Kernsättigung durch Gleichstromkomponenten in ATEX Zone 1 & DGA-Diagnose

Elektromagnetische Phänomenologie der Gleichstrom-Einspeisung (DC-Offset)

In industriellen Anlagen der chemischen Industrie, die als ATEX-Zone 1 klassifiziert sind, hat der massive Einsatz statischer Leistungsumrichter – wie Active Front End (AFE)-Gleichrichter, Frequenzumrichter (VFD) und Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) – ein kritisches Phänomen der elektromagnetischen Degradation eingeführt: die unbeabsichtigte Einspeisung einer Gleichstromkomponente (DC-Offset) in das Wechselstrom-Verteilungsnetz. Diese Gleichstromeinspeisung, selbst wenn ihre Beträge auf Bruchteile von 0,5 % bis 1 % des Transformator-Nennstroms begrenzt sind, verändert das Magnetisierungsverhalten des Kerns von Leistungs- und Isolationstransformatoren grundlegend.

Die Ursache dieses Phänomens liegt in den intrinsischen Schaltasymmetrien der Leistungshalbleiter (IGBTs/IGCTs), den thermischen Driften der Hall-Effekt-Stromsensoren in den Regelschleifen der Wechselrichter, der asymmetrischen Totzeitverzerrung (dead-time distortion) während der Ansteuerung der Brückenzweige sowie der Unsymmetrie der Spannungen im DC-Zwischenkreis. Aus elektromagnetischer Sicht ist der Gleichstromwiderstand der Primärwicklung des Transformators ($Rdc$) extrem gering. Daher führt bereits eine minimale Restgleichspannung ($Vdc$) zu einem signifikanten Gleichstrom $Idc = Vdc / Rdc$, der durch die Wicklung fließt und einen unidirektionalen Gleichfluss ($\Phi_{dc}$) erzeugt.

Der gesamte magnetische Fluss im Transformatorkern wird durch die Überlagerung des wechselnden Flusses der Grundfrequenz ($\Phi_{ac}$) und des Gleichfluss-Offsets ($\Phi_{dc}$) bestimmt:

wobei $N$ die Windungszahl der Wicklung darstellt, $\omega$ die Kreisfrequenz der Grundschwingung ($2\pi f$) ist und $\mathcal{R}_{m}$ den äquivalenten magnetischen Widerstand (Reluktanz) des Kernkreises beschreibt, ausgedrückt durch:

Da die relative magnetische Permeabilität von kornorientiertem Elektroblech (CRGO) $\mu_r(B)$ hochgradig nichtlinear und von der momentanen Flussdichte $B(t)$ abhängig es, verschiebt das Vorhandensein von $Bdc = \Phi_{dc} / Aeff$ den mittleren Arbeitspunkt auf der $B-H$-Hystereseschleife. Diese Verschiebung verzerrt die Kurve während einer Halbwelle der sinusförmigen Welle in den Bereich der tiefen magnetischen Sättigung, während die entgegengesetzte Halbwelle im linearen Bereich verbleibt.

Die direkte Folge dieser asymmetrischen Sättigung ist eine schwere Verformung des Magnetisierungsstroms ($imag(t)$). Das Verhalten der Flussdichte und des resultierenden Magnetisierungsstroms wird mathematisch durch die Fourier-Reihe einer stark verzerrten Welle mit Verlust der Halbschwingungssymmetrie beschrieben:

Im Gegensatz zur symmetrischen Sättigung (die nur ungeradzahlige Harmonische der Ordnung $3, 5, 7, \dots$ erzeugt) induziert die Sättigung durch DC-Offset das Auftreten einer dichten Familie geradzahliger Harmonischer ($2., 4., 6., \dots$) zusammen mit einem exponentiellen Anstieg des Spitzenwerts des Magnetisierungsstroms ($Ipeak$). Unter schweren Sättigungsbedingungen kann sich die Amplitude des Magnetisierungsstroms im Vergleich zu seinem Nenn-Leerlaufwert um das 10- bis 50-fache erhöhen und nimmt die Form schmaler Impulse mit hoher Amplitude in jeder Periode der Netzspannung an.

