Transformatory i łączniki w eksploatacji 2020

Przegląd aktualnie prowadzonych badań w zakresie łącznikowej techniki próżniowej

Abstract — Technika próżniowa jest obecnie uważana za najbardziej perspektywiczne medium izolacyjno-gaszeniowe w komorach gaszeniowych łączników średnich napięć. Znajduje również zastosowania w innych segmentach rynku łączników elektroenergetycznych, takich jak wyłączniki generatorowe czy wyłączniki w niskich przedziałach napięć wysokich. Niniejszy artykuł zawiera przegląd aktualnych badań z zakresu łącznikowej techniki próżniowej opublikowanych w ostatnich latach w wiodących światowych czasopismach technologiczno-badawczych. Przedstawione badania zostały opisane w grupach tematycznych: próżniowy elektryczny łuk łączeniowy, ruch plamki katodowej, prąd emisji elektronowej, wytrzymałość napięciowa przerwy międzystykowej, łączniki energoelektroniczne, diagnostyka komór próżniowych, interakcja wyłącznika próżniowego z siecią. Przedstawiony w niniejszej pracy aktualny stan badań ma umożliwić wytyczenie programu badań mogącego wspomóc rozwój tej technologii poprzez zwiększenie wiedzy o zjawiskach podstawowych istotnych dla eksploatacji i dalszego rozwoju wyłączników próżniowych.

I. INTRODUCTION

Wyłączniki próżniowe zdominowały obecnie rynek wyłączników średnich napięć (SN) i uważane są za perspektywiczną technologię również w segmencie wyłączników Wysokich Napięć (WN). Wysoka niezawodność konstrukcji komór gaszeniowych, korzystne właściwości łączeniowe próżni oraz jej ekologiczna przyjazność sprawia, że technika próżniowa obecnie dominuje w wielu segmentach rynku, a także trwają prace związane z rozszerzeniem zakresu jej stosowania [1]. Zalety techniki próżniowej ugruntowane na poziomie SN, przyczyniły się do rozwoju konstrukcji wysokonapięciowych. Technologię tę stosuje się również w wyłącznikach generatorowych.

Obecnie w Japonii eksploatowane są wyłączniki próżniowe do poziomu napięć znamionowych 204 kV [2]. Pierwsze wysokonapięciowe wyłączniki na poziomie napięcia dystrybucyjnego 110 kV zostały również zainstalowane w Polsce [3].

Niniejsza praca jest przeglądem aktualnych kierunków badań w zakresie techniki próżniowej. Wykonany przegląd badań obejmuje prace, które zostały opublikowane w wiodących czasopismach IEEE: IEEE Transactions on Plasma Science, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation oraz IEEE Transactions on Power Delivery. Zakres prac został ograniczony do lat 2016-2020. Przedstawione badania zostały opisane w siedmiu grupach tematycznych: wytrzymałość napięciowa przerwy międzystykowej, próżniowy łuk elektryczny, ruch plamki katodowej, pomiary prądu emisji elektronowej, nowe rozwiązania konstrukcyjne oparte o łączniki próżniowe, diagnostyka komór próżniowych, oraz interakcja wyłącznika próżniowego z siecią. W ostatnim rozdziale zawarto wnioski sformułowane na podstawie przedstawionego przeglądu badań.

II. Wytrzymałość napięciowa przerwy Międzystykowej

W kontekście rozwoju techniki próżniowej w kierunku wysokich napięć, szczególną uwagą zostały objęte zjawiska zachodzące w przerwie międzystykowej. Wraz ze wzrostem odległości międzystykowej zauważa się stopniową zmianę mechanizmu inicjacji wyładowania. Przy zwiększaniu odległości międzystykowych, dla charakterystycznego przy małych odstępach miedzystykowych mechanizmu (< 0.5 mm), bazującego na emisji polowej, następuje stopniowy wzrost znaczenia mikrocząstek w inicjacji wyładowania. W przypadku odstępów międzyelektrodowych > 2 mm dominującym staje się mechanizm inicjowania wyładowań przez mikrocząstki.

