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HVDC Circuit Breakers -- Test Requirements, Methods and Circuits

Belda, Nadew Adisu (2021):
HVDC Circuit Breakers -- Test Requirements, Methods and Circuits. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019722,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: HVDC Circuit Breakers -- Test Requirements, Methods and Circuits
Language: English
Abstract:

Recently, several industrial concepts of high-voltage direct current (HVDC) circuit breakers (CBs) have been developed into prototypes, and few have been installed in service. However, due to a lack of operational experience, there exist no clearly defined requirements that the HVDC CBs should satisfy. This thesis focuses on defining test requirements and developing a test method capable of verifying the rated fault current breaking performance of the HVDC CBs. First, detailed simulation studies of fault currents in a conceptual multi-terminal HVDC (MTDC) grid is conducted. The sequence of events and the temporal stages of fault current development following the occurrence of a fault are identified. Second, the stresses on an HVDC CB during a fault current interruption process are identified. It is found that an HVDC CB is subjected to not only DC current and voltage but also energy stress. Third, various test methods and circuits used for testing HVDC CBs are investigated, and the performance of each test circuit is evaluated against the stresses identified from the simulation of the MTDC grid. A novel method of testing an HVDC CB using AC short-circuit generator operated at low power frequency is proposed, and its performance is demonstrated in a test laboratory. Fourth, a complete test circuit based on the proposed method is designed and implemented using existing infrastructure at a high-power test facility. Pragmatic solutions to address some of the inherent challenges are proposed and experimentally verified. Tests validating the proposed method and circuit have been conducted on several prototypes of HVDC CBs supplied by original equipment manufacturers (OEMs) and the adequacy of the test method and circuit is evaluated and verified from the test results. Fifth, in order to justify the defined test requirements, an experimental investigation of the stresses on the internal components of an HVDC CB, namely, the vacuum interrupter (VI) and the metal oxide surge arrester (MOSA), is performed. It is found that different designs of VIs exhibit different performance. Furthermore, the test results justify the importance of defining not only the high-current interruptions but also the low-current interruptions as part of the test requirements. In addition, the criticality of ensuring sufficient duration of TIV during the fault current breaking is verified. Also, it is found that a well designed MOSA branch including the proper choice of MO varistors and adequately matched columns is crucial for the reliable performance of the HVDC CB.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

In der Industrie wurden aktuell mehrere Konzepte von Hochspannungs-Gleichstrom-Leistungsschalter (HGÜ-Leistungsschalter), basierend auf unterschiedlichen DC Unterbrechungstechnologien, in Prototypen überführt. Nur wenige dieser Prototypen wurden zu einem industriellen Produkt weiterentwickelt und durchliefen eine Inbetriebnahme. Aufgrund mangelnder Betriebserfahrung gibt es keine klar definierten Anforderungen für HGÜ-Leistungsschalter. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Definition von Testanforderungen und die Entwicklung einer Testmethode zur Nenn-Kurzschlussstromunterbrechungs-prüfung von HGÜ-Leistungsschaltern. In einem ersten Schritt wurden Simulationsstudien zu Fehlerströmen in konzeptionellen MTDC-Netzen durchgeführt. Der Ablauf sowie die zeitlichen Abschnitte der Fehlerstromentwicklung nach Auftreten eines Fehlers werden aufgezeigt. Zweitens werden die Beanspruchungen eines HGÜ- Leistungsschalters während eines Unterbrechungsprozesses identifiziert. Es zeigt sich, dass ein HGÜ-Leistungsschalter nicht nur Gleichstrom und -spannung, sondern auch Energiebelastung ausgesetzt ist. Drittens werden verschiedene Testmethoden und -schaltungen untersucht, die zum Testen von HGÜ-Leistungsschaltern verwendet werden. Jede Testschaltung wird mit den Erkenntnissen aus den Simulationen des MTDC-Netzes verglichen und bewertet. Eine neuartige Methode zum Testen eines HGÜ-Leistungsschalters unter Verwendung eines Wechselstrom-Kurzschlussgenerators bei niedriger Betriebsfrequenz wird vorgestellt und anhand ihrer Anwendung im Prüflabor untersucht. In einem vierten Abschnitt wird eine Testschaltung, basierend auf vorgestelltem Verfahren, unter Verwendung der vorhandenen Infrastruktur in einem Leistungsprüffeld entworfen und implementiert. Pragmatische Lösungen zur Bewältigung dieser Herausforderungen werden vorgeschlagen und experimentell verifiziert. An mehreren Prototypen wurden Tests zur Validierung der vorgeschlagenen Prüfmethode und Schaltung von HGÜ-Leistungsschaltern durchgeführt. Die Testmethode sowie die Schaltung wurden anhand der Testergebnisse bewertet. Zur Validierung der Prüfanforderungen werden in einem fünften Schritt experimentelle Untersuchungen zur Beanspruchung der internen Komponenten eines HGÜ-Schalters durchgeführt. Weiter zeigen die Versuchsergebnisse, dass nicht nur die Hochstromunterbrechung, sondern auch die Ausschaltprüfungen bei niedrigen Stromwerten in den Testanforderungen berücksichtigt werden müssen. Das ebenso wichtige Kriterium, eine ausreichend lange TIV während der Fehlerstromunterbrechung zur Verfügung zu stellen, wird erörtert. Außerdem hat sich gezeigt, dass ein optimal ausgelegter Energieaufnahmezweig, für eine zuverlässige Funktion des HGÜ-Leistungsschalters entscheidend ist.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xiii, 227 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
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: 11 Oct 2021 12:07
Last Modified: 11 Oct 2021 12:07
DOI: 10.26083/tuprints-00019722
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-197229
Referees: Hinrichsen, Prof. Dr Volker ; Smeets, Prof. Dr. Rene
Refereed: 22 September 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19722
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