Vergroting van toepassingsmogelijkheden van scheidingsschakelaars voor hoogspanningsnetten (EMVT 06435)

Vergroting van toepassingsmogelijkheden van scheidingsschakelaars voor hoogspanningsnetten
(EMVT 06435)

Toepassing van scheidingsschakelaars in HS-netten vergroten
Scheidingsschakelaars, ook wel ‘scheiders’ genoemd, worden toegepast om hoogspanningscomponenten voor onderhoud spanningsvrij te maken. Zowel vermogensschakelaars, stroom- en spanningsmeters, als transformatoren kunnen zo worden geïsoleerd van het elektriciteitsnet. In de toekomstige hoogspanningsnetten is een vergroting van de stroomonderbrekingcapaciteit van scheiders wenselijk. Hierdoor worden de inzetmogelijkheden aanzienlijk vergroot. Aan de TU/e wordt hier onderzoek naar gedaan.

Scheidingsschakelaars, ook wel ‘scheiders’ genoemd, worden gebruikt om delen van elektriciteitsnetten van elkaar te isoleren. Dit dient in principe stroomloos te geschieden, omdat scheiders slechts een zeer lage stroomonderbrekingcapaciteit bezitten. In de praktijk onderbreken scheiders vrijwel altijd een geringe nullaststroom van maximaal 1 A die door de te schakelen hoogspanningslijnen en -rails, en/of transformatoren loopt. Voor dit schakelen van grote stromen worden (dure) vermogensschakelaars ingezet.

Vervangen
In de hoogspanningsnetten van de nabije toekomst is een vergroting van de stroomonderbrekingcapaciteit van scheiders wenselijk. Daarmee worden tevens de mogelijkheden van het inzetten van scheiders in de netten vergroot, omdat zo grotere stukken onbelaste lijnen, kabels en railsystemen kunnen worden geschakeld. In bepaalde situaties kunnen vermogensschakelaars worden vervangen door scheiders en dit zal tot kostenreductie leiden. In het EMVT-project ‘Vergroting van toepassingsmogelijkheden van scheidingsschakelaars voor hoogspanningsnetten’ wordt onderzoek gedaan naar de mogelijkheden om grotere stromen te schakelen met scheiders.

Transiënten
In de tot nu toe toegepaste scheiders vindt de stroomonderbreking plaats doordat de lichtboog langzaam zo lang getrokken wordt – tot zelfs meters lang – tot het moment dat deze dooft, door het groter worden van de afstand tussen de contacten en koeling van de lucht. Deze boog blijft – tijdelijk – in stand door een complex repeterend proces van onderbreking en herontsteking.

Tijdens het vormen van de boog spelen transiënten, die ontstaan als circuitreactie op het schakelproces, een grote rol, omdat zij de boog telkens weer ontsteken. Dit veroorzaakt een plasma dat lastig te doven is.

Het begrijpen van het gedrag van lichtbogen in de lucht, de wisselwerking met het circuit en de rol van de contacten waartussen de lichtboog ‘brandt’, leidt tot oplossingen voor het ontwikkelen van scheiders met een groter stroom onderbrekend vermogen.

Met deze kennis – samen met economische randvoorwaarden – wordt beslist welke maatregelen kunnen worden ingezet om de natuurlijke onderbrekingscapaciteit te vergroten.

Doel van dit EMVT-project is te komen tot een superscheider die in plaats van slechts tienden van ampères tot wel 10 tot 30 A kan afschakelen.

Nieuwe ontwikkelingen in de hoogspanningstechniek worden door de gebruiker veelal met scepsis bekeken;  het gaat immers in de energievoorziening vooral om kwaliteit en betrouwbaarheid. Dat is volgens Smeets ook de reden dat er nog nooit met zo’n precisie is gekeken naar de lichtboog bij scheiden, puur omdat de noodzaak er niet was. In de USA en Azië worden al langer oplossingen toegepast om de duur van de lichtboog te beperken, maar die worden in Europa niet geaccepteerd, omdat ze niet betrouwbaar genoeg worden geacht.

Snel
Omdat de hoogspanningstechniek vraagt om bewezen technieken en ongecompliceerde componenten, zochten Prof. René Smeets, deeltijdhoogleraar aan de TU/e en werkzaam bij KEMA-TDT, en onderzoeker Yajing Chai eerst naar een mechanische oplossing. Het ontstaan van een solide lichtboog wordt mede veroorzaakt door de trage beweging van de scheider. Als alternatief hiervoor werd gekeken naar een oplossing met een ‘zweep’-techniek, die zorgt voor een zeer snelle stroomonderbreking. Met deze techniek wordt zeer snel de kritische contactafstand bereikt waar de lichtboog niet meer kan voortbestaan. Dit leidt tot een geheel ander gedrag van de boog. Deze oplossing was al eerder bedacht, maar bij het onderzoek ging het vooral om te begrijpen wat er gebeurt bij het op deze manier scheiden van de contacten. Een andere methode is de lichtboog in een ander pad te dwingen. Dit kan worden bereikt met een hulponderbreker, waardoor dan de stroom loopt. Het gaat hierbij om een eenvoudig schakelend contact, dat onder gunstige omstandigheden tientallen ampères aankan.

