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Verbesserte Methode zur sicheren Kontaktzeit – Messung an GIS-Leistungsschaltern

Einleitung

In gasisolierten Umspannwerken (GIS) sind die Hochspannungselemente, einschließlich Leitern, Leistungsschaltern, Schaltern, Stromwandlern (CT) und Spannungswandlern, in SF gekapselt6 Gas in geerdeten Metallgehäusen[1]. Aus diesem Grund ist ein direkter Zugang zu den Hauptstromkreisklemmen des Leistungsschalters (CB) zu Testzwecken nicht möglich.

Die Unzugänglichkeit der Hauptstromkreisklemmen erfordert mehrere Maßnahmen, bevor die Messungen durchgeführt werden. Eine dieser Aktionen erfordert das Trennen der Masseverbindung (abnehmbarer Shunt, der den Hauptstromkreis während des Tests mit dem geerdeten Gehäuse verbindet) von einer Seite des Leistungsschalters. Diese Aktion verringert die Sicherheit des Testverfahrens.

Gemäß den Vorschriften und Anforderungen, die in IEEE Std. 510-1983 beschrieben sind[2] ]müssen alle leitenden Punkte im Umspannwerk während der Prüfung und Wartung geerdet werden. In der zuvor veröffentlichten Arbeit von Hr. Ostojic und Hr. Secic[4] zu diesem Thema haben wir eine neuartige Methode zur Prüfung von Hochspannungs-Leistungsschaltern (HV) in GIS-Umspannwerken vorgestellt, ohne dass die Erdverbindung entfernt werden muss. Diese neue Methode basiert auf der hohen Gleichstromeinspeisung durch die Parallelschaltung des Erdungspfades und des Hauptstromkreises sowie der Messung der Antwortsignale auf der Sekundärschaltung des CT. Diese Methode ist jedoch nicht anwendbar für GIS-Konfigurationen, bei denen der CT nicht in den Messkreis zwischen den Wartungserdungsschaltern einbezogen ist. Sie gilt auch nicht für einpolige GIS-Leistungsschalter (mit drei getrennten Gehäusen) mit einem sehr niedrigen Erdungspfad und Gehäusewiderstand (≤ 50–60 μΩ). Daher schlagen wir eine verbesserte GIS-Testmethode vor, die auf dem zuvor in Ostojic und Secic beschriebenen Testverfahren basiert.[4].

Allgemeine Problemidentifikation

Um Betriebszeiten (Öffnungszeit (O), Schließzeit (C), Öffnungszeit (O-C), Schließ-Öffnungszeit (C-O) usw.) am CB-Hauptstromkreis im GIS-Umspannwerk mit dem herkömmlichen Prüfverfahren zu messen, müssen die CB-Hauptkontaktklemmen über die Wartungsschalter zugänglich gemacht werden (Abbildung 1). Durch Entfernen oder Trennen des abnehmbaren Shunts wird eine Seite des Unterbrechers vom Boden getrennt, was Messungen ermöglicht, ohne SF6 Gas zu entfernen oder Öffnen des Gehäuses. Das Verfahren zum Entfernen des abnehmbaren Shunts ist jedoch unsicher, zeitaufwendig, oft unpraktisch und daher für das Testpersonal in den Versorgungseinrichtungen unerwünscht.[4]. Darüber hinaus verfügen einige GIS-Leistungsschalter nicht über speziell angefertigte, abnehmbare Shunts und Testklemmen, die vom GIS-Gehäuse isoliert sind.[5].

Wenn der abnehmbare Shunt nicht entfernt oder getrennt wird, bildet sich eine parallele leitende Schaltung zu der, die aus dem getesteten Hauptstromkreispfad besteht. Der Widerstand dieser Parallelschaltung besteht aus dem Widerstand des GIS-Gehäuses und der Erdung selbst und ist oft vergleichbar oder sogar niedriger als der Widerstand der Hauptschaltung.

Um diese Behauptung experimentell zu überprüfen, wurde ein hochpräzises Mikrometer mit einem Teststrom von 500 A verwendet, um den GIS-Gehäusewiderstand an mehreren GIS-Umspannwerken zu messen. Der niedrigste gemessene Wert lag bei 20 μΩ.

Dies verhindert, dass ein herkömmliches Schaltzeit-Messsystem zuverlässige Ergebnisse liefern kann.

