Urs Krüsi, Bestimmung und Beurteilung der Charakteristika von ...

Dissertation ETH Nr. 16003
Bestimmung und Beurteilung der
Charakteristika von
Hochspannungsleistungsschaltern hinsichtlich
ihrer Eignung für kontrolliertes Schalten
ABHANDLUNG
zur Erlangung des Titels eines
Doktors der Wissenschaften
der
EIDGENÖSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE
ZÜRICH
vorgelegt von
Urs Krüsi
Dipl. El.-Ing. ETH
geboren am 28. September 1973
von Speicher, AR
Angenommen auf Antrag von
Prof. Dr. Klaus Fröhlich, Referent
Prof. Dr. Lou van der Sluis, Korreferent
Zürich, April 2005

Inhaltsverzeichnis
Danksagung i
Abstract vii
Kurzfassung ix
1 Problemstellung 1
2 Stand des Wissens 3
2.1 Kontrolliertes Schalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Einschaltverhalten eines HS-Leistungsschalters im Bezug
auf kontrolliertes Schalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.1 Mechanisches Schliessverhalten eines Hochspannungsleistungsschalters
. . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.2 Abnahme der dielektrischen Festigkeit beim Schliessen
des Schalters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.3 Berechnung von Vorzündwahrscheinlichkeitsdichten . 16
2.3 Ausschalten kleiner kapazitiver Ströme . . . . . . . . . . . . 16
3 Aufgabenstellung 19
4 Methodik zur Bestimmung der Charakteristika eines HS-
Leistungsschalters für kontrolliertes Einschalten 23
4.1 Algorithmus zur Bestimmung der Leistungsschaltercharakteristiken
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.1.1 Prinzipieller Ablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

iv INHALTSVERZEICHNIS
4.1.2 Detaillierter Ablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.2 Computermodell des Vorzündverhaltens eines Leistungsschalters
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2.1 Modellierung der Mechanik . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2.2 Modellierung der Vorzündcharakteristik . . . . . . . 38
4.2.3 Verifikation des Algorithmus . . . . . . . . . . . . . 39
4.2.4 Einfluss nichtdeterministischer Streuung auf die Effizienz
des Algorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.2.5 Entkopplung der Messung der mech. Schliesszeit von
derjenigen des Vorzündzeitpunktes . . . . . . . . . . 42
4.2.6 Extrapolationsmöglichkeiten der identifizierten Abhängigkeiten
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3 Experimentelle Verifikation des Algorithmus an einem LS im
Labor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5 Berechnung der Häufigkeitsverteilung der Vorzündspannung
aus RDDS und mechanischer Streuung 49
5.1 Berechnung der Häufigkeitsverteilung der Transienten . . . 59
5.2 Optimierung des Zeitpunktes der Kontaktberührung unter
Berücksichtigung der Vorzündcharakteristika . . . . . . . . 60
5.2.1 Optimaler Zeitpunkt der Kontaktberührung für minimale
Vorzündspannung . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.2.2 Optimaler Zeitpunkt der Kontaktberührung für maximale
Vorzündspannung . . . . . . . . . . . . . . . 63
6 Fallstudie: Bestimmung der Eignung eines Kondensatorbankleistungsschalters
65
6.1 Beschreibung der Kondensatorbank . . . . . . . . . . . . . . 65
6.2 Methodik des Eignungstests . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
7 Rückzündwahrscheinlichkeit beim kapazitiven Schalten 73
7.1 Mathematische Beschreibung der dielektrischen Festigkeit
des öffnenden Leistungsschalters . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.2 Berechnung der Rückzündwahrscheinlichkeit . . . . . . . . . 76
7.3 Bestimmung des Potentials für die Aufwertung eines Kondensatorbankleistungsschalters
. . . . . . . . . . . . . . . . 81