Actief
Na de uitgevoerde metingen is Smeets en Chai duidelijk geworden wat er zich afspeelt in de lichtboog en is de mechanische beheerstechniek van de scheider bestudeerd. Hieruit bleek dat een optimalisatie van de scheiders tot vermogens van 27 tot 30 A mogelijk is. Er wordt gewerkt aan ontwerpen waarbij de spanning zodanig kan worden beperkt, zolang de lichtboog in stand blijft. Hiervoor werd een groot aantal testen uit in het hoogspanninglab lab van de TU/e en voor het netconform testen werden de laboratoria van KEMA-TDT en een  in Praag (Tsjechië) ingezet.

Er werd een prototype van een scheider gebruikt die relatief hoge stromen kan schakelen. Hiervoor wordt samengewerkt met het Nederlandse bedrijf Hapam dat wereldwijd scheidingsschakelaars levert. Voor het onderbreken van zeer afgelegen hoogspanningslijnen heeft het bedrijf behoefte aan betaalbare scheiders, die enkele tientallen ampères kunnen schakelen en zo vermogensschakelaars kunnen vervangen. Hierbij gaat het om actieve componenten die ingrijpen in de cyclus van onderbreking en herontsteking van de lichtboog. In het vervolg van het onderzoek zullen ook enkele andere alternatieve schakelstrategieën worden onderzocht.

Uitvoerders
Prof.dr.ir. R.P.P. Smeets
Y. Chai MSc

Onderzoeksperiode
2007-2011

Referentielijst

J.L.G. Janssen, J.J.H. Paulides, E. Lomonova, Vandenput, A.J.A.: Magnetic suspension based on passive gravity compensation; Proc. IEEE Young Researchers Symposium in Electrical Power Engineering, Eindhoven: IEEE, Feb. 2008.

J.L.G. Janssen, J.J.H. Paulides, E.A. Lomonova, F. Bölöni, A. Tounzi, and F. Piriou: Analytical calculation of interaction forces between unaligned permanent magnets; digest, European Magnetic Sensors & Actuators Conference EMSA 2008, June 30 – July 2, Caen, France

L. Encica, J.J.H. Paulides, E.A. Lomonova, A.J.A. Vandenput: Passive and active constant force-displacement characteristics and optimization of a long-stroke linear actuator; 11th International Conference on Electrical and Electronic Equipment OPTIM 2008, May 22 -24, Brasov, Romania.

L. Encica, J.J.H. Paulides, E.A. Lomonova: Electromagnetic actuators for gravity compensation and vibration isolation; digest, European Magnetic Sensors & Actuators Conference EMSA 2008, June 30 – July 2, Caen, France.

C. Ding, A.A.H. Damen, P.P.J. van den Bosch; 6-DOF Electromagnetic Suspension System with Passive Gravity Compensation for Large Load; Abstract, 27th Benelux Meeting on System and Control 2008, March 18 – 20, Heeze, The Netherlands

J.L.G. Janssen, J.J.H. Paulides, E.A. Lomonova: Passive Magnetic Suspension Limitations for Gravity Compensation; Proc. 11th Int. Symp. on Magn. Bearings (ISMB) 2008, Nara, Japan.

J.L.G. Janssen, J.J.H. Paulides, E.A. Lomonova: Analytical Modeling of Permanent Magnets on a Soft Magnetic Support for a Suspension System; abstract, Int. Conf. on Electrical Machines and Systems, 2008, Wuhan, China.

C. Ding, A.A.H. Damen, P.P.J. van den Bosch: Identification and Control of an Electromagnetic Levitation System: A Simple LPV Approach; abstract, American Control Conference, 2009, St. Louis, Missouri, USA

L. Encica, J.J.H. Paulides, and E.A. Lomonova: Space-Mapping Optimization in Electromechanics: An overview of Algorithms and Applications; abstract, 10th International Workshop on Optimization and Inverse Problems in Electromagnetism (OIPE 2008), September 14-17, Ilmenau, Germany.

J. Janssen, J. Paulides, E. Lomonova and A. Vandenput: Analysis of a Variable Reluctance Permanent Magnet Actuator; Proc. on the IEEE IAS 2007 Annual Meeting., Sept. 2007.

