PROJEKTERING AF LYSBUEKARAKTERISTIK

Transkript

1 PROJEKTERING AF LYSBUEKARAKTERISTIK INGENIØRHØJSKOLEN ODENSE TEKNIKUM 6. SEMESTER STÆRKSTRØM ( ) AF: Benjamin Nielsen Studie nr Daníel Sigurbjörnsson Studie nr Martin Todbjerg Studie nr

2 Indledning Hvis en elektrisk strøm løber mellem to steder (anode og katode), som ikke er i kontakt med hinanden, men gennem luft, vil dette være en elektrisk lysbue. Ved afbrydelse af strøm dannes der lysbue mellem kontakterne i afbryderen. Forskellige metoder bruges til at kontrollerer lysbuen, alt efter lysbuetiden og spændingen på det sted, hvor afbryderen skal placeres. Arbejdsopgaven går ud på at opbygge et kendskab til lysbuekarakteristikker. Ligeledes vil opgaven indeholde information omkring opbygning og funktion af både lavspændings- og højspændingskoblingsmateriel. Ydermere vil opgaven give et teoretisk og praktisk baggrundskendskab til brydning i vekselspændingsnettet. Medfølgende i denne rapport, er en thermografirapport som viser temperaturen på en stabil og ustabil lysbue

3 Indholdsfortegnelse Bearbejdning af litteratur... 5 Lysbuekarakteristik - betingelser og fysiske faktorer... 5 Statisk lysbue Dynamisk lysbue Indflydelsesfaktorer på lysbuen... 5 Karakteriser det ideelle brydermedie Gentænding... 6 Termisk gentænding Dielektrisk gentænding... 6 Lysbuespændingens og energiomsætning... 6 Lysbuetid for en afbryder... 7 Strømbegrænsende egenskaber ved brydningen... 7 Opbygning og funktion af lav- og højspændingseffektafbrydere... 9 Lavspændingsafbrydere... 9 Uden strømbegrænsende virkning... 9 Med strømbegrænsende virkning...10 Lysbuetider...11 Højspændingsafbrydere...11 Olieafbryder...11 Trykluftafbrydere...11 SF 6 afbrydere...12 Vakuumafbryder...13 Laboratoriearbejdet...14 Lysbueforsøg...14 Lysbuekarakteristik...14 Ustabil lysbue...16 Blæsning på lysbuen...17 Konklusion...18 Litteraturliste...19 Disposition...20 Bilag A Laboratoriearbejde, måleopstillinger

4 Bearbejdning af litteratur Lysbuekarakteristik - betingelser og fysiske faktorer En lysbue kan opstå mellem kontaktfladerne når en afbryder åbnes. En af de vigtigste bestanddele i en sådan lysbue kaldes plasma. Denne opstår når gasser og metaller påtvinges en så høj temperatur at molekylerne brydes ned og spaltes så der dannes atomer, positive og negative ioner samt frie elektroner. Statisk lysbue. En statisk lysbue kan realiseres ved, at en DC spændingskilde tilsluttes et seriekredsløb med en ohmsk modstand og en kontakt. Når strømmen løber i kredsen trækkes kontaktfladerne fra hinanden og en lysbue vil da begynde at brænde. Når alle transiente størrelser er overstået har man en statisk, også kaldet stationær lysbue. Dynamisk lysbue. En dynamisk lysbue kan realiseres ved, at etablere en lysbue, hvor enten strømmen eller afkølingen varierer med tiden. I en dynamisk lysbue, er spændingen til et givent tidspunkt ikke afhængig af strømværdien. Grunden til dette er at den elektriske ledningsevne er stærkt afhængig af lysbuens temperatur og tværsnit. Hvis temperaturen ændres kan det ikke ske momentant. I praksis vil afkølingen ske konstant inden for et kort tidsinterval, mens effekten er styret af strømmen. Indflydelsesfaktorer på lysbuen. Nogle af de faktorer som har indflydelse på lysbuen, er varmeledningsevnen, partikeltætheden, ioniseringsenergien og den elektriske ledningsevne. Ioniseringsenergien er den energi, som et partikel tilføres, for at der kan løsrives frie elektroner. Det betyder at hvis der er en høj energi, vil ioniseringen ske hurtigt. Koncentrationen eller partikeltætheden, er afhængig af det elektriske og det termiske felt, plus den koncentration der er i forvejen. Den elektriske ledningsevne afhænger af hvor mange ladningsbærer der er. Disse etableres på følgende måde: 1. Elektroner frigives fra katoden 2. Ionisering af gasmolekylerne 3. Negative ioner dannes i elektronegative gasser, ved at elektroner bindes til et neutralt gasmolekyle. Sammenhængen mellem disse faktorer, for tilnærmelse til det ideelle brydermedie, står beskrevet mere nøjagtigt under afsnittet det ideelle brydemedie. Karakteriser det ideelle brydermedie. Det er vigtigt ved høje lysbuestrømme, at begrænse energiomsætningen i afbryderen, da mindre energiomsætning betyder at bryderkonstruktionen kan laves simplere. Den omsatte energi er proportional med lysbuespændingen, som ønskes lav. Denne lysbuespænding er direkte relateret til den elektriske ledningsevne, som afhænger af hvor mange elektroner eller ladningsbærer der er til stede. Der opnås en høj ladningsbæreevne når gassens ioniseringsenergi er lav eller når lysbuetemperaturen er høj. I grafen herunder ses den elektriske ledningsevne som funktion af temperaturen. Den høje temperatur kan opretholdes ved en lav varmeledningsevne. Ved høj lysbuestrøm er det en fordel med lav ioniseringsenergi og dårlig varmeledningsevne. Ved strømnulgennemgangen skal overgangen fra ledende til isolerende være hurtig, derved fås en lille tidskonstant for afbryderen. Dette forudsætter en hurtig afkøling, som opnås ved høj varmeledningsevne under lave temperaturer. Det er vigtigt med en høj ionisationsenergi ved lave temperaturer, så tætheden af frie - 5 -

