Investigation on no-load mechanical endurance and electrical degradation of a circuit breaker model under short circuit current interruption

Suwanasri, Thanapong; Schnettler, Armin

doi:26963

Investigation on no-load mechanical endurance and electrical degradation of a circuit breaker model under short circuit current interruption = Untersuchungen zur mechanischen Leerlauf-Dauerbeständigkeit und der elektrischen Abnutzung eines Leistungsschaltermodells bei Lichtbogenbeanspruchungen

Suwanasri, Thanapong

2006

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Thanapong Suwanasri

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2006

UmfangII, 123 S. : 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-14326
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62222/files/Suwanasri_Thanapong.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik (600000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; mechanical endurance (frei) ; electrical degradation (frei) ; nozzle ablation (frei) ; remaining lifetime (frei) ; number of interruption (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Verringerung der Komponentenausfallrate, die Verlängerung der Nutzungsdauer, die zunehmende Zuverlässigkeit und die Senkung der Betriebs- und Instandhaltungskosten spielen heute eine wichtige Rolle für das elektrische Versorgungsnetz. Bei Hochspannungs-Leistungsschaltern ist statistisch der Antrieb die Hauptursache eines Fehlers, während die Unterbrechereinheit die höchste Ausfallrate der Aktivteile aufweist und bei modernen SF6-Selbstblasschaltern zudem einem Degradationseffekt unterliegt. Demzufolge wurden in dieser Arbeit der innere mechanische Zustand eines Leistungsschalters mit Hilfe handelsüblicher Diagnoseverfahren bestimmt und experimentelle Untersuchungen der elektrischen Abnutzung innerhalb einer Unterbrechereinheit durchgeführt. Bei der experimentellen Untersuchung der mechanischen Leerlauf-Dauerprüfung mit bis zu 6.000 Schaltungen wurde ein 110kV-Blaskolben-Leistungsschalter mit hydraulischem Antrieb genutzt, da dieser Schaltertyp eine relativ große Antriebskraft besitzt und somit üblicherweise eine höhere Ausfallrate aufweist. Messungen der Spulenströme, der Schaltzeiten, des dynamischen Kontaktwiderstandes und des Pumpenmotorstroms sowie die Vibrationscharakteristiken wurden im Labor und bei den Vor-Ort-Messungen durchgeführt. Die experimentelle Bestimmung der Abnutzung der Düsen und der Elektroden bei Lichtbogenbeanspruchungen wurde mit einem SF6-Selbstblasschalter-Modell untersucht. Dabei wurden die geprüften Stromdichten denen kommerzieller Selbstblasschalter angepasst.Für die mechanische Untersuchung wurden die Messgrößen zu Beginn der Untersuchungen als Referenz herangezogen. Nach jeweils 500 Schaltungen unter normalen und variablen Betriebsbedingungen, d.h. Variation der Versorgungsspannung, des Hydraulikdruckes und des SF6-Druckes, wurden die aufgenommenen Parameter mit den Referenzwerten verglichen. Zusätzlich konnten die Analyseergebnisse mit denen gleicher Leistungsschaltertypen und mit theoretischen Berechnungen der Vibrationscharakteristiken verglichen und verifiziert werden. Anschließend wurden Vor-Ort-Messungen vor und nach einer Wartung sowie zusätzlich Messungen mit künstlich eingebrachten Defekten durchgeführt. Die Untersuchungen zur Düsen- und der Elektrodenabnutzung wurden in sequentiellen Versuchen mit konstanter Lichtbogenenergie so lange durchgeführt, bis das Schaltermodell sein Ausschaltvermögen verloren hatte. Die Einflüsse von Stromstärke, Düsendurchmesser, Druckkammervolumen, Lichtbogenzeit und Wiederkehrspannung auf die Massenverluste, Geometrieänderung der Düse und den Druckaufbau wurden dabei untersucht.Die Analyse der Vibrationssignale im Zusammenhang mit anderen gemessenen Parametern kann Informationen über auftretende signifikante Ereignisse, z. B. die Betätigung des Einschaltmagnets, die Bewegung des Hilfskontakts, die Hauptkontaktberührung und das Erreichen des Schalterendzustands liefern. Die Abweichungen dieser gemessenen Werte von den Referenzwerten konnte eindeutig der Anzahl der Leerlauf-Schaltungen, den variablen Betriebsbedingungen und einigen simulierten Defekten zugeordnet werden. Im Bezug auf die Lichtbogenbelastung wurden die Massenverluste pro Schaltung und pro Energie, die Geometrieänderung insbesondere zwischen Lichtbogenkanal und Schaltkammer untersucht. Die Volumen- und Massenverluste entlang des Düsenkanals, der Einfluss des Düsenaufbrandes auf die Reduzierung des Druckaufbaus sowie die Massenverluste als Funktion der Stromstärke wurden ermittelt. Durch diese Kenntnisse und die Anwendung des Abnutzungsäquivalent-Gesetzes kann die zulässige Schaltanzahl als Funktion des Verhältnisses von Abschaltstrom bezogen auf den Nennkurzschlussstrom und die Restnutzungsdauer bestimmt werden. Die gewonnenen experimentellen Daten werden zur Kalibrierung bzw. Verifizierung der CFD-Simulationen eingesetzt, mit deren Hilfe eine Zustandsbewertung der Schaltkammer ohne erheblichen experimentellen Versuchaufwand erfolgen kann.

