pole magnetyczne pomiędzy stykami komór próżniowych

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:[email protected]
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*105 A/m2 do 1.19*106 A/m2. 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
Rys. 8. Rozkład składowej obwodowej na powierzchni nakładki styku cewkowego
Rys. 9. Rozkład składowej promieniowej na powierzchni nakładki styku cewkowego
75
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*106 A/m2 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 kArms