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:krasuski@iel.waw.pl 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 3 A/m 2 do 1.4*10 6 A/m 2. 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. 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 Unipolarny posrebrzony z nakładkami bez nacięć Unipolarny posrebrzony z nakładkami ze skośnymi nacięciami Składowa osiowa Składowa obwodowa Składowa promieniowa Wartość minimum [mt] Wartość maksimum [mt] Wartość minimum [mt] Wartość maksimum [mt] Wartość minimum [mt] Wartość maksimum [mt] 4,8 277,6 353,5 1060,7 1,6 181,1 3,8 698,2 340,4 963,4 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 ka rms