Badania zmiany mechanizmu wyładowania wraz ze wzrostem odległości międzystykowej zostały opisane w pracy [4]. Badania te wykonano w dedykowanym układzie stykowym, modelującym układ izolacyjny ostrze-płyta. Po wykonaniu wstępnego kondycjonowania styków, dla trzech odległości miedzystykowych, d: 0.5, 0.8 oraz 1 mm, stopniowo, z krokiem 0.5 kV/min, zwiększano przemienne napięcie probiercze narażające przerwę międzystykową. Wzrost napięcia był kontynuowany do chwili wystąpienia przeskoku. Na podstawie mierzonego prądu emisji, elektronowej wnioskowano o rodzaju mechanizmu inicjacji wyładowania. Pomiary wykonano dla trzech komór. Dla każdej komory, wykonano dwa pomiary obserwując czy nastąpiła zmiana mechanizmu inicjacji wyładowania pomiędzy pierwszą oraz drugą próbą.

Wraz ze wzrostem odległości miedzystykowej obserwowano coraz istotniejszy wpływ mikrocząstek na inicjację wyładowania. Dla d = 0.5 mm nie obserwowano zmiany mechanizmu wyładowania (wszystkie przeskoki inicjowane były prądem emisji elektronowej), natomiast dla  d = 1 mm, dla wszystkich badanych komór zaobserwowano zmianę mechanizmu wyładowania. Tj. z wyładowania inicjowanego emisją polową w pierwszej próbie, na wyładowanie inicjowane przez mikrocząstki w drugiej próbie.

Mikrocząstki są główną przyczyną występowania późnych zapłonów ponownych, które generują znaczne przepięcia w sieci [5], [6] Z tego względu badanym aspektem jest ruch oraz trajektoria wyzwolonych z powierzchni stykowych mikrocząsteczek, a także obserwacja inicjowanych przez nie zjawisk oraz procesów [7]. Obserwacja ruchu przedstawiona w pracy [7]bazowała na optycznej rejestracji ruchu cząstek kamerą szybką o wysokiej rozdzielczości (rys. 1.).

Rys. 1.  Zarejestrowana trajektoria ruchu cząstki w przerwie międzystykowej, wraz z oznaczonymi miejscami inicjacji zapłonów (BDx), [7].

Badanie polegała na wymuszeniu prądu, najpierw stałego (DC) o stosunkowo małej wartości, a po osiągnięciu przez styki (AgWC) maksymalnej odległości międzystykowej (d = 2 mm) wymuszeniu półfali prądu przemiennego o wartości skutecznej 800-2400 A. Po naturalnym przejściu prądu przez wartość zerową, załączano część wysokonapięciową układu syntetycznego [8] a następnie obserwowano ruch cząstek w przestrzeni międzystykowej powstały wskutek przyłożonego napięcia.

Z wykonanych 160 prób w układzie syntetycznym, w przypadku 4 testów przeskok zainicjowały wolne (ok. 1 m/s) ale duże (ok. 100 µm średnicy) mikrocząsteczki, natomiast w przypadku 4 prób, przeskok został zainicjowany poprzez szybkie (ok. 15 m/s) ale małe cząsteczki (20-40 µm średnicy). W obu przypadkach, przeskokowi zawsze towarzyszyła emisja światła. W przypadku większych cząsteczek, emisja światła była obserwowana pomiędzy cząsteczką, a powierzchnią katody.

W pozostałych 152 próbach wyładowania były  powodowane czynnikami, których złożenie nie pozwala na jasne określenie mechanizmu inicjacji. Powodem mogła być niewystarczająca rozdzielczość przestrzenna kamery oraz brak możliwości obserwacji całej przestrzeni międzystykowej.

Ciekawą obserwacją  jest fakt, że podczas badań obserwowano brak znaczącego ubytku masy mikrocząsteczek, spowodowanego odparowaniem materiału z układu stykowego. Sugeruje to konieczność uwzględnienia w modelach nowego efektu, powodującego lokalne zwiększanie współczynnika wzmocnienia pola wraz ze zbliżaniem się mikrocząsteczki do powierzchni styku.

III. Próżniowy łuk elektryczny

U początku rozwoju łączeniowej techniki próżniowej, uwaga została zwrócona na obserwację zjawisk przykatodowych, a w szczególności wpływu katody na wytrzymałość napięciową łącznika. W kształtowaniu wytrzymałości napięciowej, interesująca jest analiza stanu styków po narażeniu łukowym oraz obserwacja mechanizmu emisji mikrocząstek z plamek katodowych oraz nadtopionej powierzchni katody [9]. W pracy [9] badano 3 układy stykowe AMF o średnicach: 50, 55 oraz 64 mm. Po początkowym kondycjonowaniu, styki poddawane były narażeniu łukowemu podczas operacji otwierania. W trakcie otwierania styków, rejestrowano obraz powierzchni katody przy użyciu kamery szybkiej.