Dieser Streufluss und die stark verzerrten Felder machen lineare magnetische Entwurfsmodelle ungültig und verursachen eine parasitäre induktive Kopplung mit den umliegenden Metallstrukturen, den Kernpresskonstruktionen, den Wicklungspressen und dem Transformatorkessel.

Thermische und mechanische Auswirkungen in ATEX-Zone-1-Bereichen und IEC 61439-1/2-Anlagen

Im strengen Kontext einer chemischen Anlage mit Explosionsrisikoklassifizierung nach ATEX-Zone 1 (gemäß den Normen IEC 60079-0 und IEC 60079-14) müssen elektrische Geräte nicht nur innerhalb ihrer Nenngrenzen betrieben werden, sondern unter allen Betriebs- und Fehlerbedingungen gewährleisten, dass die Temperatur ihrer Außenflächen niemals die Zündtemperatur des in der Umgebung vorhandenen Gas-, Dampf- oder Nebelgemischs erreicht (Temperaturklassen T1 bis T6).

Die DC-Sättigung von Transformatoren und Drosseln, die in Zone 1 aufgestellt oder mit dieser verbunden sind, verändert die thermischen Auslegungsparameter, die durch die Normen für Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen IEC 61439-1 und 61439-2 definiert sind. Die Sättigung des Kerns entkräftet die Annahme, dass der magnetische Fluss innerhalb der Dynamobleche eingeschlossen bleibt. Bei Erreichen der Sättigungsflussdichte des Materials ($Bsat \approx 1,7 - 2,0 T$ bei CRGO-Blechen) fällt die Permeabilität des Kerns drastisch auf Werte nahe der Permeabilität von Luft ($\mu_r \to 1$). Dies leitet einen kritischen Teil des magnetischen Flusses in die äußeren Streupfade (stray flux) um.

Dieser magnetische Streufluss trifft senkrecht auf die nicht-laminierten Strukturelemente des Transformators und die Gehäuse der Schaltanlage (Türen, Tragprofile aus Stahlblech, Schienenverteilergehäuse nach IEC 61439-2). Gemäß dem Faraday-Lenzschen Gesetz und den Diffusionsgleichungen für elektromagnetische Felder induziert der zeitlich veränderliche Streufluss massive Wirbelströme (eddy currents) in der Kesselwand und in den Tragstrukturen der Schaltanlage:

wobei $\sigma$ die elektrische Leitfähigkeit des Baustahls und $\vec{A}_{stray}$ das magnetische Vektorpotential des Streuflusses ist. Diese Wirbelstromverluste konzentrieren sich auf sehr kleine Metallvolumina und erzeugen lokale Heißpunkte (Hotspots). In einem ATEX-Zone-1-Bereich mit der strengen Anforderung der Temperaturklasse T4 (maximal zulässige Oberflächentemperatur $Tmax \le 135^\circ C$) kann die Entstehung eines lokalen Hotspots an der Außenwand des Transformators oder am Gehäuse der IEC 61439-Kombination aufgrund der Sättigungsstreuung innerhalb weniger Minuten unkontrollierten DC-Betriebs leicht $160^\circ C - 200^\circ C$ überschreiten, was die Zündschutzart (z. B. Ex „d“, Ex „eb“ oder Ex „p“) sofort unwirksam macht.

