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Experimentelle Untersuchungen zum Einzelimpulsenergieaufnahmevermögen von Metalloxidwiderständen eingesetzt in Hochspannungsnetzen unter Berücksichtigung eines komplexen Fehlerkriteriums

Reinhard, Max :
Experimentelle Untersuchungen zum Einzelimpulsenergieaufnahmevermögen von Metalloxidwiderständen eingesetzt in Hochspannungsnetzen unter Berücksichtigung eines komplexen Fehlerkriteriums.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Experimentelle Untersuchungen zum Einzelimpulsenergieaufnahmevermögen von Metalloxidwiderständen eingesetzt in Hochspannungsnetzen unter Berücksichtigung eines komplexen Fehlerkriteriums
Language: German
Abstract:

Die vorliegende Arbeit entstand in enger Zusammenarbeit mit der international besetzten Cigré Arbeitsgruppe A3.17 “Surge Arresters“. In dem mehrere tausend MO-Widerstände (Metalloxid-Widerstände) umfassenden Versuchsprogramm wurden verschiedenste Prüfungen an MO-Widerständen, die derzeit für den Bau von Überspannungsableitern, sowohl in Hoch- als auch in Mittelspannungsnetzen, eingesetzt werden, von Herstellern aus Amerika, Europa und Japan durchgeführt. Der Fokus der Untersuchung lag dabei auf dem Einzelimpulsenergieaufnahmevermögen. Das Ziel der Untersuchungen war zum einen, die Ergebnisse früherer Untersuchungen zu ve-rifizieren und zu erweitern. Zum anderen sollten die Untersuchungen den derzeitigen Stand der Technik dokumentieren. Zu diesem Zweck werden die 50-%-Ausfallenergien miteinander verglichen. Es wurden am Markt erhältliche MO-Widerstände von sieben Herstellern aus aller Welt (benannt mit S, U, V, W, X, Y, Z) untersucht. Die Untersuchungen beziehen sich auf zwei unterschiedliche Größen von MO-Widerständen. Die erste Größe, im Weiteren Größe 1 genannt, wird hauptsächlich in Hochspannungsableitern der Leitungsentladungsklasse 3 mit einem Nennableitstoßstrom von 10 kA eingesetzt. Ihre Höhe variiert von Typ zu Typ zwischen 40 und 45 mm (nur die MO-Widerstände eines Herstellers wiesen eine kleinere Höhe von ca. 25 mm auf), bei einem Durchmesser von etwa 60 mm. Die zweite untersuchte Größe, im Weiteren Größe 2 genannt, wird hauptsächlich in Mittelspannungsableitern mit einem Nennableit-stoßstrom von 10 kA eingesetzt. Ihre Höhe variiert von 30 bis 40 mm, bei einem Durchmesser von ca. 40 mm. Das Versuchsprogramm besteht aus acht verschiedenen Belastungsformen, die sich in Versuche mit Wechselstrom und in Versuche mit Impulsstrom untergliedern. Es wurden Wechselstrombeanspruchungen mit einer Stromhöhe von 10 A, 100 A, 300 A; Rechteckstoßstromimpulse mit Zeitdauern von 1, 2, 4 ms; Hochstoßstromimpulse der Form 4/10 µs und Blitzströme der Form 90/200 µs verwendet. Bei jeder Prüfung sind jeweils 40 bis 50 MO-Widerstände eines Herstellers und einer Größe verwendet worden. In Einzelfällen wurde die Anzahl der geprüften MO-Widerstände bis auf 80 Stück erweitert. Von den für das Versuchs-programm gelieferten MO-Widerständen sind bisher ca. 3200 Stück geprüft worden. Um bei dieser großen Anzahl von MO-Widerständen eine zügige Durchführung zu gewährleisten, wurde eine pneumatische Prüflingsaufnahme entwickelt, die einen konstanten Anpressdruck auf die MO-Widerstände und einen zügigen Versuchsablauf gewährleistet. Um die Bedingungen für jeden Versuch gleich zu halten und eventuelle Überschlagsprobleme durch beschädigte Elektroden auszuschließen, wurden für jeden Versuch zwei neue, 5 mm dicke Aluminium-Elektroden mit abgerundeten Kanten verwendet. Die Versuche mit Wechselstrombelastung wurden alle bis zum mechanischen Ausfall durchgeführt. Hierzu wurden die MO-Widerstände solange mit Wechselspannung (Frequenz 50 Hz) beaufschlagt, bis sie mechanisch ausfielen. Dies ermöglichte unter anderem den direkten Vergleich mit früheren Untersuchungen und damit die Bewertung der Entwicklung der letzten 10 Jahre in der Fertigung von MO-Widerständen. Für die Versuche mit Impulsstrombelastungen wurden, wie schon oben ausgeführt, Normprüfimpulse, wie sie zum Beispiel in [IEC 60099-4] beschrieben sind, verwendet. Da durch die Versuche die 50-%-Ausfallenergie gefunden werden sollte, ergab sich, dass nicht alle MO-Widerstände bis zu ihrem Ausfall geprüft wurden. Dies machte jedoch eine differenziertere Bewertung der geprüften MO-Widerstände