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Störlichtbögen in Druckluftkabeln
Verhalten von Druckluftkabeln bei internen Störlichtbögen, Druckaufbau und Fehlerlokalisierung in Mittel- und Hochspannungsnetzen
Betriebssicherheit für moderne Stromnetze
Druckluftkabel werden für die Übertragung hoher Leistungen in Mittel-, Hoch- und Höchstspannungsnetzen entwickelt. Wie bei allen elektrischen Übertragungssystemen müssen dabei auch seltene Fehlerfälle berücksichtigt werden.
Zu den schlimmstmöglichen Ereignissen zählt der sogenannte Internal Arc Fault – ein interner Störlichtbogen innerhalb des Systems aufgrund eines Isolationsversagens. Obwohl solche Ereignisse selten auftreten, stellen sie hohe Anforderungen an Konstruktion, Druckfestigkeit und Fehlerdiagnose.
Druckluftkabel verfügen über vollständig metallisch gekapselte Leiter sowie definierte Gasräume, die für einen sicheren Betrieb und ein kontrolliertes Verhalten im Fehlerfall ausgelegt sind.
Was sind Störlichtbögen?
Störlichtbogen sind die Folge eines Isolationsversagens im Druckluftkabel im Betrieb.
Er entsteht, wenn die Isolation zwischen Leiter und Kapselung lokal versagt und durch die Betriebsspannung ein Lichtbogen gezündet wird. Der Lichtbogen führt den Kurzschlussstrom und bewegt sich aufgrund elektromagnetischer Kräfte mit hoher Geschwindigkeit innen entlang des Druckluftkabels.
Typische Kurzschlussstromwerte in Hochleistungsanwendungen liegen bei:
- 40 kA
- 50 kA
- 63 kA
mit Abschaltzeiten von typischerweise 0,1 bis 0,3 Sekunden.
Die wichtigsten Fakten auf einen Blick
Energie und Druck während eines Störlichtbogens
Hohe Energiefreisetzung in kurzer Zeit
Während eines internen Lichtbogens werden innerhalb weniger Millisekunden sehr grosse Energiemengen freigesetzt. Ein Teil der Energie wird in die Erwärmung und das Aufschmelzen der betroffenen Leiter übertragen. Ein weiterer Teil erwärmt die Luft innerhalb der Kapselung und führt zu einem Druckanstieg.
Die resultierenden Energien liegen bei typischen Kurzschlussströmen im Bereich mehrerer Megajoule.
Warum das Luftvolumen entscheidend ist
Mehr Volumen bedeutet geringeren Druckanstieg
Die Höhe des Druckanstiegs hängt direkt vom verfügbaren Luftvolumen innerhalb der Kapselung ab. Deshalb weisen Systeme mit grösserem Innenvolumen bei gleicher Lichtbogenenergie geringere Druckanstiege auf.
Insbesondere Hochspannungsprodukte profitieren von ihrem grösseren Luftvolumen und den entsprechend niedrigeren Druckspitzen.
Gasraumlänge und Sicherheit
Auslegung für Kurzschlussereignisse
Die Druckerhöhung während eines Störlichtbogens muss unterhalb der Berstgrenze der Kapselung bleiben.
Die Auslegung der Gasräume erfolgt deshalb so, dass auch bei hohen Kurzschlussströmen ausreichende Sicherheitsreserven bestehen.
Typische Anlagenlängen
Die Analyse zeigt, dass bei Hochspannungsprodukten bereits Gasraumlängen von mehr als 15 Metern ausreichend sind, um sämtliche üblichen Kurzschlussspezifikationen abzudecken.
Dadurch sind zusätzliche Berstscheiben nicht erforderlich. Berstscheiben würden auch eine direkte Gefahrenquelle darstellen, da sie im Störlichtbogenfall bersten und dort heisse Gase austreten.
Fehlerortung nach einem Internal Arc Fault
Schnelle Lokalisierung des Fehlerortes
Nach einem Störlichtbogen muss der betroffene Abschnitt identifiziert werden. Die Drucküberwachung je Gasraum lässt eine eindeutige Zuordnung zum betroffenen Gasraum zu.
Innerhalb des Gasraums kann der Fehlerort noch genauer bestimmt werden, wenn zwei Drucksensoren an beiden Enden eines Gasraums platziert werden. Der vom Lichtbogen erzeugte Druckimpuls breitet sich in beide Richtungen aus. Aus den Zeitunterschieden an den Sensoren lässt sich der Fehlerort bestimmen.
Vorteile für Wartung und Reparatur
- Schnellere Fehleranalyse
- Kürzere Ausfallzeiten
- Zielgerichteter Austausch beschädigter Komponenten
- Verbesserte Netzverfügbarkeit
Vergleich zu gasisolierten Schaltanlagen
Schnelle Lokalisierung des Fehlerortes
Gasisolierte Schaltanlagen haben anwendungsbedingt kleine Gasräume je Funktion (z.B. für Leistungsschalter, Trenner, Abgang). Dadurch entstehen bei internen Lichtbögen deutlich höhere Druckspitzen, weshalb Berstscheiben eingesetzt werden müssen.
Druckluftkabel nutzen dagegen grössere Gasräume, wodurch der Druckanstieg reduziert wird und zusätzliche Schutzmassnahmen entfallen.
Fazit
Sicherheit auch im seltenen Fehlerfall
Störlichtbögen gehören zu den seltensten, aber anspruchsvollsten Ereignissen in elektrischen Übertragungssystemen. Druckluftkabel kombinieren grossvolumige Luftkammern, hohe mechanische Festigkeit und integrierte Überwachungsmöglichkeiten. Dadurch lassen sich Druckanstiege kontrollieren und Fehlerorte effizient bestimmen. Die robuste Systemarchitektur unterstützt einen sicheren Betrieb auch unter anspruchsvollen Netzbedingungen.
Technische Dokumente
Factsheets und technische Dokumente
📄 Factsheet Magnetische Felder
📄 Factsheet Air leakage and top-up
Häufige Fragen (FAQ)
Was ist ein Störlichtbogen?
Wie entsteht ein interner Störlichtbogen?
Welche Auswirkungen hat ein Störlichtbogen?
Warum entsteht Druck innerhalb des Systems?
Welche Rolle spielt die Gasraumlänge?
Benötigen Druckluftkabel Berstscheiben?
Wie wird der Fehlerort bestimmt?
Welche Vorteile bieten Druckluftkabel im Fehlerfall?
Haben Sie Fragen zu Druckluftkabeln?
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