Brytning av strøm. - Hvordan brytes strøm? - Hvordan lages brytere? Den elektriske lysbuen, koblingsoverspenninger etc.

Transkript

1 Brytning av strøm - Hvordan brytes strøm? Den elektriske lysbuen, koblingsoverspenninger etc. - Hvordan lages brytere? Teknologi, materialer, design, etc. Magne Runde SINTEF Energiforskning og NTNU

2 Strømmen brytes når lysbuen slukkes ved strømnullgjennomgang Bryter i(t) i u b u b : Spenningsfall over bryteren i: Strøm gjennom bryteren u b (t) Kontaktene åpner Lysbuen slukker

3 En lysbue er en blanding av ladede og nøytrale partikler ved svært høy temperatur Lysbuesøylen Katodeområdet Anodeområdet Katode + + elektroner pos. ioner Anode Kvasinøytral blanding av elek- troner, ioner og nøytralpartikler e-felt Temperaturer inntil K Potensial V V a Mesteparten av spenningsfallet ved elektrodene/kontaktene V c Posisjon x

4 En statisk gasslysbue har en ulineær strøm/spenning karakteristikk Lysbuespenning Lysbuestrøm [A dc ]

5 Lysbuens elektriske ledningsevne varierer sterkt med temperaturen Metaller Karbon Sjøvann Springvann Elektrisk ledningsevne [(Wm) -1 ] Silisiumkarbid 10-4 Porselen Glass Temperatur [grader]

6 Brytning går ut på å hindre at lysbuen gjentenner etter nullgjennomgang Termisk gjentenning Høy temperatur => noe ledn. evne => ny lysbue noen ms etter i = 0 Motvirkes med god kjøling / blåsing av kontaktgapet Dielektrisk gjentenning Overslag på grunn av at kontaktavstanden noen ms etter i = 0 er for liten Motvirkes med rask kontaktseparasjon

7 En vakuumlysbue fungerer på en helt annet måte enn en gasslysbue Gasslysbue Ofte lysbuespenningsfall på flere kilovolt Gassblåsing for å kjøle/slukke lysbuen Høyt gasstrykk for å oppnå god holdfasthet Inntil ca 300 kv pr bruddsted Vakuumlysbue Normalt bare V lysbuespenningsfall Kjøling/slukking ved at partiklene forsvinner Høy holdfasthet pga. fravær av ladningsbærere Inntil ca 50 kv pr bruddsted

8 Størrelse og steilhet til den tilbakevendende spenningen er viktig for om brytningen vil lykkes Lysbuespenning Brytetidspunkt Driftsfrekvent tilbakevendende spenning Transient tilbakevendende spenning

9 Tilbakevendende spenning ved klemmekortslutning er 2 x drivende spenning L i R + u b - u b U cos t C U t Spenningen på venstre siden av bryteren svinger seg fra null og opp til den drivende spenningen i nettet

10 Det er store variasjoner i bryteegenskapene til forskjellige gasser Vanlige slukkemedier / lysbuemedier: SF 6 Olje (H 2 ) Luft Vakuum (metalldamp) Mange andre gasser er prøvd og funnet uegnet pga. dårlig bryteevne, giftighet, pris, korrosivitet, etc.

11 Luft (N 2 ) er et godt brytermedium som anvendes for alle ytelser Luft og luftbrytere: For svært store ytelser (mange hundre kilovolt) var trykkluft ved bar lenge enerådende teknologi For små ytelser er luft det opplagte brytermediet Bryteevnen kan økes ved å anvende dyser som avgir H 2 når lysbuen brenner ( Hardgas -brytere) Luft er gratis og uten problematiske miljømessige sider Luft som brytemedium kan få en renessanse

12 ABBs NAL-modell er en populær lastbryter med luft + Hardgas som brytemedium

13 I oljebrytere brenner lysbuen i en gasslomme med bl. a. H 2, C 2 H 2 Elektrode Kokende olje Oljedamp Hydrogen og acetylén gass Lysbue Kald olje

14 Olje er et godt brytermedium, men anvendes ikke lenger i nye brytere Olje og oljebrytere: Den gode varmeledningsevnen til hydrogengassen gjør det lett å slukke en lysbue, men gir en høy lysbuespenningen Lysbuen MÅ holdes neddykket i olje, ellers eksplosjon Stor trykkstigning i slukkekammeret krever robust konstruksjon Stort antall oljefattige effektbrytere ble installert inntil ca 1980; ble da utkonkurrert av SF 6 - og vakuumbrytere

15 SF 6 er det desidert beste brytemediet en kjenner Fysikalske egenskaper til SF 6 : Gunstig elektrisk og termisk ledningsevne ved forskjellige temperaturer gir svært gode bryteegenskaper. Elektronegative egenskaper (molekylene tiltrekker seg frie elektroner) gir hurtig en høy elektrisk holdfasthet. Ikke brennbar, reaktiv eller giftig. Forbrukes ikke av lysbuen. Relativt lav pris (i hvert fall så langt). Kraftig drivhusgass Enerådende for de største ytelsene, viktig også for mindre ytelser

16 Store SF 6 -brytere baseres ofte på puffer - eller selvblåse -prinsippet Utkoblingsforløp i SF 6 -puffer bryter:

17 Flere blåseprinsipper anvendes i SF 6 - brytere for fordelingsnett og industrinett Design av mindre SF 6 -brytere: Elektromagnetiske krefter sørger for at lysbuen roterer/beveger seg i stillestående SF 6 Drivmekanismen sørger for at lysbuen beblåses når kontaktene åpnes (div. forenklede puffer -varianter) Trykkstigning pga lysbuens høye temperatur kan utnyttes til å gi blåsning på lysbuen ( selvblåsing ) De gode bryteegenskapene til SF 6 gjør det mulig å lage relativt enkle bryterkonstruksjoner for små og moderate ytelser

18 I vakuumbrytere brenner lysbuen i metalldamp fra kontaktene Vakuumlysbue og vakuumbrytere: Lybuen brenner ikke i vakuum, men i en metalldamp Lavt lysbuespenningsfall og dermed liten effektutvikling i bryteren Bare mm kontaktbevegelse Begrenset dielektrisk holdfasthet pr. kontaktgap

19 Diffus lysbue Innsnevret lysbue