Forschungsgemeinschaftfür Elektrische Anlagen

und Stromwirtschaft e. V.

Forschungsreportzum Schlussbericht des AiF-Forschungsvorhabens 12660 Nzum Schlussbericht des AiF-Forschungsvorhabens 12660 Nzum Schlussbericht des AiF-Forschungsvorhabens 12660 Nzum Schlussbericht des AiF-Forschungsvorhabens 12660 Nzum Schlussbericht des AiF-Forschungsvorhabens 12660 N

Februar 2004

Gemeinsam mit dem DKE-Unterkomitee 121.2 “Kurzschlusskräfte inSchaltanlagen” und mit Unterstützung dessen Arbeitskreises “Kurz-schlussversuche” hat die FGH kürzlich eine umfangreiche Reihe syste-matischer Untersuchungen der mechanischen Kurzschlusswirkungen inSchaltanlagen abgeschlossen. Im Mittelpunkt standen dabei Anord-nungen aus Spannfeldern mit Seilleitern, die als Zweifach-Bündelausgeführt und mit Abstandshaltern versehen sind. Ziel der Untersu-chungen war es, bestehende Lücken in der DIN EN 60865 [1] zu schlie-ßen.

Das Vorhaben wurde aus Haushaltsmitteln des Bundesministeriumsfür Wirtschaft und Arbeit über die Arbeitsgemeinschaft industriellerForschungsvereinigungen “Otto von Guericke” e.V. (AiF) unter derProjektnummer 12660 N gefördert.

Mechanische Mechanische Mechanische Mechanische Mechanische WWWWWirkirkirkirkirkungungungungungen ven ven ven ven von Kon Kon Kon Kon Kurururururzschlusskrzschlusskrzschlusskrzschlusskrzschlusskräfäfäfäfäftententententenbei Schaltanlagen mit Bündelleiternbei Schaltanlagen mit Bündelleiternbei Schaltanlagen mit Bündelleiternbei Schaltanlagen mit Bündelleiternbei Schaltanlagen mit Bündelleitern

Ausgangssituation

Der erforderliche Nachweis der mechanischen Kurz-schlussfestigkeit von Freiluft-Hochspannungsschalt-anlagen lässt sich im Gegensatz zu typgeprüften, fabrik-fertigen Anlagen praktisch nur rechnerisch führen. DieNorm DIN EN 60865-1 [1], identisch mit IEC 60865-1 [2],beschreibt ein praxisorientiertes Berechnungsverfahrenfür die Kurzschlussbelastung und die entsprechendemechanische Auslegung der Schaltanlage. Das Verfahrenberücksichtigt durch eingebaute Sicherheiten die mögli-chen Variationen der relevanten strukturbedingtenmechanischen Einflüsse der Konstruktionsteile. Nachteiligist, dass zur Zeit noch nicht alle üblichen Anordnungenberechenbar sind und hinsichtlich der Bemessung vonPortalen und ihrer Fundamente noch keine gesichertenLösungen vorliegen.

Dies gilt insbesondere für die international sehr häufigvorkommende Anordnung eines Spannfeldes mit

Seilleitern (langes Spannfeld), die als Zweifach-Bündelausgeführt und mit Abstandshaltern versehen sind,wodurch zusätzlich zu den bekannten Kräften durch dasAusschwingen und Rückfallen der Bündelleiter noch dieKräfte durch das Zusammenziehen der Einzelleiter(Kontraktionskräfte) des Bündel hinzukommen.

Neben den Berechnungen mit einfachen physikalischenModellen erlauben Großrechenprogramme auf der Basisder Finite-Elemente-Methode (FEM) insbesondere beiAnordnungen hoher Komplexität eine wesentlichdetailliertere Untersuchung der mechanischen Problemebei elektrodynamischen Anregungen. Auch für dieseAnwendung ist die Bereitstellung von Kontrolldaten-sätzen aus anlagentypischen Versuchen und die Verifika-tion von Ergebnissen durch realitätsnahe Kurzschluss-versuche unerlässlich.

