A Simulation analysis to improve the dielectric strength inside High Voltage Vacuum Interrupters

Simulationsanalyse zur Verbesserung der dielektrischen Festigkeit im Inneren von Hochspannungs-Vakuumschaltröhren

  • Vacuum circuit breakers are expected to be one of the possible alternatives for SF6 circuit breakers in transmission voltages up to 230kV because of the excellent insulation as well as environmental friendly characteristics of vacuum. But for higher voltages, maintaining the electrical insulation inside and outside the interrupter tube is very important and becoming a challenge for the design engineers. Normally a vacuum interrupter consists of metal shields sandwiched between the ceramic insulator blocks inside the tube. The primary purpose of these metal shields is to protect the insulator walls by avoiding metal vapor deposition during the arcing process. On the other hand, these metal shields also influence the electric field distribution inside the interrupter tube. The presence of the metal shields may reduce the dielectric strength of the interrupter tube if proper measures are not taken. This research is devoted to provide the information about the possible areas inside and outside the interrupter tube that are considered asVacuum circuit breakers are expected to be one of the possible alternatives for SF6 circuit breakers in transmission voltages up to 230kV because of the excellent insulation as well as environmental friendly characteristics of vacuum. But for higher voltages, maintaining the electrical insulation inside and outside the interrupter tube is very important and becoming a challenge for the design engineers. Normally a vacuum interrupter consists of metal shields sandwiched between the ceramic insulator blocks inside the tube. The primary purpose of these metal shields is to protect the insulator walls by avoiding metal vapor deposition during the arcing process. On the other hand, these metal shields also influence the electric field distribution inside the interrupter tube. The presence of the metal shields may reduce the dielectric strength of the interrupter tube if proper measures are not taken. This research is devoted to provide the information about the possible areas inside and outside the interrupter tube that are considered as critical in terms of dielectric strength because of the presence of metal shields. Possible solutions are also given in this thesis to overcome the high field stress in these critical areas with the help of 2D simulations that are simulated in ANSYS Maxwell. The critical areas and their respective solutions presented in this work are (1) unidentified edges outside the interrupter tube which are formed by the metal shields that are inserted between the ceramic blocks. These edges, at high field stress, may act as a source of discharges between the interrupter tube and the outer insulator. This problem can be reduced by the combination of using a pressurized insulating gas (which is in this case N2) between interrupter tube and outer insulator and by extending the unidentified edges and covering them with field grading rings which are conductive in nature. (2) Triple junctions (Vacuum-Ceramic-Metal shield) are the sources of high field stress inside the interrupter tube and are considered as a primary source of Secondary Electron Emission Avalanche that takes place on the (3) ceramic surface. The triple junction emissions can be avoided by properly designing the insulator geometry at point of contact with the metal shield. In addition, inserting metal parts of certain depth at the both ends of the ceramic insulators can also reduce the field stress at the triple junctions and avoid surface flashovers on the ceramic surface. (4) The gap between the metal shield and the contact rod is also considered to be a critical area which can be highly stressed (field) if the geometry of metal shield curvature is not properly designed. Various metal shield curvatures are proposed and simulated and an optimum geometry is suggested that reduces the electric field stress between the metal shield and contact rod. Using this optimized metal shield curvature, the diameter of the interrupter tube can be reduced considerably which in turn reduces the size of the interrupter tube.show moreshow less
