Simulationssoftware: Potenzielle Probleme bei Umspannwerken lösen

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Simulationssoftware: Potenzielle Probleme bei Umspannwerken lösen

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Mit Hilfe der Simulationssoftware Comsol Multiphysics hat die Pinggao Group die Entwicklung einer gasisolierten, metallgekapselten Schaltanlage (GIS) beschleunigt und dabei die Entwicklungskosten erheblich reduziert. Darüber hinaus erstellte das Unternehmen eine Simulations-App für die Zusammenarbeit der Teams.
Simulationssoftware

Quelle: Pinggao Group

Der steigende Bedarf an elektrischer Energie hat zu einem Ausbau des Stromnetzes geführt, was den Einsatz von mehr elektrischen Anlagen erfordert. Umspannwerke sind ein wichtiger Teil des Stromnetzes, was sich direkt auf das tägliche Leben der Menschen auswirkt. Was kann Simulationssoftware hier bewirken?

Die Hauptfunktion eines Umspannwerkes ist die Umwandlung der Spannung sowie die Aufnahme und Verteilung der elektrischen Energie. Um die Leistungsverluste in Übertragungsleitungen zu minimieren, verwenden Kraftwerke ein Umspannwerk, das die Spannung vor dem Senden über große Entfernungen erhöht. Am Zielort angekommen, muss die Spannung in einem weiteren Umspannwerk reduziert werden, um die Sicherheit der Verbraucher zu gewährleisten.

Simulationssoftware am Beispiel eines Umspannwerkes

Ein traditionelles Umspannwerk umfasst eine große Anzahl elektrischer Komponenten, die entsprechend ihrer Funktion in verschiedenen Räumen angeordnet werden. Da Luft als Isoliermedium verwendet wird, sind die Komponenten in der Umspannstation weit voneinander entfernt angeordnet, um so sicherzustellen, dass der Freiraum den Isolationsanforderungen entspricht. Daher ist für diese Art von Umspannwerken eine sehr große Grundfläche erforderlich. Darüber hinaus sind viele Komponenten im Umspannwerk ständig einer rauen Umgebung ausgesetzt, was zu einem hohen Wartungsaufwand führt.

Ein kleinerer ökologischer Fußabdruck

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Querschnitt der Geometrie für die GIS-Isolationssystemkomponente. (Bild: Pinggao Group)

Die gasisolierte, metallgekapselte Schaltanlage (GIS), eine moderne Art von Hochspannungsverteilungsanlagen, könnte zur Lösung dieser Probleme beitragen. Mit einem verbesserten Design und speziellem Isoliergas integriert die GIS alle Komponenten kompakt in der Schaltanlage mit Ausnahme der Transformatoren. Im Vergleich zu traditionellen Umspannwerken hat die GIS viele Vorteile, wie einen kleineren ökologischen Fußabdruck, eine geringere Gesamtgröße, eine höhere Zuverlässigkeit und weniger Wartungsanforderungen, wodurch diese Anlagenausführung in den letzten Jahren verstärkt zum Einsatz kam.

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Verteilung des elektrischen Gleichspannungsfeldes im Isolator und seiner Umgebung bei einer Spannung von 100 kV. (Bild: Pinggao Group)

Obwohl eine GIS im Allgemeinen zuverlässiger als ein konventionelles Umspannwerk ist, können die elektrischen Ladungen, die sich auf den Oberflächen der festen Isolierteile wie beispielsweise den Stäben ansammeln, im Langzeitbetrieb zum Versagen der Isolierung führen und schwerwiegende Sicherheitsprobleme verursachen. Da jedoch alle Komponenten im Inneren des Systems gekapselt sind, ist es sehr schwierig, die Fehlfunktion der GIS identifizieren und zu reparieren, da die Fehler nicht sichtbar sind.

Die Pinggao Group, eine Tochtergesellschaft der State Grid Corporation of China, untersucht mit Hilfe der multiphysikalischen Simulation ihrer Simulationssoftware mögliche Lösungen, um eine effiziente, stabile und zuverlässige GIS zu entwickeln.

Versagensanalyse der GIS-Isolation

Eine GIS ist aufgrund ihrer besseren Isolierung viel kleiner als herkömmliche Umspannwerke. Alle Komponenten des Systems sind in einer geerdeten und zur Isolierung mit Schwefelhexafluorid (SF6), einem synthetischen Inertgas, gefüllten Metallhülle gekapselt. Der Grund für die Verwendung dieses Gases liegt in der im Vergleich zu Luft viel höheren Isolations- und Lichtbogenlöschfähigkeiten. Daher kann der Abstand zwischen den Komponenten innerhalb der GIS erheblich verringert werden.