nötig, da keine eindeutige Klassifikation (defekt / intakt) durch eine rein visuelle Inspektion möglich war. Im Bereich der Impulsversuche wurde erstmals ein komplexes Fehlerkriterium, das die Änderung der Referenzspannung bewertet, eingeführt. Hierzu wurde ein standardisierter Versuchsablauf entwickelt, der sich aus einer Eingangsmessung zur Bestimmung der elektrischen Kennwerte der zu prüfenden MO-Widerstände und einer Ausgangsmessung nach erfolgter Prüfung zusammensetzt. Im Rahmen der Eingangsmessungen wurde die Referenzspannung Uref bei einer vorgegebenen Referenzstromdichte von Jref = 0,12 mA/cm² fünf Sekunden nach Anlegen der Spannung automatisch gemessen. Durch die Messung der Referenzspannung vor und nach der Prüfung mit Impulsbelastung sollten mögliche Änderungen im Material detektiert werden. Des Weiteren wurde im Rahmen der Eingangsmessung die Restspannung (Kurvenform 8/20 µs) beim Nennableitstoßstrom von 10 kA gemessen. Nach der Eingangsmessung wurde der eigentliche Energiebelastungsversuch durchgeführt. Im Anschluss an diesen Versuch erfolgte eine visuelle Inspektion des MO-Widerstandes, um mechanische Schädigungen wie Bruch, Durchschlag oder Überschlag zu erkennen. Wurde bei dieser Untersuchung kein mechanischer Schaden festgestellt, so wurden erneut die elektrischen Kenndaten am auf Raumtemperatur abgekühlten Widerstand gemessen. Diese Messungen erfolgten unter identischen Bedingungen wie bei der Eingangsmessung mit der einzigen Ausnahme, dass im Anschluss an die Restspannungsmessung noch eine Restspannungsmessung mit einem erhöhten Blitzstoßstrom (ebenfalls 8/20 µs) und einer Stromhöhe, die sich aus einer Stromdichte von J = 1,5 kA/cm² ergibt, durchgeführt wurde. Dieser Impuls wurde eingeführt, um Schäden an MO-Widerständen, die visuell nicht eindeutig zu identifizieren waren und deren elektrische Kenndaten sich nicht geändert hatten, besser bewerten zu können. Nach intensiver Diskussion innerhalb der Ar-beitsgruppe A3.17 wurde das folgende Kriterium für die Bewertung der Referenzspannungs-änderung eingeführt. Wenn die Referenzspannung sich um mehr als 5 % geändert hat, wird der Widerstand als defekt gewertet. Dieses Kriterium ist gewählt worden, weil bei einer solchen Änderung von einer klaren Änderung der Materialcharakteristik ausgegangen werden kann. Sollte der Widerstand während der Ausgangsmessungen mit Blitzstoßströmen (8/20 µs) der Stromhöhen 10 kA bzw. einer Stromhöhe korrespondierend zu einer Stromdichte von J = 1,5 kA/cm² mechanisch ausfallen, wurde er auch als defekt gewertet. Beide zusätzlich eingeführten Kriterien wurden nötig, um MO-Widerstände, die nach den Energiebelastungs-prüfungen nicht eindeutig als mechanisch defekt zu identifizieren waren, zu bewerten. Zuletzt wurden Änderungen der Restspannung bewertet. Hatte sich die Restspannung eines Widerstandes nach der Energieprüfung um mehr als 5 % geändert, wurde er ebenfalls als defekt gewertet. Die statistische Auswertung der gemessenen Daten erfolgte mit der Statistiksoftware MLM (“Multiple Level Method“) für Impulsversuche und mit PSM (“Progressive Stress Method“) für Wechselstromversuche. Die Software wird von der Firma Highvolt angeboten und ist speziell für hochspannungstechnische Anwendungen optimiert. Hierbei wird die Maximum-Likelihood-Methode zur Schätzung der Verteilungsparameter angewendet. Alle Auswertun-gen der Versuchsdaten wurden unter der Annahme einer Normalverteilung durchgeführt. Unter Berücksichtigung des komplexen Fehlerkriteriums und nach der statistischen Auswertung ergeben sich Energieaufnahmevermögen (50 % Ausfallwahrscheinlichkeit) im Bereich von 1000 J/cm³. Das Energieaufnahmevermögen steigt mit kürzeren Impulszeiten, daher grö-ßeren Stromamplituden, deutlich an, bis sich ein limitierender Einfluss der Glasur bemerkbar macht. Für die Blitzstromimpulse der Form 90/200 µs zeigten die MO-Widerstände von zwei Herstellern ein wesentlich herabgesetztes Energieaufnahmevermögen, als bei Rechteckstoß-strömen. Das Energieaufnahmevermögen der MO-Widerstände von Hersteller X stieg dagegen bei diesen Impulsen bis auf den höchsten insgesamt gemessenen Wert von 1700 J/cm³. Für Hochstoßstromimpulse der Form 4/10 µs wurde das Kriterium der Referenzspannungsänderung dominant. Nahezu alle MO-Widerstände fielen bei diesen Impulsen durch eine Änderung der Referenzspannung aus. Es lässt sich allerdings ein großer Unterschied im Ausmaß der Änderung der Referenzspannung im Vergleich der Hersteller untereinander erkennen. Es wurden Referenzspannungsänderungen von bis zu 35 % beobachtet. Für die Wechselstrom-versuche zeigte sich ebenfalls, dass mit zunehmender Stromamplitude, daher kürzeren Versuchsdauern, das Energieaufnahmevermögen ansteigt. Dagegen sinkt das Energieaufnahme-vermögen mit größeren Durchmessern der MO-Widerstände ab.