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Elektrothermisches Verhalten von Hochspannungs-Metalloxid-Ableitern mit reduzierten Steuersystemen in Wechselspannungsnetzen

Gießel, Klaus Moritz :
Elektrothermisches Verhalten von Hochspannungs-Metalloxid-Ableitern mit reduzierten Steuersystemen in Wechselspannungsnetzen.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

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2018-12-17_Gießel_Moritz.pdf - Accepted Version
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Elektrothermisches Verhalten von Hochspannungs-Metalloxid-Ableitern mit reduzierten Steuersystemen in Wechselspannungsnetzen
Language: German
Abstract:

Überspannungsableiter werden, um eine bessere Verteilung der elektrischen und thermischen Belastungen unter normalen Betriebsbedingungen zu erreichen, üblicherweise mit Steuerringen ausgestattet. In Ultrahochspannungsnetzen können Überspannungsableiter jedoch nur mit reduzierten Steuerringsystemen aufgestellt werden, da sie ansonsten ihrer eigenen Schaltstoß-Restspannung nicht mehr dielektrisch standhalten könnten. Ein erhöhter Grad der Potential- und Temperaturschiefverteilung muss daher in Kauf genommen werden. In dieser Arbeit wird untersucht, ob sich nicht optimal ausgelegte Steuersysteme auf das thermische Energieaufnahmevermögen von Metaloxid-(MO)-Überspannungsableitern auswirken.

Zur Durchführung der Untersuchungen wird aus bestehenden Ansätzen ein elektrothermisch gekoppeltes FEM-Simulationsmodell weiterentwickelt und mit umfangreichen, experimentell durchgeführten Messungen an 550-kV-Ableitern erfolgreich validiert. Mit dem entwickelten Simulationsmodell ist es möglich, auch die nicht rotationssymmetrischen Komponenten der Steuerringe und erstmals auch des Versuchsaufbaus zu berücksichtigen. Es kann gezeigt werden, dass eine Berücksichtigung der feld- und temperaturabhängigen elektrischen Parameter der MO-Widerstände ein wesentliches Kriterium für die Qualität der Simulationsergebnisse ist. Die Ermittlung geeigneter Verfahren zur Bestimmung der nichtlinearen elektrischen Leitfähigkeit und der relativen Permittivität der MO-Widerstände ist daher ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit.

Mit den durchgeführten Neuerungen können elektrothermisch gekoppelte Simulationen mit einer bisher nicht erreichten Genauigkeit der Ergebnisse durchgeführt werden, und es kann nachgewiesen werden, dass eine rein simulative Berechnung des elektrothermischen Verhaltens von MO-Ableitern für Höchst- und Ultrahochspannungsanwendungen möglich ist.

Aus der Literatur ist bekannt, dass die thermische Stabilitätsgrenze eines Ableiters nach Wechselstromenergieeinträgen nahezu nicht vom Grad der Steuerung beeinflusst wird. Dieses Ergebnis kann mithilfe des weiterentwickelten Simulationsmodells erstmals auch für den praxisrelevanten Fall von Impulsenergieeinträgen nachgewiesen werden. Es kann somit gezeigt werden, dass allein die Temperaturen im stationären Zustand bei der Auslegung von Steuerringsystemen berücksichtigt werden müssen. Aus den gewonnenen Erkenntnissen werden Empfehlungen für die Auslegung von Steuerringsystemen von Höchst- und Ultrahochspannungsableitern abgeleitet, und es werden Änderungsvorschläge für eine nächste Überarbeitung der IEC-Ableiternorm gegeben.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Arresters are commonly equipped with grading ring in order to better distribute the electric and thermal stresses during nominal operation. In ultra-high voltage (UHV) applications high voltage station class arresters can only be operated with reduced grading ring systems. Otherwise they would fail to dielectrically withstand their own switching impulse residual voltage. An increased degree of unbalanced potential and temperature distribution must therefore be accepted. In this work it is investigated if suboptimal grading has a major impact on the thermal energy handling capability of metaloxide (MO) surge arresters. For conducting the studies, an electro-thermally coupled finite-element simulation model is evolved on the basis of existing approaches and is successfully validated by comprehensive measurements. The developed simulation model is also applicable to take the non-symmetrical parts of the grading rings and, for the first time, of the laboratory environment into account. It is shown that a detailed consideration of the field- and temperature-dependent electrical parameters of the MO resistors is an essential factor for the quality of the simulation results. Therefore, the determination of appropiate methods to calculate the nonlinear eletrical conductivity and the relative permittivity of the MO resistors is a focus of the presented work. With the developed simulation model, electro-thermally coupled simulations can be performed with unprecedented accurancy. Furthermore, it can finally be evidenced that a purely simulative calculation of the electrothermal behaviour of MO surge arresters for Extra high voltage (EHV) and UHV applications is possible. From the literature it is known that the thermal stability limit of a MO surge arrester after AC energy injections is almost not affected by the degree of grading. With the aid of the evolved simulation model, for the first time, this result can be confirmed for the practice-related case of impulse energy injections. Hence, it can be demonstrated that only the temperatures in steady state are relevant for the technical design of grading ring systems. With the knowledge gained, specific recommendations are derived which degree of grading is required for EHV and UHV arresters and proposed amendments for the next revision of the IEC arrester standard are given.English
Place of Publication: Darmstadt
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: 23 Jan 2019 14:14
Last Modified: 23 Jan 2019 14:14
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-83372
Referees: Hinrichsen, Prof. Dr. Volker and De Gersem, Prof. Dr. Herbert
Refereed: 11 December 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8337
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