Instytut Elektrotechniki Wyniki badań przeprowadzonych w II kwartale 2010 w ramach projektu „Opracowanie nowej generacji łączników dla dystrybucji energii elektrycznej średniego napięcia” Andrzej Dzierżyński, Andrzej Grodziński, Artur Hejduk, Krzysztof Krasuski, Henryk Sibilski, Andrzej Szymański

Badania styków z osiowym polem magnetycznym Zadanie 2 Opracowanie i wykonanie układów stykowych dla próżniowych komór wyłącznikowych na napięcie znamionowe 7,2 kV i prądy znamionowe 630 i 1250A. Wyznaczanie kształtu nacięć na nakładkach stykowych, wykonanie nakładek stykowych do badań Zadanie 3 Badania układów stykowych dla komór wyłącznikowych na napięcie 7,2 kV i prądy znamionowe 630 i 1250 A Badania wpływu kształtu nacięć nakładki stykowej na rozkład pola magnetycznego styków komór wyłącznikowych . 2

Badania styków z osiowym polem magnetycznym Zadanie 2 Opracowanie i wykonanie układów stykowych dla próżniowych komór wyłącznikowych na napięcie znamionowe 7,2 kV i prądy znamionowe 630 i 1250A . Przedstawione symulacje komputerowe rozkładów gęstości prądowych dla trzech rodzajów styków generujących osiowe pole magnetyczne i wyniki pomiarów indukcji pola magnetycznego na powierzchni różnych konstrukcji stykowych, przeprowadzone w Instytucie Elektrotechniki, umożliwiają wybranie optymalnego rodzaju styków do dalszych prac badawczych i zastosowania w komorach wyłącznikowych. 3

Badania rozkładu przyrostów temperatury dla prądu zwarciowego 50 kA ) Badania rozkładu przyrostów temperatury dla prądu zwarciowego 50 kA a) b) c) Styki komór próżniowych generujące osiowe pole magnetyczne: a) styk bipolarny, b) styk kwadropolarny, c) styki unipolarny a) b) c) Rozkład gęstości prądu zwarciowego (50 kA)(25 kA, 50 Hz, 10 ms) przez styki a) bipolarny, b) kwadropolarny, c) unipolarny

Badania rozkładu przyrostów temperatury dla prądu zwarciowego 50 kA Analiza symulacji komputerowych programie Maxwell 3D rozkładów gęstości prądowych dla trzech rodzajów styków generujących osiowe pole magnetyczne wykazała, że najlepszym najkorzystniejsze wyniki przyrostów temperaturowych podczas przepływu znamionowego prądu ciągłego osiągnięto w styku unipolarnym. Styki takie stanowią gwarancję, że podczas przewodzenia prądu znamionowego komora wyłącznikowa z nimi nie powinna stanowić głównego źródła wydzielonego ciepła, szczególnie przy dużym docisku zewnętrznym styków a decydujące będą połączenia zewnętrzne komory z torami głównymi wyłącznika.

Badania rozkładu indukcji magnetycznej na powierzchni nakładki stykowej a) b) c) Styki komór próżniowych generujące osiowe pole magnetyczne: a) styk bipolarny, b) styk kwadropolarny, c) styki unipolarny a) b) c) Rozkład składowej osiowej wektora indukcji magnetycznej a) styk bipolarny, b) styk kwadropolarny, c) styki unipolarny

Następnym kryterium wyboru rodzaju styków dla komór wyłącznikowych jest wartość indukcji pola magnetycznego oraz jej rozkład na powierzchni nakładek stykowych podczas przepływu prądu probierczego. Analizując przedstawione wyniki należy stwierdzić, że największe wartości składowej osiowej indukcji magnetycznej osiągnięto przy użyciu styków bipolarnych a najmniejsze stosując styki kwadropolarne. Natomiast biorąc pod uwagę równomierność rozkładu składowej osiowej na powierzchni nakładek stykowych, najlepsze wyniki osiągnięto dla styków unipolarnych. Jeszcze dwa czynniki powinny być wzięte pod uwagę przy ocenie styków: ekonomiczny i technologiczny. Najtrudniejsze w wykonaniu a zarazem najdroższe w wykonaniu były styki bipolarne, dwa pozostałe rodzaje reprezentują ten sam poziom trudności wykonania i kosztów.

Podsumowując wszystkie czynniki decydujące o wyborze rodzaju styków, należy stwierdzić, że optymalnym rozwiązaniem jest wybór styków unipolarnych ze względu na: najlepszy rozkład temperatury i najmniejszy jej przyrost w miejscach łączeń styków z nakładkami przy przepływie znamionowego prądu ciągłego, - najlepszy rozkład składowej osiowej wektora indukcji magnetycznej na powierzchni nakładki stykowej, łatwość wykonania i niski jego koszt. Pewnym mankamentem jest nie za wysoka wartość składowej osiowej indukcji pola magnetycznego a w celu poprawy tego parametru należy zminimalizować wpływ prądów wirowych w nakładkach stykowych poprzez wykonanie na nich odpowiednich nacięć.