Zusätzlich werden unter der Norm IEC 61439-1/2 (Abschnitt 10.10, Nachweis der Erwärmung) die Dimensionierung der Sammelschienen und die Entwärmungskapazität der Kombination auf der Grundlage linearer ohmscher Verluste und Standard-Oberschwingungsverluste berechnet. Die DC-Sättigung führt zu einer doppelten thermisch-mechanischen Belastung:

• Extremes thermisches Derating von Gehäusen: Die gesamten Eisenverluste im Transformator steigen nach einer quadratischen Funktion der im Fluss induzierten hochfrequenten harmonischen Komponenten an ($PFe = Physt \cdot \frac{f}{50} + Peddy \cdot \left(\frac{f}{50}\right)^2$). Das interne Luftvolumen im Schaltschrank überschreitet die Betriebsgrenzen der internen Umgebungstemperatur (Mittelwert von $35^\circ C$ über 24 Stunden), was zu einem vorzeitigen dielektrischen Durchschlag der Stützisolatoren der Sammelschienen (Polyamide, Epoxidharze) führt.
• Magnetostriktive mechanische Beanspruchungen: Das asymmetrische Magnetisierungsverhalten erzeugt elektromagnetische Kräfte und Reluktanzkräfte von großer Magnitude, die mit der Grundfrequenz und den geradzahligen harmonischen Frequenzen ($100 Hz , 200 Hz$) variieren. Die Verzerrung durch Magnetostriktion ($\lambda = \Delta L / L$) ist nicht mehr symmetrisch und erzeugt intensive Schwingungsbeschleunigungen in den Kernpressen und Metallgehäusen:
  $$Fmag(t) = \frac{B(t)^2 \cdot Aeff}{2 \mu_0} = \frac{\left(Bac\sin(\omega t) + Bdc\right)^2 Aeff}{2 \mu_0}$$
  Der Kreuzterm $\frac{Bac Bdc \sin(\omega t) Aeff}{\mu_0}$ führt eine primäre oszillierende Kraft bei der Grundfrequenz von $50 Hz$ (anstelle der normalen Pulsation bei $100 Hz$) ein, was mechanische Resonanzen in den Gehäusestrukturen nach IEC 61439, das Lockern von Schraubverbindungen und mechanischen Verschleiß an den ATEX-Dichtungen (elastomere Dichtungen Ex „d“ oder Ex „t“) auslöst.

Diagnose des dielektrischen Abbaus mittels gelöster Gasanalyse (DGA) und Duval-Dreieck

Die lokale Überhitzung und der schwere elektrische Stress, die aus der DC-Sättigung des Kerns resultieren, verursachen einen thermischen und fotochemischen Abbau der flüssigen (Mineralöle oder synthetische/natürliche Ester) und festen Dielektrika (Kraftpapier, Pressspan), die in der Transformatorisolation verwendet werden. Die Zersetzung der Kohlenwasserstoffketten der Isolierflüssigkeit setzt brennbare Gase frei, die sich in der flüssigen Matrix lösen. Die Analyse gelöster Gase (DGA - Dissolved Gas Analysis), normiert nach IEC 60599 und IEEE C57.104, stellt das primäre forensische Werkzeug zur Erkennung dieser Anomalien dar.

Die durch den Streufluss bei DC-Sättigung hervorgerufenen thermischen Mechanismen erzeugen hochcharakteristische Gaszersetzungsmuster. Die Temperaturen des Hotspots bestimmen das Aufbrechen spezifischer chemischer Bindungen:

• Niedrige Temperaturen ($T < 300^\circ C$): Aufbrechen schwacher C-C-Bindungen, wobei hauptsächlich Ethan ($C _2 H _6$) und Methan ($CH _4$) freigesetzt werden.
• Mittlere Temperaturen ($300^\circ C < T < 700^\circ C$): Aufbrechen von C-H- und C=C-Bindungen, was zu einer Dominanz von Ethylen ($C _2 H _4$) führt.
• Hohe Temperaturen ($T > 700^\circ C$) oder Lichtbögen durch sekundäre Isolationsfehler: Massive Erzeugung von Ethylen ($C _2 H _4$) und Auftreten von Acetylen ($C _2 H _2$).

