CH660817A5

CH660817A5 - ARRANGEMENT FOR THE PROTECTION OF GAS-INSULATED, ENCLOSED SWITCHGEAR AGAINST HIGH-FREQUENCY VOLTAGE WAVING WAVES.

Info

Publication number: CH660817A5
Application number: CH187882A
Authority: CH
Inventors: Andreas Dr Plessl
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1982-03-26
Filing date: 1982-03-26
Publication date: 1987-06-15
Also published as: DE3216275A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to an arrangement according to the preamble of claim 1.

Der Artikel «Overvoltages in GIS caused by the opération of Isolators» Proc. Symp. Surges in HV-Networks, Baden (1979), Book: Plenum, New York (1980), p. 115-128 beschreibt die Ursachen der auftretenden hochfrequenten Spannungswanderwellen. Solche Schaltanlagen weisen in der Regel neben Trennern auch Leistungsschalter auf. Trenner und Leistungsschalter liegen in Reihe zwischen zwei Anlageteilen eines elektrischen Energieversorgungsnetzes, z.B. zwischen einem Generator und einer Sammelschiene oder zwischen einer Sammelschiene und einer Überlandleitung. The article "Overvoltages in GIS caused by the operation of isolators" Proc. Symp. Surges in HV-Networks, Baden (1979), Book: Plenum, New York (1980), p. 115-128 describes the causes of the high-frequency voltage traveling waves that occur. Such switchgear generally have circuit breakers in addition to isolators. Disconnectors and circuit breakers are located in series between two parts of an electrical power supply system, e.g. between a generator and a busbar or between a busbar and a transmission line.

Zur Trennung solcher Anlagenteile wird in üblicher Weise immer zuerst der Leistungsschalter, dann der Trenner geöffnet. Umgekehrt wird bei der Verbindung der beiden Anlagenteile zuerst der Trenner, dann der Leistungsschalter geschlossen. Bei denTrennerschalthandlungen ist also immer der Leistungsschalter offen. To separate such parts of the system, the circuit breaker is always opened first, then the isolator. Conversely, when the two parts of the system are connected, the isolator is closed first, then the circuit breaker. The circuit breaker is therefore always open for disconnector operations.

Durch die Trennerschalthandlungen zündet während des Öffnens oder Schliessens des Trenners mehrfach ein Funke über die Schaltstrecke des Trenners. Dabei bricht die Spannung über der Schaltstrecke jeweils etwa in der Aufbauzeit des Funkenkanals zusammen, die nur wenige nsec beträgt. Durch die Spannungszusammenbrüche entstehen Spannungswanderwellen mit einer Anstiegszeit, die ebenfalls etwa der Aufbauzeit des Funkenkanals entspricht. Die Spannungswanderwellen breiten sich vom Trenner in der häufig vielfach verzweigten Schaltanlage aus, die für die Spannungswanderwellen vorzügliche Übertragungseigenschaften aufweist, da die durch die Kapselung eingeschlossenen Leiter der Schaltanlage im Zusammenwirken mit eben dieser Kapselung praktisch dämpfungsfrei koaxiale Leitungen bilden. The isolating switching operations ignite a spark several times over the isolating circuit when the isolator is opened or closed. The voltage across the switching path collapses approximately in the build-up time of the spark channel, which is only a few nsec. Due to the voltage breakdowns, voltage migration waves arise with a rise time that also corresponds approximately to the build-up time of the spark channel. The voltage traveling waves propagate from the isolator in the often widely branched switchgear, which has excellent transmission properties for the voltage traveling waves, since the conductors of the switchgear enclosed by the encapsulation, in cooperation with this encapsulation, form practically damping-free coaxial lines.

Im folgenden sei die Ausbreitung der Spannungswanderwellen entlang der Verbindungsleitung zwischen Trenner und Leistungsschalter, kurz koaxiale Leitung genannt, näher betrachtet. In the following, the propagation of the voltage migration waves along the connecting line between the isolator and the circuit breaker, or coaxial line for short, is considered in more detail.

