Pełny tekst - Instytut Elektrotechniki

Krzysztof KRASUSKI
METODA POPRAWY ROZKŁADU POLA
MAGNETYCZNEGO POPRZEZ DOBÓR
NACIĘĆ W NAKŁADKACH STYKOWYCH
STRESZCZENIE
W artykule przedstawiono wyniki pomiarów
i obliczeń rozkładu pola magnetycznego pomiędzy stykami unipolarnymi
w modelowych układach stykowych komór próŜniowych wyłączników
wysokiego napięcia. Do pomiarów styki zostały zwarte prętem
o średnicy 10 mm. Wyniki przeliczono dla prądu o wartości 50 kA,
50 Hz.
Słowa kluczowe: komora próŜniowa, styk unipolarny, rozkład pola
magnetycznego
1. WSTĘP
W literaturze [1,2,3] zaprezentowano wyniki obliczeń rozkładu pola
otrzymanych za pomocą specjalistycznego oprogramowania typu FLUX 2D,
FLUX 3D, ANSYS i MAXWELL. MoŜna równieŜ spotkać wyniki pomiarów
rozkładu pola przy zastosowaniu układu specjalnych sond [4,5]. Do najczęściej
stosowanych konstrukcji styków w wyłącznikowych komorach próŜniowych
naleŜą styki unipolarne (1/4 zwoja), typu SADE, cewkowe, kwadropolarne,
bipolarne oraz względnie z wkładkami ferromagnetycznymi.
InŜ. Krzysztof KRASUSKI
e-mail:[email protected]
Zakład Wielkich Mocy
Instytut Elektrotechniki
PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 238, 2008
72
Krasuski K.
W niniejszym artykule zamieszczono wyniki pomiarów i obliczenia
rozkładu pola na powierzchniach styków unipolarnych z róŜnymi kształtami
nacięć nakładek stykowych. Pomiary wykonano dla trzech składowych (osiowej,
obwodowej i promieniowej) pola magnetycznego. Obliczenia przestrzennego
rozkładu
pola
magnetycznego
wykonano
przy
zastosowaniu
programu Maxwell 3D i przy wykorzystaniu wyników pomiarów. Wykazano [6],
Ŝe przy zapewnieniu równomiernego rozkładu pola magnetycznego na
powierzchniach styków moŜna uzyskać przewodzenie prądu dyfuzyjnego
o prawie jednakowej gęstości na całej powierzchni styków. Prowadzone
badania w róŜnych ośrodkach naukowych [7, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17],
z zastosowaniem rozbieralnych komór próŜniowych pozwoliły wykazać, Ŝe łuk
w wyniku działania osiowego pola magnetycznego AMF (Axial Magnetic Field)
w rzeczywistości składa się z łuku dyfuzyjnego w początkowym i końcowym
okresie półfali prądu zwarciowego, natomiast w pobliŜu maksymalnej wartości
prądu tworzy się na krótko łuk skupiony, który powoduje wypalanie elektrod.
W Japonii [8] opracowano system układu stykowego SADE (Self Arc Diffusion
Electrode). W modelu styku SADE za pomocą małej cewki dodatkowej,
wytwarzającej pole przeciwnie skierowane, obniŜa się natęŜenie osiowego pola
magnetycznego w środkowej części układu stykowego tj. tam gdzie ono jest
największe. To rozwiązanie umoŜliwia utrzymanie łuku dyfuzyjnego przez cały
okres przewodzenia prądu łuku. W efekcie pozwala to na zmniejszenie
gabarytów komory próŜniowej i biegunów wyłączników, a co za tym idzie
zmniejszenie zuŜycia materiałów i kosztu produkcji komór.