C. Ding, A.A.H. Damen, P.P.J. van den Bosch: Stabilization & Vibration Control of Gaussmount Suspension System; 28th Benelux Meeting on Systems and Control, March 16-18, 2009, Spa, Belgium.

L. Encica, J.J.H. Paulides, K.J. Meessen, B.L.G. Gysen, J.L. Duarte, E.A. Lomonova: Optimized Axially Magnetized Permanent Magnet Tubular Actuator: Pole-Piece Shaping; digest, COMPUMAG 2009, November 22-26, Florianopolis, Brazil.

E.A. Lomonova, J.J.H. Paulides, E. Kazmin, L. Encica: In-wheel PM Motor: Compromise between High Power Density and Extended Speed Capability; EVER 2009, March 26-29, Monaco.

J.J.H. Paulides, L. Encica, K.J. Meessen, E.A. Lomonova: Constant Force Linear Permanent Magnet Actuators; IEEE EUROCON 2009, May 18-23, Sankt Petersburg, Russia.

Janssen, J.L.G, Paulides, J.J.H., Lomonova, E.: Three-dimensional analytical field calculation of pyramidal-frustum shaped permanent magnets; IEEE Transactions on Magnetics, (2009)45(10), 4628-4631.

J.L.G. Janssen, J.J.H. Paulides, E.A. Lomonova: 3D Analytical Field Calculation Using Triangular Magnet Segments Applied to a Skewed Linear Permanent Magnet Actuator; Proc. Int. Symp. on Electromagnetic Fields, Arras, France, 10-12 sept. 2009.

J.L.G. Janssen, J.J.H. Paulides, E.A. Lomonova: Analytical force and stiffness calculations for magnetic bearings and vibration isolation; Proc. Int. Symp. on Electromagnetic Fields, Arras, France, 10-12 sept. 2009.

Janssen, J.L.G, Paulides, J.J.H., Lomonova, E.: Passive limitations for a magnetic gravity compensator; Journal of System Design and Dynamics, 3(4)(2009), 671-680.

C. Ding, A.A.H. Damen, and P.P.J. van den Bosch: A Simple LPV Identification and Control Scheme for an Electromagnetic Suspension System; Proc. The 7th International Symposium on Linear Drives for Industrial Applications, Incheon, South Korea, 20-22 Sep. 2009.

C. Ding, A.A.H. Damen, P.P.J. van den Bosch, and J.L.G. Janssen: Vibration Isolation of a Non-contact Electromagnetic Actuator with Passive Gravity Compensation for Large Payload; Abstract, The 2nd International Conference on Computer and Automation Engineering.

L. Encica, J.L.G. Janssen, J.J.H. Paulides, E. Lomonova: Electromagnetic actuators for gravity compensation and vibration isolation; Sensor Letters, 7(3), 360-363, 2009.

L. Encica, J.L.G. Janssen, J.J.H. Paulides, E. Lomonova: Space-mapping optimization in electromechanics: an overview of algorithms and applications; COMPEL: The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, 28(5), 1216-1226, 2009.

Janssen, J.L.G, Paulides, J.J.H., Lomonova, E.: Analytical torque calculations for magnetic bearings and vibration isolation; Proceedings of the 11th Joint MMM-Intermag Conference, January 18-22, 2010, Washington D.C. (pp. 1109-1109). Publication in IEEE Transactions on Magnetics.

J.L.G. Janssen, J.J.H. Paulides and E.A. Lomonova: 3D analytical field calculation using triangular magnet segments applied to a skewed linear permanent magnet actuator; COMPEL, vol 29, issue 4, April 2010, pp. 984-993

C. Ding, A.A.H. Damen, P.P.J. van den Bosch, and J.L.G. Janssen: Vibration Isolation of a Non-contact Electromagnetic Actuator with Passive Gravity Compensation for Large Payload; Proc. 2nd International Conference on Computer and Automation Engineering. Singapore, 26-28 Feb. 2010.

C. Ding, A.A.H. Damen, and P.P.J. van den Bosch: Vibration Isolation of a Feedback Linearized Model for a Contactless Electromagnetic Isolator by Virtually Varying Mass Control; 20th International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion. Pisa, Italy. 14-16 Jun. 2010.

Janssen, J.L.G., Paulides, J.J.H., Compter, J.C., Lomonova, E.: Three-Dimensional Analytical calculation of the torque between permanent magnets in magnetic bearings; IEEE Transactions on Magnetics, 46(6), 1748-1751.

