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Sicherheitstechnik So lässt sich die Sicherheit von Hochspannungs-Prüfanlagen gewährleisten

| Autor / Redakteur: Dr. Thomas Hinterholzer, Günther Bissle / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Am Lehrstuhl für Hochspannungs- und Anlagentechnik der TU München hat man sukzessive alle Hochspannungs-Versuchsfelder modernisiert. Die zugehörige Mess- und Steuerungstechnik wurde dabei komplett erneuert und mit Sicherheitskomponenten von ABB Stotz-Kontakt sicherheitstechnisch auf den neuesten Stand gebracht.

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Die 18 m hohe Transformatorenkaskade an der TU München liefert eine maximale Prüfwechselspannung von 1,2 MV.
Die 18 m hohe Transformatorenkaskade an der TU München liefert eine maximale Prüfwechselspannung von 1,2 MV.
(ABB)

Das Fachgebiet Hochspannungstechnik wurde an der TU München (damals noch TH) 1923 eingeführt. Das Lehrstuhlgebäude mit den darin befindlichen Hochspannungsprüf- und Versuchsfeldern wurde Ende der fünfziger Jahre neu erbaut und 1963 offiziell eingeweiht. Seitdem stehen dem Lehrstuhl eine große Hochspannungs-Versuchshalle (34 x 23 x 19 m) und zwei kleinere Hochspannungs-Versuchsfelder mit Prüfanlagen für hohe Wechsel-, Gleich- und Stoßspannungen sowie eine Prüfanlage für impulsförmige Stoßströme zur Verfügung.

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Transformatorenkaskade für Wechselspannungen bis 1,2 MV

In der großen Hochspannungs-Versuchshalle steht zur Erzeugung hoher Wechselspannungen eine dreistufige Transformatorenkaskade zur Verfügung. Jeder der drei sekundärseitig in Reihe geschalteten Einzeltransformatoren stellt eine maximale Ausgangsspannung von 400 kV(eff) zur Verfügung, so dass sich bei standardmäßiger Kaskadenschaltung eine max. Prüfwechselspannung von 1200 kV(eff) erzeugen lässt. Je nach gewünschter Ausgangsspannung, werden die drei Einzeltransformatoren primärseitig mit einer Wechselspannung von 0 bis 5 kV erregt.

Die Erregerleistung wird von einem rotierenden Umformer zur Verfügung gestellt. Dies erlaubt eine geringe maximale Kurzschlussleistung und eine auch in der Frequenz veränderbare Prüfspannung. Zur Erzeugung hoher Gleichspannungen kann man die erzeugte Wechselspannung mit Hilfe eines Einweggleichrichters gleichrichten und durch einen fest im Versuchsfeld installierten Kondensator glätten. Als Glättungskapazität stehen dabei 16 nF bei einer max. Spannung von 1400 kV zur Verfügung. Auch hier muss sichergestellt sein, dass beim Betreten des Versuchsfeldes der Glättungskondensator auf eine ungefährliche Spannung entladen ist. Hierfür steht eine elektromechanisch betätigte Entladeeinrichtung zur Verfügung.

Impulsförmige Stoßspannungen bis 2,4 MV

Generatoren zur Erzeugung impulsförmiger Stoßspannungen bestehen gewöhnlich aus mehreren Kondensatorgruppen, die zunächst gemeinsam in Parallelschaltung über eine Ladegruppe (Hochspannungstransformator mit nachgeschalteter Einweggleichrichtung) auf eine vorwählbare maximale Spannung aufgeladen werden. Im vorliegenden Fall werden 12 Kondensatorgruppen auf eine max. Spannung von jeweils 200 kV geladen.

Die Ladegruppe wird aus dem Niederspannungsnetz (400 V) gespeist und der Ladevorgang mittels eines Thyristorstellers gesteuert. Die Kondensatorgruppen werden nach dem Ladevorgang durch schnelle Schalter in Reihe geschaltet. Zusammen mit einigen zusätzlichen Widerständen als Beschaltungselemente erhält man so eine impulsförmige Prüfspannung mit doppelexponentiellem Verlauf und einem Scheitelwert von bis zu ca. 2400 kV. Bei maximaler Ladespannung ist in den Kondensatoren des Stoßgenerators eine Energiemenge von 120 kJ gespeichert. Vor dem Betreten des Versuchsfelds muss daher unbedingt sichergestellt sein, dass alle Kondensatorgruppen auf ungefährliche Spannungen entladen sind und so ein eventuelles Berühren der Kondensatoranschlüsse keine Gefährdung des Prüfenden darstellt. Hierfür stehen entsprechende Entlade- und Kurzschlusseinrichtungen zur Verfügung.

Hohe sicherheitstechnische Anforderungen

Die Sicherheitsanforderungen an elektrische Prüfanlagen werden in der EN 50191 bzw. BGI 891 unter anderem durch den „Einsatzzweck" der Prüfanlage bestimmt. Im vorliegenden Fall werden die Prüfanlagen primär zur Durchführung von Versuchen im Rahmen von Forschungs- und Entwicklungsaufgaben verwendet, sie gelten daher als „Versuchsfeld" im Sinne der EN 50191. Die grundlegenden sicherheitstechnischen Anforderungen an Versuchsfelder, wie z.B. die Notwendigkeit entsprechender Abgrenzungen der Versuchsbereiche, entsprechende Kennzeichnungen und die Anzeige der Betriebszustände an den Zugangstüren, das Vorhandensein von Not-Aus-Einrichtungen sowie von Rettungswegen und Notausgängen sind in EN 50191 beschrieben. Darüber hinaus fordert die BGI 891 „bei der Konzipierung von Prüfanlagen die allgemeinen Gestaltungsleitsätze zur Sicherheit von Maschinen", bezüglich dem sicherheitsbezogenen Teil der Steuerung des Versuchsfelds bzw. der Spannungserzeuger also EN ISO 13849-1 anzuwenden. Unter Berücksichtigung aller sicherheitsrelevanten Aspekte ergab sich aus der Risikobeurteilung ein erforderlicher Performance-Level von d (PLr=d) für einige wenige Sicherheitsfunktionen.

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