Beim Erreichen des offenen Endes dieser koaxialen Leitung am Leistungsschalter, werden die Spannungswanderwellen reflektiert und laufen zum Trenner zurück. Ist die Schaltstrecke am Trenner noch mit dem niederohmigen Lichtbogen überbrückt, so können die Spannungswanderwellen zum Teil den Trenner passieren. Der komplementäre Teil der Spannungswanderwellen wird an der Diskontinuität zwischen dem Wellenwiderstand der koaxialen Leitung und dem Wellenwiderstand des Anlagenteils jenseits des Trenners reflektiert. Es resultieren stehende Wellen auf der koaxialen Leitung mit einer Resonanzfrequenz, die sich aus der Phasengeschwindigkeit der Spannungswanderwellen auf der koaxialen Leitung, dividiert durch deren vierfache Länge ergibt. Die Phasengeschwindigkeit gas-isolierter koaxialer Leitungen liegt knapp unterhalb der Lichtgeschwindigkeit. Bei einer typischen Länge der koaxialen Leitung von 15 m ergibt sich daher eine typische Resonanzfrequenz von etwa 5 MHz. When the open end of this coaxial line is reached at the circuit breaker, the voltage traveling waves are reflected and run back to the isolator. If the switching path on the isolator is still bridged by the low-resistance arc, the voltage wave can partly pass through the isolator. The complementary part of the voltage traveling waves is reflected on the discontinuity between the wave resistance of the coaxial line and the wave resistance of the system part beyond the isolator. The result is standing waves on the coaxial line with a resonance frequency which results from the phase velocity of the voltage traveling waves on the coaxial line divided by their four times their length. The phase velocity of gas-insulated coaxial cables is just below the speed of light. With a typical length of the coaxial line of 15 m, a typical resonance frequency of about 5 MHz results.

Die maximale Amplitude der Spannungswanderwellen ergibt sich an den Enden der koaxialen Leitung und kann dort doppelt so gross wie die Amplitude der Betriebsspannung sein. Zwar klingt die Amplitude der Spannungswanderwellen mit der Zeit durch die unvollständige Reflexion am Trenner ab; dennoch belasten die mit den Spannungswanderwellen verbundenen Überspannungen einerseits die Komponenten der Schaltanlage und führen andererseits zu hohen transienten Berührungsspannungen an der Aussenseite der Kapselung. Weiter kann es zu Störungen etwa in der Nähe verlegter Mess- oder Steuerleitungen und dadurch zu einer nachhaltigen Beeinträchtigung der Betriebsführung der Schaltanlage kommen. The maximum amplitude of the voltage traveling waves results at the ends of the coaxial line and can there be twice as large as the amplitude of the operating voltage. The amplitude of the voltage traveling waves decays over time due to the incomplete reflection at the isolator; nevertheless, the overvoltages associated with the voltage migration waves on the one hand strain the components of the switchgear and on the other hand lead to high transient touch voltages on the outside of the encapsulation. Furthermore, malfunctions, for example in the vicinity of measuring or control lines, can occur, which can permanently impair the operational management of the switchgear.

Zur Reduzierung der kritischen Überspannungen wurde bereits vorgeschlagen (s. eingangs genannte Veröffentlichung, S. 129,3. Abs. von unten), die Spannungswanderwellen durch ohmsche Längswiderstände oder Überspannungsabieiter zu dämpfen. Für diesen Zweck geeignete ohmische Widerstände sind jedoch für den Einbau insbesondere in die koaxiale Leitung zu gross und haben darüber hinaus den Nachteil, dass noch zusätzliche Schaltmittel vorgesehen werden müssen, um nicht in gleicher Weise den Betriebsstrom zu dämpfen. Der Einsatz von Überspannungs-ableitern ist sehr aufwendig und scheidet aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten praktisch aus. In order to reduce the critical overvoltages, it has already been proposed (see publication mentioned at the beginning, p. 129.3, paragraph from below) to dampen the voltage traveling waves by means of ohmic series resistances or surge arresters. However, ohmic resistors suitable for this purpose are too large for installation, particularly in the coaxial line, and moreover have the disadvantage that additional switching means must be provided in order not to dampen the operating current in the same way. The use of surge arresters is very complex and practically impossible from an economic point of view.