Janssen, J.L.G., Paulides, J.J.H., Lomonova, E.: High-Performance Moving-Coil Actuators with Double-Sided PM arrays: A Design Comparison; Proceedings of the 2010 Int. Conf. on Electrical Machines and Systems, Oct 10-13, 2010, Incheon, Korea.

C. Ding, A.A.H. Damen, and P.P.J. van den Bosch: Vibration Isolation of a Feedback Linearized Model for a Contactless Electromagnetic Isolator by Virtually Varying Mass Control; Proc. 20th International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion. Pisa, Italy. 14-16 Jun. 2010.

C. Ding, A.A.H. Damen, and P.P.J. van den Bosch: Closed-Loop Identification of an Unstable Electromagnetic Isolator under Floor Vibration; Proc. 2010 IFAC Symposium on Mechatronic Systems. Cambridge, Massachusetts, USA. 13-15 September, 2010.

C. Ding, A.A.H. Damen, and P.P.J. van den Bosch: Stabilization and Vibration Isolation of a Contactless Electromagnetic  Isolator: A Frequency-Shaped Sliding Surface Approach; Proc. 2010 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics. Montreal, Canada. 6-9 July, 2010.

Ding, C., Janssen, J.L.G., Damen, A.A.H., Bosch, P.P.J. van den: Modeling and control of a 6-DOF contactless electromagnetic suspension system with passive gravity compensation; ICEM 2010, the XIX International Conference on Electrical Machines, Rome – ITALY, September 6-8, 2010. (pp. 1-6). ICEM.

Janssen, J.L.G., Paulides, J.J.H. & Lomonova, E.: Analytical force and stiffness calculations for magnetic bearings and vibration Isolation; In Ewa Napieralska-Juszczak Sławomir Wiak (Ed.), Computer field models of electromagnetic devices; (pp. 502-511) IOS Press, Amsterdam.

Compter, J.C., Janssen, J.L.G. & Lomonova, E.; Ampere’s circuital 3-D model for non-cuboidal magnets; IEEE Transactions on Magnetics, 46(12), 4009-4015.

Janssen, J.L.G., Paulides, J.J.H. & Lomonova, E.: Vibration isolator. no 11150034.4 – 1264, filed 2011. (patent)

Janssen, J.L.G., Paulides, J.J.H. & Lomonova, E.: The developments in the analytical expressions of the interaction force between cuboidal permanent magnets; 2011 Electrimacs symposium in Paris.

Janssen, J.L.G., Paulides, J.J.H., Lomonova, E. Delinchant, B. & Yonnet, J.-P.: Design study on magnetic springs with low resonance frequency; LDIA2011 symposium in Eindhoven.

C. Ding, A.A.H. Damen, and P.P.J. van den Bosch: Robust Vibration Isolation of a 6-DOF System Using Modal Decomposition and Sliding Surface Optimization; American Control Conference, San Francisco, California, USA. 29 Jun – 1 Jul 2011.

C. Ding, Y. Zhu, A.A.H. Damen, and P.P.J. van den Bosch: Performance Comparison of Two Control Strategies: Direct MIMO Control Design with MIMO Identification and the Decentralized Control with Optimized Static Decoupling; 8th International Symposium on Linear Drives for Industry Applications (LDIA 2011), Eindhoven, The Netherlands. 3-6 Jul. 2011.

C. Ding, A.A.H. Damen, and P.P.J. van den Bosch: Vibration control with optimized sliding surface for active suspension systems using geophone; 8th International Symposium on Linear Drives for Industry Applications (LDIA 2011), Eindhoven, The Netherlands. 3-6 Jul. 2011.

C. Ding, M. Gajdusek, A.A.H. Damen, and P.P.J. van den Bosch: Optimal Static Decoupling for the Decentralized Control: an Experimental Study; 18th IFAC World Congress. Milan, Italy. 28 Aug. – 2 Sep. 2011.

C. Ding, J.L.G. Janssen, A.A.H. Damen, P.P.J. van den Bosch, J.J.H. Paulides, and E.A. Lomonova: Modeling and Realization of a 6-DoF Contactless Electromagnetic Anti-Vibration System and Verification of its Static Behavior; IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics. Taiwan Jul. 11-14, 2012.

C. Ding, A.A.H. Damen, and P.P.J. van den Bosch: Static Decoupling of a MIMO Linear Mechanical System Using Owens Method and Modal Decomposition; 51st IEEE Conference on Decision and Control. Grand Wailea, Maui, Hawaii, USA. Dec. 10-13, 2012

Janssen, J.L.G., Gysen, B.L.J., Paulides, J.J.H. & Lomonova, E.: Advanced electromagnetic modeling applied to anti-vibration systems for high precision and automotive applications; International Compumag Society Newsletter, 19(1), 3-16.