Svenska kraftnät is responsible for the operation and development of the Swedish transmission grid. A large number of substations in the transmission grid are approaching their expected service lifetime and must be renewed in the coming years. When renewing substations, total and partial outages in operation are often unavoidable. These outages may cause downtime for any party connected to the substation, whether it be an electricity generation or consumption. A solution is to build a new substation while the old is still in operation. Upon completion, a transfer of operation can be done from the old to the new substation. This however requires laying claim to new land, which affects the local environment and can be a time-consuming process. In an effort to minimise the need for planned outages during substation renewals, Svenska kraftnät wants to investigate techniques for bypassing substations while also allowing the connected party to remain in operation. This thesis has evaluated two differing techniques that allow for substations and any connecting parties to remain mostly in full operation during station renewals. One technique involves constructing a temporary switchgear compartment using air-insulated apparatuses to bypass the station and connect the third party. The other technique uses a mobile gas-insulated switchgear to achieve essentially the same arrangement.  After studying cases where either technique has been employed in station renewals, it was concluded that a solution utilising air-insulated apparatuses is better in several aspects. While the two technologies achieved similar results, the air-insulated technology did so at a lower cost, offered more flexibility, and was easier to integrate into pre-existing stations. Furthermore, the gas-insulated technology required more specialised competence, possibly limiting the availability of qualified contractors. It was concluded that bypassing stations during renewal projects could provide several benefits in terms of less downtime and economical losses, while also minimising the need to claim new land. In order to optimise the method a supply of air-insulated apparatuses and construction materials necessary for the bypassing of a station should be established by Svenska kraftnät. This, mostly reusable, equipment would then be on stand-by, ready to use in future station renewals.

Vid ombyggnationer och utbyggnationer av elnät förändras dess karakteristik.Detta leder till att skyddsfunktioner kan behöva justeras för att passa elnätets nyakarakteristik. Justeringar kan medföra att selektiviteten mellan skydden försvinner.Selektivitet innebär att endast skyddet närmast felet bryter strömmen, så atten så liten del som möjligt av elnätet blir strömlöst. För att säkerställa att selektivitetråder mellan skydden utformas selektivplaner där selektiviteten visuellt kananalyseras och vid behov utförs justering av skydden. Rotebro mottagningsstation iSollentuna ägs och drivs av Sollentuna Energi & Miljö (SEOM). Stationen står införombyggnationer och selektivplanerna behöver därför ses över.Då problemställningen är att selektiviteten mellan skydden behöver kontrollerasblir målsättningen att skapa en selektivplan för Rotebro mottagningsstation. Dennabaseras på mottagningsstationens skyddsinställningar och det anslutna elnätetskarakteristik. Arbetet resulterade i att en modell av Rotebro mottagningsstationskapades i programmet PSS Sincal. Från denna genererades selektivplaner somvisar att små justeringar av skydden kan göras. Det utfördes även en generell analyssom visar att selektivplaner har stor betydelse för samhället. / In case of build out and rebuilding electricity grids, the electrical characteristicschange. This means that protection features may need to be adjusted to suit theelectrical grids’ new characteristics. Adjustments may lead to loss of selectivity betweenprotective relays. Selectivity means that only the protection device closest tothe fault break the current, so only the smallest possible part of the electrical gridgets disconnected. To assure selectivity, selective tripping schedule is created andprotective relays are adjusted if needed. Rotebro substation in Sollentuna is ownedand operated by Sollentuna Energi & Miljö (SEOM). The substation is facing rebuildingand its selective tripping schedule needs to be reviewed.Since the problem is that selectivity between the protective relays needs to bechecked the goal is to create a selective tripping schedule for Rotebro substation.This is based on the substation protective settings and the connected electricalgrids characteristics. The thesis resulted in a model of Rotebro substation createdin the computer program PSS Sincal. From this a selective tripping schedule weregenerated that shows that small adjustments of the protective relays can be made.A general analysis was also conducted which shows that a selective tripping scheduleis of great importance to the society.