2. BADANIA ZWARCIOWE Z ZASTOSOWANIEM KOMÓR
ROZBIERALNYCH
Najbardziej efektywną metodą jest badanie styków w rozbieralnej
komorze próŜniowej w laboratorium zwarciowym poprzez rejestrację
fotograficzną rozwoju wyładowania łukowego pomiędzy nakładkami stykowymi
podczas zwarcia. Stosując szybką fotografię przy zastosowaniu kamery video
rejestrującą obraz z prędkością, co najmniej 1000 klatek na sekundę, moŜna
zaobserwować proces gaszenia łuku i obiektywnie ocenić przyjęte rozwiązanie
układu stykowego. Rysunek 1 przedstawia rozwój łuku elektrycznego
dyfuzyjnego na powierzchni styków zapisany specjalistyczną kamerą cyfrową
(rejestrującą około 3000 klatek na sekundę). Na zdjęciach moŜna zauwaŜyć, Ŝe
łuk rozwija się w centralnej części styków, co powoduje nadmierne wypalanie
elektrod, zwłaszcza anody.
Metoda poprawy rozkładu pola magnetycznego poprzez dobór nacięć ...
73
Rys. 1. Rozkład łuku dyfuzyjnego w komorze
próŜniowej [17]
3. MODELOWANIE ZA POMOCĄ SPECJALISTYCZNEGO
OPROGRAMOWANIA
Rozkład pola magnetycznego decydujący o rozwoju łuku zwarciowego
moŜna analizować za pomocą symulacji w programach komputerowych
(Maxwell 3D). Celem obliczeń jest znalezienie zaleŜności pomiędzy kształtem
styków a rozkładem pola na powierzchni styków, przy przepływie prądu
zwarciowego. W programie Maxwell 3D zaprojektowano unipolarny model
układu stykowego.
Rys. 2. Styk unipolarny (1/4 zwoju)
74
Krasuski K.
W programie Maxwell 3D zaprojektowany został model unipolarny układu
stykowego przestawiony (rys. 2). Na rysunku 3 zaprezentowano wyniki
obliczenia rozkładu gęstości prądu na powierzchni styku unipolarnego.
Rys. 3. Obliczony rozkład gęstości pola magnetycznego na
powierzchni nakładki stykowej z rysunku 2
Przyjęto do obliczeń, Ŝe przez układ stykowy przepływa prąd o wartości
skutecznej 1000 A (częstotliwość 50 Hz).
Z obliczeń wynika, Ŝe gęstość prądu zawiera się w przedziale od
8.3*10 A/m2 do 1.4*106 A/m2. Obliczenia wykonano z nakładkami stykowymi
o grubości 5 mm bez nacięć. Z przedstawionego rysunku wynika, Ŝe największa
gęstość prądu występuje w pobliŜu wyjść z konstrukcji stykowej na nakładkę.
Kształt wyjścia moŜe wpływać na rozkład natęŜenia pola magnetycznego na
powierzchni nakładki stykowej.
3
4. POMIARY POLA MAGNETYCZNEGO NA
POWIERZCHNI STYKU ZA POMOCĄ UKŁADU SOND
Do badania rozkładu składowych pola magnetycznego na powierzchni
nakładek stykowych zaprojektowano przedstawiony na rysunkach nr 4, 5, 6
układ pomiarowy.
Metoda poprawy rozkładu pola magnetycznego poprzez dobór nacięć ...
75
Rys. 4. Cewki pomiarowe (100 zwojów)
1 - cewka do pomiaru składowej promieniowej indukcji
2 - cewka do pomiaru składowej obwodowej indukcji
3 – cewka do pomiaru składowej osiowej indukcji
Przez styki przepływał prąd przemienny o częstotliwości 50 Hz. Pomiar
składowych pola magnetycznego realizowano za pomocą cewek pomiarowych
o wzajemnie prostopadłych osiach (rys. 4).
Cewki wzorcowano za pomocą cewek Helmholtza iwzbudzających
jednorodne pole magnetyczne. Do pomiaru pola zastosowano gausomierz firmy
Bell typ 5070 o zakresie 20 mT o rozdzielczości 0.01 mT a niepewności
pomiaru AC ±3.5 % odczytu + 5 znaczących cyfr.
Wartości napięcia mierzonego w cewkach były stosunkowo małe,
zawierały się w zakresie od 0.1 mV do 10 mV. Z tego względu cały układ
pomiarowy umieszczono w szafie ekranującej (rys. 5, 6).
Rys. 5. Widok układu pomiarowego
z zamontowanymi stykami
76
Krasuski K.