Forschungsreport

Forschungsergebnis

Beispiele für Seilzugkräfte

Das Verhalten der Bündelleiter beim Kurzschluss und diedabei auf das Portal wirkenden Kräfte seien am Beispielzweier Versuche in der 400-kV-Anordnung beschrieben.

Lösungsweg

Es wurde ein umfangreiches experimentelles Versuchs-programm durchgeführt, in welchem die mechanischenWirkungen von Kurzschlussströmen erfasst wurden.Hierzu gehörten:

• die Beanspruchung der Leiterseile,• das Ausschwingen mit Näherung/Berührung der

Hauptleiter,• die Näherung/Berührung der Teilleiter,• die Beanspruchung der Feldabstandhalter,• die Beanspruchung der Armaturen/Verbindungsmittel,• die Beanspruchung der Isolatorketten,• die Beanspruchung der Stahlbauten (Portale, Maste) und• die Beanspruchung ihrer Fundamente.

Untersucht wurden zwei Varianten, die im folgenden als100-kV-Anordnung und 400-kV-Anordnung bezeichnet

Leiter, Armaturen, Isolatoren und Mastportale in Schaltan-lagen bilden ein komplexes mechanisches System miteinander gegenseitig beeinflussenden Komponenten, dasnaturgemäß in vereinfachten Berechnungsverfahren zurpraxisnahen Abschätzung der Belastung nicht komplettberücksichtigt werden kann. Stattdessen ermittelt manals Kenngröße für die Auslegung der Portale eine äquiva-lente statische Kraft, als ESL (Equivalent Static Load)bezeichnet [3]. Diese ist so bemessen, dass sie an denAnschlusspunkten der Leiter einwirkend zur selbenBelastung führt wie die maximal auftretende dynamischeBeanspruchung der Portalstrukturen und ihrer Funda-mente durch den Kurzschluss.

Die derzeitige Norm verlangt, dass das Maximum derauftretenden dynamischen Kräfte als ESL anzunehmen ist(Gleichbehandlung dynamisch und statisch auftretenderKräfte). Dies führte unter Experten häufig zu Diskussio-nen, ob diese Annahme zu Auslegungen führt, diemöglicherweise zu weit auf der sicheren Seite oder aberauf der unsicheren Seite liegen.

Der erweiterte DKE-Arbeitskreis “Kurzschlussversuche” hatnach Erörterung des Stands der Technik und der Interes-senlage dieses Forschungsvorhaben vorgeschlagen, dasdie Kurzschlusswirkungen bei Bündelleitern mit Normal-abständen der Teilleiter untersuchen und somit insbeson-dere zur Klärung der Bedeutung der sehr kurzzeitigeinwirkenden Kontraktionskräfte für die Portal- undFundamentbemessung beitragen soll.

Die Ergebnisse des beschriebenen Projekts sollen - wieoben ausgeführt - eine Lücke im internationalen Normen-werk der IEC / EN 60865–1 schließen. Auch sollen dieunmittelbaren Ergebnisse der Untersuchungen derValidierung bzw. Erweiterung von bereits vorhandenenFEM-Modellen dienen.

werden. Sie unterscheiden sich in der Abspannhöhe, demPhasenabstand und dem Seilzug (Durchhang). Weiterevariierte Parameter bei den Untersuchungen waren dieKurzschlussstromstärke, die Kurzschlussdauer, die Art undAnzahl der Abstandshalter sowie der Teilleiterabstand.Neben den Messungen verschiedenster Krafteinwirkun-gen während der Kurzschlussversuche wurden auch dieFedersteifigkeit und Eigenfrequenz der Portalanordnun-gen ermittelt. Dies diente dazu, die Nachvollziehbarkeitmittels Modellberechnungen zu ermöglichen.

