Influence of modification of varistors for the SPD type arresters on the conductivity distribution and conductance characteristics

Zapotrzebowanie na warystory do ograniczników przepięć jest bardzo duże, zarówno do ograniczników typu SPD jak i stosowanych na wyższe napięcia znamionowe. Głównym celem jest opracowanie nowej generacji nanostruktur, która zapewni jednorodny rozkład konduktywności na całej płaszczyźnie warystora. To umożliwi zmniejszenie wymiarów warystorów, przy równoczesnej poprawie jakości użytego materiału. Równocześnie możliwe będzie modelowanie charakterystyk prądowo-napięciowych przy większej gęstości prądu przewodzenia.The required demand of varistors for the arresters, not only for the SPD type, but also for these used at high voltage systems, is very high. The idea of this paper was to develop a new generation of nanostructures of the material which assure a uniform distribution of the conductivity. These enable to reduce the size of the voltage limiting elements and therefore quantity of material used. Also it will be possible to modulate current voltage characteristic with simultaneous great density of current

Electric field analysis in a switchgear of middle voltage

W artykule przedstawiono wyniki obliczeń pola elektrycznego w wybranym przedziale rozdzielnicy średniego napięcia, w kontekście analizy możliwości zastosowania w niej suchego powietrza w miejsce SF6. Do obliczeń zastosowano oprogramowanie bazujące na metodzie elementów skończonych (MES). Przedstawione obliczenia mogą być przydatne w procesie dostosowania rozważanej rozdzielnicy do bardziej ekologicznej izolacji gazowej, charakteryzującej się jednak mniejszą wytrzymałością elektryczną. Podobna analiza pola powinna być także stosowana w procesie projektowania nowych urządzeń elektroenergetycznych. Numeryczne modelowanie pola elektrycznego w nowoprojektowanych urządzeniach wysokiego i średniego napięcia może przyczynić się do obniżenia kosztów budowy prototypów oraz ograniczenia niezbędnych badań laboratoryjnych. Może także prowadzić do powstawania bardziej materiało-oszczędnych, a co za tym idzie, tańszych i bardziej ekologicznych urządzeń elektroenergetycznych.In the paper, the electric field analysis in a selected compartment of a middle voltage switchgear is presented. The analysis has been performed using a professional software package that employs the finite element method (FEM). In the considered switchgear, an insulation of SF6 will be substituted by a dry air insulation that is more ecological, however, it is of the lower dielectric withstand. The electric field analysis (presented in the paper) can be a useful tool in the designing process of new electric power devices. Such a numerical analysis can help to reduce the costs of designed device prototypes and can limit their indispensable laboratory investigations. Such an approach can also enable to design smaller and more material-saving devices which are cheaper and more environmental friendly

Magnetic field distribution between contacts in vacuum circuit breakers

W artykule podano wyniki pomiarów i obliczeń rozkładu pola magnetycznego pomiędzy stykami unipolarnymi w modelowych układach stykowych komór próżniowych wyłączników wysokiego napięcia. Do pomiarów styki zwierano prętem o średnicy 10mm Wyniki przeliczono dla prądu o wartości 50kA (wartość skuteczna).The paper presents results of measurements and calculations of the magnetic field distribution on models of unipolar 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 50kArms

Badania rozkładu pola magnetycznego na powierzchni styków AMF

Rozkład osiowego pola magnetycznego na powierzchni styków komór próżniowych odgrywa decydującą rolę w ograniczaniu erozji styków podczas wyłączania prądu zwarciowego. Ograniczenie erozji styków możliwe jest przez równomierny rozkład osiowego pola magnetycznego na całej powierzchni styku. Z tego względu, w projektowaniu styków, należy stosować metody obliczeniowe do sprawdzenia składowej osiowej rozkładu pola magnetycznego. W artykule podano wynik analizy rozkładu składowej osiowej pola magnetycznego dla styku bipolarnego z nacięciami ukośnymi i z nacięciami o kształcie łuku. Do analizy stosowano program komputerowy FLUX 3D. Wykonano również badania rozkładu strumienia łuku dyfuzyjnego w rozbieralnej komorze próżniowej podczas wyłączania prądu zwarciowego o wartości 15 kA.The axial magnetic field (AMF) distribution on the contact surface plays an important role in short circuit current interruption. To minimize erosion of the contact the AMF should be uniformly distributed over the contact plates. During theoretical analysis of bipolar contacts, the design of the contact coil and the slots made in the contact’s plate, as well as the orientation of the steady contact relative to the moving contact were taken into account. The FLUX 3-D computer program was used for the calculation of the AMF and the results were compared and analyzed. To investigate the distribution of arc spots on the contact plate surface experiments were conducted in a dismountable vacuum chamber during a 15 kA short circuit current interruption

