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Electrothermal Modeling, Simulation and Optimization of Surge Arresters

Späck-Leigsnering, Yvonne Thea Katharina (2020):
Electrothermal Modeling, Simulation and Optimization of Surge Arresters.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00009084,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Electrothermal Modeling, Simulation and Optimization of Surge Arresters
Language: English
Abstract:

The protection of power transmission systems against voltage surges relies on station class surge arresters. The core of an arrester consists of a stack of metal oxide resistors. The highly nonlinear U-I-characteristic of these resistors allows the arrester to clip voltage surges by conducting current to ground and thereby absorbing large amounts of energy. The most important arrester design objectives are, first, to ensure a balanced distribution of the field and temperature stress along the arrester column, and, second, to guarantee the thermal stability of the arrester after, e.g., a lightning strike. Standard laboratory test procedures for evaluating thermal stability are limited to worst case surrogate models of the full-scale arrester. Hence, numerical finite element simulation is increasingly valuable for analyzing full-scale surge arresters as an alternative to conventional design based on laboratory or field testing approaches. The analysis of arresters, as presented in this thesis, requires transient and coupled finite element simulation of the mutually-dependent electric and thermal fields employing an accurate electrothermal model. This includes detailed knowledge of both, the field- and temperature-dependent metal oxide material characteristics, and the relevant thermal parameters determining the convective and radiative heat transfer properties of the system. The main difficulty for solving this coupled problem, however, lies in the strong nonlinearity of the metal oxide resistor material. This nonlinearity leads to extremely short electrical time scales, whereas the thermal transients are several orders of magnitude longer. Therefore, this thesis adopts a dedicated multirate time integration technique in order to solve the coupled problem efficiently. The proposed numerical approach is applied to the study of graded and ungraded station class arresters in continuous operation as well as under voltages surges. The simulation results are compared to laboratory measurements. An electrothermal simulation-based procedure for the optimization of the arrester’s field grading systems is introduced employing the developed numerical approach. Here, a modeling and optimization approach to avoid the extremely cumbersome solution of the 3-dimensional and transient nonlinear electric field problem is proposed. The optimization procedure uses an equivalent 2-dimensional-axisymmetric arrester model that can reproduce the electric field stress in the resistor column with high accuracy. This is realized by introducing a virtual electrode geometry whose shape and position are determined by a multi-parametric optimization procedure. Subsequently, the grading system of the 3-dimensional station class arrester is optimized efficiently based on transient, electro-quasistatic simulations of the axisymmetric equivalent model. The detailed electrothermal analysis shows that an immense improvement of the field and thermal stress distribution in the resistor column can be obtained. The most serious limitation in the performance of surge arresters is posed by thermal stability. Overvoltages inject electrical energy that heats up the metal oxide resistors. As a result, the point of operation in the U-I-characteristic is shifted towards a higher electrical conductivity, thus, causing a further increase of the power loss. If not sufficiently compensated by an increase of the heat transfer, this process leads to a thermal runaway which is a catastrophic failure of the arrester. To assess thermal stability, the cooling rate is introduced as a key performance indicator. Finite element simulations provide detailed insights in this complex electro-thermally coupled problem. A station class arrester and its commonly used laboratory surrogate are simulated when subjected to the standard overvoltage stress test procedure. Moreover, various thermally stable and unstable scenarios are analyzed to derive a precise and computationally efficient stability criterion. This criterion allows for the identification of the relevant arrester parameters that influence the thermal stability limit. In the thesis, the effect of the electric characteristics of the resistors on the thermal stability of the arrester as well as selected thermal parameters are investigated. Finally, in order to optimize future arrester designs, a prediction function is introduced to estimate the thermal stability limit based on an affordable set of finite element simulations. Throughout this thesis, the focus lies on the practical applicability of the developed methods to address typical surge arrester design problems.