Cewki pomiarowe poruszano za pomocą silniczka elektrycznego wzdłuŜ
promienia styku. Potencjometr pomiarowy połączony mechanicznie z cewkami
wyznaczał połoŜenie cewek względem środka styku.
Układ cewek z potencjometrem moŜna było obracać względem osi styku
w zakresie od 0 do 180°. Układ stykowy zasilany jest prądem przemiennym
(400 A, 50 Hz) z transformatora wielkoprądowego.
Rys. 6. Układ pomiarowy do badania rozkładu pola
magnetycznego na powierzchni nakładek stykowych
Wartość prądu zasilania była mierzona za pomocą przekładnika
prądowego oraz równolegle cęgami Dietza. Sygnały z potencjometru, cewek
i przekładnika zapisywano w rejestratorze o rozdzielczości 12 bitów. Do dalszej
obróbki zarejestrowanych przebiegów zastosowano specjalistyczny program
WinHioki opracowany dla zwarciowni Instytutu Elektrotechniki w Warszawie
[18], a takŜe specjalistyczny program działający w środowisku Matlab [19].
5. WYNIKI BADAŃ DLA UNIPOLARNEGO MODELU
STYKU
W Zakładzie Wielkich Mocy prowadzone są pomiary rozkładu
składowych pola magnetycznego dla wybranych konstrukcji stykowych.
Pierwszym z prezentowanych styków jest model unipolarny z nakładkami bez
nacięć przedstawiony na rysunku 2. Pomiaru dokonano za pomocą sond
cewkowych, a wyniki pomiarów przeliczono dla prądu 50 kA. Rysunki 7, 8
przestawiają rozkład składkowych pola magnetycznego (osiowej, obwodowej)
Metoda poprawy rozkładu pola magnetycznego poprzez dobór nacięć ...
77
nad doprowadzeniem styku. Ze względu na małe wartości wykres składowej
promieniowej pominięto.
Rys. 7. Styk unipolarny- rozkład składowej osiowej
Rys. 8. Styk unipolarny- rozkład składowej obwodowej
Podane na rysunkach 7, 8 wykresy przedstawiają wyniki pomiarów dla
czterech róŜnych rodzajów nacięć nakładki stykowej. Krzywa nr 1 prezentuje
wyniki dla nakładki bez nacięć nakładki. Charakterystyki oznaczone numerami
2, 3, 4, 5 przedstawiają rozkłady indukcji dla nakładek z nacięciami: wzdłuŜ
promienia, o kształcie półkola, ramion trójkąta, skośnymi wg. (rys. 13).
78
Krasuski K.
Rys. 9. Styk unipolarny- rozkład składowej osiowej, bez nacięć na nakładce
Rys. 10. Styk unipolarny - rozkład składowej obwodowej, bez nacięć na nakładce
Na rysunkach 9, 10, 11, przedstawiono rozkład składowych pola
magnetycznego dla nakładek stykowych bez nacięć. Kolor ciemny oznacza
najmniejszą wartość indukcji, a jasny wartość największą.
Metoda poprawy rozkładu pola magnetycznego poprzez dobór nacięć ...
79
Rys. 11. Styk unipolarny- rozkład składowej promieniowej, bez nacięć na nakładce
Rysunki 13, 14, 15 przedstawiają rozkład pola dla styku wyposaŜonego
w nakładki z nacięciami skośnymi pod kątem 45° do promienia. Zestawienie
otrzymanych wyników pomiarów zamieszczono w tabeli nr 1, która zawiera
wartości minimalne i maksymalne składowych pola magnetycznego.
Rys.12. Styk unipolarny - nakładka z nacięciami skośnymi
Z analizy pomiarów wynika, Ŝe składowa osiowa pola magnetycznego
(rys. 13) najwyŜsze wartości przyjmuje dla styków z nacięciami ukośnymi
(698 mT). Składowa obwodowa (rys. 14) w konstrukcji z nakładką o nacięciach
ukośnych osiąga niŜsze wartości (963 mT) niŜ w nakładkach bez nacięć
80
Krasuski K.
(1060 mT). Wartości składowej promieniowej (rys. 15) są niŜsze od pozostałych
składowych (osiowej, obwodowej).
