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Elektrothermische Simulation am Beispiel einer Hochspannungsschaltanlage

Vor ihrer Zulassung müssen Hochspannungsschaltanlagen einen „Temperature Rise Test“ bestehen, bei dem bestimmte von der Norm und von Siemens vorgegebene Temperaturgrenzwerte nicht überschritten werden dürfen. Wird dieser Test nicht bestanden, kann das aufwendige und kostenintensive Umkonstruktionen erforderlich machen. Um das zu vermeiden und bereits in der Produktentwicklung teure Prüfungen einzusparen, wird die elektrothermische Simulation am Computer eingesetzt.

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Simulationsverfahren

Elektromagnetik und Strömungsdynamik

Durch die Kopplung physikalischer Effekte aus Elektromagnetik und Strömungsdynamik lassen sich schon bei der Konstruktion einer Anlage Aussagen über deren Erwärmungsverhalten machen.

Elektromagnetische Simulation

Maßgeblich für die Erwärmung einer gasisolierten Schaltanlage ist die Verlustleistung der Strombahn, oft auch als Stromwärmeverlust bezeichnet. Diese Größe wird durch den Leitwert des Leitermaterials, den Leiterquerschnitt sowie Stromverdrängungseffekte und Induktivströme im Leiter bestimmt – und zwar abhängig von der Stromstärke und der Frequenz in der eigenständigen Simulationsumgebung CST EM Studio. Dabei werden neben der Stromverdrängung durch den Skin- und Proximity-Effekt auch die induktiven Ströme in Leiter und Kapselung berücksichtigt, ebenso wie Material und Geometrie.

Gekoppelte elektromagnetische und strömungsdynamische Simulation

Die Ergebnisse der elektromagnetischen Simulation werden anschließend mit Hilfe eines intern erstellten Makros auf Java Basis von CST EM Studio an Ansys CFX übergeben. In dieser Strömungssimulationsumgebung werden die Leiter- und Gehäusetemperaturen ermittelt – unter Berücksichtigung von turbulenter Konvektion, Strahlung, Auftrieb und Wärmeleitung. Bei der Ergebnisübergabe wird die Verlustleistung der Bauteile in eine Verlustleistungsdichte umgewandelt und netzunabhängig auf die einzelnen Bauteile in CFX aufgebracht. Dadurch müssen keine zu großen Ergebnisdateien – mit Ergebnissen für jeden einzelnen Netzknoten – zeitintensiv herausgeschrieben, übertragen und anschließend auf das CFX Netz interpoliert werden. Interpolationsfehler bei einer zu schlechten Netzauflösung werden ebenfalls vermieden. Lokale Verlustleistungs-Hotspots werden bei dieser Methode ignoriert. Dieser Verlust kann aber in Kauf genommen werden, da die Leiter sowohl in elektrischer als auch in thermischer Hinsicht überzeugen – und weil jedem Bauteil seine eigene Verlustleistung zugeordnet wird.

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Die Kopplung von CST und CFX ist unidirektional. Das heißt: Die Temperaturergebnisse aus Ansys CFX werden nicht wieder zurück an CST EM Studio übertragen, um dort die temperaturabhängigen Leitwerte der Materialien anzupassen und eine erneute, angepasste Verlustleistungsberechnung und anschließende Strömungssimulation durchzuführen. Die Temperaturen können bereits im Vorfeld ungefähr abgeschätzt oder durch frühere Testergebnisse abgeleitet werden. Deshalb liefert die Simulation auch ohne eine bidirektionale Kopplung hinreichend genaue Ergebnisse und spart zusätzlich Simulationszeit ein.

Strömungsdynamische Simulation

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Stromverteilung in thermisch hochbeanspruchten Kontaktstellen CST

In Kombination mit weiteren Makros wird zudem das komplette Setup für CFX in Form einer CCL-Datei erstellt und die richtige Ergebnisübergabe überprüft. Nach dem Einladen der CCL-Datei müssen lediglich kleinere Anpassungen vorgenommen werden – z.B. vom Standard abweichende Materialzuordnungen sowie die Angabe von Gravitationsrichtung, Starttemperaturen und Emissivitätswerten.

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Temperaturverteilung Ansys CFX

Anschließend kann die CFX Strömungssimulation sofort gestartet werden. Dabei handelt es sich aufgrund des reduzierten Rechenaufwands um eine statische Simulation. Der Temperatur- und Druckanstieg in der Anlage wird nicht mit berechnet, sondern nur der Gleichgewichtszustand, wenn das System eingeschwungen ist. Daher muss auch der Druck – wie die Leitwerte zuvor – abhängig von der zu erwartenden Temperatur vor der Simulation bestimmt und als Randbedingung angegeben werden.

Wir beraten Sie gerne

Die Bestimmung des Erwärmungsverhaltens von Produkten und Systemen spart Produktionskosten und sorgt für eine effiziente Produktentwicklung. Neben der elektrothermischen Simulation bietet Siemens auch ein umfassendes Knowhow rund um strukturmechanische Auslegung und elektrische Feldsimulation (AC/DC). Sprechen Sie uns an und wir lösen Ihre Problemstellung.