Badania styków z osiowym polem magnetycznym w rozbieralnej komorze próŝniowej.

Transkrypt

1 Badania styków z osiowym polem magnetycznym w rozbieralnej komorze próŝniowej. prof. dr hab. inŝ. Henryk Sibilski (1), dr inŝ. Andrzej DzierŜyński (1), dr inŝ. Przemysław Berowski (1), mgr inŝ. Artur Hejduk (1), inŝ. Krzysztof Krasuski (1) Andrzej Grodziński (2), Andrzej Szymański (2) (1) Instytut Elektrotechniki, (2) Instytut Tele- i Radiotechniczny WSTĘP Prezentowany artykuł zawiera wyniki badań łączeniowych styków unipolarnych generujących osiowe pole magnetyczne (AMF). Badania prowadzone w róŝnych ośrodkach dowodzą, Ŝe osiowe pole magnetyczne powinno mieć moŝliwie równomierny rozkład na całej powierzchni styku. Ma to wpływ na równomierność rozkładu łuku dyfuzyjnego na nakładkach stykowych, przyczynia się do zwiększenia zdolności wyłączeniowej komory, a jednocześnie pozwala na zmniejszenie jej wymiarów. Przeciwnie, skupienie łuku w centralnej części elektrod powoduje przyspieszone zuŝywanie się styków przez co zmniejsza się trwałość łączeniowa komory próŝniowej. W prowadzonym w ramach konsorcjum projekcie badawczym w Instytucie Elektrotechniki przeprowadzone są badania zwarciowe układów stykowych w rozbieralnej komorze próŝniowej opracowanej wspólnie z Instytutem Tele-Radiotechnicznym. Próby wykonane były podczas otwierania styków przy prądzie od 4 ka do 16 ka, przy częstotliwości przemysłowej.. Badania łączeniowe wykonano w układzie LC korzystając z baterii kondensatorów i układu dławików wielkoprądowych. Zdjęcia podano obróbce numerycznej w celu określenia rozkładu stóp łuku na powierzchni nakładek stykowych. Pomiary maja na celu sprawdzenie wpływu kształtu nacięć na nakładkach stykowych na postać łuku pomiędzy stykami. Wyniki pomiarów posłuŝą do zaprojektowania nowych modeli styków. Badania z zastosowaniem róŝnych konstrukcji nakładek stykowych ułatwią znalezienie rozwiazania optymalnego. STANOWISKO BADAWCZE Badania łuku dyfuzyjnego prowadzono w rozbieralnej komorze próŝniowej, w której zastosowano styki unipolarne o średnicy 65 mm, z promieniowymi nacięciami nakładek (rys 3). Skok styków ustawiono na 10 mm. Układ probierczy stanowiła bateria kondensatorów o energii 275 kj. Przy napięciu ładowania baterii kondensatorów 10,8 kv układ pozwala osiągnąć prąd łączeniowy około 16 ka o częstotliwości przemysłowej. Otwieranie styków komory próŝniowej inicjowano po załączeniu pomocniczego wyłącznika próŝniowego. Pomiary napięcia i prądu podczas badań zwarciowych były wykonywane bezpośrednio na zaciskach komory. Do pomiaru prądu zastosowano bocznik wielkoprądowy umoŝliwiający pomiar prądu zwarcia do 40 ka przez 10 ms. trwania prądu zwarciowego. Napięcie powrotne rejestrowano za pośrednictwem dzielnika napięcia. Do pomiaru względnego ruchu styków zastosowano potencjometr rezystancyjny. Do rejestracji pomiarów wykorzystano 12-bitowy szesnastokanałowy rejestrator napięcia. Niepewność układu pomiarowego wynosi ± 2% wartości mierzonej wielkości.. Obrazy łuku elektrycznego zapisywano ultraszybką, telewizyjną, kamerą cyfrową. Układ probierczy umoŝliwia badania styków komór próŝniowych styczników i wyłączników średniego napięcia o zdolności łączeniowej do 16 ka. PowyŜej tej wartości prądu zwarciowego badania wykonuje się w układzie z generatorem zwarciowym.