Zur eindeutigen Diagnose des durch DC-Offset-Sättigung induzierten Abbaus wird die Methodik des Duval-Dreiecks 1 angewendet, die auf den relativen Anteilen von drei Schlüsselkohlenwasserstoffgasen basiert: Methan ($CH _4$), Ethylen ($C _2 H _4$) und Acetylen ($C _2 H _2$). Die Koordinaten innerhalb des Dreiecks werden prozentual aus den Konzentrationen in ppm anhand der folgenden Ausdrücke berechnet:

Die Interpretation des durch DC-Sättigung verursachten Abbaus über das Duval-Dreieck 1 umfasst die folgenden thermischen Zonen:

• Zone T1 (Thermischer Fehler $T < 300^\circ C$): Gekennzeichnet durch eine hohe Konzentration von $CH _4$ und $C _2 H _6$. Tritt in den Anfangsphasen der Gleichstromeinspeisung auf, in denen der magnetische Streufluss eine leichte Erwärmung in den Kernpressplatten und Tankwänden induziert.
• Zone T2 (Thermischer Fehler $300^\circ C < T < 700^\circ C$): Entspricht dem kritischen Betriebspunkt permanenter DC-Sättigung. Die Konzentrationen von Ethylen ($C _2 H _4$) steigen rasant an, was den Koordinatenpunkt in den mittleren bis rechten Bereich des Dreiecks verschiebt. Dies bestätigt das Vorhandensein von Hotspots in strukturellen Stahlbauteilen oder in Bereichen nahe den Wicklungen.
• Zone T3 (Thermischer Fehler $T > 700^\circ C$): Tritt auf, wenn die DC-Sättigung eine massive Überhitzung an den internen Verbindungen verursacht und die thermischen Isolationsschichten der Spannbolzen zerstört, wodurch extreme Temperaturen bei Konzentrationen von $C _2 H _4 > 50\%$ erreicht werden.

Zur Verfeinerung der Charakterisierung von thermischen Fehlern niedriger und mittlerer Temperatur, die durch Streuflüsse im Vergleich zu Fehlern im Isolierpapier entstehen, werden ergänzend das Duval-Dreieck 4 und Duval-Dreieck 5 verwendet (spezifisch für thermische Fehler niedriger Temperatur und in Betrieb befindliche Transformatoren mit nicht-mineralischen Flüssigkeiten):

Ein anhaltender Anstieg der Gase Kohlenmonoxid ($CO$) und Kohlendioxid ($CO _2$) zusammen mit einem Verhältnis $CO _2 / CO < 3$ bestätigt eindeutig, dass der durch den Sättigungsstreufluss verursachte Hotspot die Isolierzellulose (Kraftpapier) erreicht hat und deren polymere Struktur irreparabel abbaut.

Forensische Fehleranalyse von Leistungskomponenten

Die kontinuierliche Einspeisung einer Gleichstromkomponente durch leistungselektronische Konverter löst einen Kettenabbauprozess bei den Betriebsmitteln des elektrischen Systems aus. Im Folgenden wird die forensische Analyse nach Komponenten aufgeschlüsselt:

Leistungs- und Isolationstransformatoren

Die erste Fehlerart ist der pyrolytische Abbau der Isolierzellulose. Kraftpapier besteht aus Glucoseketten, deren Lebensdauerindikator der Polymerisationsgrad (DP) ist. Eine neue Zelluloseisolation weist einen $DP \approx 1000 - 1200$ auf. Unter dem Einfluss von thermischen Hotspots, die durch Streufluss induziert werden (T > 140^\circ C ")), beschleunigt sich die Abbaugeschwindigkeit der Zelluloseketten exponentiell nach der Arrhenius-Gleichung: kdeg=A⋅e−EaR⋅Tkdeg = A \cdot e^{-\frac{E_a}{R \cdot T}}kdeg=A⋅e−R⋅TEa​​ Wenn der DP unter 200 fällt, sinkt die mechanische Festigkeit des Papiers auf 20 % seines ursprünglichen Wertes und es wird brüchig. Bei jeder nachfolgenden elektrodynamischen Beanspruchung (wie einem durchgehenden Kurzschlussstrom) erleiden die Wicklungswindungen einen mechanischen Kollaps und einen Windungsschluss (turn-to-turn fault).