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Abstract The present work was performed in close contact to the Cigré Workgroup A3.17 "Surge Arresters". In this experimental research program, various energy handling tests on several thousand commercially available MO resistors used for high- and medium voltage arresters from different manufacturers from America, Europe and Japan have been performed. The focus was on the single-impulse energy handling capability of such MO resistors. The goal was to confirm and update the test results of various former investigations. Another goal was to document the state of the art in respect of the MO-resistor technology. For this purpose, the 50-%-failure energies are compared. Varistors from seven manufacturers worldwide (named as S, U, V, W, X, Y, Z) were tested. Two basically different sizes of varistors were investigated. The first size, denominated as "Size 1", is typically applied in 10 kA station class arresters of line discharge class 3. Their height is 40 mm to 45 mm and their diameter around 60 mm. The second size – "Size 2" – is typically applied in 10 kA distribution class arresters. Their height varies from approximately 30 mm to approx. 40 mm, their diameter is around 40 mm. Eight different types of current stress were applied for testing: alternating current (50 Hz) at three levels of current amplitudes: 10 A, 100 A, 300 A, long-duration current impulses of about 1 ms, 2 ms and 4 ms time duration, high current impulse 4/10 µs and lightning im-pulse discharge current 90/200 µs. For each test, series 40...50 samples were tested. For various tests the sample number was even increased up to 80. Out of the total number of MO re-sistors that have been announced and delivered, respectively, for the test program, some 3200 pieces have been tested so far. A pneumatic test fixture was developed to allow rapid testing and to ensure constant pressure on the MO-resistors. In order to ensure identical contact conditions for each test and to avoid flashover problems as a result of damaged electrodes, two new aluminium electrodes of 5 mm thickness with rounded edges were used for each test. All tests with ac stress were carried out until mechanical by puncture or breaking occurred. The resistors were stressed with ac voltage (50 Hz) until they failed. These kinds of tests made it, among other things, possible to compare the results with former investigations and to demonstrate progress in MO resistor technology over the last 10 years. All impulse tests were carried out with standard impulses according to [IEC 60099-4]. Therefore, not all tests led to mechanical failure. After such an impulse test had been carried out, it was not possible to determine the status of the resistor only by way of visual inspection. As a consequence, a more sophisticated analysis was necessary. Regarding the impulse tests, for the first time a complex failure criterion taking into account the change of the reference voltage has been introduced and applied. For this purpose, a standardised test procedure including an initial and an exit measurement was developed. During these initial measurements the reference voltage Uref in the leakage current range of the U-I-characteristics is measured auto-matically at a current Iref corresponding to a peak current density of 0.12 mA/cm², five seconds after application of the voltage. By measuring the reference voltage before and after test-ing changes in the material characteristic could be detected. Additional to the reference voltage test the residual voltage at 8/20 µs is measured at the nominal discharge current of 10 kA during the initial measurement. Following the initial measurement, the energy test is carried out. Thereafter, the varistors are visually