Rys. 2.  Powierzchnia katody w kolejnych chwilach czasu wraz ze zbliżaniem się wyłączanego prądu do zera (I = 0.9 In), [9].

Analizując obrazy przedstawione na Rys. 2, zaobserwowano, że wraz ze zbliżaniem się wartości prądu do zera, następuje zawężenie obszaru aktywnego do krawędzi katody. Obszar w pobliżu osi styków ulega zestaleniu (napięcie powierzchniowe wygładza powierzchnię styków), a plamki katodowe pojawiają się na obrzeżu styków.

Przy wzroście prądu, dochodzi do nadtopienia obszaru w pobliżu osi układu stykowego. Na wybrzuszeniach i zagłębieniach roztopionego metalu, powstają plamki katodowe, którym towarzyszą mikroeksplozje wypukłości oraz rozpylenie mikrokropelek roztopionego materiału stykowego. Przy czym emitowane kropelki są istotnie zróżnicowane pomiędzy sobą pod względem rozmiaru oraz prędkości poruszania się.

Rozkład temperatury na powierzchni katody w pobliżu zera prądu jest silnie nierównomierny, z najbardziej gorącym obszarem w pobliżu osi styku. W przypadku anody, rozkład temperatury jest bardziej równomierny. Obszar o najwyższej temperaturze tworzy pierścień wokół stosunkowo zimnego obszaru wokół osi styku.

W budowaniu się wytrzymałości napięciowej przerwy miedzystykowej przy otwieraniu styków wyłącznika po zgaszeniu łuku, główną rolę odgrywają zjawiska inicjowane przez katodę. Jednak do rozwoju pełnego wyładowania łukowego, istotna jest aktywność anody. Aktywność anody jest silnie związana z powstaniem na jej powierzchni stopy anodowej. Próba opisu zjawiska występowania stopy anodowej, a w szczególności opisu wartości prądów, dla których zjawisko to występuje, została przedstawiona w pracy [10]. Układ probierczy obejmuje 4 układy stykowe, wykonane z czystych metali: wolframu, molibdenu, chromu oraz żelaza. Wykorzystano tu styki lite, z zewnętrznymi cewkami Hemholza do generacji osiowego pola magnetycznego (AMF). Próby obejmowały wyłączanie prądu o wartościach w zakresie 2-30 kA (RMS).W trakcie rozchodzenia się styków obserwowano łuk łączeniowy w przestrzeni miedzystykowej. Wartość progu prądowego formacji stopy anodowej, rejestrowano na podstawie:

  • obserwacji kamerą szybką powierzchni anody,
  • napięcia łuku elektrycznego,
  • aktywności anody.

W wyniku badań określono progi prądowe pojawienia się  stopy anodowej dla trzech różnych wartości natężenia pola AMF. Określone progi prądowe wykazują silną zależność od charakterystyki przewodzenia ciepła przez materiał stykowy.

Obserwowano również mechanizm emisji anodowej opierający się na emisji mikrocząstek oraz kropel roztopionego materiału stykowego. Emisja materiału stykowego w postaci par jest znacząca tylko w przypadku anody o mocno nasyconej charakterystyce ciśnienia par, będącej funkcją temperatury.

IV. Ruch plamki katodowej

Specyfika próżniowego łuku elektrycznego sprawia, że duży wpływ na przebieg procesu łukowego ma plamka katodowa, a w szczególności jej żywotność oraz ruchliwość. Sam ruch plamki jest w znacznym stopniu losowy, jednak wykazuje pewną selektywność w „wyborze” miejsca zapłonu nowej plamki np. z powodu niższej pracy wyjścia. W badaniach przedstawionych w pracy [11], obserwowano ruch plamki po powierzchni katody, oraz zależność tego ruchu od grubości zalegających  na powierzchni styków tlenków, oraz od odległości międzystykowej. Ruch plamek katodowych był obserwowany optycznie w przygotowanym do tego celu układzie probierczym (rys. 3.).