5 elektroner mindskes. For at undgå, at lysbuen slukkes inden strømnulgennemgangen, må afkølingen ikke være for voldsom. En sidste detalje for at opnå det ideelle brydermedie, er ved at lave strømnulgennemgang og have både høj ioniseringsenergi og en god varmeledningsevne. Efter nulgennemgangen skal der hurtigt etableres en høj elektrisk holdfasthed, dette kan blandt andet opnås ved at tætheden af ladningsbærere mindskes. Det ønskes at brydermediet ikke på nogen måde er giftigt eller miljøskadeligt, plus at det skal være kemisk stabilt i årtier, samtidig med at det skal være billigt. Gentænding. I tiden efter strømmens nulgennemgang bygges en spænding op over afbryderen, kaldet den tilbagevendende spænding. Det er størrelsen og stejlheden af den, som afgør om der genetableres en lysbue, efter strømmens nulgennemgang. Hvis det sker, kan det være af to årsager, termisk eller dielektrisk gentænding. Termisk gentænding. Idet strømmen går igennem nul, vil der stadig være en høj temperatur i lysbuen og dermed en vis ledningsevne. Når den tilbagevendende spænding opbygges, vil der igen opbygges en effektudvikling i lysbuen. Er kølingen effektiv nok, vil temperaturen aftage og strømmen gå mod nul. Hvis kølingen ikke er acceptabel, vil temperaturen stige og dermed vil ledningsevnen øges, hvilket på ny kan etablere en lysbue. Hvis der sker en termisk gentænding, vil det ske få mikrosekunder efter strømnulgennemgangen. Dielektrisk gentænding. Hvis den tilbagevendende spænding over afbryderen fortsættes med at opbygges, kan der opstå dielektrisk gentænding. Selvom brydergabet ikke har nogen ledningsevne, belastes gabet rent dielektrisk og hvis spændingen overstiger den dielektriske holdfasthed vil der opstå dielektrisk gentænding også kaldet et gennemslag. Lysbuespændingens og energiomsætning Lysbuespændingen har en indvirkning på strømforløbet i lysbuen under brydningen. Idet at forholdet mellem lysbuespændingen og netspændingen påvirker strømmens tidsforløb. Ved en lysbuespænding på nul bliver strømforløbet uændret. Hvorimod hvis lysbuespændingen bliver højere og forholdet mellem spændingerne bliver større, vil strømmen blive reduceret som medfører at lysbuetiden bliver kortere. Lysbuespændingen vil i de fleste tilfælde ikke være lige så stor som netspændingen i det pågældende system og vil derfor sjældent have et forhold på 1. Energiomsætningen ved kobling af en afbryder har indvirkning på dimensioneringen af afbryderen samt udformningen af denne. Energiomsætningen ved brydning kan udtrykkes ved b t1 W = i u dt 0 () t b() t Hvor i (t) er strømmen afbryderen gennemløbes af og u b er lysbuespændingen. Hvis lysbuespændingen er lille i forhold til netspændingen, vil strømforløbet som tidligere nævnt, nærmest ikke blive påvirket af lysbuen og energiudviklingen vil derfor ikke være særlig stor. Ved høj lysbuespænding vil energiudviklingen ligeledes blive lille pga. den korte lysbuetid der opstår. Dette sker fordi at strømmen her vil tvinges til nulgennemgang og dermed brydes. Det betyder at forholdet mellem lysbuespændingen og netspændingen skal ligge i nærheden af 0 eller 1 for at - 6 -

