Ausschaltverhalten eines Hybridschaltgerätes aus Vakuum- und Gasleistungsschalter

Götte, Nicolas; Schnettler, Armin; Niayesh, Kaveh

doi:HT020936403

Ausschaltverhalten eines Hybridschaltgerätes aus Vakuum- und Gasleistungsschalter

Götte, Nicolas^RWTH*

2021

VerantwortlichkeitsangabeNicolas Götte

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Verlagshaus Mainz GmbH 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95886-411-5

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Druckausgabe: 2021. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-04-26

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-04978
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/819327/files/819327.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Elektrische Anlagen und Hochspannungstechnik (614210)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Gasleistungsschalter (frei) ; Hybridleistungsschalter (frei) ; SF6-Alterantiven (frei) ; Serienschaltung (frei) ; Vakuumleistungsschalter (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
In Hoch- und Höchstspannungsnetzen werden heutzutage nahezu ausschließlich Gasleistungsschalter zur Unterbrechung von Betriebs- und Kurzschlussströmen eingesetzt. Aufgrund seiner herausragenden Lösch- und Isoliereigenschaften wird dabei aktuell Schwefelhexafluorid (SF6) als Füllgas verwendet. Da SF6 das stärkste bekannte Treibhausgas ist, gibt es weltweite Bestrebungen, dieses zukünftig durch alternative, umweltfreundlichere Gase zu substituieren. Alle potenziellen Gasalternativen weisen allerdings eine geringere Leistungsfähigkeit als SF6 auf. In Mittelspannungsnetzen haben sich Vakuumleistungsschalter aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit durchgesetzt. Für Bemessungsspannungen bis Ur = 145 kV sind Vakuumleistungsschalter im Betrieb, bis Ur = 245 kV sind Lösungen Gegenstand aktueller Entwicklungen. Um auch in der Hoch- und Höchstspannungsebene umweltfreundliche Leistungsschalter zu realisieren, werden daher neuartige Konzepte untersucht. Ein möglicher Ansatz ist eine Serienschaltung aus Gas- und Vakuumleistungsschalter als Hybridschaltgerät. Das geringere Ausschaltvermögen des Gasleistungsschalters bei der Verwendung von alternativen Gasen wird dabei durch den Vakuumleistungsschalter kompensiert. Wenn der Gasleistungsschalter einen Großteil der dielektrischen Anforderungen übernimmt, können die Anforderungen an den Vakuumleistungsschalter entsprechend angepasst werden. Ziel dieser Arbeit ist es, die Wechselwirkung zwischen Gas- und Vakuumlichtbogen im Bereich um den Stromnulldurchgang zu charakterisieren. Der Nachstrom des Vakuumleistungsschalters wird als wichtiger Parameter für die Wechselwirkung zwischen den beiden Leistungsschaltern in der Serienschaltung identifiziert. Bei hohen Strom- und Spannungsbelastungen sorgt der Vakuum-Nachstrom dafür, dass in der ersten Phase nach dem Stromnulldurchgang der Vakuumleistungsschalter einen Großteil der Wiederkehrspannung übernimmt. Danach führt eine Übergangsphase zu einer kapazitiven Spannungsaufteilung zwischen den beiden Schaltgeräten. Um die Spannungsaufteilung zwischen den Schaltgeräten zu beeinflussen, werden sowohl kapazitive als auch ohmsche Spannungssteuerungen untersucht. Dabei eignet sich insbesondere eine ohmsche Steuerung des Hybridleistungsschalters, währende eine kapazitive Steuerung neben der Spannungsaufteilung einen negativen Einfluss auf das Schaltverhalten der Serienschaltung hat.

Nowadays, gas circuit breakers are used almost exclusively in high-voltage and extra-high-voltage grids to interrupt operating and short-circuit currents. Due to its outstanding quenching and insulating properties, sulphur hexafluoride (SF6) is currently used as filling gas. As SF6 is the most potent greenhouse gas known, there are worldwide efforts to substitute it with alternative, environmentally friendly gases in the future. However, all potential gas alternatives have a lower performance than SF6. Vacuum circuit breakers have become established in medium-voltage networks due to their reliability and cost-efficiency. For rated voltages up to Ur = 145 kV vacuum circuit breakers are in operation, while solutions up to Ur = 245 kV are in the focus of ongoing research and development activities. In order to realize environmentally friendly circuit breakers also at the high and extra-high voltage levels, new concepts are therefore being investigated. One possible approach is a series connection of gas and vacuum circuit breaker as hybrid circuit breaker. The lower breaking capability of the gas circuit breaker when using alternative gases is compensated by the vacuum circuit breaker. The gas circuit breaker takes over a large part of the dielectric requirements, thus allowing the ratings of the vacuum circuit breaker to be adjusted. The aim of this work is to characterize the interaction between gas and vacuum arcs in the vicinity of current zero. The post-arc-current of the vacuum circuit breaker is identified as an important parameter for the interaction between the two circuit breakers in the series connection. In the case of high current and voltage loads, the vacuum-post-arc-current ensures that in the first phase after current zero, the vacuum circuit breaker takes over a large part of the transient recovery voltage. Thereafter, a transition phase leads to a capacitive voltage division between the two circuit breakers. In order to influence the voltage distribution between the circuit breakers, both capacitive and resistive voltage controls are investigated. A resistive control of the hybrid circuit breaker is particularly suitable. The capacitive control has a negative influence on the switching behavior of the series connection in addition to the voltage distribution.

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