Die zweite Fehlerart bei Transformatoren sind anomale akustische Geräusche und strukturelle Resonanzen. Die Gleichstromeinspeisung bricht die Symmetrie der Hystereseschleife und erzeugt Schwingungswellen bei der Grundfrequenz ($50 Hz$), die sich mit den harmonischen Komponenten überlagern. Dies führt zu einer dauerhaften Belastung der Kesselschweißnähte und zu Ermüdungsrissen in den Rohrleitungen des Kühlsystems (Radiatoren und Ölpumpen).

Kabel und elektrische Leitungswege (IEC 60287 / NEC 310)

Mittel- und Niederspannungskabel, die die AFE-Wechselrichter mit den Transformatoren verbinden, erfahren ein stark verändertes thermisches Verhalten. Der nicht-sinusförmige und stark asymmetrische Strom, der reich an geradzahligen Harmonischen niedriger Ordnung ist (insbesondere der 2. und 4. Harmonischen), induziert aufgrund des Skin-Effekts (skin effect) und des Proximity-Effekts (proximity effect) einen drastischen Anstieg des effektiven Wechselstromwiderstands des Leiters ($Rac$):

wobei $y_s$ y $y_p$ die Faktoren für den Skin- bzw. Proximity-Effekt sind, die proportional mit dem Quadrat der Frequenz der durch die Sättigung verursachten harmonischen Komponenten ansteigen ($y_s \propto f^2$). Dies führt zu einer starken Erhöhung der Innentemperatur der Leiter, was die thermische Alterung der XLPE- oder EPR-Isolierung über ihre maximal zulässige Dauertemperatur ($90^\circ C$) hinaus beschleunigt und das Phänomen des Water-Treeings (water treeing) sowie zerstörerische Teilentladungen in unterirdischen chemischen Anlagen fördert.

Schaltgeräte und Schutzrelais

Das Vorhandensein einer Gleichstromkomponente und die Sättigung in den Transformatoren beeinträchtigen den Betrieb der Schutzsysteme (IEC 60255):

• Sättigung von Mess- und Schutzstromwandlern (CT): Der stark verzerrte Primärstrom mit DC-Offset wird auf die Sekundärseite der Stromwandler übertragen. Der Kern des Stromwandlers selbst sättigt schnell, was zu einer schweren Verformung des an die Schutzrelais gesendeten Sekundärsignals führt. Dies verursacht eine Unterfunktion (underreaching) oder eine Fehlauslösung (overreaching) bei Überstromrelais (50/51) und Transformator-Differentialschutzrelais (87T).
• Lichtbogenlöschung in Leistungsschaltern (IEC 60947-2 / IEC 62271-100): Die Verzerrung der Stromwelle kann die Nulldurchgänge (zero-crossing) des Wechselstroms verschieben oder bei Fehlern in Kombination mit DC-Einschwingvorgängen über mehrere Perioden hinweg ganz verhindern. Leistungsschalter sind auf den natürlichen Nulldurchgang angewiesen, um den Lichtbogen in den Löschkammern zu löschen. Das Fehlen oder die Verzerrung des Nulldurchgangs verlängert die Lichtbogenzeit, was die Leistungskontakte aus Silber-Cadmium/Wolfram zerstört und in ATEX-Atmosphären zu einer katastrophalen Explosion der Löschkammer führen kann.

