TU Darmstadt / ULB / tuprints

Field Emission Current Analysis for the Assessment of Dielectric and Switching Performance of Vacuum Interrupters

Koochack Zadeh, Masoumeh :
Field Emission Current Analysis for the Assessment of Dielectric and Switching Performance of Vacuum Interrupters.
TU Darmstadt / FG Hochspannungstechnik, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

[img]
Preview
Dissertation Koochack Zadeh - PDF
Dissertation-Koochack_Zadeh_14.05.2011.pdf
Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives.

Download (7Mb) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Field Emission Current Analysis for the Assessment of Dielectric and Switching Performance of Vacuum Interrupters
Language: English
Abstract:

Vacuum circuit breakers (VCB) are dominantly used worldwide in medium voltage levels. However, in the recent years, there is a marked increase in interest to use VCBs also in sub-transmission voltage levels. This is mainly due to the environmental issues. However, the existing medium voltage VCB technology cannot be directly applied to the high voltage VCB due to the different design features which face an increase in difficulties as the voltage rises. One very important issue in this regard could be the lack of an appropriate diagnostic tool for the evaluation of the vacuum interrupters’ internal pressure. The users in the transmission voltage levels often want to know more about the up-to-date state of the high-voltage devices during their whole service life. Although in case of vacuum interrupter, it is difficult to decide upon the necessity of such diagnostics, and further discussion is required. According to current findings of the Cigré working group A3.27 “The impact of the application of vacuum switchgear at transmission voltages” (established 2009; work not yet finished), besides some technical and economical concerns, the non-availability of vacuum quality diagnostic tools might be one of the reasons for transmission system operators not to apply vacuum circuit breakers in their high-voltage transmission systems. Therefore, more investigation should be performed to develop an applicable diagnostic method for the internal pressure verification and vacuum quality tests, without demounting the interrupter from the switchgear. This investigation is the first part of the presented work, which is abbreviated in the whole work as “DVQ” for the diagnostic of vacuum quality. In this regard, a promising method, based on the measurement of field emission current immediately after arc-polishing of the contacts (named here as “FEA” method) is studied, which was firstly proposed by Frontzek and König. The results show that for a model vacuum interrupter with inhomogeneous electrode configuration (tip-plate), the decay rate of the field emission current after arc-polishing can be used for identifying the vacuum quality. However, for commercially available vacuum interrupters having more complex gap and contact geometries, it was not possible at all to define a test method or any test parameter configuration based on the chosen method, respectively, which would reproducibly cause a decay of the field emission current after arc-polishing. For statistically reliable evaluation on commercial interrupters extremely large number of trials would be necessary, which is totally unacceptable. Therefore, the investigated method has no practical meaning for monitoring purposes. Though the effects, which were published earlier, are basically present, the reproducibility is unfortunately too low. The search for a practical on-site diagnostic tool must therefore go on.

Another challenging issue with regard to the applicability of VCBs in high voltage systems, is the performance of the interrupter during capacitive switching test duty and the avoidance of dielectric breakdowns (restrikes). Even in the medium voltage level, there are severe requirements for this test duty according to the IEC circuit breaker standard. To design an interrupter with very low probability of restrikes, especially at higher voltages, it is necessary to understand the physical origins of restrikes occurrence. Therefore, systematic research is performed to identify different electrical activities (especially field emission current) in the vacuum gap during the recovery phase of the interrupter after capacitive switching. The influence of pre-arcing during closing as well as arcing during opening on the dielectric performance and field emission characteristics of the gap for different types of vacuum interrupters are studied. This investigation is the second part of this dissertation, which is abbreviated as “ICS” for the impact of capacitive switching. The results of the investigation show that the capacitive arc current and its time duration have significant influence on the field emission current during recovery. The impact of the inrush (making) current on the field emission current during recovery is observed to be large and to be clearly related to its amplitude. It was also found that the average value of the field emission current (according to the proposed procedure “(10x10)measurement”) is a good measure for dielectric instabilities of the interrupter. However, no solid one-by-one relationship can be established between breakdown probability and field emission current in the available types of the interrupters. Furthermore, it is observed that the likelihood of restrikes during capacitive switching is a proper figure to control the production quality of vacuum interrupters. Hence, by using this method the stability of the production process of vacuum interrupters can be evaluated.

