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Widerstandsverteilung in Schaltlichtbögen von Selbstblasleistungsschaltern während der Stromnulldurchgangsphase = Resistance distribution in switching arcs of self-blast circuit breakers at the current zero phase



Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ming-Chark Tang

ImpressumAachen : Mainz 2010

UmfangIII, 109 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN3-86130-676-X

ReiheAachener Beiträge zur Hochspannungstechnik ; 13


Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Zsfassung in engl. und dt. Sprache


Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter


Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-03-05

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-32028
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51415/files/3202.pdf

Einrichtungen

  1. Lehrstuhl und Institut für Hochspannungstechnik (614210)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Leistungsschalter (Genormte SW) ; Schaltlichtbogen (Genormte SW) ; Numerische Strömungssimulation (Genormte SW) ; Kohlendioxid (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Selbstblasleistungsschalter (frei) ; SF6 (frei) ; CO2 (frei) ; circuit breakers (frei) ; switching arcs (frei) ; Computational Fluid Dynamics (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
SF6-Selbstblasleistungsschalter sind wesentliche Schalt- und Sicherheitselemente im Hochspannungsnetz der elektrischen Energieversorgung. Während des Ausschaltvorganges des Selbstblasleistungsschalters wird ein elektrischer Lichtbogen zwischen den sich öffnenden Schaltkontakten generiert, welcher den Strom im Schalter weiterführt. Erst eine Beblasung mit einem Löschgas und somit eine Kühlung dieses Schaltlichtbogens während der Stromnulldurchgangsphase überführt die Schaltstrecke vom leitfähigen in den isolierenden, ausgeschalteten Zustand. Die zeitliche Widerstandsentwicklung des Schaltlichtbogens ist hierbei ein für das Ausschaltvermögen charakteristischer Prozess. Die sich einstellende zeit- und ortsabhängige Widerstandsverteilung wird derzeit als Gesamtwert der Schaltstrecke verstanden, wobei die räumliche Verteilung des Widerstandes in der Stromnulldurchgangsphase bisher nicht genau bekannt ist. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine geeignete Messanordnung zur Bestimmung der Widerstandsverteilung innerhalb der Schaltstrecke während der Stromnulldurchgangsphase entwickelt und in eine Modellbildung für einen Selbstblasleistungsschalter integriert. Zur Analyse der physikalischen Vorgänge werden Computational Fluid Dynamics Simulationen durchgeführt, um die Kühlmechanismen des Schaltlichtbogens zu evaluieren und um diese Kühlprozesse der Widerstandsverteilung zuzuordnen. Aufgrund bestehender Tendenzen zum Ersatz des Treibhausgases SF6 gewinnen Substitute zunehmend an Bedeutung, so dass dieses Untersuchungskonzept auch auf das potentielle Alternativgas CO2 angewendet und im Vergleich mit SF6 diskutiert wird. Die durchgeführten Messungen liefern erstmals einen messtechnischen Einblick in die Widerstandsverteilung von Schaltlichtbögen in der Stromnulldurchgangsphase. Zusammen mit den Simulations-Untersuchungen lassen sich innerhalb der Schaltstrecke des Selbstblasleistungsschaltermodells zwei charakteristische Bereiche feststellen, deren Widerstände für den Ausschaltprozess relevant werden. Diese Bereiche werden zum einen durch konvektive und zum anderen durch turbulente Kühlvorgänge geprägt. Während beide Kühlmechanismen zum Widerstandsaufbau des SF6-Schaltlichtbogens wesentlich beitragen, dominiert der konvektive Kühlvorgang beim CO2-Selbstblasleistungsschaltermodell. Insgesamt führt das höhere Kühlvermögen in SF6-Leistungsschaltern zu höheren Widerständen und somit auch zu einem besseren Ausschaltverhalten als bei CO2-Leistungsschaltern. Durch eine detaillierte Kenntnis über die Widerstandsentwicklung wird das Verständnis der Vorgänge während der Stromnulldurchgangsphase verbessert. Hierdurch wird eine weitere Optimierung von Gasleistungsschaltern möglich.

SF6 self-blast circuit breakers are widely used as switching elements in electrical power systems. In case of a short-circuit fault the breaker contacts are separated leading to an ignition of an electric arc. Hence, the current flow is carried by the electric arc itself. Due to a cooling of the arc at the current zero phase, the arc can be successfully extinguished. The switching gap is converted from a conductive state to an insulating one. Thus, the development of the gap resistance over time is a measure of this switching process. Up to now, the total resistance value of the switching arc is used for the assessment of the switching performance without considering the spatial distribution of the resistance. In this thesis a measuring arrangement is developed to determine the partial resistance distribution of the switching arc during the current zero phase. This arrangement is adapted to a self-blast circuit breaker model. The physical cooling mechanisms can be evaluated by using an Computational Fluid Dynamics simulation of this process. Due to the high global warming potential of SF6, the replacement by alternative gases in self-blast circuit breakers is gaining importance. Hence, the promising substitute gas CO2 is analysed using this investigation concept and discussed in reference to SF6. Due to the measurements of the spatial distribution of the resistance of the switching arc a more detailed insight into the current zero phase is achieved. In addition, the simulated cooling behaviour can be considered to identify the important physical processes for the arc quenching. Two characteristic areas can be identified. The resistance of the first area is generated by a convective cooling process , while the cooling of the second area is evolved due to a turbulent process. Both are the main cooling processes of the self-blast circuit breaker model using SF6. By using CO2, however, the convective effect becomes the dominating arc quenching process. The total cooling performance of the SF6 circuit breaker is superior to the CO2 circuit breaker leading to a higher total resistance and thereby a better interruption capability. Detailed knowledge of the resistance distribution leads to a better understanding of the processes during the current zero phase. This enables further optimisation of gas circuit breakers.

Fulltext:
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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online, print

Sprache
German

Interne Identnummern
RWTH-CONV-113707
Datensatz-ID: 51415

Beteiligte Länder
Germany

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The record appears in these collections:
Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Electrical Engineering and Information Technology (Fac.6)
Publication server / Open Access
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Publications database
614210

 Record created 2013-01-28, last modified 2022-04-22


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