Präsentation - bei der IG VPE Swiss
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Gekoppelte elektromagnetischmechanische<br />
Analyse von<br />
elektrischen Generator-Schaltern<br />
Prof. Dr. Jasmin Smajic<br />
Institut für Energietechnik<br />
Rapperswil, 24. April 2013
Inhalt<br />
• Einleitung<br />
• Kurzschlussströme<br />
• Gekoppelte elektromagnetisch-mechanische Analyse<br />
• Beispiel 1: ABB Geno-Testschalter<br />
• Beispiel 2: ABB Geno-Schalter HECS-130R<br />
• Zusammenfassung<br />
2<br />
Smajic, Gekoppelte elektromagnetisch-mechanische Analyse von elektrischen Generator-Schaltern, Rapperswil, 24.04.2013
Einleitung<br />
Power transmission lines<br />
Step-up<br />
transformer<br />
> 110kV<br />
GCB<br />
Generator<br />
< 30kV<br />
Die Zusammenar<strong>bei</strong>t <strong>der</strong> HSR mit ABB CHHOS in Oerlikon durch das Projekt:<br />
„Gekoppelte elektromechanische Analyse des Geno-Schaltersˮ (seit 01.12.2011)<br />
ABB Fabrik in Oerlikon (CHHOS) ist <strong>der</strong> Technologie- und Weltmarktführer:<br />
• Weltmarktgrösse ~ 180 MUS$ (~ 450 GCBs)<br />
• Marktanteil von ABB ~ 75%, 140 MUS$ (~ 340 GCBs)<br />
3<br />
Smajic, Gekoppelte elektromagnetisch-mechanische Analyse von elektrischen Generator-Schaltern, Rapperswil, 24.04.2013
Kurzschlussströme<br />
I eee = 215 kk<br />
f = 50 HH<br />
τ = 133 mm<br />
Kurzschlussstrom (kA)<br />
600<br />
400<br />
200<br />
0<br />
-200<br />
-400<br />
R<br />
S<br />
T<br />
-600<br />
0 20 40 60 80<br />
Zeit (ms)<br />
4<br />
Smajic, Gekoppelte elektromagnetisch-mechanische Analyse von elektrischen Generator-Schaltern, Rapperswil, 24.04.2013
Gekoppelte elektromagnetisch-mechanische Analyse<br />
EM-Teil<br />
Stationäre 3D magnetostatische<br />
Analyse<br />
Software: ANSYS Emag<br />
Magnetische Kraftberechnung<br />
ME-Teil<br />
Transiente mechanische Analyse<br />
(im Zeitbereich)<br />
Software: ANSYS Structural<br />
J. Smajic, Coupled Electromagnetic-Mechanical Dynamic<br />
Analysis of Generator Circuit Breakers, IEEE Compumag<br />
Conference, Budapest, 2013.<br />
5<br />
Smajic, Gekoppelte elektromagnetisch-mechanische Analyse von elektrischen Generator-Schaltern, Rapperswil, 24.04.2013
Beispiel 1: ABB Geno-Testschalter<br />
Geometrie des Schalters mit (links) und<br />
ohne Gehäuse.<br />
Nennspannung: 25.3kV<br />
Nennstrom: 9kA<br />
Kurzschlussausschaltstrom: 63kA<br />
Ausschaltdauer: 60ms<br />
6<br />
Smajic, Gekoppelte elektromagnetisch-mechanische Analyse von elektrischen Generator-Schaltern, Rapperswil, 24.04.2013
Beispiel 1: ABB Geno-Testschalter<br />
Das FEM-Netz des Schalters:<br />
N e =564’290<br />
N n =998’731<br />
7<br />
Smajic, Gekoppelte elektromagnetisch-mechanische Analyse von elektrischen Generator-Schaltern, Rapperswil, 24.04.2013
Beispiel 1: ABB Geno-Testschalter<br />
Randbedingung: u x = u y = u z = 0<br />
8<br />
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Beispiel 1: ABB Geno-Testschalter<br />
I EFF =63 (kA)<br />
200<br />
150<br />
Kurzschlussstrom (kA)<br />
100<br />
50<br />
0<br />
-50<br />
-100<br />
-150<br />
-200<br />
0 0.02 0.04 0.06 0.08<br />
I R<br />
Zeit (s)<br />
Der Pfad (links) und die Zeitfunktion des Kurzschlussstromes.<br />
9<br />
Smajic, Gekoppelte elektromagnetisch-mechanische Analyse von elektrischen Generator-Schaltern, Rapperswil, 24.04.2013
Beispiel 1: ABB Geno-Testschalter<br />
