Krav som måste uppfyllas av vakuumbrytare

Transkript

1 Nya vakuumbrytkamrar för kontaktorer och effektbrytare Vakuumteknikens fördelar, tillämpad i t.ex. effektbrytare har föranlett ABB Calor Emag Mittelspannung GmbH i Tyskland att utveckla en serie vakuumbrytkamrar för kontaktorer och brytare med effekter upp till 12 kv respektive 36 kv. Kopplingsapparater utrustade med de nya brytkamrarna är mycket kompakta och robusta. De uppfyller utan problem de elektriska och mekaniska krav som anges i gällande EC-standarder. A BB Calor Emag Mittelspannung GmbH i Tyskland har utvecklat och tillverkat vakuumbrytkamrar för effektbrytare sedan början av 19-talet 1. Företagets forsknings- och utvecklingscentrum i tyska Ratingen använder det senaste, bl.a. inom avancerad programvara, för beräkningar av elektriska och magnetiska fält och för att optimera brytkamrarnas konstruktion och funktioner. Bland resultaten kan nämnas nya kontaktmaterial och kontaktsystem baserade på såväl radiella magnetfält (RMF) som axiella magnetfältprinciper (AMF) [1, 2]. Dessa nya system och material uppfyller utan problem de krav som gäller för mellanspänningsbrytare: Märkspänningar upp till 52 kv Förmåga att bryta kortslutningsströmmar upp till 63 ka/ ka Märkströmmar upp till 5 A Effektbrytare utrustade med vakuumbrytkamrar har funnits kommersiellt tillgängliga i nära två decennier. De används i en mängd olika tillämpningar. ngen annan typ av brytare är lika flexibel eller tillförlitlig, kräver mindre underhåll eller är mindre miljöbelastande. Alla dessa fördelar för vakuumtekniken kan utnyttjas också för kontaktorer och bry- tare, förutsatt att de byggs om på lämpligt sätt. Företaget har därför utvecklat en ny familj vakuumbrytkamrar, med beteckningen VS, för användning i kontaktorer och brytare. Även om dessa två tillämpningar inte ställer samma höga krav på hög kortslutningsbrytström som effektbrytare ska många speciella krav uppfyllas. Vakuumkontaktorer måste t.ex. klara minst 1 miljon mekaniska kopplingsmanövrer. Krav som måste uppfyllas av vakuumbrytare Dr. Harald Fink Dietmar Gentsch Dr. Markus Heimbach ABB Calor Emag Mittelspannung GmbH Kontaktorer Gällande standard för kontaktorer med märkspänningar överstigande 1 kv är EC (nternational Electrotechnical Commission) 67 [3]. Denna standard definierar de krav som kontakter måste uppfylla, liksom de så kallade användningskategorierna, AC-1, AC- 2, AC-3 och AC-. Ju högre AC-tal desto högre brytkapacitet krävs av kontaktorn. Eftersom alla VS-vakuumbrytkamrar för kontaktorer uppfyller de maximala kraven, kommer vi i denna artikel bara att diskutera den högsta kategorin, AC-. Denna representerar en burlindad induktionsmotor under start, elbromsning, reversering och krypkörning. Tabell 1 ger tillämpliga värden för märkslutningskapacitet och märkbrytkapacitet, vilka båda är beroende av specificerad märkström. Värdena i tabell 1 tar hänsyn till det faktum att kontaktorer ofta används för till- och frånslag av motorer. Eftersom manöverfrekvensen är mycket högre än för effektbrytare måste kontaktorer och deras vakuumbrytkamrar ha högre mekanisk och elektrisk livslängd. Som regel är minsta erforderliga antal manövercykler 1 miljon under livslängden för kontaktorn. För speciella tillämpningar krävs samma antal även vid märkström. Kontaktorer används också för att manövrera små kondensatorbanker i enlighet med EC 656 []. Vakuumbrytaren måste kunna bryta utan återtändning i denna tillämpning. Återtändning orsakar överspänningar som skulle kunna skada den anslutna utrustningen. Lastfrånskiljare EC definierar huvudkraven på brytare och lastfrånskiljare: EC [5] behandlar ställverksutrustning, medan EC 62 [6] behandlar interaktionen i kombinationer brytare/säkring. Till skillnad mot de brytkamrar som används i kontaktorer behöver en brytkammare i en lastfrånskiljare bara kunna bryta strömmar i samma storleksordning som märkströmmen (EC ). nder provning av den så kallade transferströmmen (EC 62) kan något högre ström flyta, beroende på säkringens 32 ABB Tidning 3/1999

