High-power laboratory measurement procedures and development of LabVIEW program for analysis of high-voltage circuit breaker tests

One of the most important factors regarding the quality of the electricity supply service is the continuity of the service itself, a direct consequence of the absence of interruptions in the transmission grid. But power supply interruptions and failures are inevitable and, to minimize the enormous possible risks involved, devices like high voltage circuit breakers, which might stay idle for years, must interrupt successfully short-circuit currents of huge kiloamps within a few milliseconds. Nowadays, various electricity companies around the world are required to obtain a certificate for their circuit breakers before they are placed on the market. High-power laboratories, such as KEMA laboratories, the company where this research work has been carried out, try to ensure the most reliable verification possible testing the circuit breakers as they would be used, i.e. as devices directly connected to the grid at their rated voltages and currents. During these tests in high voltage laboratories, great attention is required to how to perform measurements in an environment particularly prone to electromagnetic disturbances. Those directly concerned are transducers like voltage divider and Rogowski coil, whose raw data measured are not correct and sufficient to present an accurate analysis of the test results like the real test current and voltage signals, both of which must be determined with extreme precision. Moreover, a phenomenon of particular importance during the tests concerns the electric arc and its influence during a failure situation. In fact, by studying the parameters of the electric arc during the fault, it is possible to obtain the efficiency and reliability of the test circuit breaker in cleaning the faults during the most critical phases of its lifetime. For this reason, precise identification of arc times is of vital importance for the quality of the measurement and the extracted parameters. This research was born from the joint will of KEMA High Power Laboratories, Xi'an Jiaotong University (XJTU) and Politecnico di Milano to propose a new, innovative and automated model, developed through LabVIEW software, of precise reconstruction of real test current , accurate compensation of test voltage and identification of arc times and parameters that differs from the standard currently in use applied by other laboratories around the world, in order to improve the results provided by the measurements. At the moment, in fact, the standard foresees to match the beginning of the electric arc with the moment of opening of the circuit breaker contacts, this although, theoretically correct, does not take into account any disturbances and external factors that may occur during the test. Besides, further parameters such as the optimum inductance and resistance, required for the compensation, and the passed arcing charge, the arc conductivity and the arc polarity changes, are calculated. With regard to the optimum inductance and resistance for the voltage compensation, it must be highlighted that, following laboratory procedures, their values are calculated through some initial calibration tests and then are kept fixed over the tests and also for the data results in the final analysis. The innovative aspect of the program lies in the possibility to calculate precise parameters specifically for each test. The automated program ensures more accuracy than using calibration values alone. On the other hand, regarding the arc times identification, one of the innovations and improvements brought is that, instead of assuming the beginning of the arc with the opening of the contacts, the LabVIEW program can analyze in almost real-time the data obtained from the measurements and from them identify the actual beginning of the arc from the scanning of compensated voltage signals. With a more precise identification of the arc times, further optimized analysis on the parameters of interest of the arc is then carried out. In particular, the relationship between the conductivity values of the arc in the moments immediately prior to its interruption and the actual success is analysed in detail. The validity of the results obtained is verified both by analysing the data obtained in the laboratory and by applying the software to KEMA extensive database of past test results. The results of the software are then compared with those provided by the KEMA test reports and also on KEMA internal existing software, obtaining a strong correlation; a more careful interpretation of the data shows an improvement in the presented results, especially concerning optimum inductance and resistance and arc times values. Finally, pressure and temperature measurements, first at no-load and then also with current and voltage, on KEMA air-blast master circuit breaker have been performed on-site. The success of pressure measurement helped KEMA Laboratories to improve the pressure recovery inside the master breaker chamber, on the other hand, the temperature one failed due to problems related to the response time of the sensor used. The application of this software indicates a new and interesting way to follow in high voltage measurement laboratories to increase the accuracy of the data obtained and to provide a more careful analysis of the electric arc phenomenon. It will, therefore, be interesting in the future to apply further developments to the program to increase the excellence of the analysis of test results and to have a more precise interpretation of the arcing phenomenon. In addition, the combined measurements on KEMA master breaker can be precisely an exciting input for a possible future expansion of the test data analysis in which a correlation of electrical quantities with mechanical and thermal ones can be proposed.