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.:1 Einleitung 1 2 Erkenntnisstand zur Erwärmung von Niederspannungs-Energieverteilern 3 2.1 Wärmequellen 3 2.2 Wärmeübertragung 9 2.3 Erwärmungsberechnung mit der Wärmenetzmethode 19 2.4 Messen von Oberflächentemperaturen 23 2.5 Grenztemperaturen – Rechtliche und normative Vorgaben 25 3 Musteranlage 34 3.1 Aufbau 34 3.2 Hauptwärmequellen 38 4 Präzisieren der Aufgabenstellung 42 5 Untersuchungen zur Temperaturmessung auf druckfesten Kapselungen 45 5.1 Problemstellung 45 5.2 Analyse der Wärmeströme 46 5.3 Untersuchte Montagekonstruktionen 48 5.4 Versuchsaufbau und -durchführung 49 5.5 Ergebnisse 52 5.6 Angepasste Montagetechnik für druckfeste Kapselungen 55 6 Untersuchungen zur Erwärmung der Betriebsmittel 57 6.1 Explosionsgeschützter Fehlerstrom-Schutzschalter mit Überstromauslöser 57 6.2 Explosionsgeschützter Last- und Motorschalter 74 7 Untersuchungen zur gegenseitigen thermischen Beeinflussung der Betriebsmittel 93 7.1 Erwärmung der Leitungsbündel 93 7.2 Zirkulierender Kühlmittelstrom 111 8 Modellbildung 120 8.1 Strukturierter Aufbau – Verfahren 120 8.2 Wärmenetzmodelle 121 9 Verifikation des Wärmenetzmodells der Musteranlage 133 9.1 Versuchsaufbau 133 9.2 Parameterabgleich 138 9.3 Vergleich der Temperaturen 140 10 Anwendung 150 10.1 Erwärmungsnachweise durch Berechnung 150 10.2 Thermische Dimensionierung durch Berechnung 160 11 Zusammenfassung 166 12 Ausblick 170 / Explosion-proof low-voltage switchgear and controlgear assemblies transmit and distribute electrical energy in potentially explosive atmospheres. To ensure safe operation over decades, the assemblies must be thermally dimensioned at least in such a way that normatively defined limit temperatures are not exceeded. Explosion-proof switchgear and controlgear assemblies vary from conventional switchgear assemblies. Because of the explosion protection, electrical devices are installed in flameproof enclosures. The row installation of flameproof enclosed devices is carried out with spacing between each device. The wiring of the devices is often done with cables with heat-resistant insulation. These cables are mainly laid in bundles. The explosion-proof switchgear and controlgear assemblies do not have ventilation openings for additional cooling. For explosion protection, all the highest surface temperatures (hot spots) that could come into contact with ignitable atmosphere are also relevant. The hotspot temperatures must not exceed normatively defined limit temperatures. The Thermal Network Method is an established approach for efficiently calculating the temperature-rise of conventional switchgear and controlgear assemblies. So far, the temperature-rise of explosion-proof switchgear and controlgear assemblies including hot spots could not be calculated with the Thermal Network Method. In this work, the dominant heat sources and heat transfer processes are investigated for of a typical explosion-proof switchgear assembly. Investigation is carried out experimentally as well as by means of numerical methods (Finite Element Method, Finite Volume Method). Based on the results of the investigation, calculation models for the heating of cable bundles and for the velocity of circulating coolant flows are developed and implemented in the Thermal Network Method. In order to calculate hot spot temperatures on flameproof enclosures, finely resolved thermal networks are required for the first time. A method for the design of finely resolved thermal networks is developed. A simple approach for the calculation of the heating of planar contacts is extended in this work to convex switching contacts by determining the apparent contact area from measurements with pressure sensing sheets. Thermal networks for the electrical equipment are set up, parameterized and verified experimentally. The overall thermal network is set-up by interconnecting thermal networks of the operating equipment and verified experimentally. The temperatures calculated with the verified overall thermal network were compared with measured temperatures at 100 % rated current. The temperatures deviate slightly. The highest remaining deviations are ΔΘ = +6.3 K and ΔΘ = -6.2 K. The calculated locations of the hot spots agree with measurement. The calculated hot spot temperatures differ from measured hot spot temperatures slightly by a maximum of +3 K. At the normatively required load of 110 % of the rated current, the hot spots are calculated laterally on the flameproof enclosures of two circuit breakers (ϑFZ2 Ob max = 101.6 °C, ϑFZ8 Ob max = 101.8 °C). The verified overall thermal network calculates all temperatures required