Idag har vakuumtekniken i stor

Transkript

1 Vakuumbrytkamrar med axiella magnetfält i kontaktsystemet Dr. Harald Fink, Dr. Markus Heimbach, Dr. Wenkai Shang dag har vakuumtekniken i stor utsträckning ersatt andra bågsläckningsmedier, som olja eller SF 6 -gas i många brytartillämpningar inom mellanspänningsområdet. land fördelarna med vakuumbrytare kan nämnas kompakt konstruktion, underhållsfrihet, hög livslängd och utmärkta miljöegenskaper. A Calor Emag Mittelspannung GmbH har utvecklat och tillverkat vakuumbrytare sedan 198- talets början 1 [1]. Vid företagets forsknings- och utvecklingscentrum i tyska Ratingen använder teknikerna moderna verktyg och avancerad datorprogramvara för att optimera konstruktion och funktion för brytare. De senaste resultaten av detta innefattar en ny familj vakuumbrytkamrar för kontaktorer och effektbrytare [2] och är en innovativ process för den egna kontaktproduktionen. Den nya fabriken som färdigställdes 1999 understryker företagets beslutsamhet att öka tillverkningen av högkvalitativa och kostnadseffektiva brytare. Vakuum är ett brytmedium med många fördelar framför sina alternativ, särskilt i mellanspänningstillämpningar. Tidigare har A utrustat sina vakuumbrytkamrar för mellanspänningsbrytare med radiella magnetfältkontakter. Nyutvecklade brytkamrar med axiellt magnetfält i kontaktsystemet gör det möjligt att tillförlitligt bryta kortslutningsströmmar på över 63 ka. 1 Exempel på de vakuumbrytkamrar som tillverkas av A A tidning 1/2 59

2 Funktionen i brytkamrarnas kontaktsystem När två kontakthalvor som genomflyts av en ström separeras, bildas en ljusbåge av metallångor i det ögonblick den sista metalliska kontaktpunkten öppnas. Denna ljusbåge, som uteslutande består av förångat kontaktmaterial, upprätthålls genom externt tillförd energi och består fram till strömmens nästföljande nollgenomgång. Vid nollgenomgången släcks ljusbågen slutgiltigt och vakuumbrytkammaren återfår sin isolerande förmåga, dvs. förmåga att stå emot den transienta återhämtningsspänningen. För att säkert kunna bryta strömmen vid nollgenomgången får kontakthalvorna inte eroderas mer än till en minimal grad ens då den starkaste strömmen passerar. Vid strömmar F 2 Funktionsprincip för en radiell magnetfältkontakt (spiralkontakt) till vänster och en axiell magnetfältkontakt till höger Magnetflödestäthet Ström F Azimutal elektromagnetisk kraft på omkring 1 ka börjar vakuumbågen dras samman, till en början synligt som fläckar på anoden. Denna sammandragning, som till en del beror på kontaktmaterialet, orsakar att en större del av energin leds till själva kontakterna, vilket minskar vakuumgapets förmåga att släcka ljusbågen efter nollgenomgången. Ett sätt att förbättra brytförmågan är att förändra kontaktgeometrin. Den är ansvarig för de självgenererade magnetfälten. Förändringar i geometrin påverkar ljusbågens beteende. Fram tills nyligen har A använt spiralkontakter i sina vakuumbrytkamrar för mellanspänningsbrytare. Dessa kontakter ger upphov till ett radiellt magnetfält (RMF), som orsakar en azimutal elektromagnetisk kraft på den sammandragna vakuumbågen 2. Den sammandragna ljusbågen rör sig över kontaktytan med en hastighet av 7 15 m/s [3]. Den höga hastigheten minskar kontakterosionen och förbättrar också strömbrytförmågan betydligt [4]. rytförmågan för vakuumbrytkamrar kan ökas även med hjälp av kontaktsystem som bildar ett axiellt magnetfält (AMF). När ett magnetiskt flöde med en viss täthet appliceras parallellt med strömflödet i ljusbågen, minskar laddningsbärarnas rörelsefrihet vinkelrätt mot flödet avsevärt. Detta gäller framför allt elektroner, som har mindre massa än jonerna. Elektronerna roterar kring den elektromagnetiska kraftens fältlinjer 2, så att punkten för sammandragningen av bågen förskjuts mot högre strömmar. Ljusbågen brinner med diffust ljus och energiöverföringen till elektroderna minskar. Detta märks även på bågspänningen, som blir lägre än med RMF-kontakter. Fördelen med RMF-kontaktsystemet ligger i dess enkla fysiska struktur, medan en annan fördel med spiralkontakter är att de i slutet tillstånd låter strömmen flyta genom kontakterna direkt via skaftet. Därigenom säkras lägre förluster för vakuumbrytaren vid märkström. många AMF-kontaktsystem genereras det axiella magnetfältet av en spole bakom kontakthalvorna. Som en följd av detta ökar brytkammarens resistans, vilket betyder att de tillkommande resistiva förlusterna som uppstår under drift minskar märkströmmen. Det enda rimliga sättet för en vakuumbrytare att göra sig av med den genererade värmeenergin är via kopparledarna, eftersom konvektion inte är ett alternativ i vakuum. Som tidigare 6 A tidning 1/2

