Übersicht

Die Hochstromanlage des Lehrstuhls für Elektrische Energieversorgung der Universität Erlangen-Nürnberg ist die einzige dieser Art an einer bayerischen Hochschule. Sie wurde im Mai 1990 in Betrieb genommen und war seitdem für zahlreiche Prüfaufgaben erfolgreich im Einsatz. Die Anlage erlaubt die Erzeugung netzfrequenter Kurzschlußwechselströme mit einem maxi­malen Effektivwert von 40 kA über eine maximale Zeitdauer von 5 Sekunden. Dauerprüfun­gen sind mit Wechselströmen von bis zu 2 kA Effektivwert möglich. Es können sowohl einphasige als auch dreiphasige Versuche mit einer Prüfspannung von 52,3 V bis 250,5 V durchgeführt werden. Die Zuschaltung der Versuche ist wahlweise mit Hilfe eines Niederspannungsleistungsschal­ters oder eines Draufschalters möglich. Beim Zuschalten mit dem Niederspannungsleistungs­schalter werden alle drei Schalterpole gleichzeitig geschlossen. Dagegen ist beim Zuschalten mit dem Draufschalter eine selektive Zuschaltung der Schalterpole möglich. Der Zuschalt­zeitpunkt ist für jeden Pol getrennt einstellbar. Die Zuschaltung erfolgt mit einer Genauigkeit von 0,1 ms. Im folgenden werden die wichtigsten technischen Daten der Hochstromanlage angegeben:

Nennspannung, primär: 20kV
Nennspannung, sekundär 52,3V ... 250,5V
maximaler Dauerstrom: 4,5 kA
Nennleistung 0,41 MVA ... 1,95 MVA
maximaler Kurzzeitstrom 40 kA (5 s)
Kurzzeitleistung 3,62 MVA ... 17,69 MVA

Tabelle 1: Technische Daten des Hochstromtransformators

Schalter Maximaler Dauerstrom Maximalter Kurzzeitstrom
Niederspannungsleistungsschalter: 2 kA 50 kA (5s)
Draufschalter 1 kA 30 kA(1s)

Tabelle 2: Schalterdaten

Anlagenbeschreibung

Bild 1 zeigt den Übersichtsschaltplan der Hochstromanlage. Mit Hilfe der in Bild 2 sichtbaren speziellen Steckverbinder läßt sich durch wahlweise Parallel- und Reihenschaltung der Primärteilwicklungen das Übersetzungsverhältnis des Transformators relativ feinstufig einstellen. Weiterhin besitzen die Sekundärwicklungen jeweils drei Anzapfungen, wodurch die Anzahl der einstellbaren Spannungsstufen noch weiter erhöht wird. Der Überspannungsschutz des Transformators erfolgt primärseitig mit Zinkoxid-Überspannungsableitern und sekundärseitig mit gesteuerten Funkenstrecken.

Wie bereits erwähnt, kann die Zuschaltung eines Versuches wahlweise mit dem Niederspannungsleistungsschalter oder mit dem Draufschalter erfolgen. Da der Draufschalter eine deutlich niedrigere Stromtragfähigkeit als der Niederspannungsleistungsschalter besitzt, kann er durch Laschenverbindungen überbrückt werden. Gespeist wird die Hochstromanlage aus dem 20 kV-Mittelspannungsnetz der Erlanger Stadtwerke über eine Kabelverbindung. Die primärseitige Zuschaltung des Hochstromtransformators erfolgt über einen Vakuumleistungsschalter sowie eine Trenn- und Erdungsschalterkombination. Kernstück der Anlage ist ein Drehstromgießharztrockentransformator mit den bereits beschriebenen Leistungsdaten. Bild 2 zeigt einen Blick auf die Primärbeschaltung des Transformators.

Übersichtsschaltplan der Hochstromanlage

Bild 1: Übersichtsschaltplan der Hochstromanlage

Primärbeschaltung des Hochstromtransformators

Bild 2: Primärbeschaltung des Hochstromtransformators

Zur Einstellung der Stromhöhe bei Dauerversuchen sowie der Stromhöhe und des gewünschten Stoßfaktors bei Kurzschlußversuchen können in den Prüfkreis Lastwiderstände und Drosselspulen eingeschaltet werden. Dazu existieren zwei Lastkreise mit jeweils einer dreiphasigen Drosselspule und einem dreiphasigen Lastwiderstand. Die einstellbaren Impedanzwerte liegen in folgenden Wertebereichen:

Lastkreis 1: R = 2 mW (40kA, 2s) ... 209 mW (3kA, 2s)
X = 2 mW (40kA, 5s) ... 48 mW (4kA, 5s)
Lastkreis 2: R = 1 W (1kA, 2s) ... 2 W (1kA, 1s)
X = 8 mW (10kA, 5s) ... 76 mW (1kA, 5s)

Die Einstellung des gewünschten Impedanzwertes erfolgt durch Überbrückung der nicht benötigten Teilwiderstände. Der Prüfkreis kann über verschiedene Testräume geschlossen werden. Testraum 1 ist die Hochspannungshalle des Lehrstuhls, Testraum 2 ist das Feuchtelabor bzw. parallel dazu das Freigelände des Lehrstuhls. Zur Strommessung können in den Prüfkreis hochwertige koaxiale Impulsstrommeßshunts eingebaut werden.

