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Metalloxidvaristoren in Gleichstromschaltervorrichtungen

Bröker, Maike (2020):
Metalloxidvaristoren in Gleichstromschaltervorrichtungen.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00011401,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Metalloxidvaristoren in Gleichstromschaltervorrichtungen
Language: German
Abstract:

Um den Ausstoß von klimaschädlichen Gasen zu reduzieren, findet in der Europäischen Union (EU) und insbesondere auch in Deutschland ein intensiver Ausbau der Erneuerbaren Energien statt. Das stellt die derzeitigen Energieverteilsysteme vor große Herausforderungen. Neben einer effizienten Möglichkeit der Speicherung von ungenutzter Energie liegen oft große Distanzen zwischen dem Ort der Energieerzeugung und den Verbrauchern. Für den Energietransport ist ein Gleichstromnetz besser geeignet als das bestehende Wechselstromnetz. Für den sicheren Betrieb eines vermaschten Gleichstromnetzes sind Gleichstromschalter notwendig. Verschiedene Konzepte sind derzeit in der Entwicklungsund Erprobungsphase. Die Herausforderung besteht darin, dass es keinen natürlichen Stromnulldurchgang gibt, der im Fall eines Wechselstromschalters zum Lichtbogenlöschen dient. Unabhängig von dem betrachteten Gleichstromschalterkonzept ist es notwendig, ein Element in den Schalter zu integrieren, welches die einzelnen Elemente des Schalters vor Überspannungen schützt und die in den Netzinduktivitäten gespeicherte Energie aufnimmt. Eine Möglichkeit, die Energie abzuführen, ist ein Metalloxid-Varistor (MO-Varistor) in Form eines Überspannungsableiters, wie er in Wechselstromnetzen zum Schutz von Betriebsmitteln vor Überspannungen eingesetzt wird. Da ein MO-Varistor in einem Gleichstromschalter anderen Belastungen ausgesetzt ist als während des Betriebs in einem Wechselstromnetz, wird in dieser Arbeit eine Untersuchung bezüglich der Tauglichkeit bereits kommerziell erhältlicher MO-Varistoren innerhalb dieses neuen Einsatzgebietes durchgeführt. Die vorliegende Arbeit stellt einen zu Prüfzwecken eigens konzipierten Versuchskreis sowie ein Verfahren für die systematische Untersuchung kommerziell erhältlicher MO-Varistoren hinsichtlich der Veränderung ihres elektrischen Verhaltens aufgrund der neuartigen Belastungen vor. Die Untersuchung soll zeigen, ob die MO-Varistoren den verursachten Belastungen standhalten. Es wurden MO-Varistoren verschiedener Hersteller unter Variation mehrerer Parameter in Dauerversuchen belastet. Die erzielten Ergebnisse finden sich in einer Gegenüberstellung und Diskussion wieder. Sie belegen, dass sich MO-Varistoren aus konventionellem Material, wenn sie gleichstromstabil sind, für den Einsatz in einem Gleichstromschalter eignen. Ziel war es zudem, Parameter heraus zu arbeiten, die das elektrische Verhalten beeinflussen, und Erfahrungen zu sammeln, die bei der Erstellung von notwendigen Teststandards behilflich sein können. Sie werden abschließend diskutiert.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
To reduce the emission of climate-damaging gases, several measures have been initiated in the European Union (EU) and, in particular, in Germany to expand the utilization of renewable energy generating devices. Hence, less energy generated by conventional fossil-fueled power plants and more by means such as wind and solar farms is now provided to the grid. This poses significant challenges for today’s energy transmission lines. In addition to the question of efficient energy storage, long distances must be overcome between energy production facilities and consumers. In contrast to alternating current lines, direct current lines are able to transport energy over large distances with fewer losses. The challenge in using direct current transmission grids is switching them on and off in a controlled manner. Various concepts for direct current breakers exist but are still undergoing testing. The challenge lies in the fact that there is no natural zero-crossing of the current in a direct current system. Regardless of which concept is used, it would require a device, which protects the electronic breakers against surges during the switching process. One possible solution is the use of a metal-oxide varistor (MO varistor) similar to its utilization in alternating grids to protect equipment against overvoltages. Because an MO varistor is stressed with different loads in a direct current breaker than during operation in an alternating system, this thesis aims to investigate the suitability of commercially available material on hand today. The thesis describes a test setup and procedure for investigating currently available MO varistors in relation to the degree of degradation in their electrical behavior. These tests are intended to reveal whether a given material would highly degrade or even fail. After having defined testing requirements, a concept for the electrical test setup was worked out and realized. Both of these steps are discussed in detail within the scope of this thesis. Using the test setup described, MO varistors from several different manufacturers were tested with varying parameters. The results are evaluated and interpreted herein. The aim is to identify which parameters influence electrical behavior and to provide insight which might be helpful for standardization. The results obtained from this investigation verify that conventionally available MO varistors can be used to protect direct current breakers if they are direct current stable.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electrical Power Systems > High Voltage Technology
Date Deposited: 18 Mar 2020 14:57
Last Modified: 09 Jul 2020 06:25
DOI: 10.25534/tuprints-00011401
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-114012
Referees: Hinrichsen, Prof. Dr. Volker and Schichler, Prof. Dr. Uwe
Refereed: 18 July 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11401
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