Dzięki odpowiednio przygotowanej anodzie, możliwy był wgląd wizualny w powierzchnię katody, a następnie cyfrowa analiza tak uzyskanych obrazów. Chcąc uzyskać niezaburzony ruch plamek, prąd ograniczono do wartości 2 A, tak by jednocześnie paliła się tylko jedna plamka katodowa.

Podczas badań obserwowano ruch plamki katodowej o dwóch prędkościach: ruch wolny, który jest ruchem dominującym w komorach próżniowych oraz ruch szybki. Ruch wolny charakterystyczny jest dla plamki katodowej w stosunkowo wąskim obszarze styków i związany jest z przemieszczaniem się plamki po warstwach nalotowych, a zatem zależny jest od procesu kondycjonowania powierzchni stykowej. Kolejne plamki pojawiają się na obrzeżu głównego krateru poprzedniej plamki katodowej. Z kolei tryb szybki związany jest ze skokowym przemieszczaniem się plamki po powierzchni katody W tym przypadku kolejne zapalające się plamki są umiejscowione na powierzchni styków w stosunkowo dużej odległości względem siebie.




Rys. 3. Komora modelowa z odpowiednio przygotowanym otworem w anodzie, pozwalającym na optyczną obserwację powierzchni katody, [11].

Wraz ze spadkiem grubości warstw nalotowych, lub wraz ze wzrostem odległości międzystykowych, plamki katodowe stają się co raz bardziej ruchliwe. Rośnie prawdopodobieństwo, że plamka na krócej pozostanie w danym obszarze styków.

Pomimo wysokiej przestrzennej (47 µm) oraz czasowej (2 µs ) rozdzielczości zastosowanej w pracy [11] kamery szybkiej, nie osiągnięto wystarczająco dokładnej analizy ruchu plamek katodowych.

V. Pomiary prądu emisji elektronowej

Dla małych odległości międzystykowych, mechanizmem  inicjującym przeskok w próżniowych układach izolacyjnych jest prąd emitowany polowo z mikronierównosci katody, zwany prądem emisji elektronowej [12]. Dzięki informacjom jakie niesie ze sobą pomiar prądu emisji elektronowej na temat próżniowego układu stykowego, badania w tej tematyce ukazują się od dawna [13], [14]. Dotychczasowe badania dotyczyły analizy prądu emisji po wykonaniu przez łącznik najbardziej wymagających obciążających dla styków procesów łączeniowych, takich jak załączanie prądów rozruchowych transformatora [13] czy wyłączanie prądów w obwodach pojemnościowych [14].

Kolejnym rodzajem badań w odniesieniu do prądów emisji elektronowej jest określenie wpływu udarowego prądu baterii kondensatorów na stan styków poprzez badanie charakterystyki prądu emisji elektronowej [15]. Badania te wykonano w pracy [9] przy ocenie wpływu na prąd emisji elektronowej amplitudy prądu łączeniowego oraz liczby operacji łączeniowych. Badanymi obiektami były 4 komory próżniowe o układach stykowych CuCr25. Po wstępnym wykondycjonowaniu komór, podzielono je na dwie grupy. Komory A1 oraz A2 zostały użyte do załączenia prądu 10 kA (rms), natomiast komory B1 oraz B2 użyto do załączania prądu 20 kA (rms).  Każdą z komór wykonano załączenia prądu dwukrotnie. Po wykonanych operacjach łączeniowych, dokonano pomiaru prądu emisji elektronowej przy odległości międzystykowej d = 1 mm oraz przy napięciu 30 kV o częstotliwości 50 Hz.

Rys. 4. Powierzchnia styków po dwukrotnym załączeniu prądu pojemnościowego o wartości 20 kA, [9].

VI. Nowe rozwiązania konstrukcyjne
oparte o łączniki próżniowe

Rozwój energetyki rozproszonej i sieci oczkowych prądu stałego oznacza potrzebę rozwoju technologii łączenia prądu DC. Jest obecnie publikowanych wiele prac w tym obszarze, które mają na celu zaproponowanie nowych wyłączników hybrydowych prądu stałego opartych na łącznikach mechanizmowych i komponentach energoelektronicznych. W pracy [16] zaprezentowano wyłącznik prądu DC opartego na wyłączniku próżniowym z układem przeciwprądu zbudowanego w oparciu o rezonansowe źródło napięciowe VARC (ang. voltage source resonant current) [16]. Opracowany wyłącznik o parametrach 24 kV DC oraz 10 kA prądu wyłączanego bazuje na komorze próżniowej (VI) z szybkim napędem elektrodynamicznym oraz na przekształtniku napięciowym będącym źródłem energii dla rezonansowego obwodu gaszeniowego. Schemat układu wyłącznika został przedstawiony na Rys. 5.

