Institut für Energietechnik (IET)
HSR

Best Poster Award für die HSR in Hangzhou

Verleihung des Best Poster Awards mit dem HSR Preisträger Thomas Franz (Vierter von rechts)

An einer der bekanntesten internationalen Konferenzen im Bereich der elektromagnetischen Feldberechnungen (Conference on Electromagnetic Field Computation CEFC) konnte sich ein ehemaliger HSR-Student mit der Präsentation seiner Masterarbeit gegen die harte Konkurrenz etablieren. Von den rund 800 Arbeiten, welche Forscher aus aller Welt präsentierten, wurden sechs für den «Best Poster Award» ausgezeichnet. Darunter befand sich überraschend auch Thomas Franz vom IET mit seinem Poster mit dem Titel «Time Domain Inrush Current Simulations of Power Transformers». Diese Konferenz findet alle zwei Jahre statt und wurde 2018 in Hangzhou, China abgehalten.

Hintergrund und Inhalt der Arbeit

Die Masterarbeit, im Bereich der elektrischen Energietechnik, wurde zusammen mit dem Elektrizitätswerk des Kantons Thurgau (EKT AG) durchgeführt. In dieser Arbeit ging es hauptsächlich um die Berechnung von mitschwingenden Einschaltströmen bei Leistungstransformatoren. 

In den Unterwerken der EKT AG befinden sich aus Redundanzgründen jeweils zwei parallel geschaltete Leistungstransformatoren. Dabei trägt ein Transformator die gesamte Last des Einzugsgebietes. Der zweite ist freigeschaltet und wird nur eingeschalten um Fehlzustände im Netz auszugleichen oder Unterhaltsarbeiten durchzuführen. Beim Einschalten des einten Transformators werden bei dem zweiten, bereits belasteten Transformator, Spannungseinbrüche auf der Mittelspannungsseite aufgezeichnet. Diese Spannungseinbrüche beeinträchtigen die Qualität des Netzes und können ein Ausmass erreichen, dass sogar die Erdschlusserkennung eine Alarmmeldung auslöst. Es besteht die Gefahr, dass das gesamte Teilgebiet vom Stromnetz getrennt werden könnte. Auch Endkunden wie zum Beispiel das Stadtwerk Amriswil bemerkten diese Spannungsschwankungen und das führte zu unbequemen Rückfragen an die EKT AG.

Das Phänomen der Einschaltströme bei Leistungstransformatoren ist weit bekannt und kann schon seit Jahrzehnten mit guter Genauigkeit berechnet werden. Ein Transformator der eingeschaltet wird, erzeugt jedoch nicht nur in sich selbst hohe Einschaltströme, sondern kann parallel geschaltete Transformatoren ebenfalls in Sättigung führen. In dem Transformator, welcher sich vorher bereits in Betrieb befand, werden somit auch Einschaltstromspitzen erzeugt. Das gekoppelte System erfährt dadurch den Effekt der sogenannten mitschwingenden Einschaltströme (engl. Sympathetic Inrush Current). Die Theorie legt nahe, dass die mitschwingenden Einschaltströme die Hauptursache für das ursprüngliche Spannungsproblem sind. Dieses Phänomen ist vor allem in kompensierten Mittelspannungsnetzen weit weniger genau dokumentiert als der einfache Einschaltstrom. Darum musste ein detailliertes Simulationsmodell des Unterwerks in EMTP (Electromagnetic Transients Program) erstellt werden um die nichtlinearen Effekte bei den Schaltvorgängen aufzuzeigen. Die Schwierigkeit dabei war hauptsächlich die korrekte Modellierung der Transformatoren. Zur Bestimmung der Trafoparameter wurden unteranderem auch magnetische Feldsimulationen mit einer FEM-Software durchgeführt.

Resultate

Im Wesentlichen wurde in der Masterarbeit gezeigt, dass die Einstellung der Erdschlusslöschspule den stärksten Einfluss auf die sekundärseitigen Spannungsschwankungen des Transformators hat. Wenn die Erdschlusslöschspule nahe am Resonanzpunkt betrieben wird, ruft das die Spannungseinbrüche hervor, wie sie in der Problemstellung beschrieben sind. Wie vermutet, ist der Grund für dieses Phänomen der mitschwingende Einschaltstrom.

Vergleich der simulierten Spannungen auf der Mittelspannungssammelschiene mit den Messungen im Unterwerk.

Des Weiteren konnte mit transienten Simulationen gezeigt werden, dass mit Hilfe des Stufenschalters am Transformator die Einschaltströme gedämpft werden können, um damit die Spannungsschwankungen auf der Mittelspannungsseite zu minimieren. 

An der CEFC Konferenz wurden dann hauptsächlich die Resultate der transienten FEM-Simulationen präsentiert. Diese Simulationen führte der Absolvent mit einer kommerziellen Software für magnetische Feldberechnungen (MagNet von Infolytica) durch. Es wurde eine neuartige Methode entwickelt, um die Remanenz des Transformatorkerns zu berücksichtigen, was entscheidend wichtig ist für die korrekte Berechnung der Einschaltströme. Anhand von Messdaten aus den Unterwerken der EKT AG konnten die Simulationsmodelle mit einer guten Übereinstimmung verifiziert werden.

Feldbild der magnetischen Flussdichte zum Zeitpunkt der ersten Einschaltstromspitze (links) und der Vergleich der Einschaltströme zwischen den verschiedenen Simulationsmethoden und der Messung (rechts).

Schlusswort

Die häufig angesprochene Energiewende führt laufend zu Anpassungen und Erweiterungen an den Verteilnetzen. Weil gleichzeitig die Anforderungen an die Qualität und Stabilität der elektrischen Energieübertragung in der heutigen Zeit immer grösser werden, sind die Netzbetreiber vor grosse Aufgaben gestellt. Die Unterstützung seitens der Fachhochschulen, wie in diesem Beispiel mit einer Masterarbeit, kann für die Netzbetreiber in Zukunft von grossem Nutzen sein.

Kontaktpersonen

Thomas Franz, Mitarbeiter der Gruppe CAEM am IET an der HSR.
Email: thomas.franz(at)hsr.ch

Prof. Dr. Jasmin Smajic, Leiter der Gruppe Computational & Applied Electromagnetics Group (CAEM) und Partner  des Institut für Energietechnik  (IET) an der Hochschule für Technik Rapperswil (HSR).
Email: jasmin.smajic(at)hsr.ch

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