2 Några av vakuumbrytkamrarna som tillverkas av ABB Calor Emag Mittelspannung GmbH 1 märkström. Alla manövrer hanteras som regel tillförlitligt av vakuumbrytkammaren, så inga speciella krav behöver ställas på dess konstruktion. Det är betydligt svårare att verifiera korrekt manövrering vid fel (exempelvis slutning av kortslutningsström). EC kräver att brytaren (och därmed vanligen vakuumbrytkammaren) ska klara slutning av maximal kortslutningsström upp till fem gånger utan kontaktsvetsning. Den maximala mekaniska och elektriska livslängden ligger omkring 1 manövrar, ett värde som vanligen inte utgör något problem för en vakuumbrytkammare. Brytare måste även kunna frånskilja kondensatorbanker utan återtändning. Förmåga till kapacitiv brytning med hög dielektrisk hållfasthet, krävs också för frekventa bortkopplingar av luftledningar och kablar under tomgång eller låg last. De högsta kraven ställs på den dielektriska hållfastheten när specificerad kabelladdningsström måste brytas under jordfelstillstånd (EC ). detta fall är det transienta toppvärdet för återhämtningsspänningen (exempelvis 6, kv för märkspänningen 2 kv) ca 1, gånger högre än vid brytning utan jordfel. Detta ställer stora krav på den dielektriska hållfastheten i vakuumbrytkammaren. Sammanfattningsvis kan konstateras att även om kontaktorer och brytare ställer ungefär samma krav på vakuumbrytkamrarna finns det betydande skillnader mellan dem. tmaningen för utvecklingsingenjörerna var därför att ta fram en kompakt brytkammare med ett konkurrenskraftigt pris som, trots dessa skillnader, kunde användas för båda tilllämpningarna. Tabell 1: Märkslutningskapacitet och maximal brytkapacitet enligt EC 67 (utnyttjandekategori AC-) / e / e cos ϕ Antal prov Märkslutningskapacitet 1,1,35 1 Maximal brytkapacitet 1 1,1,35 25 e Märkström e Märkspänning ABB Tidning 3/

3 Ø51 Ø Ø55 ( VS1) 1 ( VS2 ) 96 ( VS1) 116 ( VS2 ) 2 1 Ø51 Vakuumbrytkamrar för 2 användning i kontaktorer VS1 Brytkammare VS1 för 7,2 kv, A VS2 Brytkammare VS2, för 12 kv, A Mått i mm Genomskärning av vakuumbrytkammaren VS 1 Vakuum ( 1E-7 mbar) 2 Al 2 O 3 -keram 3 OFHC-koppar 3 Samtliga vakuumbrytkamrar av typ VS har en styrfläns för den rörliga axeln och en antitorsionsanordning som skyddar bälgarna mot vridning. Den nya brytkammarserien VS Brytkamrar VS1/VS2, för kontaktorer Vakuumbrytkamrar avsedda för en märkspänning på 7,2 kv och märkströmmen A uppfyller de flesta krav som ställs på mellanspänningskontaktorer. Den minsta av de nya brytkamrarna, VS1 2, dimensionerades därför med dessa värden. För 12 kv-marknaden har ABB Calor Emag Mittelspannung utvecklat VS2 som också har en märkström på A. VS2 har längre keramisk kropp 2 än VS1, i syfte att förbättra luftisolationen. Detta är nödvändigt på grund av de högre märkspänningarna vid kort stöt och kortslutning som är följden av den högre märkspänningen. 3 visar en genomskärning av VS1 (7,2kV, A). Liksom alla vakuumbrytkamrar från ABB Calor Emag Mittelspannung utgörs det isolerande materialet av en högrenad Al 2 O 3 -keram. Bortsett från kontakterna är samtliga metallkomponenter tillverkade i syrefri högkonduktiv koppar (OFHC). Komponenterna med komplicerad form tillverkas med varmpressning. Kontakterna i brytkamrarna VS1 och VS2 för kontaktorer är tillverkade i WCAg i stället för det mer vanligt förekommande materialet CuCr. Hårdmetallkomponenten, wolframkarbid (WC) gör kontakterna resistenta mot den erosion som ljusbågar orsakar. Som följd av detta har kontakterna en elektrisk livslängd på hundratusentals manövrer vid märkström. Även vid WCAg ligger klippströmmen i området,5 A, i jämförelse med 3 5 A för CuCr, som ofta används i effektbrytare. Detta bidrar i hög grad till att undvika att överspänningar som orsakas av att strömmen genom induktansen före klippning leds till den parallella kapacitansen. En ny bälg har utvecklats med en mekanisk livslängd på minst 1 miljon manövrer. VS-brytkamrar har en styrfläns, genom vilken den rörliga stången passerar, och som ger den en viss axiell frihet i förhållande till kapslingen, plus en antitorsionsanordning som skyddar bälgen mot vridning. En speciell konstruktionsmässig aspekt är användningen av koppar i såväl kåpa som ledare. För att undvika att dessa två komponenter kallsvetsas under koppling eller när brytaren förs in, är denna hårdförkromad. Förslitning av delarna är därför minimal och upp till 2 miljoner manövrer tillåts. De vingliknande utväxterna på ledaren hakar fast i kapslingen för att undvika att bälgarna vrids under montering etc. Den framgångsrika utvecklingen av nya kompakta vakuumbrytare bygger till stor del på beräkningar av det elektriska fältet. 5 visar den elektriska potentialfördelningen och den elektriska fältstyrkan i VS1 för en spänning på 6 kv. Detta värde specificeras i EC 669 [7] som toppvärde för spänningen vid kort stöt under svårare förhållanden. Trots att brytkammaren är extremt kompakt klarar VS1 och VS2 med lätthet de dielektriska krav som ställs av specificerad korttidseffekt och spänning vid kort stöt. Givetvis gäller detta även VSvakuumbrytkamrar som är avsedda för användning i brytare där provspänningarna ligger ännu högre på grund av den högre märkspänningen. Det imponerande sätt på vilket VS1 hanterar en trefasig kortslutning i enlighet med EC 67 (utnyttjandekategori AC-) framgår av 6. Oscillogrammen 3 ABB Tidning 3/1999

