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Design and implementation of a test environment to study late-breakdowns in high voltage vacuum circuit breakers

Baum, Benjamin :
Design and implementation of a test environment to study late-breakdowns in high voltage vacuum circuit breakers.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Design and implementation of a test environment to study late-breakdowns in high voltage vacuum circuit breakers
Language: English
Abstract:

In the last decades, the vacuum switching technology has established itself as the standard in the medium voltage level (Us <= 52kV). However, at higher voltages, this technology is not yet competitive to the current SF6 switching technology. Especially during switching of capacitive loads, a high number of restrikes (dielectric breakdowns) occur. This capacitive switching duty is dielectrically the most challenging for a vacuum circuit breaker and tested widely. However, the interpretation of these tests are difficult due to the absence of suitable diagnostic tools. Therefore, the present thesis deals with the development of a suitable test environment to investigate 72.5 kV vacuum circuit breakers. Based on experiences from the medium voltage level and established research findings in the field of restrikes two main requirements have been derived: 1. The synthetic test circuit needs to be realized using only test transformers. This is necessary to achieve a high number of test series because the use of power transformers is limited and not economical. In case of a capacitive switching duty, this limitation effects the generation of the recovery voltage and how it is applied to the test object. The recovery voltage itself consists in equal parts of a direct and alternating voltage component and must be applied precisely during its voltage zero crossing. This has been realized using two independent voltage sources and a voltage-making switch that has been specially designed for this purpose. 2. A simultaneous detection of field-emission currents and charged micro-particles is needed. Both phenomena can cause restrikes but are not necessarily independent from each other. To measure field-emission currents, a proven concept from the medium voltage level has been adapted towards a high number of capacitive switching operations in rapid succession. This has been achieved by exploiting the separate generation of current and voltage of a synthetic test circuit. Based on their identical interaction with the test circuit, micro-particles have been detected using partial discharge measurement equipment. As a consequence, the whole test environment must have a low partial discharge level to enable this detection. Within this work, the measurement systems as well as the test circuit have been commissioned and tested. It was possible to demonstrate the simultaneous detection of micro-particles and field-emission currents (>= 100 μA). Furthermore, a best practice has been defined for future investigations. Based on first measurements, micro-particle activity up to a second after a switching operation could be observed. In addition, it has been shown, that the recovery voltage can be applied to the test object precisely (+-100 μs) at the voltage zero crossing with an additional voltage-making switch. Thus, the main negative aspect in their generation, which arise from the use of test transformers, can be compensated.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In den letzten Jahrzehnten hat sich die Vakuumtechnologie als Standard für Leistungsschalter in der Mittelspannung (Us <= 52kV) etabliert. Allerdings ist diese Technologie bei höheren Spannungen gegenüber der gängigen SF6-basierten Schalttechnik noch nicht konkurrenzfähig. Insbesondere beim Schalten von kapazitiven Lasten kommt es vermehrt zu Rückzündungen (dielektrischen Versagern). Diese Schalthandlung ist die dielektrisch kritischste Herausforderung für einen Vakuumleistungsschalter, wodurch sie gezielt experimentell untersucht wird. Allerdings ist die Interpretation dieser Tests durch das Fehlen geeigneter Diagnosewerkzeuge entscheidend behindert. Aus diesem Grund befasst sich die vorliegende Dissertation mit der Entwicklung einer eigens für diese Untersuchung geeigneten Prüfumgebung für 72.5 kV Vakuumleistungsschalter. Anhand von Erfahrungen aus der Mittelspannung und etablierten Forschungsergebnissen in Bezug auf Rückzündungen konnten zwei Hauptanforderungen für diese Prüfumgebung abgeleitet werden: 1. Der synthetische Prüfkreis muss mit Testtransformatoren realisiert werden. Dies ist notwendig, um eine hohe Anzahl von Messreihen zu erreichen, da die Nutzung von Leistungstransformatoren limitiert und nicht ökonomisch ist. Im Fall des kapazitiven Schaltens beeinflusst dies lediglich auf die Erzeugung und Zuschaltung der Wiederkehrspannung. Diese besteht zu gleichen Teilen aus Wechsel- und Gleichspannung und muss exakt im Spannungsnulldurchgang zugeschaltet werden. Realisiert wurde dies durch die Nutzung unabhängiger Spannungsquellen und einen eigens hierfür entwickelten präzisen Spannungszuschalter. 2. Eine zeitgleiche Detektion von geladenen Mikropartikeln und Feldemissionsströmen ist notwendig. Beides sind Mechanismen, die Rückzündungen verursachen können, aber nicht unbedingt exklusiv voneinander auftreten. Zur Messung von Feldemissionsströmen wurde auf eine bewährte Methode der Mittelspannung zurückgegriffen, die speziell für eine hohe Anzahl von schnell aufeinanderfolgenden kapazitiven Schalthandlungen angepasst wurde. Dies konnte durch Ausnutzung der separaten Strom- und Spannungserzeugung bei synthetischen Prüfkreisen erreichet werden. Auf Grund des physikalisch ähnlichen Erscheinungsbildes wurde die Detektion von Mikropartikeln mit Hilfe von etablierter Teilentladungsmesstechnik realisiert. Als Konsequenz muss die gesamte Prüfumgebung einen geringen Teilentladungspegel aufweisen, um diese Detektion überhaupt zu ermöglichen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden sowohl die Messsysteme als auch der Prüfkreis aufgebaut und erprobt. Es konnte gezeigt werden, dass eine zeitgleiche Detektion von Mikropartikeln und Feldemissionsströmen (>= 100 μA) möglich ist. Des Weiteren konnte für zukünftige Messungen eine geeignete Vorgehensweise abgeleitet werden. Anhand von ersten Messungen konnten mögliche Mikropartikel- Aktivitäten bis zu meheren Sekundes nach einer Schalthandlung detektiert werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die präzise Zuschaltung (+-100 μs) der Wiederkehrspannung im Spannungsxi nulldurchgang möglich ist. Hierdurch kann die negative Hauptauswirkungen eines Testtransformators bei der Erzeugung der Wiederkehrspannung kompensiert werden.German
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: 14 Dec 2017 11:27
Last Modified: 14 Dec 2017 11:27
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-69904
Referees: Hinrichsen, Prof. Volker and Smeets, Prof. René
Refereed: 5 May 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6990
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