6 undgå en høj energiudvikling. De fleste højspændingsafbrydere opererer ved en lav lysbuespænding og der vil dermed være en lille energiomsætning i afbryderen. Den energi der opstår i form af en lysbue kan risikerer at være så høj at der nærmest opstår svejseeffekt, som kan gå hen og ødelægge bryderens kontaktsæt. Lysbuetid for en afbryder. Lysbuetiden er den tid hvor lysbuen er til stede fra starten af brydningen til slutningen af brydningen. Lysbuetiden afhænger af brydertypen og dens opbygning samt den strøm og spænding den påvirkes af. Lysbuen kan dog være vedvarende selv efter brydningen enten ved fejl i nettet eller ved anvendelse af en forkert afbryder. Ved opbygning af en bryder kan de dynamiske kræfter ved en kortslutning for eksempel anvendes til at øge brydetiden og dermed mindske lysbuetiden. På den måde findes der forskellige måder at mindske lysbuetiden på. Figur 1 Tidsmæssige brydeforløb Strømbegrænsende egenskaber ved brydningen. Det er en fordel, hvis der kan opnås strømbegrænsning i brydeøjeblikket, da det vil mindske den fremkomne lysbue. Den strømbegrænsende afbrydelse vises på Figur 2a med strøm og spænding. Hvor I D er cut-off strømmen dvs. der hvor lysbuespændingen begynder at stige, falder strømmen mod nul, her ses det i øvrigt at cut-off strømmen holders under stødkortslutningsstrømmen I s Der findes forskellige måder at opnå strømbegrænsning på ved brydning. En af dem er en strømbegrænsende maksimalafbryder. Som tidligere nævnt kan man udnytte kortslutningens dynamiske kræfter. Dette får afbryderen til at få et utrolig hurtigt brydeforløb. Når afbryderen bliver påvirket af kortslutningen vil den kraft der opstår blive brugt til at bevæge den bevægelige kontaktdel. Kontaktfladerne og lysbuekammeret er udformet på en sådan måde, at lysbuen bliver ledt ind i lysbuekammeret, hvori den afkøles og opdeles i slukkepladerne. Dette bevirker at der kommer en stor lysbuespænding, som tidligere nævnt medfører en lille lysbuestrøm. Der findes ydermere strømbegrænsende maksimalafbrydere der fungerer vha. bimetal. Impedansen i strømkredsen, som består af bimetallets varmevikling og kortslutningsudløserspole er utrolig stor. Dette betyder at impedansen mindsker kortslutningsstrømmen i afbryderen, som herved er blevet kortslutningssikker

7 (a) (b) Figur 2 (a) viser strømbegrænsende afbrydelse hvor t a er kontakternes åbningstid, t l lysbuetiden, U B er lysbuespændingen, I D er cut-off strømmen og I S er stødkortslutningsstrømmen 1. (b) viser ikke-strømbegrænsende afbrydelse 2. (a) (b) Figur 3 (a)viser strøm og spændingsforløbene for kaskadekoblingen 3 (b) viser strøm- og spændingsforløb ved strømbegrænsningen. 4 Kaskadekobling er en betegnelse for dobbeltbeskyttelse med 2 eller flere maksimalafbrydere. Denne metode kan anvendes til strømbegrænsning. Hvis det antages at afbryder 1 sidder tættest ved en kortslutning og afbryder 2 sidder længst væk. Så vil den resulterende cut-off strøm I c1+2 være mindre end den strøm I c2 der ville have været hvis det kun var afbryder 2 der koblede. Sikringer har som bekendt det formål at strømbegrænse. Ud fra sikringskurver og almindelig sund fornuft, vides det at desto større strøm sikringen gennemløbes af, jo hurtigere brænder 1 Poul Erik Petersen. Elektroteknik 8 El-Installations material. Fig side Poul Erik Petersen. Elektroteknik 8 El-Installations material. Fig side Poul Erik Petersen. Elektroteknik 8 El-Installations material. Fig side Poul Erik Petersen. Elektroteknik 8 El-Installations material. Fig side

