Reduction of capacitor aging by the use of transient-free diode based synchronous switch

The aim of this thesis is to present an innovative transient-free diode based capacitor switch (ABB DS1), investigating the positive impact of this new product on the life of the capacitors. Initially, it is presented an analysis of the energizing and interrupting transients of power capacitors, at which follows a thorough explanation of how capacitors for MV power factor correction applications are currently manufactured. Subsequently, it is shown how the switching overvoltages can establish the phenomenon of partial discharges in the dielectric of the capacitors, thus leading to a slow and progressive degradation, until the complete breakdown occur. Then, follows an accurate explanation of the operation of the innovative DS1 switch and, thanks to the simulations and the models of real power systems, the ABB switch is compared with the actual technologies used to mitigate the transients. In addition, by modifying a new probabilistic life model, developed for cables subjects to transients, it is shown a numerical example applied to a capacitor. The result gave the possibility to demonstrate the decreasing of the capacitor reliability at 30 years of life, caused by the transient, when one of the actual switching solution is used. In the end, it is emphasized that the use of the DS1 switch result in numerous benefits from the system point of view. The main advantages are: a substantial reduction of the inrush current and the switching overvoltages, compared to other existing technologies, and the zero probability to have restrikes or prestrikes. These advantages improve the life of the capacitors.

La tesi si propone l’obbiettivo di presentare un innovativo sezionatore transient-free a diodi per banchi di condensatori (DS1 di ABB), investigando come questo nuovo prodotto possa andare ad impattare positivamente sulla vita utile dei condensatori. Inizialmente, viene presentata un’analisi dei transitori di inserzione e di apertura delle batterie di condensatori, alla quale segue un’ampia spiegazione di come sono attualmente costruiti i condensatori per il rifasamento in MT. Successivamente, si mette in luce come le sovratensioni di manovra possano instaurare il fenomeno delle scariche parziali all’interno del dielettrico dei condensatori, portando così ad un lento e progressivo degrado, fino alla completa rottura del dielettrico. Segue poi, una spiegazione accurata del funzionamento dell’innovativo sezionatore DS1 e, grazie a delle simulazioni e a modelli di impianti reali, il sezionatore di ABB viene confrontato con le tecnologie impiegate fin ora per mitigare gli effetti dei transitori. Inoltre, modificando un nuovo modello di vita probabilistico, sviluppato per i cavi soggetti a transitori, si riporta un esempio numerico applicato ad un condensatore. Il risultato ha permesso di dimostrare la riduzione dell’affidabilità del condensatore a 30 anni di vita, qualora una delle attuali tecnologie di switching venga impiegata, a causa dei transitori. In fine, viene messo in risalto come l’impiego del sezionatore DS1 porti numerosi benefici dal punto di vista impiantistico. Tra questi numerosi vantaggi spiccano una maggior riduzione della corrente di inserzione e delle sovratensioni di manovra, rispetto alle altre attuali tecnologie, e l’eliminazione della possibilità di avere rinneschi e pre-addescamento dell’arco durante le manovre. Questi vantaggi permettono l’allungamento della vita dei condensatori.