inspected to determine mechanical failure such as cracking, puncture or flashover. If no mechanical failure has occurred, the varistors are again tested for their electrical characteristics after cooling to ambient temperature. These measurements are performed exactly in the same way as the initial measurement, with one exception: one additional impulse current 8/20 µs at an increased discharge current corresponding to a cur-rent density of 1.5 kA/cm² is applied after the residual voltage test with 10 kA. Under this stress, any mechanical damage that could not be detected visually or electrically will lead to puncture or cracking of the respective varistor. After an intensive discussion in the working group A3.17 it has been decided that in case of a change of the reference voltage Uref by more than 5 % the varistor is considered as failed. This criterion has been introduced since such change in the voltage would constitute a clear change of the material characteristics. If the varistor failed mechanically during the exit tests with lightning current impulses (8/20 µs) of a peak current with 10 kA and with a peak current corresponding to a current density of J = 1.5 kA/cm² respectively, it is also considered as failed. Both additional criteria became necessary since it was not possible to determine a tested varistor as passed or failed only by visual inspection. At last, the change of the residual voltage was stated. If the residual voltage had changed by more than 5 %, the varistor was considered as failed. The statistical analysis of the measured data was performed by using the statistical approach MLM (“Multiple Level Method”) for impulse tests and with the PSM (“Progressive Stress Method”) for ac-tests. A commercial software package from Highvolt was applied which is specially designed for statistical analyses of high voltage tests. The software uses the “Maxi-mum-Likelihood Method” to estimate the parameters of a distribution. All test data was analysed under the assumption of a Gaussian distribution. Regarding the complex failure criterion it was found that the single impulse energy handling capability (50 % failure energy) is about 1000 J/cm³. It increases with shorter time duration, hence with greater current density until the influence of the coating becomes noticeable. In relation to the 90/200 µs lightning impulses two manufacturers showed a significant lower energy handling capability than their energy handling capability in respect of long duration current impulses. The energy handling capability of the other manufacturer X instead con-tinuously increases up to highest level of 1700 J/cm³. In relation to the 4/10 µs high current impulses the failure criterion of the reference voltage is the most likely cause of failure as nearly all varistors failed as a result the reference voltage change. A big difference between the manufacturers regarding the reference voltage can be seen. Reference voltage changes up to 35 % were found. For the ac tests it was concluded that with increasing current density also the energy handling capability would increase. However, energy handling capability decreases for varistors with larger diameter.English
Uncontrolled Keywords: MO-Widerstand, MO-Widerstände, Einzelimpulsenergieaufnahmevermögen, Überspannungsableiter, Ableiter, ZnO, ZnO-Varistor, Wechselstromenergieaufnahmevermögen, Multiple Level Method, Progressive Stress Method, MLM, PSM
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
MO-Widerstand, MO-Widerstände, Einzelimpulsenergieaufnahmevermögen, Überspannungsableiter, Ableiter, ZnO, ZnO-Varistor, Wechselstromenergieaufnahmevermögen, Multiple Level Method, Progressive Stress Method, MLM, PSMGerman
MO-varistor, single-impulse energy handling capability, varistor, energy handling capability, arrester, Multiple Level Method, Progressive Stress Method, MLM, PSMEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Hochspannungstechnik
Date Deposited: 06 Feb 2009 08:31
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-12303
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Hinrichsen, Prof. Dr.- Volker and Berger, Prof. Dr.- Frank
Refereed: 12 December 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1230
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