Ausschaltverhalten von Mittelspannungs-Lasttrennschaltern auf Basis von Stickstoff-Kohlenstoffdioxid-Mischungen

Krampert, Thomas; Schnettler, Armin; Moser, Albert

doi:10.18154/RWTH-2022-01010

Ausschaltverhalten von Mittelspannungs-Lasttrennschaltern auf Basis von Stickstoff-Kohlenstoffdioxid-Mischungen = Interruption behaviour of medium voltage load break switches with nitrogen carbon dioxide mixtures

Krampert, Thomas^RWTH*

2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von: Thomas Krampert, M.Sc.

ImpressumAachen : printproduction M. Wolff 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-9822584-9-2

ReiheAachener Beiträge zur Energieversorgung ; 214

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Druckausgabe: 2022. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Moser, Albert (Thesis advisor)^RWTH* ; Schnettler, Armin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-12-13

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-01010
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/840061/files/840061.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Übertragungsnetze und Energiewirtschaft (614110)

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

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
In der Mittelspannungsebene sind Lasttrennschalter die in Deutschland meist verbauten Schaltgeräte und stellen somit einen wichtigen Baustein der elektrischen Energieversorgung dar. Aufgrund der gestellten Anforderung an eine kompakte Baugröße ist ein wachsender Anteil in gasisolierten Schaltanlagen verbaut. Das dafür verwendete Schwefelhexafluorid ist mit einem Treibhauspotential von 23 500 CO2-Masseäquivalenten das stärkste bekannte Treibhausgas, weshalb eine Substitution angestrebt wird. Da die dafür in Frage kommenden Gase jedoch eine geringere Leistungsfähigkeit aufweisen, ist eine Anpassung der Schalterkonstruktion notwendig. Die ausschlaggebenden Größen für eine erfolgreiche Stromunterbrechung sind dabei die Lichtbogenkühlung durch eine axiale Beblasung und der Hartgaseffekt, d.h. der Abbrand von Polymeren im Lichtbogenbereich. In einer vorangegangenen Arbeit wurde bereits ein erster Designkriterienkatalog erarbeitet. Für die optimale Auslegung eines Mittelspannungs-Lasttrennschalters ist jedoch ein tiefergehendes Verständnis aller relevanter Einflussfaktoren notwendig. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses der Schalterkonstruktion sowie der Strom- und Spannungsbelastung auf das Ausschaltverhalten eines umweltfreundlicheren Mittelspannungs-Lasttrennschalters auf Basis von Stickstoff-Kohlenstoffdioxid-Mischungen. Von besonderem Interesse ist dabei die Wirkung einzelner Parameter auf das Zusammenspiel von axialer Beblasung und Hartgaseffekt. Für die Untersuchungen wird für einen Modellschalter das thermische Ausschaltvermögen, die dielektrische Wiederverfestigung sowie das Stromabrissverhalten für verschiedene Auslegungsvarianten bestimmt. Die Untersuchungen zeigen, dass Auslegungen, die zu einem höherem Polymerabbrand führen, nicht automatisch ein höheres Ausschaltvermögen besitzen. Zur Ausnutzung der durch den Polymerabbrand veränderten Gaszusammensetzung ist ein ausreichend hoher Beblasungsdruck notwendig. Aus den Untersuchungen werden Auslegungskriterien abgeleitet und zur Auslegung eines Technologie-Demonstrators genutzt. Anhand der normgerechten Prüfung des Ausschaltvermögens des Technologie-Demonstrators erfolgt der Nachweis der Gültigkeit der Auslegungskriterien.

In the medium-voltage level, load-break switches are the most commonly installed switchgear in Germany and thus represent an important component of the electrical power supply. Due to the requirement for compact size, an increasing proportion is installed in gas-insulated switchgear. The sulfur hexafluoride used for this purpose is the strongest known greenhouse gas with a global warming potential of 23 500 CO2 mass equivalents, which is why substitution is being sought. However, since the gases under consideration for this purpose have lower performance, an adaptation of the switch design is necessary. The key factors for successful current interruption are arc cooling by axial blowing and the hartgas effect, i.e. the burning off of polymers in the arc region. In a previous work, a first design criteria catalog has already been developed. However, a deeper understanding of all relevant influencing factors is necessary for the optimal design of a medium-voltage load-break switch. The aim of this work is to investigate the influence of the switch design and the current and voltage stress on the breaking behavior of an environmentally friendly medium-voltage load-break switchbased on nitrogen-carbon dioxide mixtures. Of particular interest is the effect of individual parameters on the interaction of axial blowing and hardgas effect. In the investigations, the thermal interruption capability, the dielectric recovery as well as the current chopping behavior for different design variants are determined for a model switch. The investigations show that designs that lead to higher polymer ablation do not automatically have a higher breaking capability, but that a sufficiently high blowing pressure is required to exploit the changed gas composition due to polymer ablation. Design criteria are derived from the investigations and used to design a technology demonstrator. The validity of the design criteria is verified by testing the interruption capability of the technology demonstrator in accordance with the standards.

OpenAccess:
PDF
(additional files)