Vergleichsmatrix der elektromagnetischen, normativen und diagnostischen Parameter

Elektronischer / Thermischer Parameter	Nominaler Normalbetrieb (Ohne DC-Offset)	Schwere DC-Sättigung (Offset > 0,5 % $I_n$)	Grenzwert nach Norm (IEC / IEEE / ATEX)	DGA-Konsequenz und forensische Diagnose
Magnetische Flussdichte ($Bpeak$)	$1,50 - 1,68 T$ (Linearer Bereich des CRGO-Stahls)	$1,90 - 2,15 T$ (Tiefe Sättigung in einer Halbwelle)	$Bmax < 1,75 T$ (Auslegungskriterium des Herstellers)	Induziert abnormale Eisenverluste; Beginn des Abbaus durch lokale Hotspots.
Magnetisierungsstrom ($Imag$)	$< 1\% - 2\%$ von $I_n$ (Quasi-sinusförmige Wellenform)	$10\% - 50\%$ von $I_n$ (Periodische Impulse hoher Amplitude)	IEEE Std C57.110 / IEC 60076-1	Beschleunigte Bildung von $H _2$- und $CH _4$-Gasen durch oberflächliche Teilentladungen und Überhitzung.
Außentemperatur des Kessels / Gehäuses	$55^\circ C - 70^\circ C$ (Mittlere Erwärmung über Umgebung)	$> 140^\circ C - 180^\circ C$ (In Bereichen konzentrierten Streuflusses)	IEC 60079-0 (ATEX T4: $Tmax \le 135^\circ C$) / IEC 61439-1 (Abschnitt 10.10)	Akute ATEX-Zündgefahr. DGA-Diagnose: Zone T2 oder T3 im Duval-Dreieck ($C _2 H _4$ dominant).
Oberschwingungsgehalt im Strom	THD$_i < 3\%$, Dominanz ungeradzahliger Harmonischer ($3^\circ, 5^\circ$)	THD$_i > 25\%$, massives Vorhandensein geradzahliger Harmonischer ($2^\circ, 4^\circ, 6^\circ$) und DC	IEEE 519 / IEC 61000-3-6 (Grenzwert für DC-Einspeisung $< 0,5\%$ $I_n$)	Schwere Verluste in flüssigen Isolierstoffen; Beschleunigung der Pyrolyse im Isolierpapier.
Schalldruckpegel und Vibration	$55 - 65 dBA$ (Dominante Vibration bei $100 Hz$)	$> 85 - 95 dBA$ (Schwere Komponente bei $50 Hz$ und ungeradzahligen Harmonischen tritt auf)	IEC 60076-10 (Grenzwerte für Schalldruckpegel)	Mechanisches Versagen durch Ermüdung an Presskonstruktionen, Leckagen an ATEX-Dichtungen und Anschlüssen.
Polymerisationsgrad des Papiers (DP)	$1000 - 1200 (Neuzustand)$	Abfall auf $< 200 (Ende der Lebensdauer der Isolation)$	IEC 60450 / IEEE C57.100	Massive Bildung von $CO$ und $CO _2$, Verhältnis $CO _2/ CO < 3$, Vorhandensein von Furanen (2-FAL).

Mitigationsstrategien und Anti-Sättigungs-Designkriterien

Die Behebung des thermischen ATEX-Risikos und die Vermeidung dielektrischer Fehler in umrichtergesteuerten Anlagen erfordert eine Kombination aus aktiven Mitigationsverfahren, passiven Hardware-Modifikationen und einer strengen Auslegung gemäß den IEC 61439-1/2-Gehäusespezifikationen.

Aktive Mitigation durch Wechselrichterregelung

Moderne Wechselrichter-Regelungsarchitekturen müssen Regelkreise zur Eliminierung des DC-Offsets durch hochpräzise Überwachung des Transformatorflusses oder direkte Abtastung des Ausgangsstroms integrieren. Es werden geschlossene Fluxgate-Stromsensoren (mit einer Nullpunktdrift $< 1 ppm/K$) gekoppelt mit einem Algorithmus zur Mittelwertkompensation im digitalen Signalprozessor (DSP) eingesetzt:

Dieses Korrektursignal wird direkt vom Pulsweitenmodulationsmodul (PWM) subtrahiert, wodurch die Schalttotzeit der oberen und unteren Transistoren jedes Wechselrichterzweigs symmetrisch angepasst wird, um die äquivalente Gleichspannung zu annullieren ($Vdc \to 0$).