  • Vakuum-Leistungsschalter sind eine der möglichen Alternativen zum SF6-Leistungsschalter in den Übertragungsspannungen bis 230kV auf Grund der ausgezeichneten Isolierung sowie umweltfreundlichen Eigenschaften des Vakuums sein. Aber für höhere Spannungen ist das Aufrechterhalten der elektrischen Festigkeit innerhalb und außerhalb der Schaltröhre sehr wichtig und immer eine Herausforderung für die Entwicklungsingenieure. Normalerweise enthält eine Vakuumschaltröhre Metallabschirmungen, die zwischen den Keramikisolatoren im Inneren der Röhre angeordnet sind. Der Hauptzweck dieser Metallabschirmungen ist, die inneren Wände des Isolators vor Metalldampf-Ablagerungen zu schützen, die während des Löschprozess auftreten. Diese Metallabschirmungen beeinflussen die elektrische Feldverteilung im Inneren der Schaltröhre und können daher die dielektrische Festigkeit der Schaltröhre reduzieren, wenn keine entsprechenden Maßnahmen getroffen werden. Ziel der vorliegenden Untersuchung ist es, Informationen über die möglichen Bereiche innerhalb undVakuum-Leistungsschalter sind eine der möglichen Alternativen zum SF6-Leistungsschalter in den Übertragungsspannungen bis 230kV auf Grund der ausgezeichneten Isolierung sowie umweltfreundlichen Eigenschaften des Vakuums sein. Aber für höhere Spannungen ist das Aufrechterhalten der elektrischen Festigkeit innerhalb und außerhalb der Schaltröhre sehr wichtig und immer eine Herausforderung für die Entwicklungsingenieure. Normalerweise enthält eine Vakuumschaltröhre Metallabschirmungen, die zwischen den Keramikisolatoren im Inneren der Röhre angeordnet sind. Der Hauptzweck dieser Metallabschirmungen ist, die inneren Wände des Isolators vor Metalldampf-Ablagerungen zu schützen, die während des Löschprozess auftreten. Diese Metallabschirmungen beeinflussen die elektrische Feldverteilung im Inneren der Schaltröhre und können daher die dielektrische Festigkeit der Schaltröhre reduzieren, wenn keine entsprechenden Maßnahmen getroffen werden. Ziel der vorliegenden Untersuchung ist es, Informationen über die möglichen Bereiche innerhalb und außerhalb der Schaltröhre zu sammeln, die aufgrund der Anwesenheit von Metallabschirmungen als kritisch hinsichtlich der dielektrischen Festigkeit angesehen werden. Mögliche Lösungen werden in dieser Arbeit genannt, um die hohe Feldstärke in diesen kritischen Bereichen mit Hilfe von 2D-Simulationen in ANSYS Maxwell zu reduzieren. Die kritischen Bereiche und ihre jeweiligen Lösungen in dieser Arbeit sind (1) undefinierte Kanten der Metallabschirmung außerhalb der Schaltröhre, die zwischen den Keramikteilen auftreten. Diese Kanten können bei hoher Feldstärke als Quelle von Entladungen zwischen der Schaltröhre und dem äußeren Isolator wirken. Dieses Problem kann durch die Kombination eines unter Druck stehenden Isoliergases (in diesem Fall N2) zwischen der Schaltröhre und dem äußeren Isolator und durch die Verlängerung der undefinierten Kanten in leitfähige Feldsteuerringe hinein vermieden werden, die als Abdeckung wirken. (2) Triple-Punkte (Vakuum-Keramik-Metall Abschirmung) sind die Ursache einer hohen Feldstärke in der Schaltröhre und werden als primäre Quellen der Sekundärelektronenemission gesehen, die als Stoßentladung auf der Keramikoberfläche (3) auftreten. Die Triple-Punkte-Emissionen können durch die richtige Gestaltung der Isolatoren am Kontaktpunkt mit dem Metallschirm vermieden werden. Zusätzlich werden durch Einsetzen von Metallteilen bestimmter Tiefe an den beiden Enden der Keramikisolatoren auch die Feldstärke im Triple-Punkte Bereich reduziert und Überschläge auf der Keramikoberfläche vermieden. (4) Der Abstand zwischen der Metallabschirmung und dem Kontaktbolzen wird ebenfalls als kritischer Bereich durch das hoch belastete Feld betrachtet, wenn die Krümmung der Metallabschirmung nicht richtig ausgebildet ist. Verschiedene Krümmungen für die Metallabschirmung werden durch Simulation untersucht. Eine optimale Geometrie der Krümmungen wird vorgeschlagen, die die elektrische Feldstärke zwischen der Metallabschirmung und dem Kontaktbolzen reduziert. Mit dieser optimierten Krümmung der Metallabschirmung kann der Durchmesser der Schaltröhre und damit das Volumen der Schaltröhre erheblich reduziert werden.show moreshow less

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Metadaten
Author: Venna, Karthik Reddy
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-33551
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing Schwarz, Harald, Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Schramm, Heinz-Helmut
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2015
Date of final exam:2015/01/20
Release Date:2015/02/10
Tag:Elektrische Feldstärke; Feldsteuerringe; Hochspannungs-Vakuumschaltröhre; Metallabdeckungen; Triple-Punkte
ANSYS maxwell; Field grading rings; High voltage vacuum interrupter; Metal shields; Triple junctions
GND Keyword:Durchschlagsfestigkeit; Hochspannungsschalter; Vakuumschalter
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
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.