INHALTSVERZEICHNIS v
7.4 Sensitivitätsanalyse bezüglich der Streuungen von RRDS
und Kontakttrennungszeitpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . 84
7.5 Experimentelle Verifikation im Labor . . . . . . . . . . . . . 84
7.6 Schlussfolgerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
8 Schlussfolgerungen und Ausblick 91
A Abkürzungen und Formelzeichen 99
B Optimierung der Modellordnung 105
C Simulation mit dem Leistungsschaltermodell 107
C.1 Einfluss der nichtdeterministischen Streuung . . . . . . . . . 107
C.2 Einfluss der externen Parameter . . . . . . . . . . . . . . . 109
C.3 Statistik der Schliesszeiten ohne Identifikation . . . . . . . . 109
C.4 Verifikation des Algorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
C.4.1 Identifizierte Kompensationsfunktionen . . . . . . . 113
C.4.2 Kriterien zur Beurteilung des Algorithmus . . . . . . 113
C.4.3 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
D Testaufbau und Messungen 119
D.1 Testaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
D.1.1 Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
D.1.2 Leistungsschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
D.1.3 Kontroller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
D.2 Bestimmen der Abhängigkeiten einzelner Parameter . . . . 120
D.2.1 Abhängigkeit vom Antriebsdruck . . . . . . . . . . . 121
D.2.2 Abhängigkeit von der Schliessspulenspannung . . . . 121
D.2.3 Abhängigkeit von der Standzeit . . . . . . . . . . . . 122
D.3 Identifikation der Abhängigkeiten bei gleichzeitiger Variation
aller Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
D.4 Korrelation des Hauptkontakts mit einem Hilfskontakt . . . 124
E Fallstudie: Modellierung und Simulation Kondensatorbank127
E.1 Beschreibung der Kondensatorbank . . . . . . . . . . . . . . 127
E.2 Modellierung der Kondensatorbank . . . . . . . . . . . . . . 128

vi INHALTSVERZEICHNIS
E.3 Simulation: Einschalten erste Bank . . . . . . . . . . . . . . 128
E.4 Resultate: Einschalten zweite Bank . . . . . . . . . . . . . . 130
F Staggered operation 133
G Beispielberechnung einer erhöhten Spannung oder Frequenz
beim Up-rating von Kondensatorbankleistungsschaltern
135

Abstract
Numerous publications show that controlled switching is nowadays an established
means to reducing switching transients in HVAC networks. Effective
controlled switching requires the closing characteristic of the circuit-breaker
to be reproducible. For this the closing characteristic and the dependencies
of the closing time from such parameters as temperature, drive energy,
close-coil voltage and idle time are required to be available. These dependencies
are not known for circuit-breakers that are already installed in the
network, and it is usually impossible to get the data from the manufacturer.
Furthermore, no method is available that efficiently identifies the closing
characteristic and dependencies and is capable of calculating the remaining
scatter of the closing time of the circuit-breaker. Finally no method exists
that would allow the evaluation of the suitability of the circuit-breaker for
controlled switching.
In a first step, a method is developed that calculates the closing characteristic
(RDDS) and the dependencies of the closing time from the
parameters on an installed circuit-breaker. With these results, the nondeterministic
scatter of the mechanical closing time can be determined. A
specifically developed mathematical model simulates the circuit-breaker
closing characteristic. In the investigated range, the value of the nondeterministic
scatter does not affect its efficiency. Laboratory tests on a
145 kV SF6 circuit-breaker with a compressed-air drive verified the applicability
of the method. Initially, the dependencies of the closing time on
drive energy, close-coil voltage and idle-time are independently measured,
varying only one parameter at a time. Subsequently, all three parameters
are varied at the same time and the measured prestrike instants are evaluated
using the proposed method. The closing times varied between -6.5 ms
and 7.3 ms. The identified dependencies are in good agreement with the
former that were independently determined. The non-deterministic mecha-