Wenn eine GIS über einen längeren Zeitraum in Betrieb ist, sammeln sich elektrische Ladungen an der Schnittstelle zwischen Isoliergas und den festen Isolierteilen. Sobald die elektrische Ladung ein bestimmtes Niveau erreicht hat, bauen sich hohe Spannungen auf und durchbrechen die Gasisolierung zwischen verschiedenen Komponenten. Eine elektrische Entladung findet auch entlang der Oberfläche des festen Isolators statt.

Nach einer Teilentladung erzeugen das ionisierte Isoliergas und die Metallteile zersetzte Partikel, was zum Versagen der Isolierkomponenten führt. Das ist ein häufiges Problem, welches die technische Nutzung der GIS einschränkt. Dieser Versagensmechanismus ist komplex, da er mit der Kopplung mehrerer physikalischer Phänomene, einschließlich Elektromagnetik, Wärmeübertragung und Strukturmechanik, zusammenhängt. Darüber hinaus ist eine experimentelle Untersuchung dieses Problems sowohl schwierig als auch kostspielig, da der Bau eines GIS-Prototyps teuer ist und mehrere Experimente erforderlich sind, um die tatsächliche Ursache des Problems zu ermitteln.

Um potenzielle Probleme schnell zu diagnostizieren und die Kosten für die Tests zu reduzieren, verwendet man nun Simulationssoftware zur Analyse des Isolationsversagens der GIS-Ausrüstung. Dr. Bo Zhang, leitender Ingenieur bei der Pinggao Group, erklärt: „Mit COMSOL können wir potenzielle Probleme schneller und mit weniger Iterationen lösen und die Testkosten erheblich reduzieren. Zum Beispiel könnten wir bei unserem 1.100-kV-Durchführungstest durch den Wegfall von nur einem Experiment bereits 1,5 Mio. US-Dollar
einsparen.“

Simulationssoftware: Geometrie und Material­eigenschaften optimiert

Die Ingenieure der Pinggao-Gruppe erstellten ein numerisches Modell und berechneten die elektrische Feldverteilung des Gas-Festkörper-Isolationssystems im GIS-Entwurf unter Gleichspannung sowie die Oberflächenladungs-Akkumulation. Das Modell besteht aus einer Hochspannungselektrode, einer Niederspannungselektrode, einem Isolator und einem Metalleinsatz. Diese Komponenten sind von SF6-Gas mit einem Absolutdruck von 0,4 MPa umgeben, an die Hochspannungselektrode werden 100 kV angelegt. Die elektrische Feldverteilung wird erhalten.

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Die Verteilung der negativ (links) und positiv (rechts) geladenen Ionen an der GIS-Isolationssystemkomponente. (Bild: Pinggao Group)

Die Ladungsdichte des festen Isoliermediums hängt von der Dielektrizitätskonstante und der Leitfähigkeit des Materials ab. Die Leitfähigkeit im Gasbereich ist hochgradig nichtlinear, da positiv und negativ geladene Ionen im Gas unter dem elektrischen Feld driften und sich gemäß des Konzentrationsgradienten verteilen. An der Gas-Festkörper-Grenzfläche, wo die Leitfähigkeit und die Dielektrizitätskonstante diskontinuierlich sind, sammelt sich elektrische Ladung an. Die Änderung der Ionenverteilung führt zu einer weiteren Verzerrung des ursprünglichen elektrischen Feldes, wodurch der Isolator unter dem elektrischen Gleichspannungsfeld schwächer wird.

Das Team simulierte die Konzentrationsverteilung der positiv und negativ geladenen Ionen im Isolator. Außerdem erhielten sie die Partikelkonzentrationsverteilung in unterschiedlichen Intervallen innerhalb des Gasbereichs sowie die ungleichmäßige räumliche Verteilung der Gasleitfähigkeit, was für die Verbesserung der Isolationswirkung hilfreich ist.

Auf der Grundlage der Ergebnisse der Leitfähigkeitssimulation ermittelten die Ingenieure Oberflächenpotenzial und -ladung als eine Funktion des angelegten Drucks. Es ist zu erkennen, dass die Ladungsakkumulation mit der Zeit zunimmt und nach etwa 107 Sekunden (etwa 3.000 Stunden) einen stabilen Zustand erreicht. Um das Isolationsdesign der GIS zu verbessern, untersuchte man auch die Faktoren, welche die Produktionsrate und die Verteilung der Gasionen, wie das Volumen der festen Isolation sowie die Polarität und die Verteilung der oberflächenakkumulierten Ladung beeinflussen könnten.