Zmiany przekroju krytycznego dyszy SF6 auto-pneumatycznego wysokonapięciowego wyłącznika podczas wyłączania prądu zwarciowego

The paper presents a calculation method for the SF6 outflow area across the critical cross-section of the nozzle in an HV puffer circuit breaker during the interruption of a short-circuit current. The presence of an electrical arc can cause clogging of the nozzle at the moment when the arc cross section is close to the nozzle throat area. The clogging depends on the instantaneous current value and can cause ablation of the nozzle material. In the long term it can result in a change in the nozzle dimensions which adversely affects the interrupting ability of the circuit breaker.W artykule podano sposób obliczania wypływu gazu SF6 w przekroju krytycznym dyszy w wyłącznikach autopneumatycznych. W wyniku działania łuku elektrycznego podczas wyłączania prądu zwarciowego może dochodzić do zatykania dyszy i wzrostu ciśnienia, a po wielokrotnych wyłączeniach w wyniku wysokiej temperatury łuku może wystąpić deformacja dyszy i pogorszenie własności łączeniowych. Do obliczeń przyjęto wyłącznik z napędem pneumatycznym, posiadający komorę roboczą i tłumiącą. Po rozejściu się styków zapala się łuk, który wydłużony do przekroju krytycznego dyszy zatyka częściowo dyszę zwiększając w efekcie ciśnienie w objętości dyszy wskutek wzrostu temperatury gazu. Po wielokrotnych wyłączeniach prądu zwarciowego wysoka temperatura powoduje degradację powierzchni w przekroju krytycznym dyszy i w efekcie powiększenie przekroju dyszy, co może zmienić parametry łączeniowe wyłącznika

24 kV vacuum circuit breakers developed in the Electrotechnical Institute

W artykule omówiono opracowane w Zakładzie Wielkich Mocy Instytutu Elektrotechniki dwa typy wyłączników na napięcie znamionowe 24 kV. Jeden z napędem bocznym i drugi z napędem ustawionym równolegle do komór próżniowych. Przedstawiono wyniki obliczeń rozkładu pola elektrycznego w komorze próżniowej wyłącznika z uwzględnieniem rozmieszczenia ekranów wewnątrz komór oraz wyniki symulacji działania napędu elektromagnetycznego. W opracowaniu udział wzięły: Zakład ZPUE S.A., Włoszczowa oraz ZE LAMINA S.A. – dostawca komór próżniowych. Oba modele wyłączników poddano badaniom łączenia prądów zwarciowych.Two types of the 24 kV vacuum circuit breakers were developed at the Electrotechnical Institute. One with a lateral electromagnetic-spring actuator and the second one with the actuator arranged in parallel to the vacuum chambers. The calculation of the electric field distribution shows that the screen in the circuit-breaker pole can reduce the electric field and significantly increase the electric strength of the pole insulation. The actuator electromagnetic force, contact movement and velocity were calculated. Both of the circuit-breaker models were constructed in cooperation with the factories: ZPUE S.A. Włoszczowa and ZE LAMINA S.A. The short-circuit tests were made in accordance with PN-EN62271-100:2009

