Contact Degradation in Air Load Break Switches by Making Operation under Short Circuit Condition
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/2779276Utgivelsesdato
2021Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for elkraftteknikk [2412]
Sammendrag
Koblingsutstyr er sentralt for et velfungerende og pålitelig strømnett. I distribusjonsnettet kan lastbrytere benyttes som et konkurransedyktig alternativ til effektbrytere. Dette kan derimot føre til andre utfordringer. Det kreves at lastbrytere kan utføre flere lukkeoperasjoner hvor høye kortslutningsstrømmer flyter gjennom bryteren. Når bryteren lukkes, vil en lysbue dannes som følge av et gjennomslag. Når lysbuen brenner mellom kontaktene fører dette til høye temperaturer som kan skade lysbuekontaktene. Potensielt kan dette føre til at lysbuekontaktene sveises sammen og at lastbryteren ikke fungerer slik den skal neste gang den skal bryte strømmen.
Denne masteroppgaven undersøker hvordan lysbuekontaktene i en lastbryter blir påvirket under lukkeoperasjoner. Det er benyttet et syntetisk testoppsett bestående av en HVDC spenningskilde og en transformator for å utsette lysbuekontaktene for påkjenninger under lukking. Fire ulike testkonfigurasjoner med ulik lukkehastighet og kortslutningsstrøm er benyttet. Lukkehastighet, kortslutningsstrøm og lysbuespenning er parametre som påvirker energien i lysbuen under lukking. For å undersøke hvordan denne energien påvirker lysbuekontaktene er de nevnte parameterne målt. Det er utført forsøk både med og uten hovedkontakt. Dette er for å undersøke effekten av hovedkontakten, og om bryterens levetid er avhengig av den.
For hver test er det blitt utført målinger av massetap og lysbueenergi. Resultatene viser at høyere kortslutningsstrømmer fører til mer erosjon på lysbuekontaktene. En økt lukkehastighet vil føre til mindre skade på kontaktene. Massetapet var høyest for testkonfigurasjonen med lavest lukkehastighet og høyest kortslutningsstrøm. Kontaktene ble sveiset etter syv tester med hovedkontakt, og etter fire tester uten hovedkontakt. Dette viser tydelig at hovedkontaktene er viktig for å forlenge levetiden til lastbryteren. Resultatene har vist at sveising av kontaktene er avhengig av både lysbueenergi og graden av erosjon fra tidligere lukkeoperasjoner. The operation of electrical switchgear is essential for a functional and reliable power grid. In the distribution network, load break switches can be utilized as a cost-competitive alternative to circuit breakers. However, this raises other issues. Load break switches are required to perform several making operations where a high short circuit current passes through. During making operation, an arc is established when the contacts are closing. This is due to a dielectric breakdown. The arc leads to high energy dissipation between the contacts, which results in contact erosion and eventually welding. This is highly undesirable and may affect the future functionality of the switch.
This thesis investigates contact degradation in load break switches during making operation under short circuit conditions. By utilizing a synthetic test setup consisting of an HVDC source and a high current transformer, the contacts have been exposed to stresses during making operation. Four different test cases have been applied to improve the understanding of this process. The energy dissipation depends on the arc voltage, the short circuit current, and the arcing time. All these parameters have been recorded during the experimental testing. Additionally, the effect of the main contacts has been examined.
Pre-strike arc energy and mass loss measurements have been performed for each test. The results clearly show that higher short circuit currents will increase the arc erosion on the arcing contacts. Additionally, an increase in closing velocity will decrease the contact degradation. The mass loss was highest for the worst-case scenario with a closing velocity of 2.9 m/s and a short circuit current of 20kA. Welding was achieved after seven and four tests, with and without main contacts, respectively. This clearly shows that the main contacts are important during making operation and will extend the lifetime of the switch. The results also show that welding is dependent on both arc energy and the degree of contact erosion that gradually occurs by repeated making operations.