for temperature-rise tests of the investigated explosion-proof switchgear assembly. Furthermore, the thermal network can be used to calculate temperatures at locations that are difficult to measure (e.g., at the center of cable bundles or inside the flameproof enclosures). With the verified overall thermal network, questions concerning the thermal dimensioning of the explosion-proof switchgear assembly can be answered computationally. Among other things, it can be determined that the permissible rated diversity factor varies between RDF = 0.55 (internally painted, externally highly polished) and RDF = 0.78 (internally painted, externally painted) depending on the external surface finish of the distributor enclosure. The verified overall thermal network is a suitable tool for supporting thermal dimensioning computationally in a targeted and efficient manner.:1 Einleitung 1 2 Erkenntnisstand zur Erwärmung von Niederspannungs-Energieverteilern 3 2.1 Wärmequellen 3 2.2 Wärmeübertragung 9 2.3 Erwärmungsberechnung mit der Wärmenetzmethode 19 2.4 Messen von Oberflächentemperaturen 23 2.5 Grenztemperaturen – Rechtliche und normative Vorgaben 25 3 Musteranlage 34 3.1 Aufbau 34 3.2 Hauptwärmequellen 38 4 Präzisieren der Aufgabenstellung 42 5 Untersuchungen zur Temperaturmessung auf druckfesten Kapselungen 45 5.1 Problemstellung 45 5.2 Analyse der Wärmeströme 46 5.3 Untersuchte Montagekonstruktionen 48 5.4 Versuchsaufbau und -durchführung 49 5.5 Ergebnisse 52 5.6 Angepasste Montagetechnik für druckfeste Kapselungen 55 6 Untersuchungen zur Erwärmung der Betriebsmittel 57 6.1 Explosionsgeschützter Fehlerstrom-Schutzschalter mit Überstromauslöser 57 6.2 Explosionsgeschützter Last- und Motorschalter 74 7 Untersuchungen zur gegenseitigen thermischen Beeinflussung der Betriebsmittel 93 7.1 Erwärmung der Leitungsbündel 93 7.2 Zirkulierender Kühlmittelstrom 111 8 Modellbildung 120 8.1 Strukturierter Aufbau – Verfahren 120 8.2 Wärmenetzmodelle 121 9 Verifikation des Wärmenetzmodells der Musteranlage 133 9.1 Versuchsaufbau 133 9.2 Parameterabgleich 138 9.3 Vergleich der Temperaturen 140 10 Anwendung 150 10.1 Erwärmungsnachweise durch Berechnung 150 10.2 Thermische Dimensionierung durch Berechnung 160 11 Zusammenfassung 166 12 Ausblick 170

In dieser Arbeit werden versilberte Hochstrom-Steckverbindungen mit Kontaktelementen betrachtet, die in der Elektroenergieversorgung bei Belastung mit Fehlerströmen im Bereich von 24 µs bis 5 s eingesetzt werden. Am Flach- und Rundeinbau der Kontaktelemente werden Kurzschlussversuche im Bereich von (0,01…5) s durchgeführt. Der Kurzschlussstrom erwärmt die Steckverbindung und die Kontaktelemente innerhalb dieser Zeit auf mehrere 100 °C und führt zu einer thermisch aktivierten Schädigung. Dabei baut sich die Kontaktkraft durch Spannungsrelaxation zum Teil ab, und es kann zum Verschweißen der Mikrokontakte und Blasenbildung durch lokales Ablösen der Be-schichtung kommen. Bei einer zu starken Schädigung kann ein sicherer Betrieb der Steckverbindung nicht mehr si-chergestellt werden. Daher werden für die Mechanismen der Schädigung Grenzwerte festgelegt und eine maximale Belastung definiert. Ausgehend von den experimentellen Untersuchungen wird ein Berechnungsmodell auf Basis der Finiten-Elemente-Methode weiterentwickelt. Ein vereinfachtes Widerstandsmodell der Punktkontakte abhängig von Kontaktkraft und Kontakthärte bildet dabei das Verhalten der Mikrokontakte nach. Da das Verhalten der Kontakthärte bei starker Erwärmung im ms-Bereich nur unzureichend erforscht ist, werden aus Experimenten näherungsweise die benötigten Parameter bestimmt. Mit dem erweiterten Berechnungsmodell ist es möglich, die thermische Wirkung praktischer Kurzschlussversuche nachzubilden. Eine wesentliche Erkenntnis ist, dass die Höhe des Stoßstroms zu Beginn des Kurzschlusses einen entscheidenden Einfluss auf die maximale Erwärmung hat. Bei sehr hohen Stoßströmen am Anfang eines Kurzschlusses wird der Kontaktwiderstand stark reduziert. Für den weiteren Verlauf des Kurzschlusses entsteht in den Kontakten daher weniger Wärme, als wenn diese Reduktion nicht stattfindet. Das bedeutet, dass DC-Kurzschlüsse unter Umständen zu einer höheren thermischen Belastung und mechanischen Schädigung führen können als AC-Kurzschlüsse mit gleichem Effektivwert. Experimente bestätigen diese Theorie. Dies gilt allerdings nur, wenn der Stoßstrom nicht zum sofortigen Verschweißen der Kontakte führt. Anhand der Erkenntnisse aus den Experimenten und Berechnungen werden Empfehlungen für die Auslegung und die Prüfung von Hochstrom-Steckverbindungen gegeben. Es zeigte sich, dass das für Prüfungen oft verwendete I2t-Kriterium bei