Krzysztof KRASUSKI POLE MAGNETYCZNE POMIĘDZY STYKAMI KOMÓR PRÓŻNIOWYCH STRESZCZENIE Artykuł zawiera wyniki pomiarów i obliczeń rozkładu pola magnetycznego pomiędzy stykami cewkowymi stosowanymi w komorach próżniowych wyłączników wysokiego napięcia. Do pomiarów styki zostały zwarte prętem o średnicy 10 mm Wyniki przeliczono dla prądu o wartości 50 ka, 50 Hz (wartość skuteczna).. Słowa kluczowe: komora próżniowa, styk cewkowy, pole magnetyczne 1. WSTĘP Pierwsze wyniki badań opisujące układy stykowe komór próżniowych z osiowym polem magnetycznym AMF (Axial Magnetic Field) opublikowano w 1967 roku [1]. Stwierdzono, że zastosowanie styków z polem AMF pozwoliło na zwiększenie zdolności łączeniowej komory o 50-100%. Dalsze badania [2-5] umożliwiły opisanie zjawisk zachodzących na powierzchni nakładek styków podczas pracy komory próżniowej. Prace [6-20] prowadzone w różnych ośrodkach naukowych na świecie wykazały, że przez zapewnienie równomiernego rozkładu pola magnetycznego pomiędzy stykami można uzyskać jednakową gęstość łuku dyfuzyjnego na powierzchni styków i tym samym zmniejszyć miejscowe zużywanie się styków. Na rozkład pola magnetycznego istotny wpływ ma konstrukcja i ustawienie styków względem siebie oraz kształt nacięć na nakładkach stykowych. Inż. Krzysztof KRASUSKI e-mail:krasuski@iel.waw.pl Zakład Wielkich Mocy Instytut Elektrotechniki PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 243, 2009
70 K. Krasuski W niniejszym artykule zamieszczono wyniki obliczeń i pomiarów rozkładu pola na powierzchniach styków cewkowych. Wykonano pomiary dla trzech składowych (osiowej, obwodowej i promieniowej) pola magnetycznego. W obliczeniach gęstości prądu wykorzystano oprogramowanie Maxwell 3D. Prowadzone badania w różnych ośrodkach z zastosowaniem rozbieralnych komór próżniowych pozwoliły wykazać, że 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 pobliżu maksymalnej wartości prądu tworzy się na krótko łuk skupiony, który powoduje wypalanie elektrod. Składowa promieniowa pola magnetycznego wypycha łuk na obrzeża styków. Prowadzone badania mają na celu porównanie rozkładu pola na powierzchni nakładek stykowych w różnych konstrukcjach i ustawieniach styków względem siebie. Opracowana metoda pomiaru ma pomóc w znalezieniu optymalnych rozwiązań konstrukcyjnych styków. 2. WYNIKI OBLICZEŃ GĘSTOŚCI PRĄDU W STYKU CEWKOWYM Poniżej przedstawiono wyniki obliczeń rozkładu gęstości prądu na powierzchni nakładki w styku cewkowym przy prądzie znamionowym 1250 A, 50 Hz wykonanych za pomocą programu Maxwell 3D. Model obliczeniowy o średnicy 60 mm został opracowany w oparciu o styk przedstawiony na rysunku 1. Rys. 1. Rozkład gęstości prądu w styku cewkowym
Pole magnetyczne pomiędzy stykami komór próżniowych 71 Jak wynika z obliczeń gęstość prądu zawiera się w przedziale od 3.64*10 5 A/m 2 do 1.19*10 6 A/m 2. Obliczenia wykonano z nakładkami stykowymi o grubości 5 mm bez nacięć. Z przedstawionego rysunku wynika, że największa gęstość prądu występuje w pobliżu wyjść z konstrukcji stykowej na nakładkę. Kształt wyjścia może wpływać na rozkład natężenia pola magnetycznego na powierzchni nakładki stykowej. 3. POMIARY POLA MAGNETYCZNEGO NA POWIERZCHNI STYKU ZA POMOCĄ UKŁADU SOND Do pomiaru rozkładu składowych pola magnetycznego zastosowano stanowisko, umożliwiające badanie różnych konstrukcji styków (rys. 2, 3). Rys. 2. Schemat układu pomiarowego Wartości indukowanego w cewkach napięcia kształtują się w zakresie od 0.1 mv do 10 mv przy prądzie ok. 400 A. W związku z tym należy ograniczyć wpływy czynników zewnętrznych, które mogły by zakłócić wyniki pomiaru. Z tego względu przygotowano tory pomiarowe odpowiednio oddalone od cewek mierzących. Obliczone na podstawie pomiarów wartości indukcji magnetycznej przeliczano dla prądu zwarciowego 50 ka.