Po detekcji zakłócenia podawany jest sygnał do rozejścia się styków komory próżniowej VI. Krótko przed chwilą, w której styki osiągną wystarczająco dużą odległość międzystykową by zapewnić wytrzymałość napięciową dla budującego się na stykach komory napięcie, aktywowany jest obwód rezonansowy sterowanego źródła napięciowego w układzie równoległym do gałęzi wyłącznika. Obwód rezonansowy jest ładowany w taki sposób, że prąd w gałęzi równoległej Iosc wymuszany jest z coraz wyższą amplitudą i o przeciwnym kierunku w stosunku do prądu łączeniowego Iline. w obwodzie głównym wyłącznika. Obwód rezonansowy sterowany jest do chwili zrównania się wartości chwilowych prądów w gałęzi głównej wyłącznika i w gałęzi obwodu rezonansowego (IVI = 0), a tym samym wymuszenia przejścia prądu przez zero, co umożliwia wyłączenie prądu w torze głównym. Po wyłączeniu, budujące się napięcie powrotne na stykach wyłącznika próżniowego jest ograniczane przez równoległy do komory próżniowej warystor. Na koniec otwierany jest łącznik RCB, którego funkcją jest odizolowanie układu od sieci zasilającej.

Uszkodzenia styków w trakcie procesów łączeniowych (Rys. 4) uwidaczniały się w pomiarach prądu emisji elektronowej. Przy symetrycznym napięciu sinusoidalnym, rejestrowano niesymetryczny prąd emisji elektronowej.

Rys. 5.  Schemat elektryczny wyłącznika hybrydowego wykorzystującego układ rezonansowy ze źródłem sterowanym VARC: LDC – dławik ograniczający prąd zakłóceniowy; VI – próżniowa komora gaszeniowa; RCB – wyłącznik odcinający od sieci; LP,CP – elementy obwodu rezonansowego wstrzykiwania prądu; CDC,RCH,VDC,SCH – elementy ładowania obwodu rezonansowego, [16].

W pracy [16] zaprezentowano model symulacyjny omawianego wyłącznika (w oprogramowaniu PSCAD) wraz z fizycznym wyłącznikiem, który został poddany próbom łączeniowym.

VII. Diagnostyka komór próżniowych

Wyłączniki próżniowe pracujące w sieciach SN są konstrukcjami niezawodnymi o długim czasie życia [17]. Obecnie znaczna część tych wyłączników osiąga granicę  projektowanego czasu eksploatacji. Stanowi to motywację dla rozwoju nowych metod diagnostyki stanu próżni w komorach próżniowych. Zastosowanie znajdują tu szczególnie nowe metody sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego, oraz silnie obecne rozwijane metody prognozowania stanu urządzeń (ang. predictive maintenance).

Jedną z nowych metod, w kontekście techniki próżniowej, jest wykorzystanie zjawiska wyładowań niezupełnych [18]. W pracy [18] zastosowano układ eksperymentalny z zaprojektowaną na potrzeby eksperymentu próżniową komorą gaszeniową wyposażoną w regulację ciśnienia. W układzie tym odtworzono zjawisko przenikania cząsteczek gazów elektroizolacyjnych do wnętrza komory gaszeniowej. Badania wykonano dla różnych poziomów podciśnienia w komorze. W tym celu do wnętrza komory wprowadzono gaz elektroizolacyjny (azot lub SF6), a następie, przy pomocy pompy próżniowej, ustabilizowano ciśnienie wewnątrz komory na określonym poziomie, z zakresu 0.2-100 Pa. Pomiar wyładowań niezupełnych poddano statystycznej analizie. Uzyskane wyniki z użyciem wyładowań niezupełnych, jednak wadą tej metody jest, aplikowany zakres ciśnień występujący przy znacznie rozszczelnionych komorach.