Steckverbindungen nur sehr eingeschränkt anwendbar ist. Die Kurzschlussdauer kann damit nur um ca. (13…17) % verändert werden, ohne dass sich die Beanspruchung in der Prüfung unzulässig ändert. Alternativ schlägt die Arbeit das Ixt-Kriterium vor. Dieses lässt es bei bekannter Geometrie der Steckverbindung zu, einen Prüfstroms in einem vielfach größeren Zeitbereich einzustellen und erzeugt dabei eine vergleichbare thermische Beanspruchung oder mechanische Schädigung. Ein Erwärmen der Steckverbindung auf die maximal zulässige Betriebstemperatur vor dem Kurzschluss, was bei-spielsweise bei einem Fehler im realen Betrieb stattfinden kann, hat einen vergleichsweise geringeren Einfluss auf die Erwärmung und die mechanische Schädigung. Hintergrund ist, dass die Vorerwärmung zu einer Reduktion der Kon-takthärte führt und damit große Kontaktflächen erzeugt, die einen geringen Kontaktwiderstand haben. Hierdurch entsteht weniger Verlustleistung, was die Erwärmung der Steckverbindung reduziert. Aus den gewonnen Erkenntnissen werden Empfehlungen für die Auslegung, Prüfung und die Modellierung des Kurz-schlussverhaltens von Steckverbindungen mit Kontaktelementen für die Elektroenergieversorgung abgeleitet. / In this thesis, silver plated plug-in connectors for electrical power supply under short time current load are investigat-ed. The duration of the short time or short circuit current load is between 24 µs and 5 s. Both flat and round model plug-in connectors are stressed with the short time current. This current heats the plug and socket as well as the contact elements by several hundred Kelvin, which can lead to thermally induced damages. These may include a reduction of the contact force, welding of the contact points and blistering of the coating. If the damage is too severe, safe operation at the rated continuous current may not be able after the short circuit. Thus, limiting loads are defined which ensure a safe operation. Based on the experiments, a finite element model is refined. A simplified model of contact points is used to imple-ment the contact behaviour. This model implements the overtemperature in the contacts, the contact hardness and the contact force into the calculation. In fact, few data for load in the range of milliseconds are available on this matter. Hence, experiments are used for an approximation of the required parameters. The refined model allows for a good correlation between experiments and calculated data. A key finding is that the magnitude of peak current at the beginning of the short circuit has a decisive influence on the maximum heating. In case of a very high peak current at the beginning of a short circuit, the contact resistance is greatly reduced. For the further course of the short-circuit, therefore, less heat is generated in the contacts than if this reduction did not take place. This means that DC short circuits can under certain circumstances lead to higher thermal stress and mechanical damage than AC short circuits with the same RMS value. This is only valid if the peak current does not heat the contact points up to their welding temperature. Experiments confirm this theory. Recommendations for the dimensioning and testing of high current connectors are given on the basis of the experi-ments and the calculations. It was shown that the I²t-criterion, which is often used for altering the test duration in recommended standards, can only be applied to a very limited extent. The short circuit duration can only be changed by about (13…17) % or otherwise the severity of the mechanical damage is likely to change as well. As an alternative, it is proposed to use the newly introduced Ixt-criterion. If the geometry of the connector is known, this criterion allows alternating the short circuit duration in a broader range without major changes in the severity of the test. In a real world application, short circuits may occur while the connectors are under heavy load, which means that at the beginning of the short time current, the connector is preheated. Tests showed that this has only a minor impact on the temperature rise and the mechanical damage of the contact elements. The reason for this behaviour is that, due to the preheating, the hardness of the contact material drops and the contact area is enlarged. This results in a comparatively lower contact resistance and less power loss is generated. This reduces the influence of the higher start-ing temperatures to a certain degree. On the basis of the findings, recommendations are derived for the design, testing and modelling of the short-circuit behaviour of connectors with contact elements for electrical power supply.

