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Einfluss des Prüfkreises auf das Abreißstromverhalten von Vakuumschaltern unter Berücksichtigung spezieller Netzkonfigurationen in der Mittelspannung

Halbach, Patrick :
Einfluss des Prüfkreises auf das Abreißstromverhalten von Vakuumschaltern unter Berücksichtigung spezieller Netzkonfigurationen in der Mittelspannung.
[Online-Edition]
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Einfluss des Prüfkreises auf das Abreißstromverhalten von Vakuumschaltern unter Berücksichtigung spezieller Netzkonfigurationen in der Mittelspannung
Language: German
Abstract:

Vakuumschalter besitzen gegenüber anderen Schalttechnologien die Besonderheit, dass der zu unterbrechende Strom kurz vor dem natürlichen Nulldurchgang bei Werten im Ampere-Bereich abreißt. Besonders bei bestimmten Netzbedingungen in der Mittelspannungsebene bei großen induktiven Lasten und kleinen Gesamtströmen können hohe Überspannungen die Folge sein, wodurch lastseitig angeschlossene Betriebsmittel Schaden nehmen können oder die Schaltstrecke selbst dielektrisch versagen kann. Diese Arbeit behandelt diesen speziellen Fall durch experimentelle Untersuchungen und theoretische Lösungen in Form von numerischen Berechnungen. Ziel ist es dabei im Wesentlichen, verschiedene Prüfbedingungen sowie Kontaktwerkstoffe zu variieren. Zunächst wird ein Prüfkreis aufgebaut, der sich in der Struktur im Gegensatz zu bisherigen Arbeiten auf diesem Gebiet an Vorgaben relevanter Prüfvorschriften der IEC-Norm orientiert. Die Besonderheit ist hierbei die diskrete Trennung von Speise- und Lastseite, deren Bindeglied der untersuchte Schalter darstellt. Durch den Schalter gekoppelt kommt es zu einem Zusammenwirken bestimmter Elemente beider Seiten als Schwingkreis mit Resonanzfrequenzen bis in den Megahertz Bereich, welche damit deutlich größer als die Netzfrequenz sind. Hierbei wird ausführlich auf den Einfluss der einzelnen Kreisparameter eingegangen. Die dabei untersuchten Stromhöhen belaufen sich auf bis zu 890 A im Scheitel bei 50 Hz, während die treibende Spannung im Bereich zwischen 230 V und 3,2 kV eingestellt werden kann. Um eine exakte Auswertung der Vorgänge beim Stromabriss zu ermöglichen, wird der Abreißstrom nicht direkt ausgewertet, sondern mithilfe der genauer zu messenden Wiederkehrspannung berechnet. Somit ist es möglich, direkt auf den netzfrequenten Anteil des Stroms zu schließen, der letztlich für die Überspannung auf der Lastseite verantwortlich ist. Die aufgrund der experimentellen Ergebnisse aufgestellten Theorien zum Einfluss einzelner Kreisparameter werden durch ein Simulationsmodell bestätigt, welches sowohl den Prüfkreisaufbau als auch die nichtlineare, vereinfachte Kennlinie des Metalldampfbogens berücksichtigt. Nach den Schaltversuchen werden die relevanten Kontakte bezüglich ihrer Oberflächenstruktur durch lichtmikroskopische Analysen und Aufnahmen durch ein Rasterelektronenmikroskop auf ihre Eignung als Kontaktmaterial für den verwendeten Lastschaltertypen untersucht. Dabei zeigen sich für die verschiedenen Materialien Unterschiede in der Aufschmelzung der Oberflächen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In contrast to other breaking technologies vacuum circuit breakers have the property of current chopping shortly before the natural current zero. Particularly, under certain grid conditions on medium voltage level with high inductive load und low load currents high overvoltages can be the consequence, whereby, load side equipment can get damaged or the contact distance can break through dielectrically. This thesis processes this certain case by experimental analysis and theoretical solutions in terms of numerical calculations. Basically, various testing conditions and work materials are therefore used. To begin with, a test circuit is build up and concerning the structure, it refers to the guidelines of relevant testing conditions of the IEC standard in contrast to former papers in this field. Particularly, the supply and load side which are connected by the investigated breaker are discretely isolated. Due to the connection via the breaker, a concurrence of specific elements of both sides as a resonant circuit arises so the resonance frequencies are significantly higher than the power frequency. The influence of the most important circuit parameters is explained in detail. The current amplitudes analyzed account for an peak value up to 890 A at 50 Hz while the supply voltage can be adjusted between 230 V and 3.2 kV. For an exact evaluation of the procedure during the current chopping the chopping current is not analyzed directly but is calculated with the help of the transient recovery voltage. The reason is that the transient recovery voltage can be measured more precisely. Then it is possible to suggest the power frequent part of the current directly which in the end is responsible for the overvoltage on the load side. The theories for the influence of single circuit parameters that arise from the experimental results are confirmed by a simulation model. This model considers the test circuit configuration as well as the not linear simplified characteristic curve of the metal vapor arc. After the switching experiments the relevant contacts are tested for their surface structure via light microscopic and scanning electron microscopic examinations. The aim is to see if they are suitable as a contact material for a load breaker. Thereby, differences in the melting of the surfaces appear for the various materials.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Vakuumschalter, Stromabriss, Abreißstrom, Mittelspannung, Lastschalter, Kontaktmaterialien.
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
vacuum breaker, current chopping, medium voltage, load breaker, contact materials.English
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electrical Power Systems > High Voltage Technology
Date Deposited: 05 Mar 2013 15:00
Last Modified: 20 Mar 2013 10:24
Official URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/3070
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-30703
Referees: Hinrichsen, Prof. Volker and Berger, Prof. Frank
Refereed: 25 January 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3070
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