3 nämnts resulterar den diffusa bågen i AMF-kontaktsystemet i utmärkt förmåga att bryta kortslutningsströmmar. Detta gäller framför allt strömmar på 63 ka och högre. 3 Funktionsprincip för det tvåpoliga AMF-kontaktsystemet. akom varje kontaktplatta ligger spolar som genererar ett bipolärt axiellt magnetfält över kontaktgapet. Magnetflödestäthet Ström detta kortslutningsströmområde är de mer komplexa AMF-kontaktsystemen överlägsna konventionella RMF-kontakter och är otvivelaktigt att föredra. Kraftnät med märkfrekvensen 16 2/3 Hz, t.ex. för järnvägsmatning, är ett annat område där det betalar sig att välja AMF-system. På grund av de extremt långa bågtiderna måste vakuumbrytare med AMF-kontakter installeras i sådana system redan vid strömstyrkor så låga som 31,5 ka. Nyutvecklade AMF-kontaktsystem A har utvecklat två innovativa AMF-kontaktsystem för att bryta stora kortslutningsströmmar. åda systemen har dimensionerats med hjälp av moderna FEM-program. Steady-state- och quasi-steadystate-simuleringar, liksom transienta simuleringar, har genomförts. Tonvikten lades på ickelinjära materialparametrar, som permeabiliteten hos det ferromagnetiska materialet. 4 Fördelningen av magnetflödestätheten i medianplanet mellan kontakterna i ett tvåpoligt AMFkontaktsystem Tvåpoliga AMF-kontaktsystem 3 visar funktionsprincipen för tvåpoliga AMF-kontaktsystem. akom varje kontaktplatta ligger spolar som genererar ett bipolärt axiellt magnetfält över kontaktgapet. 4 visas den magnetiska flödestätheten i gapets mitt med detta arrangemang. Ytan är indelad i två sektorer där identiska förhållanden råder. Den enda skillnaden mellan dem är den magnetiska flödestäthetens riktning. På linjen som separerar de båda områdena från varandra är flödestätheten noll, medan den är relativt hög mot ytterkanterna. Fyrpoliga AMF-kontaktsystem Den princip som det nyutvecklade fyrpoliga kontaktsystemet är baserat på framgår av 5. Till skillnad mot det tvåpoliga kontaktsystemet utnyttjar detta system inte en spole för att generera det axiella magnetfältet. Magnetfältet skapas istället med ett hybridarrangemang som innefattar en magnetkrets och slitsar i kontaktplattan. Magnetkretsen är uppbyggd av det ferromagnetiska material som flödet passerar igenom. Fältpolerna är arrangerade på ett sådant sätt att flödet passerar kontaktgapet fyra gånger under ett varv och därmed genererar ett fyrpoligt axiellt magnetfält. Genom att kontaktplattorna är slitsade tvingas en del av strömmen att bilda en slinga när kontakterna är öppna, vilket levererar energi till ljusbågens rötter på elektroderna. Denna slinga förstärker magnetfältet. 6 visar den magnetiska flödestätheten i mitten av kontaktgapet på det fyrpoliga kontaktsystemet. A tidning 1/2 61