Beide Varianten wurden als zweiphasiger Aufbau (Hin-und Rückleiter) realisiert. Obwohl sich die Versuchs-ergebnisse aufgrund der notwendigen Beschränkungendurch die gewählte Versuchsanordnung der unmittelba-ren praktischen Anwendung entziehen, erlauben siedennoch, bestehende Modelle so zu ergänzen, dass eineAnwendbarkeit auf beliebige reale Ausführungsfälleermöglicht wird. Bild 1 zeigt die Versuchsanordnung fürdie 400-kV-Anordnung.

Bild 1 Ansicht der 400-kV-Versuchsanordnung

Für alle mechanischen Versuchsvarianten des Versuchs-programms wurden Kurzschlussversuche mit 20 kA, 28 kAund 40 kA Stromhöhe und jeweils 0,1 s, 0,2 s und 0,3 sStromflussdauer durchgeführt. Versuche mit einemTeilleiterabstand von 0 cm dienten als Referenzmessun-gen, die sowohl in der 100-kV- als auch in der 400-kV-Anordnung durchgeführt wurden. Hierbei wurden dieLeiterseile der Bündel mit Seilklemmen zu einem engenBündel zusammengefasst.

Die Messung des zeitlichen Verlaufs von bis zu 28 Mess-größen erfolgte mittels Transientenrekordern, so dass alleMesswerte in digitaler Form zur weiteren Verarbeitungvorliegen.

Forschungsziel

Forschungsreport

In Bild 2 ist oben zunächst der Verlauf des Kurzschluss-stromes über der Zeit zu sehen. Darunter sind die zeitli-chen Verläufe der Seilzugkräfte von zwei unterschiedli-chen Versuchen aufgetragen. Beim ersten Versuch(LV 501-02/161) wurde das enge Bündel mit ca. 1 cm(nominell “0 cm”) Teilleiterabstand eingesetzt, beimzweiten Versuch (LV 501-02/217) hatte das Bündel einenTeilleiterabstand von 40 cm und war mit zwei Abstands-haltern bestückt. Für diese Darstellung wurden die ge-messene Signale mit einem 5-Hz-Tiefpassfilter aufbereitet.

Zu Beginn des Kurzschlusses werden die Teilleiter einesBündels durch das Magnetfeld des parallel fließendenStroms aneinander gepresst. Diese Bündelkontraktiongeschieht - abhängig von der Höhe des Stroms und demAbstand der Bündelleiter - im Zeitbereich unter 0,1 s undendet mit dem Abschalten des Stromes. Durch dieKontraktion der Seile wird die freie Seillänge verkürzt undeine Kraft auf die Aufhängungen im Portal ausgeübt.

Das KKKKKononononontrtrtrtrtraktionsmaximumaktionsmaximumaktionsmaximumaktionsmaximumaktionsmaximum Fpi ist in Versuch 161 nur alskleiner Zacken im zeitlichen Verlauf bei ca. 40 ms zuerkennen. Die Verkürzung der Seillänge und damit die aufdas Portal ausgeübte Kraft ist umso größer, je weiter derTeilleiterabstand und je höher die Zahl der im Spannfeldeingesetzten Abstandshalter ist. Während dasKontraktionsmaximum beim Versuch 161 nur aus demZusammenschlagen der lose nebeneinander liegendenTeilleiter herrührt, hat es beim Versuch 217 mit 40 cmTeileiterabstand und zwei Abstandshaltern deshalb einenWert, der mit 43,9 kN das bestimmende der betrachtetenKraftmaxima ist. Durch diese stoßartige Anregung gerätdie gesamte Versuchsanordnung in Schwingungen, dieden weiteren Kraftverlauf deutlich beeinflussen.