W obszarze obserwowanego obecnie dynamicznego rozwoju metod sztucznej inteligencji oraz uczenia maszynowego oraz wprowadzonych na tej podstawie rozwiązań prognostycznych, rozwijane są metody diagnostyki on-line wyłączników, których celem jest przewidzenie momentu wystąpienia awarii. Istotnym elementem mającym wpływ na niezawodność wyłącznika, jest napęd. Wnioskowanie o stanie napędu możne na pomiarze charakterystyk wibracyjnych wyłącznika w czasie operacji łączeniowych [19]. W pracy [19] przedstawiono układ probierczy, w którym na module napędowym wyłącznika zamontowano akcelerometr, służący do pomiaru charakterystyk wibracyjnych podczas każdej operacji łączeniowej aparatu. W trakcie badań, tworzono sygnatury służące identyfikacji typowych usterek mechanizmu napędowego dla wybranych operacji łączeniowych. Zarejestrowane charakterystyki wibracyjne wstępnie odszumiano, a następnie opisywano deskryptorami numerycznymi takimi jak: CD – Correlation Dimension, LLE – Largest Lyapunov Exponent czy KE – Kolmogorov Entropy. Dla znanych rożnych typów uszkodzeń, porównywano wartości deskryptorów, sprawdzając możliwość wnioskowania na ich podstawie o typie uszkodzenia. Analizowano następujące przypadki pracy wyłącznika:

  • HC – poprawne zamknięcie
  • PRA – anormalna praca cięgna napędowego
  • CCM – niewłaściwa praca wyzwalacza zamykającego
  • HO – poprawne otwarcie
  • SAM – uszkodzenie amortyzatora
  • DOS –  odkształcenie wału napędowego

 Powyższa metoda analizy sygnałów zastosowana do identyfikacji uszkodzeń,  pozwala na uzyskanie jednoznacznego rozgraniczenia pomiędzy stanem sprawności wyłącznika a poszczególnymi uszkodzeniami wyłącznika (rys. 6.).

Rys. 6.  Zestawienie klasyfikacji stanów pracy wyłacznika: a) wartości LLE; b) wartosci CD; c) wartosci KE; d) zestawienie stanów pracy wyłącznika w przestrzeni trzech wykorzystanych deskryptorów numerycznych, [19].

Diagnostyka wyłącznika próżniowego realizowana jest również poprzez pomiar sił działających na styki komory [20]. Rejestracja sił wykonywana jest przy użyciu sensorów bazujących na tensometrach. Sensory te instalowane są [20] w torze cięgna napędowego bieguna, tuż przy sprężynie dociskowej, co pozwala na wykonanie pomiaru działających na styki sił. W pracy [20] rejestracji podlegały również prądy wyzwalaczy oraz przemieszczenia styków w poszczególnych biegunach wyłącznika. Na podstawie kompletu pomierzonych sygnałów oraz przy wykorzystaniu narzędzi matematycznych takich jak analiza falkowa, charakteryzowano stan techniczny najważniejszych komponentów wyłącznika, wnioskując o stanie zasobnika energii, układu tłumienia czy prędkości styków.

VIII. Interakcja wyłącznika próżniowego z siecią

Oddziaływanie wyłączników z siecią modelowane jest poprzez odwzorowanie zapłonów wczesnych i późnych występujących przy otwieraniu i zamykaniu wyłącznika, a obliczenia wykonuje się w modelu symulacyjnym sieci. W pracy [21] przedstawiono model wyłącznika opracowany na podstawie próbach łączeniowych oraz pomiarach w fizycznych układach laboratoryjnych. Tak stworzony model uwzględnia nieliniowy przyrost wytrzymałości napięciowej przerwy międzystykowej, związany z nieliniowym ruchem styków wyłącznika, zdolność wyłącznika do wyłączania prądów o wysokiej częstotliwości powiązanych ze zjawiskiem zapłonów ponownych, oraz zjawisko zrywania prądu.

W zastosowanym w pracy [21] modelu pominięto stochastyczną naturę zjawisk związanych z wyłączaniem prądu przez wyłącznik.

Pomiary na bazie których opracowano model wyłącznika pozwoliły na uwzględnienie nieliniowego przemieszczenia styków oraz zastosowano do analizy  oddziaływania łącznika z siecią podczas procesu łączeniowego. Przedstawiony model pozwala w szczególności na analizę zapłonów ponownych, szczególnie w sieciach wrażliwych na występowanie przepięć, takich jak sieci w których występują jednostki generacji rozproszonej [22]

IX. Podsumowanie

Obecnie technologia próżniowa wkracza w obszar napięć wysokich, jednak kontynuowane są badania zjawisk podstawowych w małoskalowych układach próżniowych komór średnich napięć. Technologia próżniowa z powodzeniem stosowana jest również w innych obszarach, takich jak wyłączniki generatorowe czy łączniki hybrydowe energoelektroniczne.