2 WYNIKI BADAŃ Fotogramy łuku dyfuzyjnego wykonano za pomocą ultraszybkiej kamery Photron (rys. 1) o prędkości 5400 fps (klatek na/sekundę) z rozdzielczością 1024x1024 oraz kamery HISPEC (5000 fps z rozdzielczością 480x216). Rys 1. Rejestracja fotogramów kamerą z prędkością 5400 fps. przy rozdzielczości 1024x1024. Fig 1.Recording with a high speed camera (Speed 5400 fps, resolution1024x1024 ). Przeprowadzone obserwacje łuku dyfuzyjnego umoŝliwiają zbadanie rozwoju wyładowania łukowego w trakcie rozchodzenia się styków w komorze próŝniowej. Rozwój wyładowania moŝna badać dla styków róŝnej konstrukcji z róŝnymi nacięciami nakładek stykowych. Przedstawione niŝej wyniki badań łuku wykonano z zastosowaniem styków unipolarnych ¼ (rys. poniŝej) z nacięciami promieniowymi na nakładkach. Styk unipolarny- model. Styk ruchomy Styk nieruchomy Unipolar contact model. Movable contac t. Stationary contact. Rys. 2. Styki po próbach zwarciowych. Fig 2. Contacts after short-circuit tests. Fotogramy rozwijającego się łuku pomiędzy rozchodzącymi się stykami w komorze próŝniowej wykonywano co 185 µs. przy czym łuk obserwowano do chwili przejścia prądu łuku przez maksimum. Na załączonych fotogramach widoczne są stopy łuku po stronie katody punkty widoczne u góry na fotogramach. Po zmianie polaryzacji wyładowania łukowego czyli podczas wystąpienia ujemnej półfali prądu łuku stopy łuku tworzą się po stronie dolnego styku. Widoczne to jest na fotogramach pokazanych poniŝej. Widać równieŝ. Ŝe proste nacięcia promieniowe nakładki stykowej (rys. 3) nie zapewniają równomiernego rozkładu łuku dyfuzyjnego.

3 Rys. 3. Fotogramy wyładowania łukowego po zmianie polaryzacji prądu łuku. Fig 3. Electric arc photographs after the current polarity change. Po dokonaniu obróbki komputerowej fotogramów moŝna uzyskać duŝo wyraźniejszy obraz łuku dyfuzyjnego (rys 4). Ostrzejsze są teŝ kontury styków. a Rys 4. Fotogramy wyładowania łukowego przed obróbką (a) i po obróbce cyfrowej (b). Fig 4. Electric arc photographs before (a) and after the computer correction (b). b Dla porównania wykonano równieŝ badania łuku z zastosowaniem kamery szybkiej z rozdzielczością 480x216 przy prądzie łączeniowym 16 ka Rys. 5. Fotogramy rejestrowane co 194 µs, rozdzielczość 480x216 przy prądzie 16 ka. Fig 5. Photographs recorded every 194 µs, resolution 480x216 at 16 ka.