TABELA 1
Zestawienie wartości minimalnych i maksymalnych składowych pola magnetycznego na
powierzchni nakładek stykowych
Model styku
Składowa osiowa
Unipolarny
posrebrzony
z nakładkami
bez nacięć
Unipolarny
posrebrzony
z nakładkami
ze skośnymi
nacięciami
Składowa obwodowa
Wartość
minimum
[mT]
Wartość
maksimum
[mT]
Wartość
minimum
[mT]
4,8
277,6
353,5
3,8
698,2
340,4
Wartość
maksimum
[mT]
Składowa
promieniowa
Wartość
minimum
[mT]
Wartość
maksimum
[mT]
1060,7
1,6
181,1
963,4
5.6
297.4
Zastosowanie nakładek stykowych z nacięciami skośnymi pozwala na
zwiększenie wartości składowej osiowej przy jednoczesnym obniŜeniu
składowej obwodowej. Kształt nacięć ma istotny wpływ na rozkład pola
magnetycznego na powierzchni stykowej.
Rys. 13. Styk unipolarny- rozkład składowej osiowej. (Nakładki stykowe
z nacięciami skośnymi)
Metoda poprawy rozkładu pola magnetycznego poprzez dobór nacięć ...
81
Rys. 14. Styk unipolarny- rozkład składowej obwodowej (Nakładki stykowe
z nacięciami skośnymi)
Rys. 15. Styk unipolarny- rozkład składowej promieniowej (Nakładki
stykowe z nacięciami skośnymi)
5. WNIOSKI
Z badań wynika, Ŝe składowa osiowa pola magnetycznego powinna
przyjmować równomierny rozkład wartości na powierzchni styku, poniewaŜ ma
decydujący wpływ na równomierność rozkładu łuku dyfuzyjnego na nakładce
82
Krasuski K.
stykowej, i przyczynia się do zwiększenia zdolności wyłączania komory przy
jednoczesnym zmniejszeniu jej wymiarów. Skupienie energii łuku w centralnej
części elektrod powoduje przyspieszone zuŜywanie się styków a co za tym idzie
zmniejsza się trwałość łączeniowa komory próŜniowej. Badania dla róŜnych
konstrukcji
nakładek
stykowych
ułatwią
znalezienie
rozwiązania
zapewniającego równomierny rozkład składowej osiowej. Znaczący wpływ na
kształt łuku dyfuzyjnego ma rodzaj konstrukcji styku, jego gabaryty, precyzja
wykonania konstrukcji oraz kształt i długość nacięć na nakładkach stykowych.
LITERATURA
1.
Cheng Shaoyong et al.: Research on Vacuum Arc Characteristics of a New Electode
Structure Applied in High Voltage Vacuum Interrupter ibid. XXIInd Int. Symp. on
Discharges and Electrical Insulation in Vacuum-Matsue-2006 (B1-P05).
2.
Density and Braking Capacity of Medium Voltage Vacuum Interrupters with Axial Magnetic
Field, XXIst ISDEIV, Yalta, Crimea, 2004, vol. 1, str. 160-165.
3.
DzierŜyński A., Fabiański A., Sibilski H.: Wyłączniki próŜniowe opracowane w Instytucie
Elektrotechniki. Konferencja: ''Łączniki 04'' Pieczyska k/Koronowa, 17-19.05.2002 r.,
Materiały Konferencji, str.9-15.
4.
DzierŜyński A., Sibilski H., Wójcicki S.: New Solution of a Vacuum Circuit Breaker,
Konferencja XXI ISDEIV, vol. 2, str. 415-417,Yalta, Crimea, 2004.
5.
DzierŜyński A., Sibilski H.: Rozkład pola magnetycznego na powierzchni styków
w wyłącznikowych komorach próŜniowych. Konferencja: ''Łączniki 04'' Pieczyska
k/Koronowa, 17-19.05.2002 r., Materiały Konferencji, str. 15-21.
6.
DzierŜyński A.: Komputerowa symulacja rozkładu pól magnetycznych dla róŜnych
rozwiązań styków cewkowych. Dokumentacja techniczna IEl Nr 6570/NWM/03.