The demand on reducing circuit breaker failure, extending service life, increasing equipment reliability and lowering the related operating and maintenance costs are nowadays of prime importance for the electricity supply network. According to statistics, the major failure mode is originated from operating mechanism, whereas interrupter has the highest percentage of failure in high voltage component. Thus, the method to facilitate the assessment of internal mechanical conditions by using commercially available devices without opening major parts and the experimental investigation on electrical erosion inside the interrupter were performed in this work.The experimental investigation on the mechanical endurance of operating mechanism up to 6,000 no-load switching was performed with 110kV puffer type circuit breakers due to its requirement of large driving energy for hydraulic operating mechanism. The conventional measurement, e.g. coil current, contact timing, dynamic contact resistance and pumping motor current as well as additional vibration technique were carried out in both laboratory and field test. The investigation on electrical erosion focusing on aging of nozzle and electrode under current interruption was performed with a reduced-size SF6 self-blast circuit breaker model and synthetic test circuit, providing the current density comparable to that in the real circuit breaker, because of the extensive use of nozzle ablation, the possibility for parameters variation and the reduction of cost and time.For mechanical investigation, the parameters were measured at the beginning as a reference and also thereafter every 500 switching under normal and variable operating conditions, e.g. variation of auxiliary supply voltage, hydraulic oil pressure and SF6 gas pressure. The test result was verified by that from two of the same type circuit breakers and the theoretical calculation for vibration result in the frequency-domain analysis. Subsequently, the on-site measurement before and after maintenance and some simulated defects were executed. The electrical aging investigation was performed by successive tests with constant energy stresses until interrupting failure occurred. The effect of current amplitude, nozzle diameter, expansion volume, arcing time and recovery voltage on mass losses, geometry changes of nozzle and its influence on pressure build-up were investigated.The analysis of vibration signals in a combination with the other supervised parameters provides the useful information regarding the significant events occurring inside during circuit breaker operation, e.g. motion start of mechanism and within pole, contact touching and motion stop. The deviations of these measured values from the reference according to number of no-load switching operations, variable operating conditions and some incorporated defects were comprehensively determined. The relationship between the gradual changes in technical status of the supervised components and the number of no-load operations is helpful for selecting the proper maintenance method.Regarding the electrical erosion of the nozzle and the electrodes, the mass losses per switching and per energy; and the geometry change of nozzle especially between the arcing column and the expansion chamber were investigated. Moreover, volume loss and mass loss along the nozzle column; its effect on the pressure build-up reduction; and the dependences of mass losses on interrupting current amplitude, charge and generated heat have been determined.Furthermore by applying the wear equivalent law, the allowable number of interruption in function of the breaking current to rated short-circuit current ratio and the remaining lifetime can be determined. This result will be used to verify the accuracy of simulation tools in order to visualize the aging process, to evaluate the interrupter condition and to minimize the expensive experiment tests.

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