viii Abstract
nical scatter could be reduced to -3.1 ms to 2.7 ms. This scatter can now
be used to calculate the breaker’s suitability for controlled switching. A
method is developed that calculates the frequency of occurrence of the expected
switching transients. The requirements concerning these transients
vary greatly among power utilities. It is therefore not practical to specify a
hard limit. Thus, the suitability of a circuit-breaker can hardly be judged
absolutely, but rather only whether it is more or less suitable. One of the
main features of the presented method is that no time-consuming statistical
simulations of a circuit-breaker are needed. The application of the
method is demonstrated on an example of a fictitious case study.
The de-energization of capacitive loads is another switching duty that is
closely related to the statistics of the dielectric strength of moving contacts.
A similar mathematical description of the dielectric strength of the opening
contact gap was able to be used. The goal is to determine the influence of
the prolonged arcing time on the restrike probability in a quantitative manner.
In combination with results from development tests, this model allows
the estimation of the circuit-breaker’s capability to de-energize capacitive
loads at higher voltages and/or frequencies, by taking into account the
statistical behavior of the opening gap. The resulting restrike probabilities
are given as a function of arcing time and RDDS. These results are applied
to the evaluation of laboratory tests 1 on a HVAC SF6 circuit-breaker. In
this case, an arcing time of 2.8 ms allows an increase of the frequency to
66 Hz and an increase of the voltage by 15%. The calculated restrike probabilities
allow determination of the uprating potential of a circuit-breaker.
The higher restrike probability at higher frequencies and/or voltages can
be compensated with a prolonged arcing time — in some cases even overcompensated.
Two new possible applications of controlled switching have been demonstrated
in this thesis. The benefits of controlled switching for installed
circuit-breakers is now quantifiable, and the influence of the arcing time on
the restrike probability of a circuit-breaker can be estimated reasonably.
1 Per Jonsson, ABB Sweden

Kurzfassung
Wie in zahlreichen Veröffentlichungen beschrieben, hat sich kontrolliertes
Schalten in den letzten Jahren als akzeptiertes Mittel zur Unterdrückung
von Schalttransienten etabliert. Voraussetzung für erfolgreiches kontrolliertes
Schalten ist die Reproduzierbarkeit des Schaltvorganges. Um dies
mit Hochspannungsleistungsschaltern zu erreichen, müssen die Vorzündcharakteristik
und die Abhängigkeiten der Schliesszeit von Parametern wie
der Temperatur, der Antriebsenergie, der Schliessspulenspannung und der
Standzeit bekannt sein. Diese Abhängigkeiten sind bei bereits im Netz installierten
Leistungsschaltern nicht vorhanden und können oftmals auch
nicht beim Hersteller nachgefragt werden. Auch fehlen Methoden, welche
die Vorzündcharakteristik (RDDS), die Abhängigkeiten von Parametern
und die resultierende Streuung der Schliesszeit an einem bereits installierten
Leistungsschalter in effizienter Weise bestimmen können. Des weiteren
existierte bislang keine Methode, welche aufgrund dieser Werte eine Beurteilung
der Eignung des Leistungsschalters bezüglich des kontrollierten
Schaltens zulässt.
In dieser Arbeit wird daher als erster Schritt eine Methodik entwickelt,
mit welcher die RDDS und die Abhängigkeiten der Schliesszeit von unterschiedlichen
Parametern an einem bereits installierten Leistungsschalter
bestimmbar ist. Damit kann die nichtdeterministische Streuung der mechanischen
Schliesszeit bestimmt werden. Mit einem mathematischen Modell,
welches das Vorzündverhalten eines Leistungsschalter simuliert, lassen sich
die Parameterabhängigkeiten identifizieren, unabhängig von der nichtdeterministischen
Streuung im untersuchten Bereich.
Zur Verifikation werden Labortests an einem mit Druckluft angetriebenen
SF6-Leistungsschalter für 145 kV durchgeführt. Zuerst werden die
Abhängigkeiten der Schliesszeit von der Antriebsenergie, der Schliessspu-