72 K. Krasuski Rys. 3. Układ pomiarowy do badania rozkładu pola magnetycznego na powierzchni nakładek stykowych Cewki pomiarowe poruszano za pomocą silniczka elektrycznego wzdłuż promienia w kierunku środka styku potencjometrem połączonym mechanicznie z cewkami rejestrowano położenie cewek względem środka styku. Rys. 4. Rozkład punktów pomiarowych na powierzchni nakładki stykowej Układ cewek wraz z potencjometrem można przestawiać co 3.75 a tym samym mierzyć pole na całej powierzchni styków (rys. 4). Dotychczas wykonane liczne pomiary wykazały, że zmiana rezystancji przejść lutowniczych od poszczególnych elementów styku do nakładki (pomiędzy stykiem i nakładką) ma istotny wpływ na rozkład pola magnetycznego. Możliwe jest tym samym sprawdzenie styku przed instalowaniem w komorze próżniowej czego do tej pory nie wykonywano.
Pole magnetyczne pomiędzy stykami komór próżniowych 73 4. WYNIKI BADAŃ ROZKŁADU POLA MAGNETYCZNEGO W CEWKOWYM UKŁADZIE STYKOWYM W ramach prac badawczych przeprowadzono pomiary rozkładu składowych (osiowej, obwodowej, promieniowej) pola magnetycznego na powierzchni nakładki styku cewkowego (rys. 5.) w ustawieniu zaprezentowanym na rysunku 6. Rys. 5. Styk cewkowy Rys. 6. Widok układu pomiarowego z zamontowanymi stykami cewkowymi
74 K. Krasuski Do pomiarów styki zostały zwarte prętem o średnicy 10 mm. Wyniki przeliczono dla prądu o wartości 50 ka, 50 Hz (wartość skuteczna). Na rysunkach. 7, 8, 9 przedstawiono rozkład trzech składowych pola magnetycznego na powierzchni styku cewkowego :osiowej, obwodowej, promieniowej. Z analizy pomiarów wynika, że składowa osiowa pola magnetycznego przyjmuje wartości od 8 mt do 139 mt (rys. 7). Składowa obwodowa wynosi od 332 mt na obrzeżu styku do 850 w pobliżu centrum nakładki stykowej (rys. 8). Składowa promieniowa jest równomiernie rozłożona na powierzchni nakładki stykowej i zawiera się w przedziale od 24 mt do 242 mt (rys. 9). Decydujący wpływ na rozkład łuku podczas zwarcia w przypadku prezentowanych styków ma składowa promieniowa. Komory próżniowe wyposażone w styki z promieniowym polem magnetycznym stosowane są w wyłącznikach niskiego napięcia. Dopiero badania wykonane w rozbieralnej komorze próżniowej w warunkach wyłączania prądu zwarciowego umożliwią wyznaczenie rozkładu mikroplamek przez które przepływa prąd na powierzchni nakładki stykowej. Rys. 7. Rozkład składowej osiowej na powierzchni nakładki styku cewkowego
Pole magnetyczne pomiędzy stykami komór próżniowych 75 Rys. 8. Rozkład składowej obwodowej na powierzchni nakładki styku cewkowego Rys. 9. Rozkład składowej promieniowej na powierzchni nakładki styku cewkowego
76 K. Krasuski 5. WNIOSKI W Zakładzie Wielkich Mocy przeprowadzane są pomiary rozkładu składowych pola magnetycznego dla różnych konstrukcji stykowych. W komorach próżniowych średniego napięcia powszechnie stosowany jest cewkowy układ stykowy. Kształt styków determinuje równomierny rozkład stóp łuku po powierzchni nakładki. Zastosowanie nakładki z otworem w jej centrum uniemożliwia powstawanie skupionego łuku w środku styku. Gęstość prądu na powierzchni nakładki stykowej jest znacznie niższa od 2*10 6 A/m 2 co zapobiega nadmiernemu nagrzewaniu się styków. W następnym etapie przewiduje się wykonanie badań zdolności łączenia prądu zwarciowego w rozbieralnej komorze próżniowej w celu sprawdzenia sposobu gaszenia łuku w funkcji czasu przepływu prądu. Podczas tych badań wykonywane zostaną zdjęcia łuku dyfuzyjnego kamerą szybką i po odpowiedniej obróbce komputerowej sporządzony zostanie rozkład mikroplamek na powierzchni nakładki stykowej w różnych chwilach czasowych. Badania umożliwią sprawdzenie rozkładu mikroplamek łuku dyfuzyjnego podczas wyłączania prądu zwarciowego w obszarze granicznej zdolności wyłączalnej wyłącznika w całym przedziale półfali prądu wyłączalnego. Z uwagi na złożoną specyfikę rozkładu stóp łuku dyfuzyjnego podczas zwarcia jedynie próby w warunkach rzeczywistych pozwolą na wiarygodną ocenę właściwości łączeniowych badanego układu stykowego. LITERATURA 1. T. Ito, T. Okura. "High current interruption phenomena in vacuum interrupters", Mitsubishi Denki Giro, 41, 1967. 2. C.W. Kimblin, R. Voshall. "Interrupting ability of vacuum interrupters subjected to axial magnetic field", IEEE Proc. Vol.119, No 12, 1972 3. O. Morimiya et al. "High current vacuum arcs stabilized by axial magnetic fields", IEEE PES Winter meeting, New York, 1973 4. W. G. J. Rondeel, J. Foosnas. "The energy balance of a vacuum arc in an axial magnetic field", ISDEIV, p. 312, 1976 5. H.C.W. Gundlach. "Interaction on between a vacuum arc and an axial magnetic field", ISDEIV, p. A2, 1978. 6. 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,