Signalprojekteringen konstruerar och skapar de förutsättningar som krävs för att en signalbygghandling ska färdigställas. Vid förändringar som exempelvis upprustningar, projekteras de signalställverk som finns placerade längs Sveriges järnvägar för att sedan byggas av entreprenader. Projekteringen är en grund för att skapa rätt förutsättningar för att genomföra ett kvalitativt bygge. Trafikverket har märkt av kvalitetsbrister inom signalprojekteringen, som har flertal orsaker men mycket pekar mot en brist på kompetens. Trafikverket har sedan 2019 infört nya kompetenskrav för sina upphandlingar med konsulter, som ska säkerställa att arbetet genomförs med rätt teknisk kompetens. Uppgiften är att undersöka om Trafikverkets nya kompetenskrav används, följs upp och om de åstadkommit en effekt samt om kravskrivningen bör justeras och åtgärder för främja kompetens, framföras. Examensarbetet genomförande bygger främst på datainsamling genom intervjuer och enkäter. Resultatet av detta projekt fastställde att kompetenskraven inte gett någon tydlig effekt i kvalitetsnivån. Mycket beror på att det är för tidigt för en utvärdering, då järnvägsprojekt har långa ledtider men också på andra faktorer. Kompetenskraven uppskattas men kravskrivning bör justeras för att bli tydligare. De åtgärder som ansågs mest lämpliga var återkoppling till projektör, eget forum för projektörer, anläggningsspecifika kurser och mentormöjligheter till oerfarna projektörer. En åtgärd som kan motverka mycket med kvalitetsbrister som nämns i projektet är mervärdesupphandlingar. Mervärdesupphandling medför möjligheter som att kravställa mjuka kriterier som exempelvis erfarenhet och utbildningar och motverkar de negativa effekter men den nuvarande upphandlingsformen på lägst pris. / Signal designing means construction and modelling of railway signal facilities. Changes within the railway leads to modelling being made where the adequate prerequisites for a functioning facility are drawn by using CAD or BIM. Trafikverket have noticed various of quality deficiencies within the modelling phase of their facilities. It is mainly due to a lack of technical competence for the signal designers. Since 2019, Trafikverket have implemented new requirements for competence during their negotiations with consulting firms that conduct the designs, as a countermeasure for these quality deficiencies within competence. However, the effect of these countermeasures is still unknown. The objective for this project is to examine if the new requirements are used in the projects, if they are followed-up and if there are any effects from them. Moreover, to conclude if the requirements should be adjusted and if there are valid measures to increase the development of competence for signal designers. The methodology of the project is mostly based on interviews with specialists and analyses of the results. The result concluded that there is no definite effect of the competence requirements, mostly due to the length (time) of railway related projects. Furthermore, the competence requirements are appreciated by Trafikverkets employees however, it should be adjusted to be more definite. The best countermeasures are feedback to signal designers and followed by other countermeasure such as an own forum, more specific facility courses (education) and mentors for signal designers. A new form of negotiation which is called the “More value negotiation” is also a method of countering quality deficiencies.

In der Niederspannungstechnik werden die Anlagen zum Übertragen und Verteilen von Elektroenergie als Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen bezeichnet. Die Anlagen sollen ihre Aufgaben möglichst wartungsfrei über einen Zeitraum von mehreren Jahrzehnten erfüllen. Damit ein langzeitstabiler Betrieb der Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen möglich ist, müssen die Anlagen mindestens normgerecht thermisch dimensioniert sein. Um die Erwärmung von Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen zuverlässig und effizient zu berechnen, wird in dieser Arbeit die Wärmenetzmethode genutzt. In der Wärmenetzmethode werden die Vorgänge der Erwärmung mit Hilfe von Wärmestromquellen, Temperaturquellen, Wärmewiderständen und Wärmekapazitäten nachgebildet. Einen wesentlichen Einfluss auf die Erwärmung einer Schaltgerätekombination haben die in den Wärmequellen der Anlage erzeugten Verlustleistungen. Die dominanten Wärmequellen (Hauptwärmequellen) innerhalb von Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen werden in dieser Arbeit untersucht und die Ergebnisse in die Wärmenetzmethode integriert. Mit den Ergebnissen werdenmit Hilfe der Wärmenetzmethode die Erwärmungen verschiedener Betriebsmittel einer Niederspannungs-Schaltgerätekombination berechnet und anhand von Experimenten verifiziert. Die Wärmenetze der einzelnen Betriebsmittel werden zum Gesamt-Wärmenetz einer Niederspannungs-Schaltgerätekombination zusammengeschaltet. Die mit diesem Wärmenetz berechneten Temperaturen werden dann durch Experimente an der Versuchsanlage einer Niederspannungs-Schaltgerätekombination verifiziert. Eine der Hauptwärmequellen in Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen sind die ohmschen Leitungsverluste in den Strombahnen der Hauptsammel- und Feldverteilerschienen. Bei Drehstrombelastung werden die hier in den einzelnen