Current interruption in air-filled medium voltage load break switches

Bryteranlegg brukes for å koble til og fra deler av kraftnettet ved f.eks vedlikehold og reparasjon. Bryteranlegg er kritiske for påliteligheten til kraftnettet og utgjør derfor et nøkkelelement i infrastrukturen til vårt moderne samfunn Et bryteranlegg inneholder flere typer elektriske brytere. En av disse er lastbryteren, som brukes til å bryte strømmer på opp til 650 A ved spenninger på opp til 36 kV (mellomspenning). De aller fleste moderne lastbrytere er basert på de utmerkede egenskapene til svovel hexafluorid (SF6) som strømslukkende medium. Denne gassen er i stand til å «kvele» lysbuen som oppstår når de to polene på lastbryteren trekkes fra hverandre. I tillegg er de fleste kompakte bryteranlegg også fylt med SF6 for å isolere elektrisk mellom de forskjellige komponentene i anlegget. SF6 er den sterkeste drivhusgassen vi kjenner til, og til tross for at bryteranlegget er hermetisk lukket, er det sterkt ønskelig å redusere bruken av SF6. I dette prosjektet er målet å utvikle en kompakt, kostnads effektiv lastbryter basert på ren luft i stedet for SF6. Prosjektet er et samarbeid mellom NTNU, SINTEF, USN og ABB. Den foreslåtte innovasjonen kan føre til et omfattende teknologiskifte for ABBs fabrikker. ABB vil kunne innta en ledende rolle innen fremtids-rettet teknologi for bryteranlegg i mellomspenningsklassen, samtidig som at det bidras betydelig til de internasjonale tiltakene for å redusere bruk og utslipp av SF6 til atmosfæren Siden starten i 2014 har NTNU og SINTEF oppdatert sine laboratorier med nye målemetoder for å studere bryting av laststrøm. En helt ny testrig gir muligheten til å variere flere relevante designparametere. Nye, lovende konsepter for bryting har blitt identifisert og utredet og en ny modell har blitt utviklet for å utforske design parameterne til en fullskala LBS. PhD student Henning Taxt har bygget eget forsøksoppsett og utført flere forsøk. Målet er å kartlegge grunnleggende fenomener innen samspillet mellom gassavspaltning og strømbryting. Nina Aanensen har utført sitt post.doc arbeid med numerisk analyse av eksperimentelle data i samarbeid med ABB Sveits. Tre publikasjoner ble presentert på konferanser og en publikasjon har blitt sendt til IEEE T-Power Delivery Høgskolen i Sør-Øst Norgen (tidl: HiT) har bygget opp lab for termiske målinger og utført flere måleserier. Flere masterprosjekter og en masteroppgave har blitt utført i samarbeid med post.doc Elin Fjeld og andre vitenskapelige ansatte. Fokuset er på kritiske designparametere for uønsket varmeutvikling i luftisolerte lastbrytere. En empirisk, parametrisk modell for temperaturstigning er ferdig. Denne gir både grunnleggende innsikt i relevant fysikk, samt er i ferd med å bli et viktig designverktøy for fremtidens bryteranlegg. Modellen har blitt brukt til å predikere temperaturstigning ved endring av ulike testparametere, og samsvarer bra med forsøksresultater. Som et resultat av kompetanseutvikling i dette prosjektet har også Elin Fjeld blitt et aktivt medlem i Cigré internasjonale arbeidsgruppe A3.36 ?Application and benchmark of Multiphysics simulations and engineering tools for temperature rise calculations?, og har gitt verdifulle bidrag til gruppen ABB Sveits har avsluttet flere test serier og ferdigstilt en numeriske modell som gir ny innsikt i oppførsel til lysbuer i luft og andre SF6 alternativer. ABB Norge jobber med design- og utviklingsarbeid av et komplett panel med ny bryter for laststrøm i luft og andre SF6 alternativer. Alle kritiske utviklingstester er nå fullført. Resultatene fra prosjektet på fullskala bryterforsøk og temperaturhåndtering i SF6-alternativer har blitt presentert I flere publikasjoner på CIRED 12.-15.Juni 2017 i Glasgow og i «XXII Symposium on Physics of Switching Arc".

Load currents (typically up to 630 A) in metal enclosed switchgears for 12, 24 and 36 kV are today most economically interrupted using sulphur hexafluoride (SF6) breakers. SF6 is also used for electrical insulation inside such switchgear cabinets. There a re major environmental concerns associated with this, as SF6 is the strongest "greenhouse gas" we know of. A new compact and inexpensive load break switch based on air instead of SF6 is the enabling technology that would pave the way for medium voltage metal enclosed switchgears completely without SF6. This is an environmentally benign solution and would be a highly competitive product for the world market. In this project, we propose to perform fundamental scientific studies of current interruption in air and develop the technology needed to successfully utilize air as the insulation medium in load break switches and metal enclosed switchgears. The project is a collaboration between ABB Power Products in Norway (Skien), SINTEF, NTNU, TUC and ABB Switz erland Corporate Research. The proposed innovation may lead to a wide-ranging and sweeping technology shift for ABB PP's plants in both Skien, China and India, placing them at the forefront of medium voltage switchgear technology and at the same time cont ributing significantly to the international efforts of reducing usage and emission of SF6 to the atmosphere.