Bis auf die zeitkritischen Funktionen erfolgt die Steuerung der Anlage durch eine Simatic S5. Diese überwacht die Anlage auf unzulässige Betriebszustände und das Auftreten von Fehlern, verriegelt unzulässige Betriebszustände und führt eine Abschaltung beim Auftreten von Fehlern durch. Weiterhin ist über die Simatic S5 eine manuelle Ablaufsteuerung der Versuche möglich. Eine automatische Zeitablaufsteuerung der Versuche ist durch das Synchronsteuergerät PSG 2 möglich, welches am Lehrstuhl entwickelt wurde. Dieses enthält im Kern einen Mikroprozessor, welcher die Steuersignale für die Zuschaltung durch den Niederspannungsleistungsschalter oder den Draufschalter sowie für die Abschaltung durch den Vakuum-Leistungsschalter generiert. Zur Aufnahme der zu messenden Größen steht ein 8-kanaliger Transientenrekorder zur Verfügung. Die maximale Abtastfrequenz beträgt 10 MHz. Die Speichertiefe pro Kanal beträgt 1 MWorte.

Anwendungsbeispiel: Kurzzeiterwärmungsversuch

Haupteinsatzgebiet der Hochstromanlage ist die Prüfung der thermischen und mechanischen Dauer- und Kurzschlußstromfestigkeit von Betriebsmitteln. Als Anwendungsbeispiel wird ein Kurzzeiterwärmungsversuch vorgestellt, der in Zusammenarbeit mit dem Institut für Hochspannungs- und Hochstromtechnik der Technischen Universität Dresden durchgeführt wurde. Mit diesem Versuch sollte geklärt werden, welchen Einfluß die Stromverdrängung im Kurzschlußfall auf die Kurzzeittemperaturverteilung in Hochstromschienen ausübt.

Dazu wurde eine Aluminium-Hochstromschiene mit dem Querschnitt 5mm x 150mm drei Sekunden lang mit einem Kurzschlußstrom von 35,8 kA belastet.Bild 3 zeigt die Temperaturverteilungen in 1/2-Sekun­den-Schritten, wobei die Zeitangabe auf den Zeitpunkt des Kurzschlußeintritts bezogen ist.

Temperaturverteilungen über der Testschiene während des Kurzschlußversuches

Bild 3: Temperaturverteilungen über der Testschiene während des Kurzschlußversuches

Die Darstellung zeigt, daß im Kurzzeitbereich die Temperaturverteilung über der Testschiene der Stromdichteverteilung folgt, welche bei den gewählten Querschnittsabmessungen bereits deutlich von Stromverdrängungserscheinungen geprägt ist. Nach einer Stromflußdauer von 2,5s erhält man in der Mitte der Testschiene an der rechten Schienenkante eine Temperatur von 120°C. Die minimale Schienentemperatur beträgt zu diesem Zeitpunkt 62°C, es tritt also über der Testschiene eine Temperatur­differenz von 58°C auf.

Anwendungsbeispiel: Dynamische Stromwandlersimulation

Als weiteres Beispiel für den Einsatz der Hochstromanlage zu Forschungszwecken sei eine dynamische Stromwandlersimulation vorgestellt, die im Rahmen einer Diplomarbeit mit der Firma Siemens/EV NP durchgeführt wurde. Die rechnergestützte Simulation der Stromwandler sollte durch praktische Messungen verifiziert werden.

Hintergrund sind die zunehmend verkürzten Meß- und Ausschaltzeiten digitaler Schutzgeräte und die mit der magnetischen Sättigung verbundenen Schwierigkeiten bei der Auslegung von Stromwandlern.

Genäherte und gemessene Magnetisierungskennlinie eines Stromwandlers

Bild 4: Genäherte und gemessene Magnetisierungskennlinie eines Stromwandlers



Für die dynamische Stromwandlersimulation mußte die magnetische Hysteresekurve des Stromwandlerkerns bestimmt werden. Dazu wurden verschiedene Stromwandler vermessen und deren Hysteresekurven aufgenommen. In Bild 4 ist eine solche gemessene Kurve blau dargestellt. Die Simulation erfolgte durch Approximation der gemessenen Kurve mit Hilfe von normierten Arcustangens-Funktionen, im Bild rot dargestellt. Schließlich wurden die verschiedenen Stromwandler mit Stromstößen von 2 bis 24 kA in der Hochstromanlage getestet und das Übertragungsverhalten aufgezeichnet.

Meßaufbau der Stromwandler an der Hochstromanlage

Bild 5: Meßaufbau der Stromwandler an der Hochstromanlage

Vergleich der dynamischen Simulation (rot) und der Messung (blau) der Stromwandlersättigung

Bild 6: Vergleich der dynamischen Simulation (rot) und der Messung (blau) der Stromwandlersättigung

Bei gleicher Beschaltung (Bürde, Übersetzung) der Stromwandler wurde mit dem vorher gefundenen Parametersatz für die Modellbildung der Hysterese eine Simulation durchgeführt. Insbesondere für die erste Halbwelle, die für die Stromwandlerauslegung für Schutzgeräte von entscheidender Bedeutung ist, konnte die Simulation sehr gute Ergebnisse erzielen. In Bild 6 ist der Kurzschlußstrom bezogen auf die Stromwandlersekundärseite grün dargestellt. Der simulierte Stromwandlersekundärstrom (rot) wurde mit dem gemessenen (blau) verglichen. Es ergab sich eine sehr gute Übereinstimmung der gemessen Sekundärströme mit den simulierten Zeitverläufen.

Zusammenfassung

Vorgestellt wurden der prinzipielle Aufbau und die Eigenschaften der Hochstromanlage des Lehrstuhls für Elektrische Energieversorgung. Die Hochstromanlage ist bestens für die Prüfung der mechanischen und thermischen Dauer- und Kurzschlußstromfestigkeit von Betriebsmitteln der elektrischen Energietechnik geeignet. Durch den erreichbaren maximalen Kurzzeitstrom von 40kA (5s) und den Dauerstrom von 2kA kann ein großer Leistungsbereich abgedeckt werden. Die Anlage wurde sowohl für umfachreiche Industrieprojekte