Development of high-capacity substation connectors compatible with HTLS technology

Abstract

The advent of HTLS (High Temperature, Low Sag) conductors imposes more severe operating conditions on devices such as substation connectors intended for transmission and distribution systems, which are subjected to higher loads and have to operate at higher temperatures. The main objective of this thesis is the development of a new family of high-capacity substation connectors compatible with the HTLS technology. The first aspect that has been analyzed is the selection of the base material. At present, substation connectors are manufactured by using A356 cast aluminum alloy due to its good castability and physical properties. However, due to the new operating conditions introduced by the HTLS technology, A356 alloy needs to be further improved. A chemical treatment (modification) has been proposed to fulfill the requirements of high-capacity substation connectors' material. Experimental measurements of electrical, thermal and mechanical properties have been carried out to characterize and compare properties of both un-modified and modified alloys. Moreover, their electrical resistivity has been evaluated from cryogenic up to 200ºC, to find out the temperature coefficient of resistivity. Experimental measurements prove that chemical modification improves mechanical, electrical and thermal properties of A356.0 alloy. Moreover, to design the new family of connectors it is necessary to take into account the contact resistance. The contact resistance defines the energy-efficiency, the stable performance and the long-term service of an electrical connection. To reduce the contact resistance a new installation procedure has been proposed in this thesis. Thermal behavior of connectors installed with the new procedure has been compared with the traditional one, through standardized temperature rise, thermal cycle and short-circuit tests. Results show a lower operating temperature and degradation rate for connectors installed with the new procedure. Moreover, the temperature coefficient of contact resistance has been determined through an experimental test. To accurately predict the thermal behavior of substation connectors, it is important to estimate the electrical constriction resistance (ECR). Different ECR models have been compared with experimental measurements. The fractal model for rough surfaces shows closer agreement with experimental data, however, they are based on several parameters dependent on the surfaces' roughness, whose values need to be tuned for each application. A software tool based on a genetic algorithm approach has been developed to obtain an accurate prediction of the contact resistance. Furthermore, advanced 3D-FEM modelling tools to perform realistic simulations of the short-time and peak withstand current and temperature rise tests have been developed. Substation connectors must pass these compulsory tests, which require high-power laboratory facilities, are very power-consuming and thus very expensive. The development of a realistic simulation tool is essential for anticipating the results of the mandatory laboratory tests in a fast and inexpensive way. In this thesis electromagnetic-thermal multiphysics 3D-FEM tools to simulate the transient thermal behavior of substation connectors during the standard short-circuit and temperature rise tests have been developed. Finally the thesis deals with the loop inductance. The estimation of the loop inductance is very important as it determines voltage drop in conductors. Inductance estimation provided by formulas has been compared with FEM simulations and experimental measurements. Furthermore, a simple setup to reduce the reactive power consumption when conducting short-circuit tests, based on placing a conductor forming a closed inner loop concentric with the testing loop, has been proposed and optimized trough 3D-FEM simulations.

La tecnología de conductores HTLS (alta temperatura, baja flecha) impone condiciones operativas muy severas en los dispositivos eléctricos, como los conectores subestación para sistemas de transmisión y distribución, los cuales están sometidos a corrientes más altas y tienen que operar a temperaturas más elevadas. El objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de una nueva familia de conectores de subestación de alta capacidad compatibles con la tecnología HTLS. El primer aspecto que se ha analizado es la selección del material de base. En la actualidad, los conectores de subestación se fabrican con la aleación de aluminio de fundición A356, debido a sus buenas propiedades físicas. Sin embargo, debido a las condiciones operativas más estrictas introducidas por la tecnología HTLS, la aleación estándar se debe mejorar. Para cumplir con los requisitos de la aplicación, se ha propuesto un tratamiento químico (modificación). Se han caracterizado las propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas de la aleación estándar y modificada, además la resistividad eléctrica se ha evaluado desde temperaturas criogénicas hasta 200 ºC, para determinar el coeficiente de temperatura de resistividad. Las medidas experimentales han demostrado que la modificación química mejora las propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas de la aleación A356. Por otra parte, para el diseño de la nueva familia de conectores, se debe tener en cuenta la resistencia de contacto, la cual define la eficiencia energética y la vida útil de una conexión eléctrica. Para reducir la resistencia de contacto se ha propuesto un nuevo procedimiento de instalación para conectores. El comportamiento térmico de los conectores instalados con el nuevo procedimiento se ha comparado con el tradicional, a través de ensayos de calentamiento, de ciclos térmicos y de cortocircuito. Los resultados muestran una menor temperatura de funcionamiento y degradación de los conectores instalados con el nuevo procedimiento. Además, el coeficiente de temperatura de la resistencia de contacto se ha determinado a través de una medida experimental. Para predecir el comportamiento térmico de los conectores de subestación, es importante poder estimar la resistencia eléctrica de constricción (ECR). Diferentes modelos ECR se han comparado con medidas experimentales. Los modelos fractales muestran una mejor correspondencia con los datos experimentales; sin embargo, estos modelos se basan en varios parámetros que dependen de la rugosidad de las superficies, cuyos valores necesitan ser calibrados para cada aplicación. Se ha desarrollado un programa basado en un algoritmo genético para obtener una predicción precisa de la resistencia de contacto en conectores de subestación. Además, se han desarrollado herramientas avanzadas de modelado 3D-FEM para realizar simulaciones de ensayos de cortocircuito y de calentamiento para conectores eléctricos. El desarrollo de herramientas de simulación es esencial para anticipar los resultados de los ensayos estándar, de una manera rápida y barata. En esta tesis se han desarrollado herramientas 3D-FEM multifísicas electromagnéticas-térmicas para simular el comportamiento térmico transitorio de los conectores en los ensayos estandarizados de cortocircuito y de calentamiento. Por último, la tesis trata de la inductancia del bucle de ensayo. La estimación de la inductancia del bucle es muy importante, ya que determina la caída de tensión en los conductores. La estimación de la inductancia proporcionada por las fórmulas ha sido comparada con simulaciones FEM y medidas experimentales. Por otra parte, se ha propuesto y optimizado una configuración sencilla para reducir el consumo de energía reactiva durante los ensayos de cortocircuito, basada en la adición de un conductor que forma un bucle cerrado concéntrico interno al bucle de ensayo.