8 sikringstråden over. Når dette sker når kortslutningsstrømmen ikke op på den strøm som den egentlig skulle, for at brænde tråden over. Denne strøm kaldes også her for cut-off strømmen. Dvs. ved en given sikringsstørrelse, hvor sikringen bliver udsat for en kortslutningsstrøm, vil cut-off strømmen være større jo længere tid sikringen er om at smelte. Opbygning og funktion af lav- og højspændingseffektafbrydere Elnettet er opbygget på forskellige måde, henholdsvis efter spændingsniveauet. Med strategisk positionering af afbrydere kan forbrugerens mærkning af fejl mindskes. Dvs. hvis en linje er ramt af en fejl, kan omkoblingen ikke markeres på noget sted men på målerne hos elforsyningen. Ved udvikling af elnettet stiger antallet af afbrydere, både i lav- og højspændingsnettet. Afbrydere er ret dyre, pga. at de er designet til at bryde alle strømme og spændinger i det sted, hvor de er installeret. Lavspændingsafbrydere Lavspændingsafbrydere (maksimalafbryder) er afbrydere som er i elnettet, på spændingsniveauer som er under 1 kv, de kaldes også domestik afbrydere. Afbrydere i denne gruppe deles op i to undergrupper, afhængig af hvordan lysbuen slukkes, afbrydere med og uden strømbegrænsende virkning. Uden strømbegrænsende virkning Afbrydere som er ikke-strømbegrænsende med nulpunktsafbrydelse vil åbne ved kortslutningsstrømmens naturlige nulgennemgang. Dermed undgår afbryderen de kraftige påvirkninger som kortslutningsstrømmens maksimale øjebliksværdi kan medføre. Kontaktsættet i afbryderen åbner ikke i utide da der er udført elektromagnetisk forstærkning. a. Slukkekamre b. Fast kontaktstykke c. Bevægeligt kontaktstykke d. Retning af det forstærkede kontakttryk e. Omdrejningspunkt for det bevægelige kontaktstykke i indkoblet tilstand f. Retning af frastødningskraft g. Retning af udløsefjeders kraft h. Omdrejningspunkt for bevægeligt kontaktstykke ved ind- og udkobling Figur 4 viser afbryder uden strømbegrænsende virkning 5 Strømmen ledes til kontaktfladerne, gennem to ledere som er parallelle. Strømmen som løber i lederne, løber dermed i modsat retning. Det medfører at lederne vil frastøde hinanden. I tilfælde af kortslutning vil denne frastødningskraft (f på Figur 4) tvinge kontakten til at åbne om det første omdrejningspunkt (e på Figur 4), det vil medføre høj kontakttryk (d på Figur 4). Når kortslutningsstrømmen når sin naturlige nulgennemgang og kontakttrykket falder, drejer den 5 Poul Erik Petersen. Elektroteknik 8 El-Installations materiel. Fig side

9 bevægelige kontakt om omdrejningspunktet (h på Figur 4a) vha. den elektromagnetiske kortslutningsudløser. Afbrydere uden strømbegrænsning er de billigste afbrydertyper på markedet. Men pga. at de ikke begrænser strømmen, kan de kun installeres hvor strømmen ikke bliver så stor. Med strømbegrænsende virkning Som regel er strømbegrænsende afbrydere meget hurtige (kort brydetid) som har betydning for de dynamiske påvirkninger, som minimeres. Her kan de dynamiske kræfter udnyttes til hurtig kontaktåbning ved udformning af kontakterne, f.eks. med udformning af den faste kontaktdel med et drejeled. Figur 5 Kontaktopbygning med drejeled i den fast kontaktdel 6 Ligesom afbrydere uden strømbegrænsning, ledes strømmen gennem to parallelle ledere. Når kortslutningsstrømmen gennemløber kontaktsættet, vil frastødningskraften, som dannes ud fra strømmen, bevæge den bevægelige kontaktdel. Ved afbrydning vil lysbuen hurtigt føres ind i lysbuekammeret, der deler lysbuen op i mindre lysbuer vha. slukkeplader (a på Figur 6) som medfører høj lysbuespænding. Disse plader sørger for effektiv afkøling af lysbuen. a. Slukkekamre b. Fast kontaktstykke c. Bevægeligt kontaktstykke d. Retning af frastødningskraft og udløsefjeders kraft e. Retning af kontakttryk f. Omdrejningspunkt for bevægelige kontaktstykke Figur 6 viser afbryder med strømbegrænsende virkning 7 Den strømbegrænsende er den mest anvendte type af lavspændingsafbrydere, det er pga. det hurtige bryderforløb. Det mindsker de dynamiske kortslutningskræfter og dermed kan alt udstyr dimensioneres mindre. 6 Poul Erik Petersen. Elektroteknik 8 El-Installations materiel. Fig side Poul Erik Petersen. Elektroteknik 8 El-Installations materiel. Fig side