Teilleitern erzeugten Verlustleistungen durch die Stromverdrängung aufgrund des Skin- und den überlagerten Proximity-Effekts maßgeblich beeinflusst. Gegenüber einer Gleichstrombelastung unterscheiden sich die Verlustleistungen jedes einzelnen Teilleiters um den Leistungsfaktor k3~. Für Drehstromschienensysteme mit mehreren Teilleitern existieren bisher nur unzureichende Angaben zum Leistungsfaktor k3~ durch den Skin- und den Proximity-Effekt. In dieser Arbeit wurden FEM-Modelle aufgebaut, die Leistungsfaktoren k3~ für unterschiedliche Schienenanordnungen berechnet und anhand experimenteller Untersuchungen verifiziert. Weitere Hauptwärmequellen in Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen sind die in den Anlagen eingebauten Betriebsmittel zum Schalten, Trennen und Schützen (z. B. Leistungsschalter, Trennschalter, Trenneinrichtungen, Sicherungen). Neben den Schaltkontakten selbst gehören die thermischen Schutzauslöser und Sicherungen zu den Hauptwärmequellen in den Strombahnen der Schaltgeräte. Um die Erwärmung der Geräte genau zu berechnen, müssen der Aufbau der Strombahnen und die Verteilung der Widerstände bekannt sein. Diese Widerstände können im Allgemeinen nur gemessen werden. Dabei hat sich zum einen gezeigt, dass die gemessenen Widerstände der Schaltkontakte von Kompaktleistungsschaltern auch im selben Gerät stark variieren können. Zum anderen sind die Widerstände der Schaltkontakte so dominant, dass in ihnen bis zu 47 % der gesamten Verlustleistungen eines Kompaktleistungsschalters entstehen können. Bedingt durch die zunehmende kompakte Bauweise der Anlagen erzeugen die Drehstromfelder der Sammelschienen hohe magnetische Feldstärken in umgebenden Metallteilen. In den Gehäusen, Einbauplatten, Wänden, Umhüllungen und Verkleidungen in Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen können daher hohe Verlustleistungen entstehen, die maßgeblich die Erwärmung der Anlagen beeinflussen. Rechnerische und experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass bei typischen Anordnungen von Schienen und Umhüllungen Verlustleistungen entstehen, die bis zu 32,7% der gesamten in der Versuchsanordnung gemessenen Verlustleistungen betragen. Sind die Ergebnisse der untersuchten Wärmequellen in die Wärmenetze der verschiedenen Betriebsmittel von Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen integriert, ermöglichen die aufgebauten Wärmenetze die Berechnung von Temperaturen mit geringen Abweichungen (+4,4 K, -3,5 K) verglichen mit gemessenen Temperaturen. Mit den verifizierten und modularisierten Wärmenetzen der Betriebsmittel ist eine Möglichkeit geschaffen, Wärmenetze von Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen effizient und wirtschaftlich aufzubauen.:1 Einleitung 1 2 Problemstellung 2 2.1 Stand der Technik / Ausgangssituation 2 2.2 Normen zur Erwärmung 3 2.3 Aufgabenstellung 5 2.4 Aufbau der Versuchsanlage 7 3 Grundlagen der Erwärmungsberechnung 11 3.1 Erzeugte Wärmeleistungen 11 3.2 Wärmeübertragung 17 3.3 Erwärmungsberechnung mit Wärmenetzen 39 4 Grundlagen zur Stromverdrängung 43 4.1 Stromdichteverteilung im Vollzylinder 43 4.2 Stromverdrängung und der Leistungsfaktor k 48 5 Untersuchungen zu den Wärmequellen 54 5.1 Stromwärmeverluste in den elektrischen Leiter von Sammel- und Feldverteilerschienen 57 5.2 Stromwärmeverluste in Schaltgeräten und zugehörigen Betriebsmitteln 90 5.3 Wirbelstrom- und Hystereseverluste in Metallteilen 105 6 Wärmenetze für die Betriebsmittel einer Niederspannungs- Schaltgerätekombination 126 7 Wärmenetz einer Niederspannungs-Schaltgerätekombination 148 8 Zusammenfassung und Ausblick 155 9 Literaturverzeichnis 158 10 Anhang 163 / In low-voltage engineering the systems for transmission and distribution of electric energy are named as low-voltage switchgear and controlgear assemblies. The systems have to perform their functions maintenance free as much as possible for a period of some decades. To achieve a long-time stable operation, the systems have to be designed thermally at least according to standards. In this thesis the thermal network method is used to calculate the heating of low-voltage switchgear and controlgear assemblies reliably and efficiently. The thermal network method simulates the processes of heating by heat sources, temperature sources thermal resistors and thermal capacities. The thermal power losses which are produced in the heat sources of the systems have significant influence on the heating of switchgear and controlgear assemblies. The dominant heat sources (main heat sources) within low-voltage switchgear and controlgear assemblies are researched at this thesis and the results are integrated to the thermal network method. The results are used to calculate the heating of various electrical components of a low-voltage switchgear and controlgear assembly using the thermal network method and verified by means of experiments. The thermal networks of the individual components are interconnected to form the overall thermal network of a low-voltage switchgear and controlgear assembly. The temperatures computed with this thermal network are then verified by experiments at the test setup of a low-voltage switchgear and controlgear assembly. In low-voltage switchgear and controlgear assemblies one of the main heat sources are the ohmic losses in the current paths of the main busbars and the