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Gleichstromschalten in der Mittel- und Hochspannungstechnik unter Einsatz von Vakuumschaltröhren

Heinz, Thomas :
Gleichstromschalten in der Mittel- und Hochspannungstechnik unter Einsatz von Vakuumschaltröhren.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Gleichstromschalten in der Mittel- und Hochspannungstechnik unter Einsatz von Vakuumschaltröhren
Language: German
Abstract:

Der permanent ansteigende Bedarf an elektrischer Energie sowie die Veränderungen im Bereich der Erzeugung dieser Energie erfordern die Entwicklung und Anwendung von Gleichstromsystemen in den elektrischen Übertragungs- und Verteilnetzen. Für deren sicheren Betrieb sind Gleichstromschalter erforderlich. Kommerziell verfügbare Gleichstromschalter für Netze zur Übertragung und Verteilung im Bereich der Mittel- und Hochspannungstechnik sind heutzutage noch nicht verfügbar (Ausnahme: Gleichstrombahnsysteme). Alle bisher vorgestellten Schaltertypen befinden sich noch im Versuchs- oder Prototypenstadium. Ein klarer Trend, welche Technologie in künftigen Netzen den Vorzug erhält, ist somit noch nicht erkennbar. Im Rahmen dieser Arbeit werden Grundlagenuntersuchungen an einem mechanischen Gleichstromschalter mit aktivem Kommutierungspfad durchgeführt. Das Kernelement in dem betrachteten Gleichstromschalter ist eine Vakuumschaltröhre. Da Vakuumschaltröhren typischerweise Wechselstromschaltgeräte sind, liegt der Fokus auf der Tauglichkeit der Röhre für den Einsatz in Gleichstromschaltern. Zunächst werden das Schaltprinzip eines mechanischen Gleichstromschalters mit einem aktiven Kommutierungspfad sowie alternative Methoden zur Unterbrechung von Gleichströmen und Grundlagen zu Vakuumschaltröhren vorgestellt. Im nächsten Schritt erfolgt eine Beschreibung des Versuchsaufbaus und der verwendeten Prüfkreise für die experimentellen Untersuchungen. Dabei werden sowohl einige typische Gleichstromschalterprüfkreise als auch ein neuartiger Prüfkreis beschrieben. Es folgt eine detaillierte Beschreibung eines Ausschaltvorgangs, die Darstellung ausgewählter Strom- und Spannungsverläufe während einer Schalthandlung sowie die Vorstellung eines im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelten parallelen Kommutierungspfades des Gleichstromschalters. Im weiteren Verlauf werden die Ergebnisse und Erkenntnisse der experimentellen Untersuchungen zum Verhalten von Vakuumschaltröhren beim Einprägen eines hochfrequent oszillierenden Strom-Null-Impulses präsentiert. Da bei einem Gleichstromschalter immer auch die im Netz zum Schaltzeitpunkt vorhandene Energie aufgenommen werden muss, wird im Anschluss diese Problematik eingehender thematisiert. Die gewonnenen Ergebnisse und Erkenntnisse zeigen, dass sich Vakuumschaltröhren sehr gut für den Einsatz in einem mechanischen Gleichstromschalter eignen. Durch entsprechende Skalierung oder Kaskadierung ist damit der Aufbau solcher Schalter und deren Einsatz in Netzen zur Übertragung und Verteilung von elektrischer Energie sehr gut möglich.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The constantly increasing demand for electrical energy as well as changes in the generation of this energy require the development and implementation of direct current systems in electrical transmission and distribution grids. Direct current circuit breakers are necessary to ensure its safe operation. Commercial direct current circuit breakers for middle and high voltage transmission and distribution grids are currently not yet available (exception: direct current railway systems). All circuit breakers that have been suggested up to today are still at the trial or prototype stage. Therefore, there is no clear trend as to which circuit breaker technology will be preferred in future grids. In this thesis, basic investigations on a mechanical direct current circuit breaker with an active commutation path are carried out. The key element within the direct current circuit breaker design is the vacuum interrupter. As vacuum interrupters are typically used as alternating current circuit breakers, the focus was on its capability for direct current circuit breakers. First, the switching principle of a mechanical direct current circuit breaker with an active commutation path and other direct current circuit breaker methods are presented. Second, basic information on vacuum interrupters is introduced. The description of the experimental set-up and the test circuit (for the experimental investigations) are then shown. In the process some typical direct current circuit breaker test circuits as well as a new test circuit set-up are described. Then, a detailed description of a test sequence and the demonstration of several current and voltage curves during a switching operation are shown. In this thesis a newly developed parallel commutation path in the mechanical direct current circuit breaker is presented. The results and insights of the experimental investigations regarding the behavior of vacuum interrupters by injection of a high-frequency oscillating current zero impulse are presented. Since during the interruption process a direct current circuit breaker needs to absorb the energy stored in the connected grid, this difficulty is identified as a central theme in the following part. The final results and insights show that vacuum interrupters are very well suited for the use in mechanical direct current circuit breakers. By upscaling or cascading of such circuit breakers, their application in transmission and distribution grids of electrical energy is absolutely feasible.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: 11 Oct 2017 12:23
Last Modified: 11 Oct 2017 12:23
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-68051
Referees: Hinrichsen, Prof. Dr. Volker and Neumann, Prof. Dr. Claus
Refereed: 20 July 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6805
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