10 Lysbuetider For at lysbuetiden bliver så kort som muligt, kan det antages at lysbuetiden skal være under en halv periodetid af en sinusformet strøm (ved 50 Hz er periodetiden 20 ms.) dvs. 10 ms. Dermed sikres det at afbrydelsen sker ved strømmens naturlige nulgennemgang. 8 Højspændingsafbrydere Der eksisterer forskellige brydere i højspændingsnettet. Typerne deles op efter brydermidler. Afbryderne har forskellige karakteristikker og dermed forskellige ulemper og fordele. Olieafbryder Olieafbrydere er afbrydere som bruger olie som brydermedie. Olieafbrydere er anvendt på alle højspændingsniveauer. Der er to forskellige typer af olieafbrydere, tankolieafbryder og miniolieafbryder. Den største forskel ligger i volumen af olie, som bruges i afbryderen. Olieafbrydere opstilles ikke længere, pga. at de ikke er miljøvenlige. Dog er mange afbrydere af denne type stadig i brug, som dermed skal serviceres og udskiftes med tiden. Olieafbrydere virker på den måde at der ved afbrydelse af kontaktsættet, dannes lysbue mellem kontakterne i gasblandingen (70-80 % brint og % acetylen) 9 som kommer pga. fordampning af olien, mellem og i nærheden af kontakterne. Derfor er det nødvendigt at vedligeholde olieafbrydere ved udskiftning af olien. Lysbuen kan slukkes på to måder, med oliefyldt brydekammer, som sørger for køling og slukning lysbuen eller vha. med sprøjtemekanisme, som sprøjter olie ind i brydergabet. Sprøjtemekanismen kan også bruges til at tvinge lysbuen ind i slukkeplader som deler lysbuen op, dette medfører højere lysbuespænding og lavere strøm. Olieafbrydere er næsten lydløse og har en relativ enkelt mekanisme, men de har begrænset afbrydningshyppighed, pga. at oliens egenskaber ændres ved hver kobling, det medfører olieudskiftning. Tankolieafbryder Tankolieafbryder er en mindre anvendt type af afbryder i Scandinavien, men bruges tit i Amerika. Sådanne tankolieafbrydere er ligesom navnet siger, en tank fyldt med olie og afbryderen (selve kontakterne) ligger i tanken. Olien i tanken køler lysbuen og isolerer kontakterne fra jord. Disse tanke ligner meget transformere, de er store, bruger meget olie og er dermed meget dyre. Miniolieafbryder Europæiske typer af olieafbrydere er såkaldt miniolieafbrydere, som bruger meget mindre olie i forhold til tanktypen. Kontakterne og lysbuekammeret er inde i porcelænsisolatorer i stedet for en metaltank. Her er olien kun brugt som brydermedier, hvor selve afbryderen er isoleret fra jord (pga. den omsluttes af porcelæn). Lysbuen slukkes i disse afbrydere vha. bevægelige kontakter som i princippet, ændrer trykket i afbryderen således at olien strømmer gennem brydekammeret. Tankolieafbryderen bruger op til flere hundrede liter olie (volumen følger spændingsniveauet) mens miniolieafbrydere bruger omkring en faktor ti mindre. Trykluftafbrydere Det er afbrydere som er under tryk, hvor luften normalt er mellem bars tryk. Trykluftafbrydere bruger ekstern kompressor. Luften bruges både til mekanisk aktivering af bryderen og til at blæse lysbuen ud og køle kontakterne gennem ventiler. Disse ventiler konstrueres 8 Her har materialer omkring lysbuetider til lavspændingsafbrydere ikke fundets. Derfor er det ide eller antagelser om hvad lysbuetiden skal være. 9 M.Runde & J.Sletbak. Brytning av strøm i Kraftnett. side