Wyznaczenie kształtu nacięć na nakładkach stykowych. Wykonanie nakładek Geometria układu styków powoduje powstanie pola magnetycznego w przestrzeni międzystykowej podczas rozwarcia styków i wyłączania prądu zwarciowego. Równocześnie, zgodnie z regułą Lenza, zmienne pole magnetyczne w przestrzeni pomiędzy stykami powoduje wzbudzenie w nakładkach stykowych prądu wirowego, którego kierunek jest taki, że wytworzone przez ten prąd pole magnetyczne powoduje przeciwdziałanie przyczynie jego działania, czyli powoduje osłabienie pierwotnego, z przestrzeni miedzystykowej, pola magnetycznego. W celu przeciwdziałania niepożądanym skutkom prądów wirowych, należy osłabić ich działanie poprzez zwiększenie rezystancji obwodu, w którym ten prąd płynie. Taką możliwość w układach stykowych daje wydłużenie drogi prądu poprzez wprowadzanie w nakładkach stykowych nacięć o różnych kształtach. Ocena skuteczności różnych nacięć nakładek możliwa jest poprzez porównawcze zbadanie ich wpływu na wartości składowych indukcji magnetycznej.

W tym celu zaprojektowane zostały styki o przewidywanej konstrukcji i wielkości dla prądu znamionowego ciągłego 1250A oraz cztery rodzaje nakładek stykowych, w tym jedna para bez nacięć, stanowiąca punkt odniesienia do porównań. Na rysunku pokazano dwa rodzaje podstaw stykowych, jedna podstawa stykowa wykonana została bez możliwości zastosowania ceramicznej wkładki wzmacniającej a druga z wkładką ceramiczną. Przewidziane są badania dla obu rodzajów podstaw stykowych w celu sprawdzenia, czy wprowadzenie wkładki ceramicznej ma wpływ na wartości składowych indukcji magnetycznej. Podstawy styków unipolarnych Ф65mm do montażu: a) bez wkładki wzmacniającej, b) z wkładką wzmacniającą ceramiczną

Rodzaje nacięć nakładek i ich usytuowanie na podstawach stykowych

Stanowisko do pomiaru składowych indukcji pola magnetycznego, Badania wpływu kształtu nacięć nakładki stykowej na rozkład pola magnetycznego styków komór wyłącznikowych Stanowisko do pomiaru składowych indukcji pola magnetycznego, rejestrator, notebook z programem WinHioki

Schemat układu do pomiaru rozkładu indukcji pola magnetycznego, generowanego pomiędzy stykami przez prąd zwarciowy

1 – cewka mierząca składową promieniową indukcji 2 - cewka mierząca składową obwodową indukcji 3 - cewka mierząca składową osiową indukcji Układ sond pomiarowych

Linie, wzdłuż których mierzono pole na powierzchni styków

Odległość pomiędzy nakładkami styków Styki unipolarne nakładkami bez nacięć Odległość pomiędzy nakładkami styków Składowa osiowa Składowa obwodowa Składowa promieniowa Wartość minimalna [mT] Wartość maksymalna 18 mm 4 91 336 947 3 244

Rozkład składowej osiowej indukcji magnetycznej, styki unipolarne nakładkami bez nacięć

Odległość pomiędzy nakładkami styków Styki unipolarne z nacięciami promieniowymi Odległość pomiędzy nakładkami styków Składowa osiowa Składowa obwodowa Składowa promieniowa Wartość minimalna [mT] Wartość maksymalna 18 mm 12 294 337 923 8 103

Rozkład składowej osiowej indukcji magnetycznej, styki unipolarne z nacięciami promieniowymi

Odległość pomiędzy nakładkami styków Styki unipolarne z nacięciami skośnymi wewnętrznymi Odległość pomiędzy nakładkami styków Składowa osiowa Składowa obwodowa Składowa promieniowa Wartość minimalna [mT] Wartość maksymalna 18 mm 2 290 348 996 263

Rozkład składowej osiowej indukcji magnetycznej, styki unipolarne z nacięciami skośnymi wewnętrznymi

Odległość pomiędzy nakładkami styków Styki unipolarne z nacięciami skośnymi o długości 20 mm Odległość pomiędzy nakładkami styków Składowa osiowa Składowa obwodowa Składowa promieniowa Wartość minimalna [mT] Wartość maksymalna 18 mm 14 337 342 940 2 251

Rozkład składowej osiowej indukcji magnetycznej, styki unipolarne z nacięciami skośnymi o długości 20 mm

Rozkład składowej osiowej indukcji magnetycznej dla różnych nacięć nakładek

Rozkład składowej obwodowej indukcji magnetycznej dla różnych nacięć nakładek

Rozkład składowej promieniowej indukcji magnetycznej dla różnych nacięć nakładek

Wnioski Najwyższe wartości składowa osiowa indukcji magnetycznej osiąga w przypadku nakładek z nacięciami promieniowymi, gdzie w odległości 20 mm od centrum i wynosi 125 mT. Dalszym etapem badań prezentowanych konstrukcji styków będą próby zwarciowe w rozbieralnej komorze próżniowej, które pozwolą na poznanie zjawisk zachodzących podczas wyłączania prądu w próżni.

Publikacje Henryk Sibilski, Andrzej Dzierżyński, Artur Hejduk, Krzysztof Krasuski, Andrzej Grodziński, Andrzej Szymański, artykuł „ Badanie właściwości magnetycznych styków komór próżniowych” Konferencja „Łączniki 2010” Bydgoszcz, materiały pokonferencyjne (ISBN 978-83-927343-8-3). Henryk Sibilski, Andrzej Dzierżyński, Artur Hejduk, Krzysztof Krasuski, Andrzej Grodziński, Andrzej Szymański, referat„ Badanie właściwości magnetycznych styków komór próżniowych” Konferencja „Łączniki 2010” Bydgoszcz. Andrzej Grodziński, Andrzej Szymański, Henryk Sibilski, Andrzej Dzierżyński, Krzysztof Krasuski, artykuł „Próżniowe komory wyłącznikowe” Elektronika 7/2010.

Dziękuję za uwagę