Projektowanie komór próżniowych do wyłączników wysokiego napięcia

W artykule przedstawiono opis modelu komory próżniowej przeznaczonej do wyłącznika wysokiego napięcia. Model został przeanalizowany i częściowo zbadany w celu zapewnienia odpowiedniej wytrzymałości elektrycznej i mechanicznej. Wstępnie rozważono: wytrzymałość termiczną w warunkach obciążeniowych i zwarciowych, wytrzymałość na narażenia elektryczne, przeanalizowano rozkład pola magnetycznego na powierzchni styków jak i w przestrzeni pomiędzy stykami, wyznaczono rozkład pola elektrycznego wewnątrz komory próżniowej. Styki bipolarne zbadano w rozbieralnej komorze próżniowej. Celem tych obliczeń i badań było opracowanie odpowiedniej geometrii i rozważenie możliwości techno-logicznych wykonania modelu komory do wyłącznika wysokiego napięcia.The paper presents a vacuum chamber model for a HV circuit breaker. Manufacturers of vacuum circuit breakers apply the axial magnetic field (AMF) to stabilise the electric arc diffusion during current breaking process. The model was analyzed and partly tested to assure its mechanical and electrical withstand. The results of the preliminary calculations of thermal behavior of the vacuum chamber in short-circuit conditions, the magnetic field distribution between contact plates as well as in the contact gap and the dielectric stress inside of the vacuum chamber are shown. The bipolar contacts were tested in a dismountable vacuum chamber. The aim was to determine geometry and to recognize technology and manufacturing facilities required

Przepięcia łączeniowe i piorunowe a wymagany poziom wytrzymałości otwartych styków wyłączników 245 KV

Przedstawiono sposób oceny wartości przepięć generowanych w sieci pomiędzy otwartymi stykami wyłącznika podczas operacji łączeniowych i wyładowań piorunowych. Wartości przepięć porównano z wartościami napięć probierczych wyłączników. Zaproponowano sposób doboru ograniczników napięcia. Wyłączanie prądów zwarciowych może powodować osłabienie izolacji komory wyłącznika zmniejszając jego wytrzymałość elektryczną i trwałość łączeniową. W energetyce zgłaszano przypadki zapłonów łuku na otwartych stykach wyłączników, tego rodzaju awarie mogą być bardzo groźne w skutkach. Problem ten dotyczy przede wszystkim wyłączników jednoprzerwowych, w których naprężenia elektryczne izolacji przerwy pomiędzy stykowej wyłącznika są bardzo duże. Z tego powodu pojawiają się postulaty zwiększenia liczby łączeń podczas badań typu wyłącznika, jakie należy wykonywać bez wymiany jakichkolwiek części komory wyłącznika, czy też napędu.This paper deals with the surges generated in the network during switching operations and lightning surges. The level of both kinds of surge was compared with the required dielectric strength between the open contacts of 245 kV circuit breakers. Overvoltages greater than the electrical withstand voltage of the circuit breaker can cause arc ignition between the circuit breaker’s open contacts and power engineering service s have reported such cases. The results of such failures can be very serious. This is a problem especially for single-break circuit breakers, in which the stresses on the electrical insulation between the open contacts of the breaker are very high. A method for selecting lightning arresters to lower the overvoltages is proposed. The switching of short-circuit currents by a circuit breaker may cause a weakening of the circuit breaker chamber’s insulation and reduce its electrical withstand and durability