11 af isolerende materialer. De kan begge være fastmonteret ved brydergabet eller som bevægelige ventiler, som følger kontaktsættet. Ved højere spændinger bruges der ofte flere brydergab (ofte 6-8 stk.) i serie, hvor hvert brydergab er i en porcelænsisolator. Princippet er at spændingen deles op mellem disse og dermed er lysbuen nemmere at slukke. Luft kan godt bruges til isolering, hvis det er under tryk. Ved 20 bar er det på samme niveau som olie, dvs. den dielektriske holdfasthed er den samme. Derfor er trykluftsafbrydere ofte konstrueret så brydekammeret altid er under tryk. Trykluftsafbrydere har en kompliceret konstruktion, her blandes mange slukkekamre i serie under højt tryk, som styres fra et eksternt kompressoranlæg hvilket kræver vedligeholdelse. Trykluftsafbrydere larmer meget ved afbrydning pga. at der ved brydning slippes trykluft ud, som medfører nedsættelse af trykket og isoleringsniveauet. Det er grunden til at trykluftsafbrydere ikke installeres i dag og mange udskiftes for nyere teknologier. SF 6 afbrydere SF 6 afbrydere er afbrydere i gastrykstypen. Dvs. samme princip anvendes for gastryks- og SF 6 afbrydere. Der bruges forskellige metoder til afbrydning vha. gas. Første udvikling af gastryksafbrydere var double pressure afbryder. Metoden er den samme ved lufttryksafbrydere, hvor gassen er under højt tryk, her blæses der ind i kammeret ved afbrydning. Figur 7 Puffer afbryder. Der blæses gas med overtryk (som skabes ved afbrydelse, pga. lysbuen) på lysbuen når den bevægelige kontakt forlader dysen. 10 Skitseringen af denne puffer afbryder ses på Figur 7. Pufferafbrydere virker sådan at den bevægelige kontakt skaber overtryk i pufferkammeret når den afbryder. Overtrykket medfører at gassen, som er i pufferkammeret tvinges ind i brydergabet. Disse afbrydere har en relativ stærk brydermekanisme, hvor gassen komprimeres. For lavere spændingsniveauer bruges self pressure afbrydere. Disse afbrydere bruger temperaturen, som dannes fra lysbuen til at varme gassen op og dermed stiger trykket. Når kontakterne er kommet ud af brydekammeret, den varme gas frigives langs lysbuen så den køles ned. Rotating arc afbrydere er en metode til at lave afbrydere billigere. Der bruges magnetisering til at rotere lysbuen, dermed virker det ligesom blæsning på lysbuen. Et-tryks ( self pressure ) SF 6 afbrydere er de mest anvendte afbrydere i dag. Men de er ikke uden ulemper. I forhold til olieafbrydere og trykluftsafbrydere så har SF 6 afbrydere mindre vedligeholdelse. Driftsmæssigt er de meget gode, dog findes der pufferafbrydere med store fejl, som har medført udskiftning efter bare 15 år. SF 6 afbrydere installeres mest på høje spændingsniveauer, og der er koblingsantallet relativt lavt og slidtagen på afbryderen er ikke højere end at de godt kan bruges i 40 til 50 år. 10 Lou Van der Sluis. Transients in power systems. Fig 4.5 side