Istotnym aspektem rozwoju wiedzy o zjawiskach podstawowych w komorach próżniowych jest rozumienie procesu budowania się wytrzymałości napięciowej przerwy międzystykowej oraz wpływu na ten proces ruchu mikrocząstek. Badany jest przebieg procesu łukowego przy wyłączaniu prądu, w szczególności dla większych odległości międzystykowych. W badaniach procesów łukowych uwzględnienia się zachowanie plamki katodowej oraz aktywność anody.

Prowadzone aktualnie badania oparte są na metodach szybkiej rejestracji optycznej. Technika ta pozwala na obserwowanie przebiegu procesów fizycznych w przestrzeni międzystykowej. W poznaniu zjawisk w komorach próżniowych barierą staje się przestrzenna oraz czasowa rozdzielczość rejestracji obecnie dostępnych na rynku urządzeń.

Ze względu na eksploatację coraz większej populacji komór próżniowych na granicy ich projektowanego czasu życia, oraz ze względu na rozwój techniki próżniowej w zakresie wysokich napięć, istotnym nurtem badań jest rozwój metod diagnostyki i prognostyki stanu wyłączników próżniowych. Opublikowane dotychczas prace (np. [19]) wskazują na możliwość zastosowania analizy charakterystyk wibracyjnych dla diagnostyki i prognostyki stanu napędów wyłączników. Prace te prowadzone są z zastosowaniem nowoczesnych metod sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego.

Ze względu na kompaktowe wymiary komór próżniowych, obserwowane obecnie rozszerzenie zakresu stosowania technologii próżniowej w obszar napięć wysokich, wymaga stosowania zewnętrznej izolacji komory, zapewniającej odpowiednią wytrzymałość napięciową układu. Wymagania w zakresie ekologii produktów elektroenergetyki stanowią w tym aspekcie motywację dla rozwoju nowych mediów izolacyjnych, konkurencyjnych wobec gazu SF6.

Szymon Stoczko, Marcin Szewczyk
Instytut Elektroenergetyki, Politechnika Warszawska
ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa

Literatura

[1]          X. Yao et al., “Development and Type Test of a Single-Break 126-kV/40-kA–2500-A Vacuum Circuit Breaker,” IEEE Trans. Power Deliv., vol. 31, no. 1, 2016.

[2]          GIGRE, “Paper 589: The Impact of the Application of Vacuum Switchgear at Transmission Voltages,” 2014.

[3]          M. Lechman and P. Mański, “Doświadczenia z uruchomienia i eksploatacji wyłącznika próżniowego na napięcie 110 kv,” Urządzenia dla Energ., no. 2, pp. 49–55, 2018.

[4]          S. Li, Y. Geng, Z. Liu, and J. Wang, “A breakdown mechanism transition with increasing vacuum gaps,” IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., vol. 24, no. 6, pp. 3340–3346, 2017, doi: 10.1109/TDEI.2017.006482.

[5]          T. Chmielewski, P. Oramus, M. Szewczyk, T. Kuczek, and W. Piasecki, “Circuit breaker models for simulations of short-circuit current breaking and slow-front overvoltages in HV systems,” Electr. Power Syst. Res., vol. 143, pp. 174–181, 2017.

[6]          M. Szewczyk, T. Kuczek, P. Oramus, W. Piasecki, “Modeling of repetitive ignitions in switching devices: case studies on Vacuum Circuit Breaker and GIS disconnector,” in Analysis and Simulation of Electrical and Computer Systems, 2015.

[7]          H. Ejiri et al., “Late Breakdowns Caused by Microparticles after Vacuum Arc Interruption,” IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 47, no. 8, pp. 3392–3399, 2019, doi: 10.1109/TPS.2019.2917379.

[8]          M. Szewczyk, S. Stoczko, W. Chmielak, and A. Zagrajek, “Comparative Study of Synthetic Test Circuits for Testing of MV and HV AC Circuit Breakers According to IEC Std. 62271,” in Conference on Progress in Applied Electrical Engineering (PAEE 2019), 2019.