4 Fyra sektorer syns. Villkoren med kontaktsystemet är det axiella avseende på magnetflödestätheten magnetfältet relativt starkt i kontaktgapets ytterområden. är identiska i varje sektor, men riktningarna är olika. fallet med Huvudparametrarna som beaktas vid dimensionering av AMF- fyrpoliga kontaktsystem är magnetflödestätheten i korset som kontakter är storlek, fördelning separerar de fyra sektorerna lika och fasförhållande för det axiella med noll. Liksom i det tvåpoliga magnetfältet. Vad beträffar det sistnämnda är idealet att inte ha någon som helst fasförskjutning mellan den höga strömmen och det magnetfält strömmen genererar. Men på grund av de inneboende förlusterna i kontaktsystemet ligger ett sådant idealt förhållande alltid utom räckhåll. En viktig parameter är den virvelström som bildas i kontaktplattan av den föränderliga magnetiska flödestätheten. Denna virvelström påverkar både fasförskjutningen och reducerar det axi- ella magnetfältet. Eftersom endast de områden berörs som är inneslutna av de virvelströmmar som magnetflödets fältlinjer släpper igenom i en riktning, är området mindre än i det enkelpoliga kon- 5 Funktionsprincip för det 6 Fördelningen av magnetflödestätheten fyrpoliga AMF-kontaktsystemet. Magnetfältet skapas med ett hybridarrangemang som innefattar i medianplanet mellan kontakterna i ett kvadrupelt AMFkontaktsystem en magnetkrets och slitsar i kontaktplattan. Magnetflödestäthet Ström taktsystemet [5]. Därmed blir även virvelströmsförlusterna mindre. Den oönskade effekten av virvelströmmar på magnetfältets värde och fasförhållande minskar därför såväl för tvåpoliga som för fyrpoliga kontaktsystem. Experimentella undersökningar och prov Förutom teoretiska studier genomfördes optiska observationer av ljusbågarnas uppträdande i kontaktsystemen. 7 visar metallångbågen i vakuum för det fyrpoliga kontaktsystemet, registrerat med hjälp av en höghastighets CCD-videokamera. ågen visas nära sitt toppvärde för en 5 Hz halvvåg med ett RMS-strömvärde på 31,5 ka. Kontaktdiametern är 68,5 mm. En ultravakuumtestkammare användes för försöken. Enligt de teoretiska studierna befinner sig bågen i ett diffust tillstånd. Följaktligen fördelas den termiska belastningen, som förorsakas av vakuumbågen, relativt jämnt över kontaktplattorna. Kontakterosionen, som minskar brytförmågan avsevärt, blir därför påtagligt lägre. De första tecknen på bågsammandragning syns på den övre elektroden, dvs. anoden. Men denna effekt förblir marginell på grund av det väldimensionerade magnetfältet. Liknande båguppträdande uppvisas av det tvåpoliga kontaktsystemet, som har diffus vakuumbåge upp till högre strömvärden. Under många av proven observerades att vakuumbågen alltid uppstår vid en enda punkt den sista metallbryggan. Under de följande 2 3 ms sprider den sig över hela kontaktytan, oberoende av magnetflödets polaritet. Detta beteende är identiskt för båda typerna av kontaktsystem. 6 2 A tidning 1/2