Pole magnetyczne pomiędzy stykami komór próżniowych 77 7. 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, s. 961-968, 1999. 8. Yoshiko Matsui et al.: Analysis and Measurement of Axial Magnetic Field in Vacuum Interrupter, XIXth ISDEIV, Xi an, 0-7803-5791-4/00, China 2000 9. M. Babiuch, P. Schmidt, M. Sołek :"Układ o pomiaru wielkości elektrycznych i mechanicznych w "Stacji Wielkich Mocy "" - Prace Instytutu Elektrotechniki, zeszyt 210, 2002. 10. A. Chaly: Magnetic Control Of High Current Vacuum Arcs With The Aid Of an Axial Magnetic Field - Review Moscow, Russia, ISDEIV XXI page 142. Yalta, Crimea, 2004. 11. W. Hartmann at al.: AMF Vacuum Arc at Contact Seperation, ISDEIV XXI, p. 450. Yalta, Crimea, 2004. 12. Xia Shixin et al.: Analysis of Axial Manetic Field electrode applied to high voltage Vacuum Interrupters, XXIInd ISDEIV, 1-4244-0192-5/06, Matsue 2006. 13. R. Parashar, A. Baker, A. Sitzia. : Challenges For Vacuum Interrupter Design, XXIInd Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum-Matsue-2006 14. 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). 15. 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). 16. 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). 17. B Kwiatkowski Rozkład pola magnetycznego pomiędzy stykami w wyłącznikowych komorach próżniowych Rozprawa Doktorska, Instytut Elektrotechniki, 2006. 18. W. Hartmann, A. Lawall, R. Renz, N. Wenzel W. Wietzorek Experimental Investigations on Cathode Spots and Dynamical Vacuum Arc Structure in an Axial Magnetic Field, XXIII-rd Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum Bucharest 2008. 19. Zongqian Shi, Shenli Jia, Xiaochuan Song, Zhigang Liu, Hong Dong, and Lijun Wang, The influence of axial magnetic field distribution on high-current vacuum arc, XXIII-rd Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum Bucharest 2008. 20. Zongqian Shi, Shenli Jia, Hong Dong, Zhigang Liu, Xiaochuan Song, and Lijun Wang.: Initial expansion process in triggered vacuum arc under different axial magnetic field distributions, XXIII-rd Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum Bucharest 2008. 21. J.-C. Lee1, S.-H. Cho, H.-G. Lee, M.-J. Choi, J.-R. Kwon and Y.-J. Kim 3-D Numerical Analysis of Diffuse Vacuum Arcs with an Axial Magnetic Field, XXIII-rd Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum Bucharest 2008. 22. Krasuski K, Dzierżyński A, Sibilski H: Rozkład pola magnetycznego pomiędzy stykami w komorach próżniowych wyłączników, Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej nr 24 2008, strony 83-88, Politechnika Gdańska 2008 23. Krasuski K Metoda poprawy rozkładu pola magnetycznego poprzez dobór nacięć w nakładkach stykowych Prace Instytutu Elektrotechniki 2008. Z. 238, s. 71-83. 24. Slade P.G.: The Vacuum Interrupter, Theory, Design and Application, CRC Press, Taylor &Francis Group, 2008, ISBN 078-0-8493-9091-3
78 K. Krasuski 25. Kulkarni Sandeep, Rajan Suresh, Andrews Lalichan, Rajhans Rupesh, Joy Thomas M An investigation into the dependence of the arc voltage on the parameters of the short-circuit current and the design of the vacuum interrupter, XXIII-rd Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum Bucharest 2008. 26. Kato Katsumi, Kaneko Shuhei, Okabe Shigemitsu, Okubo Hitoshi, Optimization technique for electrical insulation design of vacuum interrupters, IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation, n 5, 2008. 27. Szymański A, Grodziński A, Krasuski K Układ stykowy do próżniowej wyłącznikowej komory gaszeniowej, Elektronika 1/2009. s 23-26. Rękopis dostarczono, dnia 27.10.2009 r. Opiniował: doc. dr hab. inż. Jan Iwaszkiewicz MAGNETICAL FIELD BETWEEN CONTACT OF VACUUM CHAMBER K. KRASUSKI ABSTRACT The paper presents results of measurements and calculations of the magnetic field distribution on models of coil 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