7.
Hartmann W. at al.: AMF Vacuum Arc at Contact Seperation. ISDEIV XXI, 2004. str. 450.
8.
Krasuski K, DzierŜyński A, Sibilski H: Rozkład pola magnetycznego pomiędzy stykami
w komorach próŜniowych wyłączników, Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki
i Automatyki Politechniki Gdańskiej nr 24 2008, str. 83-88, Politechnika Gdańska 2008.
9.
Mitsutaka Homma et al.: Physical and theoretical Aspects of a New Vacuum Arc Control
Technology – Self Arc Diffusion by Electrode: SADE, IEEE Transactions on Plasma
Science, vol. 27, No 4, 1999, str. 961-968.
10. Schulman M. B., Slade P. G.: Research and Development of the Vacuum Interrupter and
Vacuum Circuit Breaker: 1929 – 1997, Cutler-Hammer Report VI-TM-97-07, Horseheads,
NY 1997.
11. Shkol’nik S.M., Afanas’ev V.P., Barinov Yu.A., Chaly A., Logatchev A.A., Malakohovsky
S.I., Poluyanova I.N., Zabello K.K.: Distribution of cathode Current Density and Breaking
Capacity of Medium Voltage Vacuum Interrupters with Axial Magnetic Field. 19th Int.
Symp. On Discharges and electrical Insulation In Vacuum-Yalta, Crimea, 2004 Slade P.G.:
The Vacuum Interrupter, Theory, Design and Application, CRC Press, Taylor &Francis
Group, 2008, ISBN 078-0-8493-9091-3.
12. Hartamann W., et al.: AMF Vacuum Arcs at Large Contact Separation. Tavrida Electric,
Yalta, 2004 .
Metoda poprawy rozkładu pola magnetycznego poprzez dobór nacięć ...
83
13. Xia Shixin et al.: Analysis of Axial Manetic Field electrode applied to high voltage Vacuum
Interrupters, XXIInd ISDEIV, Matsue 2006, 1-4244-0192-5/06.
14. Yoshiko Matsui et al.: Analysis and Measurement of Axial Magnetic Field in Vacuum
Interrupter, XIXth ISDEIV, Xi’an, China 2000, 0-7803-5791-4/00.
15. Zhiyuan Liu et al.: An Interrupting Capacity Model of Axial Magnetic Field Vacuum
Interrupters with Slot Type Contacts, ibid, XXIInd Int. Symp. on Discharges and Electrical
Insulation in Vacuum-Matsue-2006 (B4-P03).
16. Zhiyuan Liu et al.: Analysis of Axial Magnetic Field of Slot Type Axial Magnetic Field
Contacts with Iron Plates, XXIInd Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in
Vacuum-Matsue-2006 (B4-P01).
17. Zhongyi Wang et al.: Comparison of Axial Magnetic field Characteristics of Four Axial
Magnetic Field Vacuum Interrupter Contacts, ibid. XXIInd Int. Symp. on Discharges and
Electrical Insulation in Vacuum-Matsue-2006 (B4-P016).
18. Babiuch M., Schmidt P., Sołek M.: Układ o pomiaru wielkości elektrycznych
i mechanicznych w Stacji Wielkich Mocy. Prace Instytutu Elektrotechniki, zeszyt 210, 2002.
19. Kwiatkowski B.: Rozkład pola magnetycznego pomiędzy stykami w wyłącznikowych
komorach próŜniowych. Rozprawa Doktorska, Instytut Elektrotechniki, 2006
Rękopis dostarczono dnia 3.11.2008 r.
Opiniował: prof. dr hab. inŜ. Jan SIKORA
THE METHOD OF IMPROVEMENT OF SCHEDULE
MAGNETICAL FIELD ACROSS SELECTION OF INCISIONS
IN UNIPOLAR CONTACTS
Krzysztof KRASUSKI
ABSTRACT
The paper presents results of measurements and
calculations of the magnetic field distribution on models of unipolar
contacts of HV vacuum chambers. For the sake of measurements the
model contacts were short-circuited by means of a copper cylinder
10mm dia. The magnetic field was measured using a system of
3 coils; the results were recalculated for 50 kArms