12 Vakuumafbryder Vakuumafbrydere virker ikke ligesom de andre nævnte typer. Tidligere nævnte typer bruger gas under tryk til at slukke lysbuen og høj gastæthed for at øge den dielektriske holdfasthed over brydergabet, så lysbuen slukkes. I vakuumafbrydere er undertryk anvendt. Ved første patent troede man at der ikke blev dannet lysbue i bryderkammeret pga. at der ikke var noget luft mellem kontakterne og lysbuen ville slukkes med det samme. Tiden har vist at det ikke er sådan. I stedet dannes der en såkaldt metaldampslysbue, som opstår ved ødelæggelse af metallet i kontakterne. Pga. metallet på kontaktoverfladerne i afbryderen ikke er fuldstændig glat løber strømmen gennem et antal små kontaktpunkter. Hvis kontakterne flyttes fra hinanden (ved brud), vil strømmen løbe i gennem små arealer af kontakterne hvor sådanne små kontaktpunkter stadig er i kontakt. Det vil danne en stor varmeudvikling og materialet, som vil begynde at fordampe og dermed tænders en lysbue i dampen. Der stilles store krav til materialerne i sådanne afbrydere. I processen af konstruering af materialerne, laves de gasfrie, dvs. at ikke dannes gas ved fordampning af metal i vakuumet. Det er også nødvendigt at kontaktsættet har lav modstand, fordi det er meget svært at bortlede varme i vakuumafbrydere. Til at gøre afbryderen næsten vedligeholdelsesfri kan kontaktfladerne f.eks. laves med slidser så lysbuen for spiralform, som medfører at lysbuen ikke brænder på samme sted, hver gang der sker en afbrydelse. Figur 8 viser vakuumafbryder som producerer spiralformet lysbue, pga. slidser i kontakterne 11 Den største fordel ved vakuumafbryderen, er at den er meget kompakt, næsten fri for vedligeholdelse og har lang levetid (antal koblinger). Men vakuumafbryderens største ulempe er at den er dyr, plus overspændinger som forårsages pga. strømklipning ( current chopping ). Strømklipning betyder at lysbuen slukkes før strømmens nulgennemgang, det medfører i enkelte tilfælde speciale forholdsregler. 11 Lou Van der Sluis. Transients in power systems. Fig 4.6 side

13 Laboratoriearbejdet Formålet med lysbueforsøget, er at eftervise og give kendskab til karakteristikken, samt at opnå en bedre forståelse af spændings kontra strømforholdet. Lysbueforsøg Der er foretaget måling af spænding og strøm over lysbuen, som funktion af tiden, for at eftervise den teoretiske lysbuekarakterstik. Den første måling på figur 9 viser det direkte forhold mellem spændingen over lysbuen og spændingen over modstanden, som er ligefrem proportionalt med strømmen i lysbuen. Dette skyldes at den indre modstand i kulbuelampen er konstant. Figur 9 viser graf af spændingen over lysbuen og strømmen i lysbuen. Figur 9 visualiserer spændingen over modstanden, som aflæses til en peakværdi på 1,3 Volt. Kurve 2 angiver spændingen over lysbuen, som aflæses til en peakværdi på 5,7 Volt, som ganges med den anvendte probes indstilling på 10). Strømmen udregnes ved URpeak 1, IR = = = 5,44A. R 0,169 Modstanden R er på kulbuelampen opgivet til 0,169Ω, men på grund af usikkerhed omkring denne størrelse, er der lavet kontrolmåling af denne strøm med et analogt amperemeter. Strømmen blev aflæst til 5,1 Ampere, hvilket viser at den opgivet værdi er acceptabel. Det ses at spændingen over lysbuen bliver mere eller mindre konstant over et bestemt stykke af kurven, selvom strømmen er varierende. Det betyder at R lysbue også må variere da følgende udtryk skal være sandt. Vlysbue = Rlysbue Ilysbue R lysbue kan variere ved tykkelsen og temperaturen, hvis afstanden holdes konstant. Lysbuekarakteristik Pga. det anvendte digitale scope ikke kan optage xy-forhold, var det nødvendigt at konstruere forholdet med et computerregneark. Lysbuekarakteristikker laves ud fra spændingen og strømmen i

14 lysbuen. Derefter sættes disse to målte værdier ind i den samme graf, hvor spændingen vises som funktion af strømmen ,5-2 -1,5-1 -0, i(t) -150 (a) ,5-2- 1,5-1- 0, i(t) -300 (b) Graf 1 (a)viser lysbuekarakteristik for stabil lysbue og (b) viser lysbuekarakteristik for ustabil lysbue

15 ,5-2 -1,5-1 -0, i(t) -150 (a) ,5-2- 1,5-1- 0, i(t) -300 (b) Graf 1a viser lysbuekarakteristikken for en stabil lysbue og Error! Reference source not found.b viser det for en ustabil lysbue. Forskellen kan ses ved den ustabile, hvor spændingen går højere op når strømmen går i gennem sin nulgennemgang. Ustabil lysbue På figur 10 ses der hvad der sker ved en ustabil lysbue. Spændingen over lysbuen får et overshoot pga. at lysbuespændingen stiger kraftigt efter strømmens nulgennemgang. Dette kan beskrives vha. højre håndsreglen, hvor den magnetiske kraft, som stammer fra strømmen trækker i lysbuen og lysbuespændingen øges pga. den længere lysbue