distribution busbars. If the busbars are loaded with a three-phase current, the generated power losses of every individual subconductors are significantly influenced by the current displacement due to the skin effect and the superposed proximity effect. The power losses of each individual subconductor differ by the power factor k3~ compared to a DC load. For three-phase busbar systems with several subconductors there is only insufficient information on the power factor k3~ which takes into account the current displacement by the skin effect and the proximity effect. In this thesis, FEM models were developed to calculate the power factor k3~ for different busbar systems. The results were verified by experimental investigations. The installed electrical devices for switching, isolating and protection (e. g. circuit breakers, disconnectors, devices for disconnecting and fuses) are further main heat sources in low-voltage switchgear and controlgear assemblies. In addition to the main switching contacts themselves, thermal protection trips and the fuses are the main heat sources in the current paths of the switching devices. In order to calculate the heating of the electrical devices properly, the structure of the current paths and the distribution of the electrical resistances have to be known. In general these resistances can only determine by measuring. On one hand, it was found that the measured resistances vary widely even inside the same device. On the other hand, the resistances of the switching contacts are dominating, that up to 47 % of the entire power losses of a molded case circuit breaker can be generated there. Conditioned by the more and more compact design of the switchgears, the three-phase fields of the main busbars causes high magnetic fields at the surrounding metallic components. High power losses can therefore occur in housings, panels, walls, casings and enclosures in low-voltage switchgear and controlgear assemblies, which have a significant influence on the heating of the systems. Computational and experimental investigations have shown that typical arrangements of busbars and enclosures result in power losses of up to 32.7% of the total power losses measured in the test setup. If the results of the investigated heat sources are integrated into the networks of the various equipment of low-voltage switchgear and controlgear assemblies, the thermal networks set up enable the calculation of temperatures with small deviations (+4.4 K, -3.5 K) compared with measured temperatures. The verified and modularised thermal networks of the equipment provide an efficient and economical way of setting up heating networks of low-voltage switchgear and controlgear assemblies.:1 Einleitung 1 2 Problemstellung 2 2.1 Stand der Technik / Ausgangssituation 2 2.2 Normen zur Erwärmung 3 2.3 Aufgabenstellung 5 2.4 Aufbau der Versuchsanlage 7 3 Grundlagen der Erwärmungsberechnung 11 3.1 Erzeugte Wärmeleistungen 11 3.2 Wärmeübertragung 17 3.3 Erwärmungsberechnung mit Wärmenetzen 39 4 Grundlagen zur Stromverdrängung 43 4.1 Stromdichteverteilung im Vollzylinder 43 4.2 Stromverdrängung und der Leistungsfaktor k 48 5 Untersuchungen zu den Wärmequellen 54 5.1 Stromwärmeverluste in den elektrischen Leiter von Sammel- und Feldverteilerschienen 57 5.2 Stromwärmeverluste in Schaltgeräten und zugehörigen Betriebsmitteln 90 5.3 Wirbelstrom- und Hystereseverluste in Metallteilen 105 6 Wärmenetze für die Betriebsmittel einer Niederspannungs- Schaltgerätekombination 126 7 Wärmenetz einer Niederspannungs-Schaltgerätekombination 148 8 Zusammenfassung und Ausblick 155 9 Literaturverzeichnis 158 10 Anhang 163

The contents of this thesis are the introduction to mesh grids, the method of dispatch control of these grids and the description of technology used in mesh grids distribution nodes in the city of Brno. This thesis also describes low voltage switchgears used in these types of grids. The development of dispatch control in ECD company is also mentioned. The development describes the grid dispatch control methods prior to implementing the OMS system and the changes which followed after the implementation. The process improvements of the new system resulting from this thesis can be found in this thesis as well. The improvements are incorporated in the OMS system and are used for more efficient dispatch control of the low voltage mesh grids. There is a more detailed analysis of the mesh grid Brno – Bohunice in the practical part of this thesis. The practical part contains analyses of mesh grids stabilized conditions measurements and analyses of mesh grids fault conditions measurements. The analyses assess the power load in transformers, minimal and maximal phase current and maximal power load at the time they were observed. The analysis of the measured data is accompanied by the assessment of differences in current phase measurements and differences in voltage phase and combined measurements. The result, based on the analysis and collection of the data, is a proposition of adding switchgears for the support of the dispatch control of the mesh grid Brno – Bohunice. In the summary of the thesis there is a comparison of the result of the factual and theoretical analysis. An experimental model of the mesh grid Brno – Bohunice was created in PS CAD software as a part of the theoretical analysis.