Electric Diagram of GIS CB
Abbildung 1: Schaltplan von GIS LS, Stromwandler (CT’s) innerhalb (a) und außerhalb (b) Erdungsschalterkreis

Bestehende Methodenmängel

Die von Ostojic und Secic vorgeschlagene Prüfmethode[4] basiert auf der parallelen Einspeisung des hohen Gleichstroms durch den Hauptstromkreis und das GIS-Gehäuse aller drei Pole und der gleichzeitigen Messung der Antwortsignale auf der Nebenstufe des CT während des Leistungsschalterbetriebs. Eine Stromquelle muss zwischen zwei markierten Zugangspunkten für die Prüfung angeschlossen werden (Abbildung 1), an denen der Hauptstromkreis über die Wartungserdungsschalter zugänglich ist. Diese Stromquelle ist eine spannungsgesteuerte Gleichstromquelle mit einem hohen Stromausgang (bis zu 500 A), basierend auf modernsten Leistungselektronik-Wandlern.

Stromwandler sind ein wesentlicher Bestandteil des GIS-Umspannwerks HV. Ein (primärer) Anschluss dieser Elemente befindet sich im Druckgasbereich, während der Sekundäranschluss in den Hilfskreisen zugänglich ist[6]-[8]. Diese zugänglichen CT-Sekundärklemmen können zur Messung der Betriebszeit in HV-GIS-Leistungsschaltern verwendet werden. Das Messgerät sollte entweder Spannung oder Strom am CT-Sekundärsystem aufzeichnen; Auf dieser Grundlage kann der Moment, in dem die LS-Kontakte berührt oder getrennt werden, erkannt werden. Dieses Verfahren wird erfolgreich auf GIS-Leistungsschalter angewendet, bei denen der CT zwischen Testzugangspunkten (Erdungsschaltklemmen) verfügbar ist, wie in Abbildung 1a gezeigt, auch wenn die GIS-Schaltanlage nicht über abnehmbare Shunts und Testklemmen verfügt. Ein weiterer Ansatz für dieses Problem, beschrieben unter [9]basiert auf der Verwendung einer Rogowski-Spule, um die Stromänderung im Erdleiter oder im Leistungsschalterpfad im Laufe der Zeit zu messen.

Das in [9] ist nicht anwendbar, wenn der getestete Leistungsschalter die abnehmbaren Shunts nicht enthält, da über das Gehäuse eine permanente Parallelverbindung zum Hauptstromkreis besteht. Die Rogowski-Spule, die für die Stromschwankungsmessung für dieses Prüfverfahren unerlässlich ist, kann nicht an einem solchen Leistungsschalter installiert werden.

Für das von Ostojic und Secic beschriebene Verfahren[4]bezieht sich die erste Einschränkung auf die GIS-Konfigurationen, bei denen der Stromwandler nicht in den Messkreis einbezogen werden kann (wie in Abbildung 1b dargestellt). In diesem Fall gibt es keine Antwortsignale auf der Sekundärseite des CT, anhand derer eine Änderung des Hauptkontaktzustands erkannt wird.

Eine weitere Herausforderung für Ostojic und Secic[4] ist mit einigen einpoligen GIS-Leistungsschaltern (jeder Pol hat sein Gehäuse) mit sehr niedrigem Widerstand der Gehäuse des Pols (weniger als 50-60 μΩ) verwandt. Unsere experimentellen Ergebnisse zeigten, dass ein Gesamtstrom von 500 A, aufgeteilt in drei Strompfade (Pole), nicht immer ausreicht, um ein messbares Antwortsignal an der Sekundärstufe der CT zu erhalten. Wenn beispielsweise der Widerstand des GIS-Gehäuses und des Erdungspfades etwa 30 μΩ beträgt und der Widerstand des Hauptlichtbogenkontakts etwa 1 mΩ beträgt, fließen zunächst nur etwa 5 A der insgesamt 166 A (ein Drittel von 500 A) durch den Hauptstromkreis.

Bei CTs mit hohen Übersetzungsverhältnissen, z.B. 4.000:5, liegt der Wert des Sekundärstroms bei etwa 5–6 mA, was durch Außen- oder Messrauschen stark beeinflusst werden kann. Dies wiederum kann die Messergebnisse des Leistungsschalter-Timings unzuverlässig machen. Die Lösung dieses Problems besteht darin, den Prüfstrom um mindestens das Doppelte des erforderlichen Prüfstroms pro Pol zu erhöhen, der etwa 330 A oder insgesamt etwa 1.000 A beträgt.

Verbesserte Testmethode

Das vorgestellte verbesserte Prüfverfahren eignet sich für die anspruchsvollsten Prüffälle, z. B. ein einpolig betriebenes GIS LS, das in seinen Polgehäusen einen sehr geringen Widerstand aufweist oder bei dem CTs nicht in den Messkreis zwischen den Testzugangspunkten einbezogen werden können.