In both part-projects (DVQ and ICS), measurements, analysis and modeling of very small field emission currents (microampere up to milliampere range), as prognosticated by the quantum mechanical Fowler-Nordheim theory, in a high voltage environment under severe electromagnetic interferences, are the basis of the investigations. For this purpose, an especial measurement system as well as the required circuit for compensation of the capacitive current component, caused by the interrupter stray capacitance, are developed.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Vakuumschalter werden derzeit überwiegend in der Mittelspannungsebene eingesetzt. Jedoch zeigt sich in den letzten Jahren ein steigendes Interesse für Anwendungen in der unteren Übertragungsebene. Dies liegt vor allem an den umweltschädigenden Eigenschaften von SF6. Die Technologie der heutigen Mittelspannungs-Vakuumschalter kann allerdings nicht ohne Weiteres für die Hochspannungsebene verwendet werden, da diese grundlegend andere Anforderungen an den Aufbau und die Dimensionierung von Betriebsmitteln stellt. Als ein Nachteil der Vakuum-Technologie gegenüber der SF6-Technologie wird von den Übertragungsnetzbetreibern gelegentlich das Fehlen eines geeigneten Werkzeuges zum Überwachen der Vakuumqualität in der Schaltröhre während der betrieblichen Lebensdauer gesehen. Darüber hinaus besteht bei Übertragungsnetzbetreibern häufig der Wunsch, über Diagnosemittel zu verfügen, obwohl es technisch gesehen bei Vakuumschaltern zur Zeit keine konkreten Anhaltspunkte bezüglich der Notwendigkeit gibt. Laut aktueller Erkenntnisse der Cigré Arbeitsgruppe A3.27 „The impact of the application of vacuum switchgear at transmission voltages“ (gegründet 2009; noch nicht abgeschlossen) könnte, neben technischen und wirtschaftlichen Aspekten, das Fehlen von Diagnoseverfahren zur Überwachung der Vakuumqualität mit ein Grund für die aktuell seltene Anwendung von Vakuumschaltern in Übertragungsebenen sein. Aus diesem Grund sollen weitere Untersuchungen auf diesem Gebiet unternommen werden, um ein geeignetes Werkzeug für die Vakuumbeurteilung zu finden, ohne dass die Schaltröhre aus dem Schalter ausgebaut werden muss. Diese Untersuchung stellt den ersten Teil dieser Arbeit dar, welcher im Folgenden mit „DVQ“ (Diagnostic of Vacuum Quality) abgekürzt wird. In diesem Zusammenhang wird eine erfolgversprechende Methode erforscht, die auf der Feldemissionsstrom-Messung direkt nach der Lichtbogenlöschung basiert. Diese wurde erstmals von Frontzek und König untersucht. Die Ergebnisse für eine Modell-Vakuumröhre mit inhomogener Elektrodenanordnung (Spitze-Platte) zeigen, dass die Abklingrate des Feldemissionsstroms nach dem „Arc-Polishing“ genutzt werden kann, um die Qualität des Vakuums zu beurteilen. Jedoch war es im Rahmen dieser Arbeit nicht möglich, für kommerzielle Vakuumschalter mit ihren komplexeren Kontaktgeometrien, eine Testmethode bzw. eine Gruppe an Testparametern zu finden, die einen reproduzierbaren Abfall des Feldemissionsstroms verursachen können. Für statistisch verlässliche Beurteilungen der kommerziellen Schalter wäre eine enorme Anzahl an Versuchen notwendig, was nicht akzeptabel wäre. Aus diesem Grund erweist sich diese Untersuchungsmethode für Diagnosezwecke als nicht praktikabel. Obwohl die in vorangehenden Veröffentlichungen beschriebenen Effekte grundsätzlich vorhanden sind, ist ihre Reproduzierbarkeit leider zu gering. Die Suche nach einem geeigneten Mittel für die Diagnose von Vakuumschaltern im eingebauten Zustande ist somit noch nicht abgeschlossen. Eine weitere Herausforderung für die Nutzung von Vakuumschaltern in der Hochspannungsebene ist die kapazitive Schalthandlung. Diese unterliegt selbst in der Mittelspannung gemäß dem gültigen ICE-Standard scharfen Richtlinien. Um Rückzündungen, speziell bei hohen Spannungen, zu vermeiden, ist es notwendig, deren physikalischen Ursprung zu bestimmen. Aus diesem Grund wurden systematisch Untersuchungen durchgeführt, um verschiedene elektrische Vorgänge (speziell den Feldemissionsstrom) während der Wiederkehrspannung nach einer kapazitiven Schalthandlung in der Schaltkammer zu bestimmen. In diesem Zusammenhang wurde der Einfluss der Lichtbogenzeit beim Öffnen und Schließen auf das dielektrische Verhalten und die Charakteristik des Feldemissionsstroms für verschiedene Vakuumröhren untersucht. Diese Untersuchungen sind der zweite Teil dieser Arbeit, welche im Folgenden mit „ICS“ (Impact of Capacitive Switching) abgekürzt sind. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass der kapazitive Strom und seine Dauer erheblichen Einfluss auf den Feldemissionsstrom während der Wiederkehrspannung haben. Die Auswirkung des Ausschaltstroms auf den Feldemissionsstrom konnte als sehr groß und mit deutlicher Abhängigkeit von der Amplitude beobachtet werden. Zudem wurde auch deutlich, dass der Mittelwert des Feldemissionsstroms (wie in der (10x10)-Methode vorgestellt) ein guter Indikator für die dielektrische Instabilität des Schalters ist. Allerdings konnte keine Eins-zu-eins-Beziehung zwischen der Durchschlagswahrscheinlichkeit und des Feldemissionsstroms in den zur Verfügung gestellten Schaltern hergestellt werden. Des Weiteren wurde beobachtet, dass sich die Wahrscheinlichkeit der Rückzündung während des kapazitiven Schaltens gut für die Qualitätskontrolle in der Vakuumschalter-Herstellung eignet. Folglich kann bei der Anwendung dieser Methode die Qualität des Herstellungsprozesses bewertet werden. In beiden Teilprojekten (DVQ und ICS) werden als Basis der Untersuchung die Messung, die Analyse und die Modellierung kleiner Feldemissionsströme im Mikro- bis Milliampere-Bereich – wie in der quantenmechanischen Fowler-Nordheim-Theorie prognostiziert – in einer Hochspannungsumgebung bei großen elektromagnetischen Störungen durchgeführt. Daher wurden ein spezielles Messsystem für derartige Messungen, sowie ein System zur Kompensation der durch die Streukapazität des Schalters hervorgerufenen kapazitiven Stromkomponente entwickelt.German
Place of Publication: Darmstadt
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
vacuum interrupters, field emission current, capacitive switchingEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Hochspannungstechnik
Date Deposited: 16 Jun 2011 08:36
Last Modified: 07 Dec 2012 12:00
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-25861
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Hinrichsen, Prof. Dr.- Volker and Smeets, Prof. Dr. René
Refereed: 27 April 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2586
Export:

Actions (login required)

View Item View Item