Aufgabe der Erfindung ist es daher insbesondere, einen neuen Weg zur wirkungsvollen Reduzierung der kritischen Überspannungen in gas-isolierten, gekapselten Schaltanlagen aufzuzeigen. The object of the invention is therefore in particular to show a new way of effectively reducing the critical overvoltages in gas-insulated, encapsulated switchgear.

2 2nd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Elemente des Patentanspruch-Kennzeichens gelöst. According to the invention, this object is achieved by the elements of the characterizing claim.

Zweckmässige Ausgestaltungen dieser Merkmale enthalten die abhängigen Patentansprüche. Appropriate embodiments of these features are contained in the dependent claims.

Die Vorteile sowie weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend anhand von Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiel. Es zeigt: The advantages and further features of the invention result from the exemplary embodiment explained below with reference to drawings. It shows:

Fig. 1 ein Prinzipbild einer bekannten, gas-isolierten, gekapselten Schaltanlage und Fig. 1 is a schematic diagram of a known, gas-insulated, encapsulated switchgear and

Fig. 2 ein Teilstück der koaxialen Leitung der Schaltanlage nach Fig. 1 mit den erfindungsgemässen Belägen. Fig. 2 shows a portion of the coaxial line of the switchgear according to Fig. 1 with the coverings according to the invention.

In beiden Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Symbolen bezeichnet. In both figures, the same parts are labeled with the same symbols.

Fig. 1 zeigt die gas-isolierte gekapselte Schaltanlage (GIS) mit dem Trenner T und dem Leistungsschalter S. Der Trenner T und der Leistungsschalter S sind über den Innenleiter I der koaxialen Leitung K miteinander verbunden, während sich der Aussenleiter A der koaxialen Leitung K durch die metallische Kapselung der gas-isolierten Schaltanlage GIS ergibt, die auch den Trenner T und den Leistungsschalter S einschliesst. Mit G ist der elektrisch isolierende gas-erfüllte Zwischenraum zwischen dem Innenleiter I und dem Aussenleiter A bezeichnet. Fig. 1 shows the gas-insulated encapsulated switchgear (GIS) with the disconnector T and the circuit breaker S. The disconnector T and the circuit breaker S are connected to one another via the inner conductor I of the coaxial line K, while the outer conductor A of the coaxial line K due to the metallic encapsulation of the gas-insulated switchgear GIS, which also includes the isolator T and the circuit breaker S. G denotes the electrically insulating, gas-filled intermediate space between the inner conductor I and the outer conductor A.

Fig. 2 zeigt ein Teilstück der koaxialen Leitung K in ver-grössertem Massstab gegenüber Fig. 1 mit den erfindungsgemässen Belägen B, die in diesem Beispiel sowohl auf der Aussenseite des Innenleiters 1 als auch auf der Innenseite des Aussenleiters A aufgebracht sind. Mit d und D ist in Fig. 2 jeweils der Durchmesser des Innenleiters I und des Aussenleiters A und mit s die Dicke der Beläge B bezeichnet. Diese Dicke s der Beläge B ist so bemessen, dass sie zusammen den gas-erfüllten Zwischenraum G zwischen dem Innenleiter I und dem Aussenleiter A nicht beeinträchtigt. FIG. 2 shows a section of the coaxial line K on an enlarged scale compared to FIG. 1 with the coatings B according to the invention, which in this example are applied both to the outside of the inner conductor 1 and to the inside of the outer conductor A. The diameter d of the inner conductor I and the outer conductor A is denoted by d and D in FIG. 2, and the thickness of the coatings B is denoted by s. This thickness s of the coverings B is dimensioned such that together they do not impair the gas-filled intermediate space G between the inner conductor I and the outer conductor A.