Uno dei più importanti fattori riguardanti la qualità del servizio di fornitura dell’energia elettrica è la continuità del servizio stesso, diretta conseguenza dell’assenza di interruzioni nella rete di trasmissione. Ma le interruzioni e i guasti nella fornitura di potenza sono inevitabili e, per minimizzare i possibili enormi rischi correlati, dispositivi come gli interruttori di alta tensione, che possono restare inoperativi per anni, devono interrompere con successo correnti di corto circuito molto elevate entro decine di millisecondi. Oggigiorno, varie società a livello mondiale sono tenute a certificare i propri interruttori prima che questi siano immessi sul mercato. I laboratori ad alta potenza, come KEMA Laboratories, la società in cui è stato realizzato questo lavoro di tesi, cercano di garantire le certificazioni più affidabili testando gli interruttori di alta tensione proprio come essi verrebbero poi effettivamente impiegati, cioè come dispositivi direttamente connessi alla rete alla propria tensione e corrente nominale. Durante questi test nei laboratori di alta tensione, è richiesta grande attenzione su come effettuare delle misure in un ambiente particolarmente esposto ai disturbi elettromagnetici. I dispositivi direttamente interessati sono trasduttori come i riduttori di alta tensione e le bobine di Rogowski, le cui misure grezze non sono corrette e sufficienti per eseguire un’analisi accurata dei risultati dei test, come l’analisi della corrente reale e della tensione reale di test, grandezze che devono essere determinate con estrema precisione. Per di più, un fenomeno di rilevante importanza durante questi test è l’arco elettrico e la sua influenza durante una situazione di guasto. Infatti, studiando i parametri relativi all’arco elettrico durante un guasto, è possibile ottenere l’efficienza e l’affidabilità dell’interruttore di alta tensione sotto test nell’estinguere le correnti di cortocircuito durante le fasi più critiche del suo ciclo di vita. Per questi motivi riuscire a identificare con precisione i tempi d’arco è di vitale importanza per avere una misura affidabile e dei parametri d’arco precisi. Questa ricerca nasce da un progetto congiunto tra i laboratori ad alta potenza KEMA, la Xi’an Jiaotong University (XJTU) e il Politecnico di Milano col fine di proporre un nuovo modello, innovativo ed automatizzato, sviluppato attraverso il software LabVIEW, per fornire una precisa ricostruzione della reale corrente di test, una accurata compensazione della tensione di test ed una identificazione dei tempi d’arco e dei parametri ad esso correlati. Il modello in questione differisce dagli standard attualmente in uso nei laboratori in giro per il mondo e ha lo scopo di migliorare i risultati provenienti dalle misure effettuate durante i test. Oggigiorno, infatti, gli standard prevedono di far coincidere l’inizio dell’arco elettrico con il momento di apertura dei contatti dell’interruttore di alta tensione e, sebbene questo approccio sia teoricamente corretto, non tiene conto di eventuali disturbi o fattori esterni che possono influire sui reali tempi d’arco. Inoltre, dal programma vengono calcolati ulteriori parametri, quali l’induttanza e la resistenza ottimale necessarie per la compensazione della tensione di test, la carica d’arco, la conduttività d’arco ed i tempi del cambio di polarità dell’arco. Per quanto riguarda l’induttanza e la resistenza ottimale, bisogna evidenziare che, secondo le procedure seguite dai laboratori KEMA, il loro valore viene calcolato tramite alcuni test iniziali di calibrazione; tale valore è poi mantenuto unico e fissato lungo lo svolgersi delle prove successive e anche durante l’analisi finale dei risultati dei test. Un aspetto innovativo del programma creato risiede nella possibilità di calcolare precisamente i valori di tali parametri specificamente per ogni prova. L’analisi finale dei risultati di test effettuata con il programma LabVIEW automatizzato, se confrontata con quella che impiega i soli valori ottenuti dai test di calibrazione, assicura una maggiore accuratezza nel calcolo dell’induttanza e la resistenza ottimale. D’altra parte, per quanto riguarda l’identificazione dei tempi d’arco, uno degli aspetti migliorativi e innovativi apportati risiede nel fatto che, invece di assumere l’inizio dell’arco con l’apertura dei contatti, il programma LabVIEW può analizzare in tempo praticamente reale i dati ottenuti dalle misure e identificare da essi l’effettivo inizio dell’arco individuandolo all’interno del segnale di tensione compensato. Grazie ad una più precisa identificazione dei tempi d’arco viene effettuata, di conseguenza, un’analisi migliorata sui parametri di interesse dell’arco. In particolare, viene analizzata nel dettaglio la relazione tra i valori di conduttività dell’arco immediatamente precedenti alla sua interruzione, a -500 ns e a -200 ns, e l’effettivo successo dell’interruttore nell’estinguere l’arco elettrico. La validità dei risultati ottenuti viene verificata sia dall’analisi dei dati ottenuti in laboratorio sia dall’applicazione del software su un ampio database, fornito da KEMA, di prove eseguite nel passato. I risultati del software vengono quindi confrontati con quelli forniti dai report di prova di KEMA e anche con quelli provenienti da un software aziendale interno; in entrambi i casi i risultati ottenuti dal programma LabVIEW mostrano una forte correlazione con quelli forniti dai laboratori KEMA; inoltre una più attenta interpretazione dei dati mostra un miglioramento nei risultati presentati, specialmente per quanto riguarda i valori di induttanza ottimale ed i tempi d’arco. Infine, sono state eseguite in loco delle misure di pressione e temperatura sull’interruttore generale di alta tensione ad aria compressa di KEMA, inizialmente a vuoto e successivamente con corrente e tensione. Il successo delle misure di pressione ha permesso ai laboratori KEMA di migliorare la velocità di risposta e il conseguente recupero della pressione all'interno della camera dell'interruttore generale; al contrario, le misure di temperatura sono fallite a causa di problemi legati al tempo di risposta del sensore utilizzato. L’applicazione di questo programma indica una nuova ed interessante via da seguire nel campo delle misure nei laboratori ad alta tensione. Sarà quindi interessante in futuro apportare al programma ulteriori sviluppi e migliorie per aumentare l'accuratezza dell'analisi dei risultati dei test e per avere uno studio più preciso del fenomeno dell'arco elettrico in alta tensione e dei tempi e parametri ad esso correlati. Inoltre, le misurazioni combinate sull'interruttore principale KEMA possono fornire un input entusiasmante per una possibile espansione futura del programma LabVIEW, all’interno del quale si potrà proporre uno studio della correlazione tra le grandezze elettriche e quelle meccaniche e termiche durante le operazioni e i test di interruzione delle correnti di guasto.