Explosionsgeschützte Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen, häufig
auch als explosionsgeschützte Energieverteiler bezeichnet, werden eingesetzt,
um in explosionsfähigen Atmosphären elektrische Energie sicher zu übertragen
und zu verteilen. Um einen über Jahrzehnte sicheren Betrieb zu gewährleisten
sind die Energieverteiler mindestens derart thermisch zu dimensionieren,
dass normativ festgelegte Grenztemperaturen nicht überschritten werden.
Explosionsgeschützte Energieverteiler unterscheiden sich von konventionellen
Schaltgerätekombinationen. Wegen des Explosionsschutzes sind verschiedene
Schalt- und Schutzgeräte zusätzlich in druckfeste Kapselungen eingebaut. Die
Reihenmontage druckfest gekapselter Geräte erfolgt mit Abstand. Das Verdrahten
der Geräte und Betriebsmittel erfolgt vielfach mit Leitungen mit wärmebeständiger
Isolierung. Die Leitungen sind häufig in Bündeln gelegt. Die
Verteilergehäuse besitzen keine Lüftungsöffnungen. Für den Explosionsschutz
sind zusätzlich alle höchsten Oberflächentemperaturen maßgeblich, die mit
zündfähiger Atmosphäre in Kontakt kommen können (Hotspots). Die Hotspot-
Temperaturen dürfen normativ festgelegte Grenztemperaturen nicht überschreiten.
Die Wärmenetzmethode ist ein etabliertes Verfahren, um die Erwärmung konventioneller
Schaltgeräte und Schaltgerätekombinationen effizient zu berechnen.
Die Erwärmung explosionsgeschützter Energieverteiler einschließlich der
Hotspots konnte bisher nicht mit der Wärmenetzmethode berechnet werden.
In dieser Arbeit werden die dominanten Wärmequellen und Wärmeübertragungsvorgänge
anhand eines typischen explosionsgeschützten Energieverteilers
experimentell sowie mit Hilfe numerischer Methoden (Finite-Elemente-
Methode, Finite-Volumen-Methode) untersucht. Auf Grundlage der Untersuchungsergebnisse
werden Berechnungsmodelle für die Erwärmung von Leitungsbündeln
und für die Geschwindigkeit umlaufender Kühlmittelströme erarbeitet
und in die Wärmenetzmethode implementiert. Um die Hotspot-Temperaturen
auf druckfesten Kapselungen zu berechnen sind erstmals fein aufgelöste
Wärmenetze erforderlich. Es wird ein Verfahren zum strukturierten
Aufbau fein aufgelöster Wärmenetze erarbeitet. Ein einfacher Ansatz zum Berechnen
der Erwärmung ebener Kontakte wird in dieser Arbeit auf gewölbte
Schaltkontakte erweitert, indem die erforderliche scheinbare Kontaktfläche
zwischen den Kontaktgliedern erstmals aus Messungen mit Druckmessfolien
bestimmt wird. Für die Betriebsmittel des explosionsgeschützten Energieverteilers
werden die Wärmenetze aufgebaut, parametriert und experimentell verifiziert.
Das Gesamtwärmenetz der Musteranlage wird durch das Zusammenschalten
der Wärmenetze der Betriebsmittel aufgebaut und experimentell verifiziert.
Die mit dem verifizierten Gesamtwärmenetz berechneten Temperaturen
werden mit gemessenen Temperaturen bei 100 % Bemessungsstrom verglichen.
Die Berechnung zeigt eine hohe Übereinstimmung mit den gemessenen
Temperaturen. Die höchsten noch verbleibenden Abweichungen zur gemessenen
Übertemperatur betragen ΔΘ = +6,3 K und ΔΘ = -6,2 K. Die berechneten
Orte der Heißpunkte stimmen mit der Messung überein. Die berechneten
Heißpunkttemperaturen unterscheiden sich um maximal +3 K von den gemessenen
Heißpunkttemperaturen.
Das verifizierte Gesamtwärmenetz berechnet alle für die Erwärmungsnachweise
erforderlichen Temperaturen unter den geforderten Normbedingungen.
Bei der normativ geforderten Belastung von 110 % des Bemessungsstroms werden
die für den Explosionsschutz maßgeblichen Heißpunkte seitlich auf den
druckfesten Kapselungen zweier Schutzschalter berechnet und betragen
ϑFZ2 Ob max = 101,6 °C sowie ϑFZ8 Ob max = 101,8 °C. Sowohl für die Erwärmungsnachweise
als für das thermische Dimensionieren können mit dem Wärmenetz
außerdem Temperaturen an Stellen berechnet werden, die experimentell nur
schwer gemessen werden können (z. B. im Bündelzentrum oder im Inneren der
druckfesten Kapselungen).
Mit dem verifizierten Gesamtwärmenetz werden Fragestellungen zur thermischen
Dimensionierung des explosionsgeschützten Energieverteilers rechnerisch
beantwortet. So lässt sich u. a. ermitteln, dass der zulässige Bemessungsbelastungsfaktor
abhängig von der äußeren Oberflächenbeschaffung des Verteilergehäuses
zwischen RDF = 0,55 (innen lackiert, außen hochglanzpoliert)
und RDF = 0,78 (innen lackiert, außen lackiert) variiert. Das verifizierte Gesamtwärmenetz
ist daher ein geeignetes Werkzeug, um die thermische Dimensionierung
zielgerichtet und effizient mittels Erwärmungsberechnung zu unterstützen.