Analiza łuku w komorze próżniowej w osiowym polu magnetycznym

Badania komór próżniowych są wykonywane w celu optymalizacji parametrów wyłączników. Głównym celem jest zmniejszenie wymiarów i zwiększenie zdolności łączeniowej w całym zakresie napięć znamionowych wyłączników. W artykule przedstawiono wyniki obliczeń rozkładu indukcji magnetycznej dla dwu rodzajów styków w dwóch konfiguracjach, tj. styków cewkowych typu ¼ zwoja w położeniu bazowym i po obróceniu styku jednego względem drugiego o 45°, jak i styków cewkowych typu ½ zwoja w położeniu bazowym i po obróceniu styku jednego względem drugiego o 90°. Obliczenia wykazały, że obrót styków względem siebie powoduje zmianę rozkładu indukcji na powierzchniach nakładek stykowych. W przypadku styku cewkowego typu ¼ zwoja indukcja magnetyczna maleje. Powierzchnia, na której wartość indukcji osiąga znaczne wartości również maleje dla tego układu stykowego. W przypadku styku cewkowego typu ½ zwoja obrót styku o 90° powoduje powiększenie powierzchni, na której wartość indukcji przekracza 4 mT/kA. Indukcja bowiem rozłożona jest nierównomiernie na powierzchni nakładki stykowej i jej wartość maleje w kierunku krawędzi styku. Należy stwierdzić, że obrót styku jednego względem drugiego powinno się dobierać każdorazowo dla osiągnięcia największego natężenia pola magnetycznego. W obliczeniach dotyczących styków cewkowych typu ¼ zwoja z odstępem międzystykowym 12 mm, założono, że przewodność w całej przestrzeni międzystykowej jest stała i wynika z napięcia łuku. Przy prądzie 25 kA maksymalna indukcja magnetyczna zmienia się od 180 mT na powierzchni nakładki stykowej do 148 mT w środku odległości pomiędzy stykami. W celu zbadania rozkładu łuku pomiędzy stykami wykonano pomiary dla różnych ich typów w rozbieralnej komorze próżniowej przy prądzie zwarciowym do 15 kA. Rozwój łuku dyfuzyjnego badano przy użyciu kamery do zdjęć szybkich. Zmierzono rozkład osiowego pola magnetycznego dla modeli styków cewkowych typu ¼ zwoja z nakładkami o różnych nacięciach, tj. z nacięciami promieniowymi wykonanymi pod kątem 30° w stosunku do promienia styków, z nacięciami w kształcie łuku, oraz dla styków bez nacięć. Styki z nacięciami wykonanymi pod kątem 30° do promienia styku, miały największe na całej powierzchni styków natężenie pola magnetycznego. Podczas pomiarów styki były zwarte przy pomocy centralnego kołka prze-wodzącego. Jak wynika z obliczeń podczas montażu należy zwrócić uwagę na wzajemne usytuowanie styków, aby zapobiec zmniejszeniu wartości pola magnetycznego. W rozbieralnej komorze próżniowej zbadano rozwój łuku dyfuzyjnego w przestrzeni międzystykowej oraz rozkład stóp łuku na powierzchni styków.Vacuum circuit breaker chambers (VCBC) are subject of a continuous study to optimize parameters of circuit breakers. The aim is to reduce the size and to increase the breaking ability in the whole range of rated voltages. In optimization attention is paid to reach a uniform distribution of the magnetic field over the contact plate surface. The influence of slits in the contact plates, and the rotation angle between contacts upon the magnetic field distribution (MFD) was analyzed. Field tests of different contact sets were made, using a dismountable vacuum chamber. The tests were conducted at short circuit currents up to 15 kA. A high speed video camera was used to monitor the arc developed between contacts

Nowy ultra szybki uziemnik prądu dla rozdzielnic SN

W artykule przedstawiono rozwiązanie ultra-szybkiego uziemnika prądu zwarciowego ograniczającego skutki zwarcia i palącego się łuku w rozdzielnicy poprzez uziemienie trzech faz szyn zbiorczych. Uziemnik zaprojektowano na napięcie 24 kV, jego czas działania wynosi około 2 ms. Zaletą nowo opracowanej konstrukcji jest możliwość wielokrotnego działania bez konieczności wymiany po zadziałaniu jak w przypadku uziemnika pirotechnicznego.The appearance of the short circuit current inside of MV switchgear is the most serious fault associated with generation of high temperature and pressure as well as emission of gazes produced by the electric arc and melted elements inside of the switchgear. The ultra-fast earthing switch (UFES) developed by the authors will be able to reduce the above mentioned effects due to direct grounding of the three phases current caring bars. The operation time of the UFES should be as short as possible to reduce the arc energy dissipated inside of the switchgear. Therefore, a prototype of the UFES was built in the Electrotechnical Institute laboratory and was experimentally validated. The UFES developed in the Electrotechnical Institute for 24 kV with the required operating time of about 2 ms can be used several times with no need to replace any of its parts. It is ecological, environmentally friendly and is safe for the staff working nearby. In the UFES, the most important elements used are the ultra-fast actuator and the vacuum chamber as a switching element, therefore the UFES can operate many times without necessity to replace any of its parts. This is the greatest advantage of this solution. The earthing switches produced presently have the operating time of about 2 ms, but the contacts are actuated by means of exploding materials, therefore after operation the switch has to be replaced with a new one