Passive Mitigation und magnetisches Design

Wenn die aktive Einspeisungskompensation unter Fehlerbedingungen des Wechselrichters nicht zu 100 % garantiert werden kann, müssen passive Hardware-Lösungen implementiert werden:

• Einbringen strategischer Luftspalte (Core Gapping): Die Einführung eines kleinen, verteilten Luftspalts ($\delta$) im magnetischen Kreis des Transformators erhöht den magnetischen Widerstand (Reluktanz) des Kerns für die Gleichstromkomponente erheblich und dämpft den Offset-Fluss $\Phi_{dc}$ drastisch. Die modifizierte Reluktanz ist gegeben durch:
  $$\mathcal{R}_{m, modified} = \frac{leff}{\mu_0 \mu_r Aeff} + \frac{\delta}{\mu_0 Aeff}$$
  Obwohl dies den grundschwingenden Blindmagnetisierungsstrom im Leerlauf leicht erhöht, verschiebt es den Sättigungsknick der $B-H$-Kurve und schützt den Transformator vor wesentlichen DC-Abweichungen.
• Isolationstransformatoren mit Zickzack-Wicklungen (Zn): Die Zickzack-Wicklungstopologie stellt einen natürlichen Unterdrücker für Gleichstromkomponenten und dreifache Harmonische auf der Sekundärseite dar. Die durch den Gleichstrom in den zwei entgegengesetzten Hälften der Wicklungsschenkel erzeugten Flüsse wirken einander magnetisch entgegen, wodurch eine Netto-Aufhebung der Gleichstrom-Magnetisierungskraft erzielt wird ($FMM_{dc} = N Idc - N Idc = 0$).
• DC-Blockkondensatoren (DC Blocking Capacitors): Reihenschaltung von unpolaren Kondensatorbatterien im Sternpunkt des Transformators oder in den Niederspannungs-Kopplungsphasen. Die Kondensatoren bieten dem Gleichstrom einen unendlichen Widerstand ($Zdc = \infty$) und blockieren den Durchgang jeglicher Gleichstromkomponenten vom Wechselrichter vollständig.

Gehäusekonstruktion und Montage in ATEX-Zone 1 (IEC 61439 / IEC 60079)

Bei der Konstruktion von Energieverteilern und Leistungsschnittstellen nach IEC 61439-1/2 für ATEX-Zone-1-Anwendungen müssen die folgenden strengen Konstruktionsregeln zur Vermeidung von Erwärmungen durch Streufluss implementiert werden:

• Amagnetische Flanschplatten (Kabeleinführungen): Die Einführung einadriger Kabel mit großem Querschnitt durch das Ex-„d“- oder Ex-„e“-Gehäuse des Verteilers darf ausschließlich über Flanschplatten aus amagnetischen Materialien (austenitischer Edelstahl AISI 316L, Aluminium oder Messing) erfolgen. Dies verhindert das Schließen des magnetischen Kreises des Streuflusses um den Leiter herum und eliminiert die Erwärmung durch Wirbelströme im Schrankchassis.
• Verteilte faseroptische Temperaturüberwachung (DTS): Um zu verhindern, dass die Oberflächentemperatur des Gehäuses in Zone 1 den ATEX-T4-Grenzwert ($135^\circ C$) überschreitet, müssen kontinuierliche faseroptische Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensoren (FBG) direkt an den Kernpressen, Kabelverschraubungen und Kesselwänden installiert werden. Diese eigensicheren Sensoren (Ex „i“) müssen den Hauptleistungsschalter verriegeln und abschalten, falls Temperaturanstiege über $105^\circ C$ festgestellt werden.

Modellierung und technische Integration in der Vexten Suite

Die präzise Bewertung der Auswirkungen der DC-Offset-Sättigung in den elektrischen Systemen chemischer Anlagen erfordert den Einsatz fortschrittlicher Simulationstools. Die Software Vexten Suite integriert Berechnungsmodule, die speziell dafür ausgelegt sind, die beschriebenen elektromagnetischen und kohlenwasserstoffbasierten Nichtlinearitäten zu berücksichtigen.