Die Erfindung macht sich zunutze, dass die mit Spannungswanderwellen verbundenen hochfrequenten Ströme in elektrisch leitende Oberflächen weniger tief eindringen als niederfrequente, z.B. betriebsfrequente Ströme. Für Frequenzen von 5 MHz und 50 Hz unterscheiden sich die Ein-dringtiefen etwa um den Faktor 300. Die für die Wellenausbreitung relevanten Oberflächen sind bei der koaxialen Leitung K die Aussenseite des Innenleiters 1 und die Innenseite des Aussenleiters A. Die mit der Wellenausbreitung verbundenen Ströme im Innenleiter I und im Aussenleiter A fliessen daher bei den hochfrequenten Spannungswanderwellen zu einem grösseren Teil in den erfindungsgemäss auf dem Innenleiter I und dem Aussenleiter A aufgebrachten Belägen B. Die hochfrequenten Ströme werden deshalb in vorteilhafter Weise selektiv in den schlechter elektrisch leitenden Belägen B gedämpft. The invention makes use of the fact that the high-frequency currents associated with voltage traveling waves penetrate less deeply into electrically conductive surfaces than low-frequency, e.g. operating frequency currents. For frequencies of 5 MHz and 50 Hz, the penetration depths differ by a factor of 300. The surfaces relevant for wave propagation in coaxial line K are the outside of inner conductor 1 and the inside of outer conductor A. The currents associated with wave propagation in the inner conductor I and in the outer conductor A therefore flow to a greater extent in the linings B applied to the inner conductor I and the outer conductor A according to the invention in the case of the high-frequency voltage traveling waves. The high-frequency currents are therefore advantageously selectively damped in the poorly electrically conductive linings B.

Besonders wirkungsvoll und selektiv wird die Dämpfung, wenn die Dicke s der Beläge B in Metern nach der Beziehung The damping becomes particularly effective and selective if the thickness s of the coverings B in meters according to the relationship

660 817 660 817

s = 0,1 • J 1 (1) s = 0.1 • J 1 (1)

I 0'(lt bemessen ist, wobei t die für die Ausbildung der stehenden Wellen relevante Länge der Schaltanlage in Metern, a die elektrische Leitfähigkeit in Siemens/Meter und p.r die relative magnetische Permeabilität der Beläge bedeuten und weiter die beiden letztgenannten Grössen durch die Beziehung I 0 '(lt is dimensioned, where t is the length of the switchgear relevant to the formation of the standing waves in meters, a is the electrical conductivity in Siemens / meter and p.r is the relative magnetic permeability of the coverings and further the two last-mentioned quantities by the relationship

_0!2 ( 1 + D/d y ° i '[ D • in D/d ) ' ^ _0! 2 (1 + D / d y ° i '[D • in D / d)' ^

verknüpft sind. Die Durchmesser d und D sowie die Länge sind auch hier jeweils in Metern einzusetzen. Die für die Ausbildung der stehenden Wellen relevante Länge i der Schaltanlage ist in diesem Ausführungsbeispiel die Länge der koaxialen Leitung K zwischen Trenner T und Leistungsschalter S. are linked. The diameters d and D and the length are also to be used here in meters. The length i of the switchgear relevant for the formation of the standing shafts in this exemplary embodiment is the length of the coaxial line K between the isolator T and the circuit breaker S.

Da die Amplitude der hochfrequenten Spannungswanderwellen an allen Diskontinuitäten des Wellenwiderstandes entlang der koaxialen Leitung K, insbesondere also an ihren Enden, besonders gross ist, werden die Beläge B vorzugsweise in der Umgebung dieser Diskontinuitäten aufgebracht. Eine vollständige Belegung der koaxialen Leitung K mit den Belägen B kann dann unter Umständen überflüssig sein. Since the amplitude of the high-frequency voltage traveling waves is particularly large at all discontinuities of the wave resistance along the coaxial line K, in particular at their ends, the coatings B are preferably applied in the vicinity of these discontinuities. A complete covering of the coaxial line K with the coverings B can then be superfluous under certain circumstances.

Als geeignetes Material für die Beläge B kommt z.B. Eisenpulver mit einer Korngrösse zwischen "Ao bis '/iooo mm in Frage, welches in ein elektrisch schlecht leitendes Bindemittel eingebettet ist. Als Bindemittel kann Kunstharz verwendet werden, welches eventuell durch eine geringe Beimischung eines elektrischen Leiters, z.B. Graphit, schwach leitend gemacht werden kann. A suitable material for the coverings B is e.g. Iron powder with a grain size between "Ao to '/ iooo mm in question, which is embedded in an electrically poorly conductive binder. Synthetic resin can be used as the binder, which can possibly be made slightly conductive by a small addition of an electrical conductor, for example graphite .

