Experimentelle Untersuchungen zur Druckentwicklung in einem SF6-Selbstblasschalter beim Schalten großer Ströme

Kornhaas, Alexander

In der vorliegenden Arbeit werden die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen an einem originalen 145 kV Selbstblasschalter vorgestellt und analysiert. Es wird ein Messsystem entwickelt, mit dem die parallele Messung von prägnanten physikalischen Größen möglich ist. Die umfassende Analyse der physikalischen Effekte mit Hilfe des komplexen Messsystems beinhaltet die Untersuchung der Vorgänge während des Ausschaltvorgangs innerhalb der Antriebseinheit, der Unterbrechereinheit und der auftretenden Wechselwirkungen zwischen beiden Schalterkomponenten. Bei den Messungen werden die Parameter Ausschaltstrom, Lichtbogenzeit, Düsenmaterial und Düsenaufbau gezielt variiert. Besonderes Augenmerk bei den Untersuchungen liegt auf der Analyse des Druckaufbaus zum Löschen des Lichtbogens. Damit verbunden ist die Untersuchung des für den Selbstblasschalter charakteristischen Abbrandeffektes. Unter anderem wird mit dem Einsatz von segmentierte PTFE-Düsen bei Lastschaltungen, eine ortsaufgelösten Abbrandrate ermittelt. Durch die gezielte Variation der Ausschaltparameter werden zudem wichtige Validierungsdaten zur Überprüfung neu entwickelter Simulationsmodelle, vor allem im Bereich des Grenzausschaltstromes, geschaffen.

In the present thesis the results of the experimental investigations at an original 145 kV self-blast circuit breaker will be presented and analysed. A measuring system has been developed to make a parallel measurement of: • the current and arc voltage, • the pressurization inside the interrupting unit at specific points, • the movement of the valves, • the movement of the switching off spring and of the interrupting unit, • the transient forces at the switching rod. The comprehensive study of the physical effects with the complex measuring system includes the investigation of the drive system, the interrupter unit and the interaction between both circuit-breaker components. At the measurements a systematic variation of the following parameters is realized: • breaking current (0…1•Ia), • arcing time (4…20 ms), • nozzle material (PTFE, ceramic) and • nozzle build-up (segmented PTFE-nozzle). The results obtained after the analysis of the interaction between the drive system and the interrupter unit show that it is necessary to include a dynamic model for the functioning of the drive system in order to build a close to reality simulation model for the switching-off process in this type of circuit-breaker. Special attention at the investigations is paid to the analysis of the pressure build-up for the arc extinction. Associated with that is the study of the ablation effect, characteristic for the self-blast circuit breaker. Therefore reference measurements are done with ceramic nozzles, were the effect of nozzle ablation on the pressurization can be almost neglected. From the comparative measurements with the combination of PTFE and ceramic material for the main and auxiliary nozzle the pressurization due to the ablation effect of every nozzle at different energy inputs is acquired. Furthermore the original PTFE main nozzle has been replaced by a segmented nozzle. With on-load switches at breaking currents from 0.2•Ia to 0.5•Ia an axial dependent ablation factor as a function of the energy input is determined. It is pointed out that the mass loss of the PTFE nozzle depends on the radiation energy of the arc and on the gas flow characteristics. The calculated ablation rate is a function of the breaking current, the axial position and the number of switches. The integral investigation of the switching-off process makes a contribution to a better understanding of the concomitant physical processes taking place inside the circuit breaker. With the systematic variation of the switching-off parameters important verification data were generated to revise the new developed simulation models especially in the range of short circuit currents.

In der vorliegenden Arbeit werden die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen an einem originalen 145 kV Selbstblasschalter vorgestellt und analysiert. Es wird ein Messsystem entwickelt, mit dem die parallele Messung von: • Lichtbogenstrom und Lichtbogenspannung, • Druckverläufen an markanten Stellen der Unterbrechereinheit, • Ventilfunktionen, • der Bewegung der Ausschaltfeder und der Unterbrechereinheit und von • transienten Kraftwirkungen auf die Schaltstange möglich ist. Die umfassende Analyse der physikalischen Effekte mit Hilfe des komplexen Messsystems beinhaltet die Untersuchung der Vorgänge während des Ausschaltvorgangs innerhalb der Antriebseinheit, der Unterbrechereinheit und der auftretenden Wechselwirkungen zwischen beiden Schalterkomponenten. Bei den Messungen werden die Parameter: • Ausschaltstrom (0…1•Ia), • Lichtbogenzeit (4…20 ms), • Düsenmaterial (PTFE, Keramik) und • Düsenaufbau (segmentierte PTFE-Düse) gezielt variiert. Die Ergebnisse der Untersuchung der auftretenden Wechselwirkung zwischen Antriebseinheit und Unterbrechereinheit zeigen, dass es für eine realitätsnahe Simulation des Ausschaltvorgangs sinnvoll ist, auch die Funktion der Antriebseinheit in einem Modell dynamisch zu berechnen. Besonderes Augenmerk bei den Untersuchungen liegt auf der Analyse des Druckaufbaus zum Löschen des Lichtbogens. Damit verbunden ist die Untersuchung des für den Selbstblasschalter charakteristischen Abbrandeffektes. Dazu werden Referenzmessungen beim Einsatz von Keramik als Düsenmaterial durchgeführt, bei denen der Einfluss des Düsenabbrandes auf den Druckaufbau nahezu ausgeschlossen werden kann. Aus den Vergleichsmessungen mit der Kombination von PTFE und Keramik als Hilfs- und Isolierstoffdüsenmaterial wird der abbrandbedingte Einfluss auf den Druckaufbau jeder einzelnen Düse bei unterschiedlichen Energieeinträgen erarbeitet. Des Weiteren wird die originale Düse durch eine segmentierte PTFE-Düse ersetzt. Bei Lastschaltungen mit Ausschaltströmen zwischen 0,2•Ia und 0,5•Ia wird so eine ortsaufgelöste Abbrandrate in Abhängigkeit des Energieeintrags ermittelt. Es zeigt sich, dass der Masseverlust neben der Strahlungsenergie des Lichtbogens auch von der Charakteristik der Gasströmung abhängt. Die berechenbare Abbrandrate ist eine Funktion des Ausschaltstromes, der axialen Position und der Schalthäufigkeit. Die umfassende Betrachtung des Ausschaltvorgangs leistet einen Beitrag zur Erweiterung des Verständnisses der dabei ablaufenden physikalischen Prozesse. Durch die gezielte Variation der Ausschaltparameter werden zudem wichtige Validierungsdaten zur Überprüfung neu entwickelter Simulationsmodelle, vor allem im Bereich des Grenzausschaltstromes, geschaffen.

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Kornhaas, Alexander: Experimentelle Untersuchungen zur Druckentwicklung in einem SF6-Selbstblasschalter beim Schalten großer Ströme. Ilmenau 2014. Universitätsverlag Ilmenau.

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