Aspekte der Dimensionierung von Rohr- und Seilverbindungen in Freiluftschaltanlagen über 1kV Wechselspannung hinsichtlich der mechanischen Anforderungen

Abstract

Schaltanlagen bilden die Knotenpunkte in den elektrischen Energienetzen und sind damit ein zentraler Teil der elektrischen Energieversorgungssysteme. Ein wesentlicher Aspekt der Sicherheit und Zuverlässigkeit von Schaltanlagen ist die mechanische Festigkeit: In elektrischen Anlagen treten elektrische (anliegende elektrische Spannungen), thermische (Erwärmung durch den elektrischen Stromfluss im Normalbetrieb und im Fehlerfall) und mechanische Beanspruchungen (Eigengewicht, zusätzliche Lasten wie Eis und Wind, elektromagnetische Kraftwirkung insbes. bei Kurzschlüssen) auf. Elektrische Anlagen müssen daher, unter anderem, so ausgelegt werden, dass sie die, während ihrer gesamten vorgesehenen Lebensdauer, zu erwartenden mechanischen Belastungen ausreichend standhalten können. Oftmals sind die notwendigen Eingangs- bzw. Eingabeparameter für die Bemessung jedoch unklar. Der Konkretisierung dieser Parameter hinsichtlich der Auslegung von Freiluftschaltanlagen, und der notwendigen und sinnvollen Überlagerungen dieser, widmet sich die vorliegende Arbeit. Um einen Überblick über die relevanten Parameter zu erhalten, wird einleitend die Rechtslage in Österreich und danach die wesentlichen Normen und die darin enthaltenen Begriffe und Festlegungen, welche für die mechanische Auslegung von Schaltanlagen relevant sind, besprochen. Die zu erwartenden Einwirkungen, deren Grundprinzipien und die damit verbundenen Begriffe, werden darauffolgend dargestellt und erläutert. Ergänzend zu den Ausführungen in den entsprechenden Normen sollen diese etwas genauer, und für das allgemeine Verständnis ausreichend, besprochen werden. Daraus können jene mechanischen Beanspruchungen abgeleitet werden, welchen Betriebsmittel, Tragkonstruktionen und Fundamente ausgesetzt sind und welchen sie standhalten müssen. Aus diesen Informationen werden, unter Berücksichtigung der für Energieversorgungsanlagen typisch langen Nutzungsdauern von vielen Jahrzehnten (50+ Jahre), Auslegungsgrundsätze für Neuanlagen abgeleitet und vorgeschlagen. In Anlehnung an diese Auslegungsgrundsätze für Neuanlagen werden Beurteilungskriterien für bestehende Altanlagen angeführt. Um eine wirtschaftliche Weiternutzung über die verbliebene Restlebenszeit dieser Anlagen zu ermöglichen, werden sinnvolle Reduktionen der Anforderungen vorgeschlagen.

Switchgear systems form the central nodes in electrical energy networks and are therefore a central part of transmission and distribution in electrical energy supply systems. An essential aspect of the safety and reliability of switchgear is mechanical strength: In electrical systems there are electrical (applied electrical voltages), thermal (heating due to the electrical current flow during normal operation and in the event of a fault) and mechanical loads (own weight, additional loads such as ice and wind, electromagnetic force effects especially in the case of short circuits). Systems must therefore be designed to adequately withstand the mechanical loads to be expected over their entire intended service life. However, the necessary input parameters for the design are often unclear. The thesis at hand is devoted to the specification of these parameters with regard to the design of outdoor switchgear and the necessary and sensible overlapping of these. In order to get an overview of the relevant parameters, the legal situation in Austria is discussed first, followed by the essential standards and the terms and standards they contain, which are relevant for the mechanical design of switchgear. The expected effects, their basic principles and the associated terms are then presented and explained below. In addition to the explanations in the relevant standards, these should be discussed in more detail and sufficient for general understanding. From this, the mechanical stresses can be derived which equipment, supporting structures and foundations are exposed to and which they have to withstand. From this information, design principles for new systems are derived and proposed, taking into account the typically long useful lives of many decades (50+ years) for energy supply systems. Based on these design principles for new systems, assessment criteria for existing old systems are given. In order to enable economically continued use over the remaining service life of these systems, sensible reductions in requirements are proposed.