Andererseits können die Beläge auch aus einem schwach leitfähigen Ferrit bestehen. On the other hand, the coatings can also consist of a weakly conductive ferrite.

Mit solchen Werkstoffen lassen sich, z.B. bei 5 MHz, relative magnetische Permeabilitäten von jj.r = 100 erreichen. Aus Gleichung (2) folgt dann für die elektrische Leitfähigkeit mit einer typischen Länge i = 15 m, typischen Durchmessern d = 0,2 m und D = 0,6 m der koaxialen Leitung K ein Wert von ô = 50 S/m. Daraus berechnet sich nach Gleichung ( 1 ) eine Dicke s der Beläge B von 5 mm. Die Beläge B dieser geringen Dicke s sind also ohne weiteres auf dem Innenleiter I und dem Aussenleiter A aufzubringen, ohne den isolierenden gas-erfüllten Zwischenraum G zu beeinträchtigen. With such materials, e.g. at 5 MHz, reach relative magnetic permeabilities of jj.r = 100. Equation (2) then gives a value of ô = 50 S / m for the electrical conductivity with a typical length i = 15 m, typical diameters d = 0.2 m and D = 0.6 m of the coaxial line K. From this, a thickness s of the coverings B of 5 mm is calculated according to equation (1). The coatings B of this small thickness s can therefore be applied to the inner conductor I and the outer conductor A without affecting the insulating gas-filled intermediate space G.

Mit derart bemessenen Belägen B kann die Amplitude der Spannungswanderwellen am offenen Ende der koaxialen Leitung mit den gewählten typischen Abmessungen, d.h. am Leistungsschalter, wo sie den höchsten Wert erreicht, bei 5 MHz um einen Faktor 5 verringert werden. Bei 35 MHz, With linings B dimensioned in this way, the amplitude of the voltage traveling waves at the open end of the coaxial line can be chosen with the selected typical dimensions, i.e. at the circuit breaker, where it reaches its highest value, be reduced by a factor of 5 at 5 MHz. At 35 MHz,

einer Frequenz, wie sie z.B. in der steilen Front der Spannungswanderwelle vorkommt, kann die Amplitude sogar um einen Faktor 80 gedämpft werden. a frequency, e.g. occurs in the steep front of the voltage wave, the amplitude can even be damped by a factor of 80.

3 3rd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

B B

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

660817 PATENT CLAIMS

1. Arrangement for the protection of gas-insulated, encapsulated switchgear against high-frequency voltage wandering waves, characterized in that at least some of the system elements (K) are provided with a coating (B) for damping the voltage wandering waves, which in comparison with the elements of the switchgear ( I, A) has a lower electrical conductivity and a higher magnetic permeability for the high-frequency voltage traveling waves.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the vicinity of discontinuities (T, S) of the wave resistance in the switchgear is provided with the covering (B).

3. Arrangement according to one of claims 1 or 2, characterized in that the outside of at least part of the inner conductor enclosed by the encapsulation (I) and / or the inside of at least part of the outer conductor (A) forming the encapsulation Switchgear is provided with the covering (B).

4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the thickness s of the covering (B) in meters according to the relationship s-0.1 • -J — ì—

V Ji, r.CT

is dimensioned, where i is the length of the switchgear relevant for the formation of standing waves, a the electrical conductivity in Siemens / meter and p.r the relative magnetic permeability of the covering (B).

5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the electrical conductivity o in Siemens / meter and the relative magnetic permeability (ir of the coating (B) by the relationship

0.2 / 1 + D / d \ 2 CT ~ i '(D • in D / d) (2)

are linked, where d is the outer diameter of the inner conductors (I) enclosed by the encapsulation in meters, D the inner diameter of the outer conductors (A) forming the encapsulation in meters and i is the length in meters relevant for the formation of standing waves.

6. Arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the coverings (B) consist of iron powder with a grain size between Vso to Viooo mm, the iron powder being embedded in a weakly conductive binder.