Ausschaltvermögen von Mittelspannungs-Lasttrennschaltern bei Verwendung atmosphärischer Lösch- und Isoliergase

Bendig, Marvin; Schnettler, Armin; Niayesh, Kaveh

doi:10.18154/RWTH-2020-11022

Ausschaltvermögen von Mittelspannungs-Lasttrennschaltern bei Verwendung atmosphärischer Lösch- und Isoliergase = Interruption Capability of Medium Voltage Load Break Switches Utilizing Atmospheric Quenching and Insulation Gases

Bendig, Marvin^RWTH*

2020

VerantwortlichkeitsangabeMarvin Bendig

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Verlagshaus Mainz GmbH 2020

Umfang1 Online-Ressource (X, 130 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95886-380-4

ReiheAachener Beiträge zur Hochspannungstechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Schnettler, Armin (Thesis advisor) ; Niayesh, Kaveh (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-10-26

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-11022
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/805500/files/805500.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Elektrische Anlagen und Hochspannungstechnik (614210)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Lasttrennschalter (frei) ; Mittelspannung (frei) ; SF6-Alternativen (frei) ; Schaltgeräte (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Mittelspannungs-Lasttrennschalter stellen zentrale Komponenten in der Energieversorgung dar. Als Bestandteil von Mittelspannungs-Schaltanlagen der sekundären Verteilung ist ihre Aufgabe die sichere Unterbrechung von Lastströmen im Netz und die Herstellung einer sicheren Trennstrecke. Im Zuge des voranschreitenden Ausbaus der Mittelspannungsnetze werden vermehrt gasisolierte Anlagen gefüllt mit Schwefelhexafluorid (SF6) verbaut, da der Einsatz des Lösch- und Isoliergases SF6 den Aufbau kompakter und zuverlässiger Anlagen erlaubt. SF6 ist jedoch ebenfalls das stärkste bekannte Treibhausgas, mit einer Treibhauswirkung von 23.500 CO2-Äquivalenten. Eine Substitution von SF6 unter Beibehaltung der Baugröße und Zuverlässigkeit ist daher erstrebenswert. Der Lasttrennschalter stellt dabei die kritische Komponente dar, da das Füllgas im Schalter sowohl die Lichtbogenlöschung als auch die Spannungsisolation übernimmt. Mögliche Alternativgase weisen geringere elektrische Festigkeiten und Lichtbogenlöschvermögen als SF6 auf, daher ist eine grundlegende Anpassung der Auslegung des Lasttrennschalters erforderlich. Ziel dieser Arbeit ist die Identifikation und Quantifikation der wesentlichen Einflussparameter auf das Ausschaltvermögen eines Mittelspannungs-Lasttrennschalters unter Verwendung alternativer Lösch- und Isoliergase. In einer Parameterstudie wird das thermische Ausschaltvermögen und die dielektrische Wiederverfestigung für verschiedene Auslegungsgrößen an einem Modell-Lasttrennschalter bestimmt. Essentiell für ein ausreichendes Ausschaltvermögen ist eine ausreichende Lichtbogenkühlung, die sowohl durch konvektive Kühlung durch eine axiale Beblasung als auch durch den Hartgaseffekt, d.h. den Abbrand von Polymeren in Lichtbogennähe, sichergestellt werden kann. Beide Mechanismen können durch verschiedene Parameter der Schalterauslegung beeinflusst werden. Aus den gewonnenen Ergebnissen wird ein Designkriterienkatalog abgeleitet, der zur Auslegung eines Technologiedemonstrators eines umweltfreundlichen Mittelspannungs-Lasttrennschalters dient. Am Ende der Arbeit wird dieser erfolgreich einer normgerechten Prüfung des Ausschaltvermögens unterzogen.

Medium voltage load break switches are essential components in today’s energy systems. As a part of secondary medium voltage switchgear they are responsible for interrupting load currents and ensuring a safe insulation distance in the off-state. In the course of the ongoing medium voltage grid expansion, mainly gas insulated switchgear filled with sulfur hexafluoride (SF6) is installed. The use of SF6 permits a compact and reliable switchgear design. In contrast, SF6, with a global warming potential of 23.500 CO2 mass equivalents, is the most potent greenhouse gas known. A substitution of SF6 while keeping the size and reliability of the switchgear is desirable. In the process of subtituting SF6 in medium voltage switchgear the load break switch is the critical component, as the gas serves as insulating and quenching medium. Possible substitutes have a lower dielectric strength as well as a lower arc quenching capability. Hence, a fundamental redesign of the load break switch is necessary. The objective of this thesis is the identification and quantification of the main influencing parameters on the switching capability of a medium voltage load break switch filled with an alternative insulating gas. In a parametric study the thermal interruption capability and the dielectric recovery are determined for different design parameters of a model load break switch. A sufficient arc cooling is essential for a sufficient interruption performance and can be ensured by a convective cooling by axial arc blowing as well as by the “Hartgas“-effect, resulting from polymer ablation close to the arc. Both mechanisms can be influenced by the design of the load break switch. From the experimental results of the study a catalog of design criteria is derived. These criteria are used to develop a demonstrator of an environmentally friendly medium voltage load break switch. At the end of the thesis, the demonstrator’s interruption capability is successfully tested according to standards.

OpenAccess:
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