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Die Simulations-App zur Analyse des Temperaturanstiegs der GIS-Stromschiene. (Bild: Pinggao Group)

Basierend auf den Simulationsergebnissen konnten Dr. Zhang und sein Team die Geometrie und die Materialeigenschaften der Isolatoren optimieren, die Konstruktionsänderungen zur Reduzierung des elektrischen Feldes in einem bestimmten Bereich überprüfen und die Akkumulation der Oberflächenladung minimieren.

GIS-Design mit multiphysikalischer Simulation optimieren

Die Temperaturkontrolle ist ein weiteres wichtiges Thema, das bei der Optimierung einer GIS berücksichtigt werden muss. Während des Betriebs von GIS-Anlagen wird eine beträchtliche Menge an Joulescher Wärme erzeugt, sobald elektrischer Strom durch die Stromschiene fließt. Dies kann zu einem Anstieg der Innentemperatur und zum Ausfall verschiedener interner Komponenten aufgrund von Überhitzung führen. Daher ist die Kontrolle des Temperaturanstiegs und der Wärmeableitung des Busses eine wirksame Methode zur Leistungsverbesserung der GIS-Ausrüstung.

Das Ingenieurteam erstellte ein Multiphysik-Modell in der Simulationssoftware, um die Temperaturschwankung der Leitung in der GIS zu analysieren. Das Modell berechnet die Wärmeableitung durch verschiedene Arten der Wärmeübertragung, wie Leitung, Konvektion und Strahlung. Der stationäre Zustand der internen Temperaturverteilung der Ausrüstung wird in Abhängigkeit von der Widerstandsheizung und der Wärmeableitung der Ausrüstung geschätzt.

Die Simulationsergebnisse des Temperaturanstiegs halfen dem Entwicklungsteam, den Temperaturanstieg des Produkts während der Konstruktion der GIS genau abzuschätzen. Darüber hinaus waren sie in der Lage, verschiedene Designparameter wie Materialtyp, Produktgröße und strukturelles Layout zu optimieren, um verschiedene Überhitzungsfehler zu vermeiden, die durch den Temperaturanstieg der Anlage verursacht werden könnten.

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Oberflächenpotenzial (links) und Ladungsdichte (rechts) des Isolators als Zeitfunktion. (Bild: Pinggao Group)

Organisatorische Vorteile von Simulations-Apps

Die Konstrukteure von GIS-Produkten bei Pinggao müssen im Entwicklungsprozess oft Designparameter ändern. Bisher mussten sie sich an die Simulationsingenieure im Entwicklungsteam wenden, um ihre Ideen zu testen oder einfache Parameter zu ändern. Der Simulationsingenieur musste die Parameter des zugrunde liegenden Modells für jede Anforderung anpassen, was zu einer Vielzahl an wiederholten Arbeiten und zu Projektverzögerungen führte.

Damit mehr Mitarbeiter der Organisation von der Simulation profitieren können, verwendeten man den Application Builder der COMSOL-Simulationssoftware, um das GIS-Temperaturanstiegs-Modell schnell in eine Simulations-App umzuwandeln. Somit können alle Produktentwickler einfach die Leistungs- und Temperaturschwankungen berechnen, indem sie einfach Parameter in die App eingeben und das Produkt auf der Grundlage der Simulationsergebnisse optimieren.

Konstrukteure, Entwicklungsingenieure und Betriebspersonal können nun die GIS mit dieser einfach zu bedienenden App auf einer gemeinsamen Plattform entwickeln und pflegen. Die Zugänglichkeit der Simulation erleichtert die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Abteilungen innerhalb der Organisation. „Die Simulations-App verbessert das Sammeln von Erfahrungen und den Wissensaustausch erheblich. Jetzt kann die gesamte Organisation von den Vorteilen der Simulationsanalyse profitieren“, erklärt Dr. Zhang.

Die Pinggao Group entwickelt derzeit eine auf Cloud Computing basierende App zur Simulation von Hochspannungsschaltanlagen. Das Simulationsteam hofft, Produktdesigner bei der Entwicklung von GIS-Produkten mit besserer Leistung zu unterstützen, indem es eine eingehende Untersuchung von Hochspannungsschaltanlagen mit multiphysikalischer Simulation durchführt.

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Das Simulationsteam im Pinggao Group Technology Center: Hao Zhang, Gang Wang, Zhijun Wang, Yapei Liu, Yujing Guo, Bo Zhang, Xiangyu Hao, und Yongqi Yao (v.l.n.r.).

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