Automated Multivariate Analysis of Vacuum Arcs between TMF-Contacts
This thesis deals with the automated, multivariate evaluation of vacuum arcs in circuit breakers. Circuit breakers are essential components of the electrical power grid and typically use climate-damaging SF6-gas in the high-voltage level, which must be replaced by alternatives in the future. One possible alternative is the vacuum circuit breaker, whose switching principle is based on the control of the generated plasma by self-induced magnetic fields. The use of transverse magnetic fields (TMF) to move constricted vacuum arcs between the switching contacts, has so far only been used in the medium voltage level. In order to exploit the advantages such as low losses and simple contact design in higher voltage levels, the high current phase of short-circuit interruption at higher contact distances is investigated and demonstrated to be feasible.
A method for data analysis from combined optical and electrical data is presented. This is based on a hybrid model to combine acquired data with knowledge about the physics of vacuum arcs. The optical investigation is performed by a high-speed camera and a mirror arrangement. Hereby, two perpendicular perspectives are recorded, which allow a positioning of the vacuum arc. Measured quantities such as current, voltage and contact distance are added. The result is a feature vector that includes local, temporal, electrical and derived data sets. Based on this vector, in addition to the evaluation, a machine learning algorithm is trained to determine the arc appearance.
In the evaluation, varying contact distances from 20 mm to 46 mm at different short-circuit currents up to 31.5 kA are examined for various aspects. Of particular interest is the increase in average arc speed up to 380 m/s with increasing distance. Other parameters, such as arc voltage, radiation and arc mode do not show much change. A newly presented performance indicator representing charge distribution on the contacts shows a comparable surface stress for standard and increased contact distances.
The thesis indicates that the TMF switching principle is functional at high contact distances. The presented methods for automatic investigation of switching tests reduce the influence of human errors in the evaluation of optical plasma phenomena and are applicable for a large number of parameter variations.
The results are discussed in front of various aspects with known literature. Investigations with faster opening curves for the alternative AMF switching contacts show comparable effects regarding arc voltage and mode as TMF-contacts. The calculated contact stress points are identifiable on the actual scanned contact pieces.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der automatisierten, multivariaten Auswertung von Vakuumbögen in Leistungsschaltern. Leistungsschalter sind essentielle Bestandteile des elektrischen Energienetzes und verwenden in der Hochspannungsebene klimaschädliches SF6-Gas, welches in der Zukunft durch Alternativen ersetzt werden muss. Eine mögliche Alternative sind Vakuumleistungsschalter, deren Schaltprinzip auf der Kontrolle des entstehenden Schaltplasmas durch magnetische Felder basiert. Die Verwendung von transversalen Magnetfeldern zur Bewegung von kontrahierten Vakuumbögen zwischen den Schaltkontakten, wird bisher nur in der Mittelspannungsebene eingesetzt. Um die Vorteile wie geringe Verluste und simples Kontaktdesign in höheren Spannungsebenen zu verwenden, wird die Hochstromphase von Kurzschlussausschaltungen bei höheren Kontaktabständen untersucht und als praktikabel nachgewiesen.
Zur Untersuchung wird eine Methode zu Datenanalyse aus kombinierten optischen und elektrischen Daten vorgestellt. Diese basiert auf einem hybriden Modell zu Verbindung von messtechnisch aufgenommenen Daten mit bekannten Wissen über die Physik von Vakuumbögen. Die optische Erfassung wird durch eine Hochgeschwindigkeitskamera in einer Spiegelanordnung durchgeführt. Hierdurch werden zwei rechtwinklige Perspektiven aufgenommen, die eine Positionierung des Vakuumbogens zulassen. Hinzu kommen elektrische Größen wie Strom, Spannung und Kontaktabstand. Es resultiert ein Merkmalsvektor, der örtliche, zeitliche, elektrische und abgeleitete Größen beinhaltet. Basierend auf diesem Vektor wird neben der Auswertung auch ein maschineller Lernalgorithmus zur Bestimmung der Bogenerscheinung trainiert. In der Auswertung werden variierende Kontaktabstände von 20 mm bis 46 mm bei verschiedenen Kurzschlussströmen bis 31,5 kA auf verschiedene Aspekte untersucht. Besonders interessant ist die Zunahme der durchschnittlichen Bogengeschwindigkeit auf bis zu 380 m/s mit steigendem Abstand. Andere Parameter, wie Spannung, Strahlung und Bogenmodus weisen keine starke Veränderung auf. Die neu vorgestellte Kennzahl zur Ladungsverteilung zeigt eine vergleichbare Oberflächenbelastung bei hohen Kontaktabständen.
Die Arbeit zeigt, dass das TMF-Schaltprinzip bei hohen Kontaktabständen funktioniert. Die vorgestellte Methode zur automatischen Untersuchung von Schaltvorgängen reduziert den Einfluss menschlicher Fehler bei der Bewertung von optischen Plasmaphänomenen und ist auf diverse Parametervariationen anwendbar. Die Ergebnisse werden im Hinblick auf verschiedene Aspekte mit bekannter Literatur diskutiert. Untersuchungen mit schnelleren Öffnungskurven bei den alternativen AMF-Schaltkontakten zeigen vergleichbare Effekte für Bogenspannung und -modus. Die errechneten Kontaktbelastungsstellen sind auf den eingescannten Kontaktstücken identifizierbar.
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