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Der Überspannungsschutz von Energieübertragungssystemen basiert auf Überspannungsableitern der Stationsklasse. Im Kern besteht ein Ableiter aus einem Stapel von MetalloxidWiderständen. Die hochgradig nichtlineare U-I-Charakteristik dieser Widerstände ermöglicht es dem Ableiter, Spannungsspitzen durch Absorption großer Energiemengen zu begrenzen. Die wichtigsten Konstruktionsziele für Ableiter sind, einerseits, die Sicherstellung einer ausgewogenen Verteilung der Feld- und Temperaturbelastung entlang der Ableitersäule, sowie, andererseits, die thermische Stabilität des Ableiters nach bspw. einem Blitzeinschlag. Standardlaborprüfverfahren zur Gewährleistung der thermischen Stabilität beschränken sich auf Worst-Case-Ersatzmodelle des Gesamtableiters. Daher wird die numerische Finite-Elemente-Simulation zunehmend als wertvolles Werkzeug zur Analyse des gesamten Ableiters als Alternative zu konventionellem Design auf der Grundlage von Labor- oder Feldversuchen angesehen. Die Analyse von Ableitern, wie sie in dieser Arbeit vorgestellt wird, erfordert eine transiente und gekoppelte Finite-Elemente-Simulation der voneinander abhängigen elektrischen und thermischen Felder auf der Grundlage eines genauen elektrothermischen Modells. Dazu gehören detaillierte Kenntnisse der feld- und temperaturabhängigen Materialeigenschaften des Metalloxids, sowie der relevanten thermischen Parameter des Systems. Die wesentlichen Wärmeübertragungsmechanismen sind hierbei natürliche Konvektion und Wärmestrahlung. Die größte Schwierigkeit bei der Lösung dieses gekoppelten Problems liegt jedoch in der starken Nichtlinearität des Materials der Metalloxid-Widerstände. Diese Nichtlinearität führt zu extrem kurzen elektrischen Zeitskalen, während die thermischen Transienten mehrere Größenordnungen länger sind. Daher nutzt diese Arbeit eine spezielle Multiraten-Zeitintegrationstechnik zur effizienten Lösung des gekoppelten Problems. Der vorgeschlagene numerische Ansatz wird auf gesteuerte und ungesteuerte Ableitern der Stationsklasse im Dauerbetrieb, sowie unter Überspannungen, angewendet und die Simulationsergebnisse werden mit Labormessungen verglichen. Auf der Grundlage dieses numerischen Ansatzes wird ein simulationsbasiertes Verfahren zur elektrothermischen Optimierung der Feldsteuerungssysteme von Ableitern vorgestellt. Hierbei wird ein Modellierungs- und Optimierungsansatz zur Vermeidung der extrem aufwendigen Lösung des dreidimensionalen und transienten, nichtlinearen elektrischen Feldproblems vorgeschlagen. Das Optimierungsverfahren basiert auf einem äquivalenten zweidimensional-achsensymmetrischen Ableitermodell, das die elektrische Feldbelastung in der Widerstandssäule mit hoher Genauigkeit reproduzieren kann. Dies wird durch die Einführung einer virtuellen Elektrodengeometrie realisiert, deren Form und Position durch ein multiparametrisches Optimierungsverfahren bestimmt wird. Anschließend wird das dreidimensionale Steuerungssystem des Ableiters basierend auf transienten, elektroquasistatischen Simulationen des achsensymmetrischen Äquivalents effizient optimiert. Die detaillierte elektrothermische Analyse zeigt, dass eine deutliche Verbesserung der Feld- und Temperaturverteilung in der Widerstandssäule erreicht werden kann. Die größte Einschränkung im Betrieb von Überspannungsableitern ist die thermische Stabilität. Überspannungen injizieren elektrische Energie, die die Metalloxid-Widerstände erwärmt. Dadurch wird der Arbeitspunkt in der U-I-Kennlinie in Richtung einer höheren elektrischen Leitfähigkeit verschoben, was zu einer weiteren Erhöhung der Verlustleistung führt. Wenn dieser Prozess durch Wärmeübertragungsprozesse nicht ausreichend kompensiert wird, führt dies zu einem thermischen Davonlaufen, was einen Totalausfall des Ableiters zur Folge hat. Um die thermische Stabilität zu beurteilen, wird die Abkühlrate als wichtiger Leistungsindikator eingeführt. Finite-Elemente-Simulationen liefern einen detaillierten Einblick in dieses komplexe, elektrothermisch gekoppelte Problem. So werden ein Stationsklasseableiter und sein üblicherweise verwendetes Laborersatzmodell unter dem Überspannungs-Stresstestverfahren gemäß Standard simuliert. Weiterhin wird nachgewiesen, dass ein gängiges Laborersatzmodell in Bezug auf sein Kühlverhalten nach Überspannungsbeanspruchungen eine Worst-Case-Darstellung des jeweiligen Gesamtableiters ist. Darüber hinaus werden verschiedene thermisch stabile und instabile Szenarien analysiert, um ein präzises und rechnerisch effizientes Stabilitätskriterium abzuleiten. Dieses Kriterium ermöglicht relevante Ableiterparameter, die die thermische Stabilitätsgrenze beeinflussen, zu identifizieren. In der Arbeit wird der Einfluss der elektrischen Eigenschaften des Metalloxids, sowie ausgewählte thermische Parameter, untersucht. Um zukünftige Ableiterdesigns zu optimieren, wird schließlich eine Vorhersagefunktion eingeführt, um die thermische Stabilitätsgrenze anhand weniger und rechnerisch günstiger Simulationen zu schätzen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der praktischen Anwendbarkeit der entwickelten Methoden zur Lösung typischer Probleme beim Design von Überspannungsableitern.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 Accelerator Science and Electromagnetic Fields > Electromagnetic Field Theory (until 31.12.2018 Computational Electromagnetics Laboratory)
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Accelerator Science and Electromagnetic Fields
Date Deposited: 16 Jan 2020 07:22
Last Modified: 09 Jul 2020 02:45
DOI: 10.25534/tuprints-00009084
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-90843
Referees: De Gersem, Prof. Dr. Herbert and Hinrichsen, Prof. Dr. Volker and Gjonaj, PD Dr. Erion
Refereed: 21 August 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9084
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