[9]          A. A. Logachev, I. N. Poluyanova, K. K. Zabello, Y. A. Barinov, and S. M. Shkol’nik, “Cathode Surface State and Cathode Temperature Distribution after Current Zero of Different AMF-Contacts,” IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 47, no. 8, pp. 3516–3524, 2019, doi: 10.1109/TPS.2019.2923326.

[10]        Z. Zhang et al., “Anode Spot Threshold Current of Four Pure Metals Subjected to Uniform Axial Magnetic Field in High Current Vacuum Arcs,” IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 45, no. 8, pp. 2135–2143, 2017, doi: 10.1109/TPS.2017.2705171.

[11]        W. Li, Z. Shi, C. Wang, F. Shi, S. Jia, and L. Wang, “The Motion Characteristics of a Single Cathode Spot in Removing Oxide Layer on Metal Surface by Vacuum Arc,” IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 45, no. 1, pp. 106–112, 2017, doi: 10.1109/TPS.2016.2636189.

[12]        P. R. Schwoebel and I. Brodie, “Surface-science aspects of vacuum microelectronics,” J. Vac. Sci. Technol. B Microelectron. Nanom. Struct. Process. Meas. Phenom. 13, 1995.

[13]        R. P. P. Smeets, S. Kuivenhoven, S. Chakraborty, and G. Sandolache, “Field electron emission current in vacuum interrupters after large inrush current,” Proc. – Int. Symp. Discharges Electr. Insul. Vacuum, ISDEIV, pp. 157–160, 2012, doi: 10.1109/DEIV.2012.6412476.

[14]        M. K. Zadeh, V. Hinrichsen, R. Smeets, and A. Lawall, “Field emission currents in vacuum breakers after capacitive switching,” IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., vol. 18, no. 3, pp. 910–917, 2011, doi: 10.1109/TDEI.2011.5931080.

[15]        Y. Yu, J. Wang, H. Yang, Y. Geng, and Z. Liu, “Asymmetrical AC field emission current characteristics of vacuum interrupters subjected to inrush current,” IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., vol. 23, no. 1, pp. 49–57, 2016, doi: 10.1109/TDEI.2015.005258.

[16]        S. Liu et al., “Modelling, Experimental Validation and Application of VARC HVDC Circuit Breakers,” IEEE Trans. Power Deliv., vol. 8977, no. c, pp. 1–1, 2019, doi: 10.1109/tpwrd.2019.2947544.

[17]        R. Renz, D. Gentsch, H. Fink, P. G. Slade, and M. Schlug, “Vacuum Interrupters – sealed for life,” in 19 th International Conference on Electricity Distribution, 2007.

[18]        Y. Nakano, M. Kozako, M. Hikita, T. Tanaka, and M. Kobayashi, “Estimation method of degraded vacuum in vacuum interrupter based on partial discharge measurement,” IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., vol. 26, no. 5, pp. 1520–1526, 2019, doi: 10.1109/TDEI.2019.008142.

[19]        Q. Yang, J. Ruan, Z. Zhuang, and D. Huang, “Chaotic Analysis and Feature Extraction of Vibration Signals from Power Circuit Breakers,” IEEE Trans. Power Deliv., vol. 8977, no. c, 2019, doi: 10.1109/TPWRD.2019.2934123.

[20]        J. Tang, S. Lu, J. Xie, and Z. Cheng, “Contact Force Monitoring and Its Application in Vacuum Circuit Breakers,” IEEE Trans. Power Deliv., vol. 32, no. 5, pp. 2154–2161, 2017, doi: 10.1109/TPWRD.2015.2423686.

[21]        T. Abdulahovic, T. Thiringer, M. Reza, and H. Breder, “Vacuum Circuit-Breaker Parameter Calculation and Modelling for Power System Transient Studies,” IEEE Trans. Power Deliv., vol. 32, no. 3, pp. 1165–1172, 2017, doi: 10.1109/TPWRD.2014.2357993.

[22]        W. Piasecki, T. Kuczek, and M. Florkowski, “Transformer Switching With Vacuum Circuit Breaker: Case Study of PV Inverter LC Filters Impact on Transient Overvoltages,” IEEE Trans. Power Deliv., vol. 31, no. 1, 2016.

Click to comment

Leave a Reply

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

To Top