5 7 Vakuumbåge under inverkan av ett fyrpoligt axiellt magnetfält ( = 31,5 ka; foto taget i området kring toppströmvärdet; kontaktdiameter 68,5 mm; anoden högst upp, katoden längst ner) Det är båguppträdandet som gör AMF-kontaktsystem bäst lämpade för stora kortslutningsströmmar. visar en kortslutningsström som bryts vid 12 kv/63 ka, enligt EC 656 [6] med det tvåpoliga kontaktsystemet. Kontaktdiametern var i detta fall 1 mm. Den mjuka kurvan för bågspänningen visar att vakuumbågen förblir i ett diffust tillstånd trots det mycket höga toppströmvärdet 9 ka. Vakuumbrytaren bryter strömmen vid tidigast möjliga punkt. åda kontaktsystemen (kontaktdiameter 1 mm) klarar brytprovet vid 12 kv/63 ka. Vakuumbrytare med det beskrivna AMF-kontaktsystemet utsattes för strömmar på 63 ka upp till 25 gånger. Varje gång släcktes bågen tillförlitligt. 9 8 och 1 visar kontaktytorna efter mer än 2 st 63 ka-brytningar för ett tvåpoligt och ett fyrpoligt kontaktsystem (kontaktdiameter 1 mm). Endast en obetydlig avsmältning av kontaktytorna kan noteras i båda fallen, vilket visar att den elektriska livslängden ännu inte har uppnåtts. En närmare titt på smältspåren visar att bågen följer magnetfältets fältlinjer. Kontakterna i det tvåpoliga systemet uppvisar två områden där starkare avsmältning har skett, och det fyrpoliga systemet fyra. Jämförelse med 4 och 6, som visar den axiella magnetflödestätheten i kontaktgapet, bekräftar att smältningen följer flödestäthetsfördelningen. Detta är ytterligare ett bevis på teorins korrekthet. 8 Oscillogram över en trefasig brytning av kortslutningsströmmen för 12 kv/63 ka (symmetriskt) med ett tvåpoligt kontaktsystem (kontaktdiameter 1 mm) TRV Transient återhämtningsspänning Kortslutningsström U [ka] [ka] [ka] ågspänning 5 TRV 5 U t [ms] 2 2 TRV[kV] TRV[kV] TRV[kV] U[V] U[V] U[V] 2 A tidning 1/2 63

6 9 Kontaktyta i ett tvåpoligt kontaktsystem efter en rad brytningar av kortslutningsströmmar (63 ka; kontaktdiameter 1 mm) En jämförelse mellan det tvåpoliga kontaktsystemet och det fyrpoliga visar att det senare har förmågan att generera det axiella magnetfältet utan spolar. slutet tillstånd flyter strömmen direkt genom skaftet och kontakterna, liknande flödet i spiralkontakter. Därmed blir den nominella strömledningsförmågan jämförbar. Men resistansen över brytaren, vid samma ledardimensioner, är högre för det tvåpoliga kontaktsystemet. För många högströmstillämpningar innebär detta ett kostsammare system för att kyla bort den värme som genereras. Fördelarna med det tvåpoliga kontaktsystemet kommer till sin rätt i tillämpningar med märkspänningar på 36 kv och högre. fyrpoliga system med större kontaktrörelser kan det magnetiska flödet inte styras lika effektivt i kontaktgapet. Detta beror på att flödet också kan flyta via luftgapen mellan fältpolerna bakom kontaktplattorna och bilda en sluten krets. Utvecklingen av axiella magnetfältkontakter gör det möjligt att använda vakuumbrytare vid mycket höga kortslutningsströmmar, t.ex. nära generatorklämmorna. Eftersom bågen förblir diffus även vid höga strömmar, kan kontaktytan utnyttjas effektivt, vilket i sin tur innebär att brytarna blir både kompakta och konkurrenskraftiga. Referenser [1] H. Fink, D. Gentsch, G. Pilsinger, W. Shang: Vakuumkammern für zuverlässige Mittelspannungsschaltgeräte. Elektrizitätswirtschaft 96 (1997) 13, [2] H. Fink, D. Gentsch, M. Heimbach: Nya vakuumbrytkamrar för kontaktorer och effektbrytare. A Tidning 3/99, [3] E. Dullni: Motion of high-current vacuum arcs on spiral-type contact. EEE Trans. on Plasma Science, vol 17, 1989, [4] H. Fink, D. Gentsch, M. Heimbach, G. Pilsinger, W. Shang: New developments of vacuum interrupters based on RMF and AMF technologies. XVth nt. Symposium on Discharges and Electrical nsulation in Vacuum, Eindhoven, Netherlands, 1998, [5]. Fenski, M. Heimbach, M. Lindmayer, W. Shang: Characteristics of a vacuum switching contact based on bipolar axial magnetic design. EEE Trans. on Plasma Science, vol 27, 1999, [6] EC 656: High-Voltage Alternating-Cur- rent Circuit-reakers Kontaktyta på ett fyrpoligt kontaktsystem efter en rad brytningar av kortslutningsströmmar (63 ka; kontaktdiameter 1 mm) Författare Dr. Harald Fink Dr. Markus Heimbach Dr. Wenkai Shang A Calor Emag Mittelspannung GmbH D-4472 Ratingen / Germany E-post: markus.heimbach@de.abb.com. Telefax: A tidning 1/2