Post-arc current measurement method for vacuum interrupter
The vacuum circuit breaker is an alternative to the green house sulphur hexafluoride circuit breaker used in high-voltage networks. In order to fully replace the sulphur hexafluoride device, new vacuum-breaker designs are being investigated. To assess them in terms of successful interruption, an objective evaluation criterion is required. An interruption is deemed successful only if no reignition occurs.
The post-arc current can serve as this evaluation criterion. It provides insight into the residual metal-vapour plasma still present in the contact gap after interruption. If the excessive metal-vapor density does not diffuse away quickly enough, reignition may take place. The high temperature and charge carriers of the ionized gap can be detected via the post-arc current. By measuring the post-arc current, a threshold can be defined above which the interruption gap is likely to fail. A major issue has been that experiments conducted in different laboratories around the world are not comparable, because not every current measured after the zero crossing is genuine post-arc current. The discrepancy is caused by interference introduced by the circuit elements of the test circuits.
This thesis develops a methodology for separating the true post-arc current from circuit-induced interference. This enables more precise analyses and, for the first time, renders the results comparable and traceable. The findings reveal an interference-corrected correlation between the measured post-arc current, elevated short-circuit currents, and complex vacuum-arc behaviour. Short-circuit currents up to 15 kARMS were investigated at a standard contact gap of 10 mm.
The proposed methodology successfully separates the post-arc current from external disturbances. As a result, the analysis of current behaviour is significantly improved, and a pathway is opened for future measurements at higher voltage levels or in DC systems. This, in turn, provides deeper insight into post-arc current dynamics and their practical applications.
Der Vakuumleistungsschalter ist eine Alternative zu dem im Hochspannungsnetz eingesetzten, klimabelastenden Schwefelhexafluorid-Leistungsschalter. Um diesen Leistungsschalter auch dort vollständig zu ersetzen, werden neue Designs der Vakuumschalter untersucht. Um diese hinsichtlich einer erfolgreichen Ausschaltung zu bewerten, ist ein objektives Bewertungskriterium erforderlich. Eine Ausschaltung gilt nur dann als erfolgreich, wenn kein Wiederzündungen auftritt.
Als Bewertungskriterium kann der Nachstrom dienen. Es erlaubt Rückschlüsse auf das Metalldampfrestplasma, das nach der Unterbrechung noch in der Schaltstrecke vorhanden ist. Diffundiert die in zu großen Mengen vorhandene Metalldampfdichte nicht schnell genug, kann es zum Wiederzünden kommen. Die dabei hohe Temperatur und Ladungsträger der ionisierten Schaltstrecke kann anhand des Nachstroms detektiert werden. Über den Nachstrom kann dann ein Schwellenwert bestimmt werden, ab dem ein Versagen der Schaltstrecke wahrscheinlich ist. Ein Problem dabei ist, dass die Versuche verschiedener Laboratorien auf der ganzen Welt bislang nicht vergleichbar sind. Denn nicht jeder gemessene Strom nach dem Stromnulldurchgang ist ein Nachstrom. Ursache hierfür sind Störeinflüsse, die durch die Prüfkreise verursacht werden.
In dieser Studie wird eine Methodik entwickelt, mit der sich der Nachstrom von messkreisbedingten Störeinflüssen trennen lässt. Dies ermöglicht präzisere Analysen und macht die Ergebnisse erstmals vergleichbar und rückführbar. Die Resultate zeigen eine von Messfehlern bereinigte Korrelation zwischen den gemessenen Nachströmen, höheren Kurzschlussströmen und einem komplexen Vakuumbogenverhalten. Untersucht wurden Kurzschlussströme von bis zu 15 kARMS bei einem Standardkontaktabstand von 10 mm.
Die entwickelte Methodik ermöglicht eine erfolgreiche Separierung des Nachstroms von Störeinflüssen. Dadurch wird die Analyse des Stromverhaltens deutlich verbessert und ein Weg für künftige Messungen in höheren Spannungsebenen oder Gleichspannungssystemen geebnet. Auf diese Weise werden tiefere Einblicke in die Dynamik des Nachstroms und dessen praktische Anwendungen eröffnet.
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