FGH - LV 501-02/161

i3-50

-60.0 kA

100 kA

100 kA

40.3 kA eff

KPO-5

-50.0 kN

0 kN

-29.2 kN

-7.19 kN

-34.2 kN

0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1

s

KPO-5

-50.0 kN

0 kN

-43.9 kN

-9.83 kN

-40.0 kN

FGH - LV 501-02/217

Bild 2 Vergleich der vom östlichen Leiterbündelende aufdas Portal ausgeübte KräfteLV 501-02/161: 400-kV-Anordnung, enges BündelLV 501-02/217: 400-kV-Anordnung, 40 cm Teilleiterabstand,

zwei Abstandshalter

Mit Stromflussbeginn beginnt der in den beiden Bündelnentgegengesetzt fließende Strom die Bündel nach außenauseinanderzutreiben. Die Beschleunigung, mit der dieBündel auseinandergetrieben werden, ist abhängig vonder Stromhöhe und um so größer, je kleiner der Phasen-abstand der Bündel ist. Der Zeitpunkt, zu dem die Bündelihren maximalen Abstand erreichen und somit die größteKraft auf das Portal ausüben, ist wiederum abhängig vonder eben erwähnten Beschleunigung, den bewegtenMassen, der Dauer des Stromflusses und dem Leiterseil-durchhang und liegt im Zeitbereich von ca. 0,2 bis 0,3 s.Bei Versuch 161 tritt ein ausgeprägtes AAAAAusschusschusschusschusschwingmaxi-wingmaxi-wingmaxi-wingmaxi-wingmaxi-mummummummummum Ft nach ca. 0,3 s auf und erreicht einen Wert von29,2 kN. Hingegen reduziert sich dieses “Maximum” beiVersuch 217 auf eine kurze (Doppel-)Spitze bei ca. 0,25 s,die noch erheblich durch die vom Kontraktionsmaximumangeregten hochfrequenten Schwingungen überlagertist.

Nach Stromflussende werden die Bündel durch dieaufgebaute Federspannung wieder nach innen beschleu-nigt, steigen dabei aufgrund ihrer Trägheit zunächst nochweiter nach oben auf und fallen dann innen wieder nachunten. Die durch das Rückschwingen der Leiterseile inVerbindung mit ihrem Fall nach unten erzeugte Kraft aufdas Portal wird als LeiterfallmaximumLeiterfallmaximumLeiterfallmaximumLeiterfallmaximumLeiterfallmaximum Ff bezeichnet. Estritt bei Versuch 161 ca.1,05 s nach Stromflussbeginn aufund ist mit 34,2 kN das bestimmende der drei betrachte-ten Maxima. Bei Versuch 217 tritt es schon ca. 0,9 s nachStromflussbeginn auf und erreicht, noch immer durchoben genannte Schwingungen überlagert, 40,0 kN.

Nachdem die vom ausgeprägten Kontraktionsmaximumin Versuch 217 ausgelösten Schwingungen abgeklungensind (nach ca. 1,2 s), ähneln sich die Verläufe beider Kräftewieder. Dabei tritt in beiden Verläufen die wirksameEigenfrequenz der Portalanordnung von etwa 3,3 Hzallmählich stärker in Erscheinung.

Beispiele innerer Portalbeanspruchungen

Da die inneren Portalbeanspruchungen - anders als beiden von Bündelleitern erzeugten Kräften - spezifisch fürdas bei den Versuchen verwendete Portal sind, könnendie im folgenden getroffenen Aussagen nicht unbedingtverallgemeinert werden.

Auch die Belastung der Mastfüße beim Kurzschluss sei amBeispiel der beiden bereits genannten Versuche in der400-kV-Anordnung erläutert. Bei den in Bild 3 dargestell-ten Kräften MAFUO handelt es sich jeweils um dieSumme der im östlichen Mastfuß gemessenen Kräfte.Auch für diese Darstellung wurden die gemessenenSignale mit einem 5-Hz-Tiefpassfilter aufbereitet.