x Kurzfassung
lenspannung und der Standzeit unabhängig von einander bestimmt. Dabei
wird jeweils nur ein Parameter variiert. Anschliessend werden die drei Parameter
gleichzeitig variiert und die gemessenen Vorzündzeitpunkte werden
mit Hilfe der Methodik analysiert. Die Schliesszeiten streuen im Bereich
von -6.5 ms bis + 7.3 ms. Die von der Methodik gefundenen Abhängigkeiten
stimmen gut mit denjenigen überein, welche zuerst unabhängig
voneinander bestimmt wurden. Die nichtkompensierbare mechanische
Streuung konnte auf -3.1 ms bis 2.7 ms verringert werden. Diese Streuung
kann nun für die Bestimmung der Eignung des Leistungsschalters für kontrolliertes
Schalten verwendet werden. Es wird eine Berechnungsvorschrift
entwickelt, welche die Häufigkeitsverteilung der zu erwartenden Transienten
bestimmt. Da die Anforderungen der Energieversorgungsunternehmen
sehr unterschiedlich sind, kann kein allgemeingültiger Grenzwert für die
Eignung des Schalters angegeben werden. Folglich gibt es kaum für kontrolliertes
Schalten ungeeigneten Leistungsschalter, sondern nur mehr oder
weniger geeignete. Der Hauptvorteil dieser Methode liegt darin, dass zur
Bestimmung der zu erwartenden Schalttransienten in Abhängigkeit der
Schaltercharakteristik keine aufwendigen Simulationen mit einem streuenden
Schalter durchgeführt werden müssen. In einer Fallstudie an einem
fiktiven Kondensatorbankleistungsschalter wird die Vorgehensweise schrittweise
demonstriert.
Ein weiterer Schaltfall der unmittelbar mit der Statistik der dielektrischen
Festigkeit sich bewegender Kontakte in Zusammenhang steht, ist
das Unterbrechen von kapazitiven Lasten. Hierzu wurde die dielektrische
Festigkeit der öffnenden Schaltstrecke mit einem mathematischen Modell
beschrieben. Ziel war, den Einfluss einer verlängerten Lichtbogenzeit auf
die Rückzündwahrscheinlichkeit quantitativ zu beschreiben. Eine solche
Beschreibung kann mit Hilfe von Entwicklungstests zur Abschätzung des
möglichen Einsatzbereiches des Leistungsschalters bezüglich des Ausschaltens
kapazitiver Lasten bei unterschiedlichen Spannungen und Frequenzen
verwendet werden.
Zudem sollte berechnet werden inwiefern kontrolliertes Verlängern der
Lichtbogenzeit das Schaltvermögen verbessert. Die mathematische Beschreibung
berücksichtigt analog zur Beschreibung der Vorzündung die statistische
Streuung des Vorgangs. Die resultierenden Rückzündwahrscheinlichkeiten
sind als Funktion der Lichtbogenzeit und der RRDS dargestellt.
Dieses Modell wurden bei der Auswertung von Labortests 2 an einem SF6-
2 Per Jonsson, ABB Schweden

Hochspannungsleistungsschalter angewendet. Für den untersuchten Schalter
ergibt sich bei einer Lichtbogenzeit von 2.8 ms und einer Rückzündwahrscheinlichkeit
von 10 −5 eine mögliche Erhöhung der Frequenz auf 66 Hz
bei gleichzeitiger Spannungserhöhung um 15%. Mit Hilfe der berechneten
Rückzündwahrscheinlichkeiten kann nun erstmals das Potenzial einer Aufwertung
des Leistungsschalters quantitativ bestimmt werden. Die Erhöhung
der Rückzündwahrscheinlichkeit beim Einsatz bei höherer Spannung
und/oder Frequenz kann durch eine kontrollierte Lichtbogenzeitverlängerung
wieder kompensiert oder in manchen Fällen sogar überkompensiert
werden.
Diese Arbeit hat dem kontrollierten Schalten zwei neue Gebiete eröffnet.
Einerseits wurde der Nutzen des kontrollierten Schaltens von bereits
installierten Leistungsschaltern quantifizierbar gemacht und andererseits
kann nun der Einfluss einer kontrollierten Lichtbogenzeit auf die Rückzündwahrscheinlichkeit
eines Schalters sinnvoll abgeschätzt werden.
xi