I EFF =63 (kA)<br />
200<br />
150<br />
Kurzschlussstrom (kA)<br />
100<br />
50<br />
0<br />
-50<br />
-100<br />
I R<br />
Smajic, Gekoppelte elektromagnetisch-mechanische Analyse von elektrischen Generator-Schaltern, Rapperswil, 24.04.2013<br />
-150<br />
-200<br />
0 0.02 0.04 0.06 0.08<br />
Zeit (s)<br />
Der Pfad (links) und die Zeitfunktion des Kurzschlussstromes.<br />
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Beispiel 1: ABB Geno-Testschalter<br />
I R<br />
Die Verteilung <strong>der</strong> Stromdichte<br />
11<br />
Smajic, Gekoppelte elektromagnetisch-mechanische Analyse von elektrischen Generator-Schaltern, Rapperswil, 24.04.2013
Beispiel 1: ABB Geno-Testschalter<br />
I R<br />
Die Verteilung <strong>der</strong> Stromdichte<br />
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Smajic, Gekoppelte elektromagnetisch-mechanische Analyse von elektrischen Generator-Schaltern, Rapperswil, 24.04.2013
Beispiel 1: ABB Geno-Testschalter<br />
Die Auslenkung <strong>der</strong> Struktur (Animation!)<br />
13<br />
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Beispiel 1: ABB Geno-Testschalter<br />
Die Auslenkung <strong>der</strong> Struktur (Animation!)<br />
14<br />
Smajic, Gekoppelte elektromagnetisch-mechanische Analyse von elektrischen Generator-Schaltern, Rapperswil, 24.04.2013
Beispiel 1: ABB Geno-Testschalter<br />
Von Mises Stress (Aluminum):<br />
4<br />
3.5<br />
Von Mises Stress (MPa)<br />
3<br />
2.5<br />
2<br />
1.5<br />
1<br />
0.5<br />
0<br />
0 0.02 0.04 0.06 0.08<br />
Time (s)<br />
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Beispiel 2: ABB Geno-Schalter HECS-130R<br />
ABB Geno-Schalter<br />
HECS-130R<br />
Nennspannung:<br />
25.3kV<br />
1120mm<br />
Nennstrom:<br />
9kA<br />
1885mm<br />
Kurzschlussausschaltstrom:<br />
130kA<br />
Ausschaltdauer:<br />
60ms<br />
2700mm<br />
Masse:<br />
3.5t<br />
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Smajic, Gekoppelte elektromagnetisch-mechanische Analyse von elektrischen Generator-Schaltern, Rapperswil, 24.04.2013
Beispiel 2: ABB Geno-Schalter HECS-130R<br />
I R<br />
I S<br />
I T<br />
Das Model des Schalters ist sehr detailliert und dadurch<br />
sehr realistisch.<br />
17<br />
Smajic, Gekoppelte elektromagnetisch-mechanische Analyse von elektrischen Generator-Schaltern, Rapperswil, 24.04.2013
Beispiel 2: ABB Geno-Schalter HECS-130R<br />
Die Auslenkung <strong>der</strong> Struktur (Animation!)<br />
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Smajic, Gekoppelte elektromagnetisch-mechanische Analyse von elektrischen Generator-Schaltern, Rapperswil, 24.04.2013
Zusammenfassung<br />
• Elektromagnetische Feldsimulationen werden heute regelmässig in <strong>der</strong><br />
Produktentwicklung eingesetzt.<br />
• Die Entwicklungskosten und Entwicklungszeit werden mit den Simulationen<br />
wesentlich reduziert.<br />
• Die mo<strong>der</strong>ne Simulationstechnologie und die mo<strong>der</strong>ne Hardware ermöglichen<br />
sehr komplizierte Simulationsmodelle, die <strong>der</strong> Realität sehr nahe kommen.<br />
• Alle Simulationsmodelle sind falsch, aber einige davon sind nützlich!<br />
19<br />
Smajic, Gekoppelte elektromagnetisch-mechanische Analyse von elektrischen Generator-Schaltern, Rapperswil, 24.04.2013
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