Leistungsschalter sind komplexe multiphysische Systeme. Um ihre Leistungsfähigkeit mit möglichst geringem Aufwand optimieren zu können, entwickelte ein Forschungsteam der FHNW ein eindimensionales Simulationsmodell.

Technologien:

• Simulation
• Optimierung
• Hochspannungstechnik
• Multiphysische Systeme

Ausgangslage

Leistungsschalter sind eine der wichtigsten Komponenten in einer Schaltanlage. Bei ihnen spielt insbesondere die Zuverlässigkeit eine wichtige Rolle, da das Produkt, auch nach langjähriger Inaktivität, unter allen Bedingungen funktionieren muss. Momentan kommt in Leistungsschaltern üblicherweise Schwefelhexafluorid (SF6) als Isolationsgas zum Einsatz, da es äusserst effektiv bei der Stromunterbrechung ist und einen guten elektrischen Isolator darstellt.
Gleichzeitig stellt SF6 eines der schädlichsten Treibhausgase der Welt dar, weshalb Zulieferer für Stromnetzbetreiber nach Lösungen suchen, um dessen Verwendung zu reduzieren. Pfiffner verwendet dabei ein umweltfreundliches Gas, das auf den Einsatz von SF6- und Fluorid-Gasen vollständig verzichtet.
Bei einem Leistungsschalter handelt es sich um ein sehr komplexes, multiphysisches System, das die Möglichkeit bietet, viele Herstellungsparameter zu verändern, ohne die Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit genau zu kennen. Deshalb kommen Software Tools zum Einsatz, die multivariate Optimierungsalgorithmen verwenden, um das grundsätzliche Design optimal gestalten zu können. Üblicherweise wird dabei 3D-CFD Simulationssoftware verwendet, welche jedoch den Nachteil hat, dass sie sehr zeitaufwändig ist. Eindimensionale Simulationsmodelle hingegen reduzieren den zeitlichen Aufwand deutlich, wodurch eine darauf basierende Optimierung viel schneller umsetzbar ist.
Ein solches 1D-Simulationsmodell wurde, unter Verwendung der Programmiersprache Python, entwickelt.

Ziele

Im Rahmen eines Innosuisse-Projektes kollaboriert die Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) und die Ostschweizer Fachhochschule (OST) mit der Firma Pfiffner. Der OST obliegt dabei die Entwicklung eines 3D-CFD Simulationsmodells. Die FHNW hingegen ist für die Entwicklung des 1D-Simulationsmodells und die zugehörige Optimierung zuständig. Um sowohl die Ergebnisse der 1D- als auch der 3D-Simulationen verifizieren zu können, führt die Firma Pfiffner reale Messungen an einem Prototyp durch.
Während des Projektes soll ein 1D-Simulationsmodell entwickelt werden, welches die massgeblichen Komponenten und deren Zusammenspiel hinreichend genau abbildet. Dieses Modell soll anschliessend dazu verwendet werden, die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems (z.B. Fähigkeit der Lichtbogenlöschung), unter Berücksichtigung verschiedener Systemparameter zu optimieren, wodurch die Firma Pfiffner in die Lage versetzt wird, ihr Systemdesign entsprechend anzupassen.

Ergebnisse

Die ersten Simulationsergebnisse zeigen, dass es möglich ist mit einfachen Modellen die Realität hinreichend genau abzubilden. Im nächsten Schritt gilt es die Modelle miteinander zu verknüpfen und mit den umfangreichen 3D-Simulationen zu vergleichen. Wird eine zufriedenstellende Genauigkeit erreicht, gilt es, mit Hilfe von Optimierungsalgorithmen das Design basierend auf dem 1D-Modell zu verbessern. Die gefundenen Optimierungsvorschläge sollen anschliessend im 3D-Modell genauer untersucht werden.