4 visar brytningen av en kortslutningsström på ka (återhämtningsspänning 7,9 kv). Medan EC 67, AC- endast kräver 3,2 ka är märkbrytströmmen för VS1 och VS2 ka. Både VS1 (7,2 kv) och VS2 (12 kv) uppfyller utan problem de krav som ges i standarderna för olika kopplingsmanövrer. Med sin VS-familj erbjuder ABB en serie vakuumbrytare som utan problem uppfyller EC-standarden och som därmed uppfyller kraven på en likformig, kompakt och kostnadseffektiv konstruktion. Den elektriska potentialfördelningen (a) och den elektriska fältstyrkan (b) i brytkammaren VS1 för en applicerad spänning på 6 kv 5 Brytkamrar VS3/VS för effektbrytare Två vakuumbrytkamrar har utvecklats av ABB Calor Emag Mittelspannung för användning i effektbrytare: VS3 med märkspänningen 12 kv och VS med märkspänningen 2/36 kv. Båda klasserna har samma ytterdiameter som brytkammaren VS2 2. Den kompakta konstruktionen gör att det externa isolationsavståndet för VS inte uppnår de dielektriska data som specificeras i EC 669. Antingen måste det utrymme där brytkammaren monteras fyllas med isolerande medium som kapslar in brytkammaren helt, eller måste en isolerande gas med högre dielektrisk hållfasthet användas. Den tillkommande kostnaden för denna lösning kompenseras av vissa viktiga fördelar: på grund av de enastående isolerande egenskaperna för vakuum kan de interna strukturerna göras mer kompakta och konstruktionen därmed kostnadseffektivare. Om den keramiska kroppen för en vakuumbrytare måste utformas för att uppnå samma dielektriska hållfasthet skulle den totala kostnaden bli betydligt högre. För många tillämpningar med sådana brytkamrar planeras ändå extra isolerande medier. Bälgarna som används med VS3 och VS är desamma som i brytkamrar för kontaktorer. Även styrningar och antitorsionsanordningarna är identiska. 7 visas ett oscillogram för kabelladdningsströmmen som bryts av en VS (märkspänning 2 kv) under jordslutningsförhållanden (53 A). Vakuumbrytkamrar hanterar till och med brytningar av detta slag utan återtändning. ABB Tidning 3/

5 Phase 1 Oscillogram för en trefasig brytning av en kortslutningsström på ka (återhämtningsspänning 7,9 kv), genomförd med en brytkammare av typ VS Phase Oscillogram för en enfasig brytning av en kabelladdningsström under jordfelsförhållanden, genomförd av en brytkammare VS (märkspänning: 2 kv) A kv 7 Phase ms t 5 1 ms 15 t Referenser [1] Fink, H.; Gentsch, D.; Pilsinger, G.; Shang, W.: Vakuumschaltkammern für zuverlässige Mittelspannungsschaltgeräte. Elektrizitätswirtschaft 96 (97) 1, [2] Fink, H.; Gentsch, D.; Heimbach, M.; Pilsinger, G.; Shang, W.: New developments in vacuum interrupters based on RMF and AMF technologies. 1 th nternational Symposium on Discharges and Electrical nsulation in Vacuum, 199, Eindhoven, Holland. [3] EC 67: High-voltage alternating current contactors, 197. [] EC 656: High-voltage alternatingcurrent circuit-breakers, 197. [5] EC 6265: High-voltage switches Part 1: Switches for rated voltages above 1 kv and less than 52 kv, 199. [6] EC 62: High-voltage alternating current switch-fuse combinations, 199. [7] EC 669: Common clauses for high-voltage switchgear and controlgear standards, Författarnas adress Dr. Harald Fink Dietmar Gentsch Dr. Markus Heimbach ABB Calor Emag Mittelspannung GmbH P.O. Box 122 D32 Ratingen Fax: harald.fink@deace.mail.abb.com dietmar.gentsch@deace.mail.abb.com markus.heimbach@deace.mail.abb.com 36 ABB Tidning 3/1999