4 WNIOSKI Jak wynika z zaprezentowanych fotogramów łuku dyfuzyjnego pomiędzy stykami o nacięciach promieniowych nakładek (rys. 6) rozmieszczenie łuku na powierzchni styków nie było równomierne. To moŝna było równieŝ zauwaŝyć po wyjęciu styków z rozbieralnej komory próŝniowej; nie równy był stopień zuŝycia powierzchni nakładki stykowej. Podczas dalszych prac będą zmieniane kształty nacięć na nakładkach stykowych oraz badania innej konstrukcji styków. Zbadany zostanie wpływ innych kształtów nacięć nakładek stykowych na rozkład łuku pomiędzy stykami w polu osiowym (AMF), a takŝe zostanie zbadana zdolność łączeniowa róŝnych styków o polu radialnym (RMF). Wyniki badań będą wykorzystane do opracowania komór próŝniowych na napięcie znamionowe 7,2 kv i prąd znamionowy 630 A i 1250 A, przy prądzie wyłączalny do 25 ka i załączanym 63 ka. Badania wykonywane są w ramach projektu POIG, pod działanie p.t. Opracowanie nowej generacji łączników dla dystrybucji energii elektrycznej średniego napięcia. Literatura 1. A. Klajn: Właściwości wyładowania łukowego w próŝni w warunkach wymuszonego wyłączania prądu Prace Naukowe Instytutu Energoelektryki Politechniki Warszawskiej. Monografia, 310 stron, K. Krasuski, A. DzierŜyński, H. Sibilski: Rozkład pola magnetycznego pomiędzy stykami w komorach próŝniowych wyłączników Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej, Zeszyt nr 24/2008, str , J. Janiszewski, R. Batura: Emisja materiału elektrod łączników próŝniowych podczas procesów łączeniowych, Przegląd Elektrotechniczny, 10/2008, str , J. Janiszewski, K. Józefowicz: Oddziaływanie elektrycznego łuku łączeniowego na powierzchnie zestyków łączników próŝniowych, Przegląd Elektrotechniczny, 10/2008, str P.G. Slade.: The Vacuum Interrupter, Theory, Design and Application, CRC Press, Taylor &Francis Group, 528 pages, K. Krasuski The influence of contact setting on the magnetic flux density distribution, Eletrotechnical Institute Publishing House Recent Advances in Numerical Modelling, Power Electronics, Part 1, pp 10-24, A. Grodziński, A. Szymański, K. Krasuski: Układ stykowy do próŝniowej wyłącznikowej komory gaszeniowej, Elektronika Konstrukcje, Technologie, Zastosowania, nr 1/2009. str , A. Grodziński, A. Szymański, H. Sibilski, A. DzierŜyński, K. Krasuski: PróŜniowe komory wyłącznikowe, Elektronika Konstrukcje, Technologie, Zastosowania, nr , str , K. Krasuski: Porównanie modeli numerycznych i fizycznych styków komór próŝniowych, Prace Instytutu Elektrotechniki, Zeszyt nr 246, str , H. Sibilski, A. DzierŜyński, K. Krasuski, A.Hejduk, A. Grodziński, A. Szymański: Badanie właściwości magnetycznych styków komór próŝniowych, Materiały konferencyjne Łączniki 2010 Pieczyska, str 7-16, 2010.

5 BADANIA STYKÓW Z OSIOWYM POLEM MAGNETYCZNYM W ROZBIERALNEJ KOMORZE PRÓśNIOWEJ. AMF CONTACT RESEARCH IN A DISMOUNTABLE VACUUM CHAMBER Streszczenie Artykuł zawiera wyniki badań łączeniowych styków unipolarnych ze składową osiową indukcji magnetycznej. Rozkład stóp łuku dyfuzyjnego na nakładce stykowej, przyczynia się do zwiększenia zdolności łączeniowej 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. W rozbieralnej komorze próŝniowej przeprowadzono badania łuku na powierzchni nakładek styków podczas wyłączania prądu od 4 ka do 16 ka, 60 Hz. Próby łączeniowe wykonano w układzie LC korzystając z baterii kondensatorów i układu dławików wielkoprądowych. Zarejestrowane zdjęcia łuku łączeniowego podano obróbce numerycznej w celu uwidocznienia rozkładu stóp łuku na krawędziach nakładek stykowych. Prezentowane wyniki badań będą wykorzystane do opracowania komór próŝniowych na napięcie znamionowe 7.2 kv i prąd znamionowy 630A i 1250A. Projekt realizowany jest w POIG, pod działanie p.t. Opracowanie nowej generacji łączników dla dystrybucji energii elektrycznej średniego napięcia, nr umowy UDA-POIG / Słowa kluczowe: komora próŝniowa, osiowe pole magnetyczne, łuk elektryczny, nakładki stykowe Abstract The paper presents the results of the switching capacity research of unipolar contacts generating axial magnetic fields (AMF). The distribution of cathode spots over the contact plate surface increases VC switching capacity and allows to decrease its dimensions. On the contrary, concentration of the arc energy in the central part of the contacts results is early contact erosion and lowers the switching endurance of the vacuum chamber. Switching are research was conducted in a dismountable vacuum chamber at currents 4 ka 16 ka, 60 Hz, generated in a LC-circuit. Photographs were recorded using ultra high speed computercoupled camera. The photos were numerically corrected to display cathode spots over the contact surface. The results will be used in the development of VC for 7,2 kv, 630 A and 1250 A nominal values. The project was funded by POIG, sub-subject Elaboration of a new generation medium voltage vacuum circuit breaker for energy distribution Project No. UDA-POIG / Key words: vacuum chamber, axial magnetic field, electric arc, contact plates