Einfluss des Elektrodenabbrandes auf das Schaltverhalten eines SF 6-Selbstblasschalters

Dommerque, Robert Karl; Schnettler, Armin

doi:1447

Einfluss des Elektrodenabbrandes auf das Schaltverhalten eines SF 6-Selbstblasschalters = Influence of the electrode ablation of the interrupting limit of a SF6 self-blast circuit breaker

Dommerque, Robert Karl (Author)

2006

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Robert Karl Dommerque

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2006

Umfang100 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Schnettler, Armin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-02-08

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-14472
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/60822/files/Dommerque_Robert.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik (600000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; Elektrische Energietechnik (frei) ; Energietechnik (frei) ; Schalter (frei) ; Elektrodenspannung (frei) ; Abbrand (frei) ; Schwefelhexafluorid (frei) ; Selbstblasschalter (frei) ; Elektrodenabbrand (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In der elektrischen Energietechnik werden Leistungsschalter als Sicherheitselemente eingesetzt. Sie müssen in der Lage sein, sowohl Nennströme als auch Kurzschlussströme, zuverlässig zu unterbrechen und der anschließenden Spannungsbeanspruchung standzuhalten. Das Funktionsprinzip aller Leistungsschalter beruht auf der Löschung des bei der Schalthandlung entstehenden Lichtbogens. Dieser Lichtbogen brennt zwischen den sich öffnenden Kontakten und wird bei der neuesten Generation von Leistungsschaltern, dem SF6- Selbstblasschalter, in Isolierstoffdüsen geführt. Durch den Energieeintrag des Lichtbogens verdampft ein Teil dieser Isolierstoffdüsen, und es kommt zu einer Gasströmung in Richtung eines Auslassvolumens und einer Druckkammer, verbunden mit einem deutlichen Druckanstieg. Nach dem Überschreiten des Strommaximums verringert sich der Energieeintrag in die Isolierstoffdüsen, und es kommt zu einer Strömungsumkehr aus der Druckkammer in Richtung des Auslassvolumens. Durch diese intensive Gasströmung wird der Lichtbogen gekühlt, so dass er im Stromnulldurchgang verlöscht. Aufgrund des Energieumsatzes in der Schaltstrecke wird jedoch nicht nur Düsenmaterial abgedampft, sondern auch ein Teil der Strom führenden Elektroden. Ein Teil dieses Abbrandes strömt in die Druckkammer und führt dort zu einer Verunreinigung des Löschgases. Die Zusammensetzung des Löschgases hat jedoch einen entscheidenden Einfluss auf die Kühlung des Lichtbogens und damit auf das Abschaltvermögen des Leistungsschalters. Eine systematische Untersuchung des Einflusses des Elektrodenabbrandes auf das Ausschaltvermögen ist daher Gegenstand dieser Arbeit. Dazu wird ein Versuchsschalter aufgebaut, mit dem die physikalischen Vorgänge in einem SF6-Selbstblasschalter nachgebildet werden. Ein geeigneter Prüfstand erlaubt die Belastung des Versuchsschalters mit Stromdichten, die denen realer Schalter entsprechen. Die gewählte Versuchsmethodik erlaubt die Bestimmung von Kennwerten, die das Abbrandverhalten der Isolierstoffdüsen und der Elektroden, den Druckaufbau und das Ausschaltvermögen beschreiben. Durch die Implementierung eines Elektrodenabbrandmodells in ein Simulationstool zur Beschreibung des Ausschaltvorganges wird eine orts- und zeitaufgelöste Verteilung der Elektrodenabbrandprodukte innerhalb des Versuchsschalters möglich. Die Verunreinigung des Löschgases durch den Elektrodenabbrand bewirkt eine Verminderung des Ausschaltvermögens des Versuchsschalters. Bereits eine relativ geringe Verunreinigung von rund 0,9% führt schon zu einer Reduzierung des Schaltvermögens von etwa 20% gegenüber des unbeeinflussten Falls. Dies ist nicht nur auf eine veränderte Löschgaszusammensetzung zurückzuführen, sondern auch auf eine veränderte Lichtbogenzusammensetzung: Zum Zeitpunkt der Strömungsumkehr gelangen Abbrandprodukte der Strom führenden Elektroden in die Lichtbogenzone und verändern damit die Plasmaeigenschaften des Lichtbogens. Der zum erfolgreichen Abschalten des Stromes notwendige Lichtbogenwiderstand wird somit erst durch eine intensivere Löschgasströmung erreicht. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass eine Reduzierung des Einflusses der Elektrodenabbrandprodukte auf das Schaltvermögen durch eine geeignete Wahl des Verhältnisses aus Elektroden- zu Isolierstoffdüsenoberfläche erreicht werden kann.

Due to the fact that high voltage circuit breakers are able to work under short current conditions, too, they are the important security elements in electrical power systems. During the switching operation an electrical arc exists between the switching contacts. The operation method of all circuit breakers is to quench this electrical arc. In SF6 self blast circuit breakers, which present the newest generation of high voltage circuit breakers, the arc burns within the insulating nozzles. The high temperature of the arc leads to an ablation of the nozzle material and to a resulting gas flow on the one hand in the direction of an outlet and on the other hand into a pressure chamber. This gas flow causes a pressure rise in the pressure chamber. Close to current zero the energy input in the insulating nozzle decreases, and thus the ablation decreases too. The stored gas in the pressure chamber is now able to flow backwards towards the arc into the outlet volume. Due to the fact of this intensive gas flow the arc cools down, and the current can be successfully interrupted. A successful interruption in a SF6 circuit breaker does not only depend on the blow gas pressure, but also on the quenching gas composition. During the interrupting process the high temperature of the arc yields to an ablation of the switching contacts, too. This electrode ablation material can also be distributed to the pressure chamber of a SF6 self blast circuit breaker and thereby influences the interrupting behaviour in a negative way. The aim of this thesis is to systematically investigate the influence of the ablated electrode material on the interrupting limits of SF6 self blast circuit breakers. For that purpose a model breaker arrangement is developed to reproduce the behaviour of a self blast circuit breaker. For testing the model breaker arrangement with current densities of real circuit breakers, an appropriate test setup is designed. The investigation method allows measuring the ablation behaviour of the insulating nozzle and of the electrodes, the pressure build up in the pressure chamber and the interrupting behaviour of the model breaker. The concentration of ablated electrode material in the pressure chamber is provided by CFD-simulations, which includes a new electrode erosion model. The electrode vapour contamination of the quenching gas yields to a reduction of the interrupting limit of the model breaker. Compared to the unaffected case, already a relative contamination of around 0.9% reduces the interrupting limit by approximately 20%. This depends not only on the contamination of the quenching gas, but also on the presence of electrode material in the arc zone. Therefore, a more intensive arc cooling by an existing electrode ablation contamination is required. It is demonstrated that the influence of the ablation of the electrodes on the interrupting behaviour can be reduced by an appropriately balanced proportion of the electrode surface to the insulation nozzle surface.

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