Bei den Auswertungen der Versuche ergaben sich Eigen-frequenzen der gesamten Versuchsanordnung von ca. 3,4Hz bei der 100-kV-Anordnung und ca. 3,1 Hz bei der 400-kV-Anordnung. Wie ein Vergleich der Signalverläufe desVersuchs 161 in Bild 2 und Bild 3 zeigt, bedeutet das, dassdas Portal in der Lage ist, den Bewegungen der Leiter-

Forschungsreport

ImpressumHerausgeber

Hallenweg 40, 68219 MannheimTel. 0621/80 47-101, Fax 0621/80 47-113Internet: http://www.fgh-ma.deE-Mail: fgh@fgh-ma.deVerantwortlich: Prof. Dr.-Ing. A. Schnettler

Mitglied derArbeitsgemeinschaft industriellerForschungsvereinigungen

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und Stromwirtschaft e. V.

Für weitere Informationen steht Ihnen zur Verfü-gung:Dr.-Ing. Volker Pitz Telefon 0621/8047-250

Weitere Informationen

AusblickEs ist davon auszugehen, dass die Ergebnisse der Untersu-chungen die veranlassenden, interessierten DKE-, IEC- undCIGRE-Gremien in die Lage versetzen, die von ihnenbeabsichtigten weiterführenden theoretischen Studien indie Wege zu leiten und durchzuführen, damit normungs-fähige Berechnungsverfahren für Anlagen der betrachte-ten Bauart gefunden und die Lücken im bestehendenNormenwerk geschlossen werden können.

Die Ergebnisse dieses Vorhabens werden zudem zusam-menfassend auf der CIGRÉ-Session 2004 in Paris präsen-tiert werden.

BezugsquellenDer Schlussbericht kann auf Anfrage bei der FGHbezogen werden.

FGH - LV 501-02/161

i3-50

-60.0 kA

100 kA

100 kA

40.3 kA eff

MAFUO-5

-400 kN

300 kN

-174 kN

195 kN

-271 kN

0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1

s

MAFUO-5

-400 kN

300 kN

-339 kN

215 kN

-287 kN

FGH - LV 501-02/217

Bild 3 Vergleich der Kräfte am östlichen Mastfuß bei zweiverschiedenen VersuchenLV 501-02/161: 400-kV-Anordnung, 80 cm Durchhang,

enges BündelLV 501-02/217: 400-kV-Anordnung, 80 cm Durchhang,

40 cm Teilleiterabstand, zwei Abstandshalter

bündel beim Aus- und Rückschwingen zu folgen. BeiVersuchen mit nur geringem Einfluss der Bündel-kontraktion können sich daher den Maxima der Seilzug-kräfte beim Ausschwingen und Rückfallen der Bündel-leiter ebensolche Maxima in den Belastungen derMastfüße des Portals eindeutig zuordnen lassen.

Anders sieht es hingegen aus, wenn der Kontraktions-einfluss deutlich höher ist als der Einfluss durch dieLeiterseilbewegung, wie z.B. bei Versuch 217 in Bild 3. Indiesem Fall wird das Portal stoßartig angeregt und dieresultierenden Belastungen in den Mastfüßen des Portalsergeben sich aus einem Gemisch der Eigenschwingungendes angeregten Portals und der weiterhin von außeneinwirkenden Bündelbewegungen. Bei dem erwähntenVersuch führt dieses Verhalten dazu, dass zu einemZeitpunkt, zu dem bei einem Versuch ohne Kontrak-tionseinfluss das Ausschwingmaximum auftritt (z.B. beiVersuch 161 nach ca. 0,3 s), hier die Belastung am Mastfußfast Null ist.

Insgesamt wurden 189 Versuche mit Variationen derelektrischen und mechanischen Parameter an den 100-kV-und 400-kV-Anordnungen durchgeführt. Alle erfasstenMessgrößen wurden systematisch ausgewertet und sindausführlich in unserem Schlussbericht dargestellt.

Literatur[1] DIN EN 60865-1 (VDE 0103):1994: Kurzschlussströme

- Berechnung der Wirkung -Teil 1: Begriffe und Berechnungsverfahren

[2] IEC 60865-1:1993; Short-circuit currents - Calculationof effects - Part 1: Definitions and calculationmethods.

[3] CIGRE Working Group 23.03: The mechanical effectsof short-circuit currents in open air substations(Part II). CIGRE Vol. 214, Paris 2002