16 Figur 10 Kurve af strøm- og spændingsforløb i lysbue 12 Blæsning på lysbuen 13 Blæsning på lysbuen er en effektiv måde at slukke lysbuen på, men der er forskel på effektiviteten af hvordan der blæses på lysbuen. Blæsningen medfører forlængelse af lysbuen, dermed stiger lysbuespændingen og lysbuens overflade øges. Højere lysbuespænding medfører at strømmen i lysbuen mindskes. Større lysbueoverflade medfører bedre køling af lysbuen. Blæsning fra siden kaldes også høj modstandsafbrydning ( high-resistance interruption ) pga. at lysbuespændingen øges med længden af lysbuen. Ulempen er at energien som befries ved afbrydningen er relativ høj. Ved at blæse på tværs af lysbuen, slukker lysbuen meget hurtigt. Blæsning på langs af lysbuen øger ikke køleoverfladen i samme grad, som ved blæsning fra siden. Det er pga. at blæsningen ikke tvinger lysbuen fra kontaktfladerne. Denne metode kaldes også for lav modstandsafbrydning pga. at lysbuespændingen næsten ikke ændres. 12 Optaget med digital osciloscope 13 Lou Van der Sluis. Transients in power systems s

17 Konklusion Det er blevet vist i rapporten, at høj lysbuespænding mindsker strømmen i lysbuen. Det er ligeledes blevet vist at lysbuetiden ændre sig ved forskellige medier. Dvs. at hvis tidskonstanten for brydermediet er lav giver dette en lavere lysbuetid. F.eks. har SF 6 en tidskonstant på 0,8 µ s og brint har en tidskonstant på 1,0 µ s, dette viser hvorfor SF 6 er et populært brydermedie. Forskellige metoder kan anvendes ved slukning af lysbuer, bl.a. blæsning på lysbuen

18 Litteraturliste. Asgaut Rein Kompendium i Høyspenningsanlegg, SF 6 -isolerte høyspenningsanlegg. Del 1. NTNU-Institutt for Elkraftteknikk 1995 Henny K. Nielsen Kompendium. HAN 1 Odense Teknikum. Afsnit 7.3 Februar Hugh M. Ryan High voltage engineering and testing. Institution of Electrical Engineers oktober 2001 Afsnit 7; G. R. Jones. Gas filled interrupters fundamentals Afsnit 8. S. M. Ghufran Ali. Switchgear design, development and service ISBN Lou Van der Sluis Transients in power systems. John Wiley and Sons Ltd ISBN M.Runde & J.Sletbak Brytning av strøm i Kraftnett. NTNU-kompendium NTNU-Institutt for Elkraftteknikk. oktober 1999 Afsnit 5 til 12 Martin Larsen & Brian Lunde Thermografirapport. Martin Hansen Thermografi A/S Mads Hesselbæk Olesen Rockwell Automation A/S Artikel: Få kontrol over kortslutningsniveauerne. Elteknik nr. 3 årgang 2000 Miloje Minovic & Piérre Schulze Hochspannungstechnik, Versuch 8. Offenbach: vde-verlag 1. udgave 1992 ISBN Paul G. Slade Electrical Contacts Principles and Applications.Marcel Dekker, Inc Afsnit 8: The Arc and Interruption ISBN Poul Erik Petersen, Elektroteknik 8: El-Installationsmateriel. Bogfondens Forlag A/S 4. udg. København ISBN

19 o Hvad har indflydelse på lysbue faktorer og betingelser Statisk lysbue Dynamisk lysbue o Brydermedier Ideelle Anvendte medier o Gentænding Termisk Dielektrisk o Lysbuespændingsfald Lysbuetid Strømbegrænsende Disposition o Afbrydere Lavspændingsafbrydere Uden strømbegrænsende virkning Med strømbegrænsende virkning Højspændingsafbrydere Olie Gastryk Vakuum o Laboratorium forsøg

20 Bilag A Laboratoriearbejde, måleopstillinger Channel 1 Channel 2 1 Normal ligger lus mellem punkt 2 og 3 hvis måling af strøm forgås ikke A U R U bue 5 Figur 11 Viser måleopstilling for lysbueforsøget Oscilloskop TDS Prober til oscilloskop Indstillet på x10 Kulbuelampe Strømforsyning Analog amperemeter EST 580 Blæser 1000 W Braun 4456 føntørrer Tabel 1 Apparaturliste til lysbueforsøg