Ermittlung des Schaltvermögens von Hochspannungs-Leistungsschaltern beim Auftreten generatornaher Kurzschlussströme mit ausbleibenden Nulldurchgängen

Determination of high voltage circuit-breaker breaking capability in case of generator short-circuit currents with delayed zero crossings

  • Hochspannungs-Leistungsschalter vermögen den Kurzschlussstrom nur in seinem Nulldurchgang zu unterbrechen. Es ist also der jeweilige Fall daraufhin zu untersuchen, ob es bei generatornahen Kurzschlüssen zu Stromnulldurchgängen kommt, oder ob dem Schalter durch externe Maßnahmen die Möglichkeit zur Stromunterbrechung gegeben werden muss. In dieser Arbeit wurde ein Rechenverfahren entwickelt, mit dem bei geringem Aufwand festgestellt werden kann, ob ein gegebener Hochspannungs-Leistungsschalter im vorgegebenen Kreis bei anzugebenden Betriebszuständen einen Kurzschluss mit ausbleibenden Stromnulldurchgängen beherrscht. Das Rechenverfahren wurde mit Hilfe des Netzberechnungsprogramms PowerFactory der Firma DIgSILENT GmbH entwickelt. Es beinhaltet ein neues dreiphasiges Leistungsschaltermodell, dass das Ein- und Ausschaltverhalten eines Leistungsschalters simuliert und alle wichtigen die ausbleibenden Stromnulldurchgänge verursachenden Faktoren berücksichtigt. Zudem werden sämtliche auftretenden Generatorbetriebszustände und die dasHochspannungs-Leistungsschalter vermögen den Kurzschlussstrom nur in seinem Nulldurchgang zu unterbrechen. Es ist also der jeweilige Fall daraufhin zu untersuchen, ob es bei generatornahen Kurzschlüssen zu Stromnulldurchgängen kommt, oder ob dem Schalter durch externe Maßnahmen die Möglichkeit zur Stromunterbrechung gegeben werden muss. In dieser Arbeit wurde ein Rechenverfahren entwickelt, mit dem bei geringem Aufwand festgestellt werden kann, ob ein gegebener Hochspannungs-Leistungsschalter im vorgegebenen Kreis bei anzugebenden Betriebszuständen einen Kurzschluss mit ausbleibenden Stromnulldurchgängen beherrscht. Das Rechenverfahren wurde mit Hilfe des Netzberechnungsprogramms PowerFactory der Firma DIgSILENT GmbH entwickelt. Es beinhaltet ein neues dreiphasiges Leistungsschaltermodell, dass das Ein- und Ausschaltverhalten eines Leistungsschalters simuliert und alle wichtigen die ausbleibenden Stromnulldurchgänge verursachenden Faktoren berücksichtigt. Zudem werden sämtliche auftretenden Generatorbetriebszustände und die das Auftreten von ausbleibenden Stromnulldurchgängen verursachenden worst-case-Szenarien automatisch berechnet. In der Arbeit wurde untersucht, unter welchen Umständen im zeitlichen Verlauf des generatorseitigen Kurzschlussstromes ausbleibende Stromnulldurchgänge auftreten und welche Parameter den größten Einfluss auf den Kurzschlussstromverlauf haben. Zudem wurde die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von ausbleibenden Stromnulldurchgängen in Abhängigkeit der genannten Parameter in realen Anwendungen abgeschätzt. Die vorliegende Arbeit ist notwendig, da die zukünftige Entwicklung der Hochspannungs-Leistungsschalter dazu führt, dass die einzelnen Unterbrechereinheiten für eine höhere Bemessungsspannung ausgelegt werden als bisher. Damit sinkt bei höheren Nennspannungen (z.B. > 362 kV) die Zahl der Unterbrechereinheiten pro Schalterpol. Als Folge sinkt auch die Lichtbogenspannung je Schalterpol, und es verringert sich der die Gleichstromzeitkonstante verkürzende Einfluss, so dass gegebenenfalls konstruktive Maßnahmen erforderlich werden.show moreshow less
  • High-voltage circuit breakers are capable of interrupting the short-circuit current only in its zero crossing. Therefore in the case of short circuits close to generators it has to be determined whether and when there are current zero crossings, or whether the circuit breaker must be given the possibility of current interruption by external measures. In this work a computational procedure was developed. It can be determined with little effort whether a given high-voltage circuit breaker in a given circuit under predetermined operating conditions can control a short-circuit current with absence of zero crossings. As a result it is possible to make statements of the breaking capability of a new high-voltage circuit breaker even during the development. The computational method is based on the network calculation program PowerFactory of the company DIgSILENT GmbH. It includes a new three-phase breaker model that simulates turn-on and turn-off transients and includes the factors which cause the absence of current zero crossings. InHigh-voltage circuit breakers are capable of interrupting the short-circuit current only in its zero crossing. Therefore in the case of short circuits close to generators it has to be determined whether and when there are current zero crossings, or whether the circuit breaker must be given the possibility of current interruption by external measures. In this work a computational procedure was developed. It can be determined with little effort whether a given high-voltage circuit breaker in a given circuit under predetermined operating conditions can control a short-circuit current with absence of zero crossings. As a result it is possible to make statements of the breaking capability of a new high-voltage circuit breaker even during the development. The computational method is based on the network calculation program PowerFactory of the company DIgSILENT GmbH. It includes a new three-phase breaker model that simulates turn-on and turn-off transients and includes the factors which cause the absence of current zero crossings. In addition, all occurring generator operating conditions and the occurrence of absence of current zero crossings that cause worst-case scenarios are automatically calculated. In the study it was investigated, under what generator conditions short-circuit currents with delayed zero crossings may occur and which parameters have the greatest impact on the short-circuit current flow. Moreover, the probability of absence of current zero crossings in dependence on those parameters was estimated in actual applications. This work is a contribution to the future development of high-voltage circuit breakers, as the individual breaker units are designed for a rated voltage higher than before. Consequently at higher voltages (e.g. > 362 kV) the number of breaking units per circuit-breaker pole will decrease. As a result, the arc voltage per circuit-breaker pole will decrease as well, and reduce the d.c. time constant shortening effect.show moreshow less

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Metadaten
Author: Fenske, Stefan
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-22148
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Schwarz, Harald
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2011
Date of final exam:2011/03/11
Release Date:2011/08/16
Tag:Ausbleibende Stromnulldurchgänge; Hochspannungs-Leistungsschalter
Delayed zero crossings; High voltage circuit-breaker
GND Keyword:Hochspannungsnetz; Kurzschlussstrom; Leistungsschalter; Schaltverhalten
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Energieverteilung und Hochspannungstechnik
Institution name at the time of publication:Fakultät für Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen (eBTU) / LS Energieverteilung und Hochspannungstechnik