Die erste Verbesserung der GIS-Testmethode[4] besteht darin, den Hochfrequenz-DC/DC-Wandler als Stromquelle durch Hochleistungs-Lithium-Polymer-Batterien (Li-Po) zu ersetzen. Der Grund dafür ist, das Konverterrauschen zu eliminieren. Wie in Abbildung 2 gezeigt, werden drei isolierte batteriebasierte Stromquellen verwendet, um jeden Pol des einpoligen gesteuerten CB mit einem hohen Strom zu versorgen. Daher werden drei solcher Stromquellen, die in einer Box integriert sind, benötigt, um diese GIS-Konfiguration zu testen. Der Strom liegt im Bereich von 400–500 A pro Pol, abhängig von den Batterieladeständen und dem Widerstand der getesteten Schaltung.

Three Battery-Based Power Sources Used for GIS CB Testing
Abbildung 2: Drei batteriebasierte Stromquellen für GIS-CB-Tests

Methodenverifizierung

Die Überprüfung der verbesserten Prüfmethode für GIS-CB-Tests wurde am GIS-Leistungsschaltermodell Energoinvest SFI 11 (hergestellt 1985), einpolig betrieben, ohne speziell angefertigte Prüfklemmen, durchgeführt. Da es keine speziell angefertigten Prüfklemmen (Access Points) gab, wurden die Prüfklemmen der Stromkabel an die Leitungspunkte am GIS-Gehäuse angeschlossen und so nah wie möglich an den Erdungsschaltern platziert, wie in Abbildung 3 zu sehen ist.

Connection of Current Clamps to Points Close to Earthing Switches
Abbildung 3: Anschluss von Stromzangen an Weichen in der Nähe von Erdungsschaltern

Da CTs in die Testschaltung einbezogen wurden, wurden Antwortsignale an der CT-Sekundärseite gemessen. Abgesehen von der Tatsache, dass der Leistungsschalter einpolig betrieben wurde (mit drei getrennten Gehäusen) und keine speziell angefertigten Testklemmen hatte, war ein weiterer erschwerender Umstand der sehr geringe Widerstand des Erdungsweges (etwa 60 μΩ).

Der erzeugte Prüfstrom lag im Bereich von 420–430 A pro Stromausgang. Das gemessene Stromsignal an der Unterseite des CT während der Öffnungs- und Schließvorgänge ist in Abbildung 4 dargestellt. Wie von Ostojic und Secic vermutet[4], stimmt der höchste oder niedrigste (abhängig von der Signalrichtung) Wendepunkt am Antwortsignal während des Öffnungsvorgangs mit dem Moment der Lichtbogenkontakttrennung überein, während der Zeitpunkt des ersten Auftretens des Stromsignals während des Schließvorgangs mit dem Zeitpunkt der ersten Kontaktberührung übereinstimmt.

Vor diesem Hintergrund und mit Blick auf Abbildung 4 kann man sehen, dass die Momente der Kontaktöffnung etwa 21-22 ms betragen, während die Momente des Schließens der Kontakte in einem Bereich von 125-128 ms liegen. Diese Instanzen können mit der entsprechenden Software leicht automatisch erkannt werden.

Signal Response at CT Secondary During a) Opening and b) Closing Operation
Abbildung 4: Signalantwort am CT sekundär während a) Öffnen und b) Schließen

Diese Ergebnisse konnten bislang nicht mit der konventionellen Prüfmethode verifiziert werden, da sie für diesen Fall nicht anwendbar sind, ohne das GIS-Gehäuse zu demontieren (ein GIS-Leistungsschalter hat keine abnehmbaren Shunts). Stattdessen wurden vom OEM vorgegebene Grenzwerte berücksichtigt. Gemäß diesen Spezifikationen hat das Leistungsschaltermodell Energoinvest SFI 11 eine Öffnungszeit im Bereich von 18–24 ms und eine Schließzeit im Bereich von 120–130 ms, was bedeutet, dass interpretierte Werte innerhalb des zulässigen Bereichs liegen.

Schlussfolgerung

Die Methodenüberprüfung hat gezeigt, dass dieses verbesserte Prüfverfahren mit drei isolierten Hochleistungsstromquellen (400–500 A pro Quelle) für einpolige Leistungsschalter ohne Prüfklemmen und mit sehr geringem Widerstand des Erdungsweges anwendbar ist.

Aufgrund der Möglichkeit der direkten Messung der eingespeisten Stromänderungen als Alternative zur Messung der Stromsignalantwort an den(CT’s) Sekundärseite kann dies auf alle Konfigurationen von GIS-Schaltanlagen angewendet werden: dreipolige oder einpolige geregelte Leistungsschalter mit oder ohne CT im Messkreis und mit oder ohne Prüfklemmen.

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Juni 8, 2022

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