsymmetrie
I: L1=866A,  L2=844A,  L3=822A
10% Unsymmetrie
I: L1=866A,  L2=822A,  L3=779A
15% Unsymmetrie
I: L1=866A,  L2=801A,  L3=736A
unsym NSV 0 unsym NSV 5 unsym NSV 10 unsym NSV 15

Fazit: Unsymmetrien wirken sich sehr negativ auf die Feldstärken aus. Die 1µT Linie breitet sich im berechneten Beispiel bei einer unsymmetrischen Belastung von 15% um 1.2m von knapp 6m auf über 7m aus.
Wird der Neutralleiterstrom bei unsymetrischer, gleichartiger Belastung auch in Betracht gezogen (112A bei 15% Unsymetrie)
werden die Feldstärken noch weiter negativ beeinflusst.

unsym NSV 15 Neutral

Mittelspannungs-Schaltanlagen gemäss IEC 62271-200::

IEC 62271-200Freiraum über MS-Anlage
Seit Februar 2007 ist die neue Norm IEC 62271-200 / VDE 0671 Teil 200 das Maß aller Dinge, wenn es um Typ-Prüfungen bei Luft und Gas isolierten Mittelspannungsschaltanlagen geht. Nach einer Übergangsfrist von drei Jahren, die zum 1. Februar 2007 endete, sind diese Normen uneingeschränkt gültig und ersetzen die EN 60298 bzw. VDE 0670 Teil 6 vollumfänglich.
Was hat diese Norm mit Abschirmungen zu tun ?
Gemäss dieser Norm muss jeder Hersteller von Mittelspannungsanlagen Angaben für dessen Aufstellung machen damit im Störungsfall ein Störlichtbogen keine Personen gefährden kann.
 
Dies wird vom Hersteller durch Leitbleche, Druckkanäle oder genau definierten Freiraum zur Decke gewährleistet. Diese technischen Vorkehrungen und einzuhaltenden Freiräume müssen zwingend eingehalten und dürfen unter keinen Umständen verändert werden. Es ist grundsätzlich nicht erlaubt irgendwelche Änderungen an der Schaltanlage vorzunehmen und insbesondere die vorgeschriebenen Freiräume, mit z.B. von der Decke herunter gehängten Abschirmungen, sofern diese die vorgeschriebenen Freiräume nicht einhalten, zu verändern. Zulässig sind jedoch an der Decke montierte "Deckenabschirmungen" welche die Freiraumspezifikation nicht verletzen.
Herunter gehängte Abschirmteile können in einem Störungsfall durch die Druckwelle weggeschleudert werden was zu schlimmen Unfällen führen kann. Zudem werden die heissen Gase via Abschirmung verstärkt nach vorne umgeleitet, was entsprechend das Bedienpersonal gefährdet.

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