Kurzschlussberechnungsmodul (IEC 60909 / IEEE 141)

Die vorherige Sättigung des Kerns durch Gleichstromeinspeisung verändert die äquivalenten Systemimpedanzen im Moment des Auftretens eines Kurzschlusses. Nach der Norm IEC 60909 hängt der Stoßkurzschlussstrom ($i_p$) direkt vom Faktor $\kappa$ (Scheitelfaktor) ab, welcher eine Funktion des $R/X$-Verhältnisses des Fehlerkreises ist:

Wenn der Transformatorkern durch eine vorherige DC-Komponente gesättigt ist, reduzieren sich die Magnetisierungsreaktanz und die Streureaktanz vorübergehend ($Xsat < Xlinear$). Dies verschiebt das $R/X$-Verhältnis drastisch hin zu höheren Werten des Spektralverhältnisses, während die Nullimpedanz sinkt. Die Vexten Suite passt die Systemadmittanzmatrix ($\mathbf{Y}_{bus}$) dynamisch an, indem sie den Wert der gesättigten subtransienten Reaktanz ($X_{d\_sat}''$) neu berechnet. Dies liefert eine präzise Abschätzung des maximalen Stoßkurzschlussstroms $i_p$ und verhindert eine Unterdimensionierung des Ausschaltvermögens (breaking capacity) der in der ATEX-Zone installierten Leistungsschalter.

Kabeldimensionierungsmodul und harmonisches Derating (IEC 60287 / NEC 310)

Das Kabeldimensionierungsmodul der Vexten Suite führt einen iterativen Algorithmus basierend auf der Norm IEC 60287 für die Dauerstrombelastbarkeit aus und integriert den thermischen Korrekturfaktor für Oberschwingungsverzerrung und DC-Einspeisung ($Kderating$):

Die Software berechnet intern den Wechselstromwiderstand bei der Frequenz jeder durch die DC-Sättigung resultierenden geradzahligen Harmonischen ($Rac(h)$) und bewertet die Zunahmen durch die Skin-Effekt-Tiefe $\delta_s = \sqrt{\frac{2}{\omega \mu \sigma}}$. Auf diese Weise verhindert die Vexten Suite den dielektrischen Ausfall von Kabeln, die kritische Lasten in chemischen Anlagen versorgen, und stellt sicher, dass der Temperaturbetriebspunkt des Leiters unter den nominalen Auslegungswerten von $90^\circ C$ bleibt.

Resonanzanalysemodul und Oberschwingungsfilter

Die Gleichstromeinspeisung und die Oberschwingungsverzerrung durch Sättigung verändern den Frequenzgang des Versorgungsnetzes. Die äquivalente Magnetisierungsinduktivität des Transformators sinkt während der Kernsättigung auf minimale Momentanwerte ($L_{mag\_sat} \ll L_{mag\_nom}$). Dies verschiebt die Parallelresonanzfrequenz des Systems ($fres$) hin zu höheren Oberschwingungsordnungen:

Wenn die verschobene Resonanzfrequenz mit einer der durch die Sättigung verstärkten geradzahligen Harmonischen übereinstimmt (z. B. der 2. Harmonischen bei $100 Hz$ oder der 4. Harmonischen bei $200 Hz$), erfährt die Spannung an den Sammelschienen der IEC 61439-1/2-Kombination eine zerstörerische Resonanzverstärkung. Die Vexten Suite führt dynamische Frequenzscans (Frequency Scan Analysis) in Abhängigkeit vom DC-Einspeisungspegel durch, entwirft automatisiert bedämpfte passive Filter (C-Typ- oder Hochpassfilter) oder konfiguriert die aktiven Dämpfungsparameter des Wechselrichters, um Resonanzen in explosionsgefährdeten Bereichen sicher zu unterdrücken.