Įmonėje UAB ELGA nuolatos tobulina vidutinės įtampos skirstymo ir valdymo elektros įrenginių konstrukciją, todėl iškyla poreikis atlikti trumpo jungimo srovės bandymus naujai sukomplektuotai įrangai. Magistriniame darbe analizuojama įmonėje surenkamų vidutinės įtampos uždarųjų skirstyklų skirstymo ir valdymo elektros įrenginių USN-10, USN-20, naudojamų 6 ÷ 10, 24 kV įtampos, 50 Hz dažnio elektros energijos paskirstymui, prijungtų linijų apsaugai nuo perkrovimų ir trumpų jungimų atsparumo trumpojo jungimo srovėms tyrimo laboratorija. Narveliuose, ant ištraukiamojo elemento (vežimėlio) instaliuoti įvairių firmų pvz.: „ABB“; „SIEMENS“; „VEI“ ir t.t. vakuuminiai jungtuvai. Darbe pateikiami normatyviniai dokumentai, kuriais remiantis atliekami bandymai, bandymo laboratoriją sudarančių elementų varžų, terminio bei dinaminio atsparumo skaičiavimai, bandymo schemos, bei bandymų sąlygos. / Stock company „ELGA“ is constantly developing an air insulated medium voltage semi-metalclad type switchgear systems construction, so it happens that we need to do short – time and withstand current tests for new complemented equipment. The Master thesis analyses short – time and withstand current tests laboratory for in company prefab medium voltage semi-metalclad type switchgear systems USN-10, USN-20 designed to be used for 6 ÷ 10, 24 kV voltage, and 50Hz frequency power distribution, connected feeder with over current and overload protection. Various companies' circuit breakers for example „ABB“; „SIEMENS“; „VEI“ etc are installed on extractive element (trolley) in cubicle. Normative standards sustaining how the tests should be made, test laboratory formative elements resistant’s, short – time and withstand current calculation, test scheme and test conditions are presented in the Master thesis.

This master’s thesis deals with the design of electric switchgear for low voltage, which will serve for presentation purposes. The switchgear is analogy of the modular system MNS 3.0, which includes the latest equipment of ABB Ltd. that is currently available on the market. Switchgears of this type are widely used in industry primarily for controlling motor units. For this reason, in the switchgear there are located motor starters in various performances, as well as distribution modules. In addition, the switchgear has an automatic transfer switch function in case of failure of one of the power supplies. The complete documentation of the switchgear is processed in the professional software EPLAN Electric P8 with use of the 3D software EPLAN Pro Panel for modelling device compartments. The final part of the thesis is the calculation of the maximum cable lengths that a potential customer can connect to the switchgear. In addition, an analysis of the power and control circuits was carried out for voltage drop calculations, as well as the effect of these voltage drops and capacitance of long control cables on the actuation of contactors.

The Master’s thesis deals with thermal network computation of UniGear type switchgear and it compares the calculated results with the real temperature rise test. The thesis describes both electrical and non-electrical characteristics of such a switchgear as well as its application in variol fields of industry. Description of switchgear auxiliary equipment is obvious part of the thesis. Modelling of current carrying track in software environment of Autodesk Inventor and preparing of this current carrying track for thermal network calculation in software environment of ANSYS follows. Main part of this thesis is presentation of thermal analysis results and their comparison with the real temperature rise test.