Short-circuit Current Making in Medium Voltage Switches with Environmentally Friendly Gas

ABB ELDS i Skien produserer 12 - 40.5 kV kompakte, gassisolerte bryteranlegg for verdensmarkedet. Svovel-hexafluoride (SF6) gass brukes som medium for elektrisk isolasjon og strømbryting. SF6 er imidlertid en sterk drivhusgass og det er derfor forventet restriksjoner på fremtidig bruk. I tillegg til å bryte strøm, må elektriske brytere også være i stand til å lukke på full kortslutningsstrøm uten å bli skadet. Når en slik bryter lukkes, vil full kortslutningsstrøm (ti-talls kilo ampere) strømme over kontaktgapet med full spenning og en lysbue med høy energi vil brenne i kontaktåpningen. Uten de svært gode termiske- og isolerende egenskapene til SF6, øker energien til denne lysbuen og kontaktene risikerer å sveise sammen slik at de ikke kan åpnes igjen. Tidligere og pågående forskning støttet av ABB og Norges Forskningsråd har adressert elektrisk isolasjonsevne, strømbryting og termiske egenskaper til luft og luftblandinger som alternativer til SF6. Nå må vi starte FoU arbeid for å addressere innkobling på kortslutningsstrømmer i de samme gassene. Dette vil muliggjøre et komplett alternativ til den eksisterende SF6-baserte produktlinjen av mellomspennings koblingsanlegg. PhD-studenten Philipp Jabs jobbet i overkant av ett år ved NTNU. Ulike metoder for å sikre kommutering av lysbuestrømmen til høystrømstransformatoren har blitt analysert og fordelene ved å bruke ulike halvledere og mekaniske brytere har blitt undersøkt. En syntetisk test krets basert på halvledere i stedet for et gnistgap er foreslått og presentert i en artikkel på en IEEE konferanse. Den foreslåtte syntetiske kretsen har blitt testet i kortslutningsstrømslaboratoriet ved NTNU. PhD arbeidet har blitt støttet av forskere ved SINTEF. PhD studenten Philipp Jabs sluttet i prosjektet i Oktober 2018. En ny PhD-student, Naghme Dorraki, begynte februar 2019 og vil fortsette prosjektet i henhold til planen. Den phd-kandidaten jobbet i hovedsak eksperimentelt, og har utført innkoblingsforsøk under kortslutning for en typisk mellomspenningsbrytergeometri. Målet er å forstå hvordan designparametere påvirker aldring av kontaktene ved lysbue og etter metallisk kontakt. Særlig lysbuen og kontakthastighetens effekt av kontakterosjon har vært viktig, og spektroskopimålinger er utført for å komplimentere spenning- og strømmålinger. Mer enn 250 forsøk er utført for å vurdere de ulike designparameterne. Doktorarbeidet har så langt resultert i to journalartikler og ett konferanseartikkel. I tillegg er to journalartikler til sendt inn for vurdering. I tillegg har totalt fire masterstudenter jobbet og levert masteroppgave på prosjektet. SINTEF har gjennomført eksperimentelle forsøksserier (med parallelle simuleringer) på AC spenningsholdfasthet i luft og AirPlus på mer produktlignende design (pufferdesign og knivbryter for jording) for å prøve å forstå hvordan designdetaljer påvirker fortenning i de forskjellige gassene. I løpet av prosjektet har en ny testrigg for innkoblingsforsøk under kortslutningsstrømmer blitt designet og bygget i tilknytning NTNUs høystrøm-/bryterlab. Riggen inkluderer måleutstyr for å undersøke kommutering av strøm fra lysbue- til hovedkontakter, samt måling av små spenningsfall over kontaktene etter innkobling. Både ABBs pufferbryter og den roterende jordingskontakten har blitt testet i dette oppsettet, i tillegg til PhD-kandidatens eksperimenter. De siste årene har SINTEF i hovedsak jobbet med kontakterosjonsproblemer knyttet til jordingsbryteren, ved flere testkampanjer på innkobling av feilstrøm. Dette har vært for å bistå ABB i sin produktutvikling, slik at de nye SF6-frie bryterne kan bestå typetestene. ABB EPDS har utført flere utviklingstester for å utforske egnede geometrier for brytere med høy innkoblingsevne og et nytt produkt er under utvikling. Den første runden med typetesting er kjørt, og resultatene har vært akseptable. Ytterligere forbedringer ble gjort for å øke nivået til 62,5 kA - endringer som senere ble sertifisert og innført. ABB har lansert to nye eco-vennlige lastbrytere i desember 2020 - en for 12kV og en for 24kV. Prosjektet er et samarbeid mellom ABB ELDS i Skien, SINTEF og NTNU.

-

ABB EPMV in Skien manufactures 12 - 40.5 kV compact, gas insulated switchgears for the world market. Sulphur hexafluoride (SF6) gas is used as the electrical insulation- and current interruption medium. However, since SF6 is an extremely strong "greenhouse gas", restrictions on its use are anticipated. Short-circuit current making is the ability of an electrical switch to close upon the full rated short-circuit current of the switch without being damaged. During such a closing operation, the full current (~tens of kilo amperes) will start to flow at the full rated voltage and a high energy arc will burn across the contact gap. Without the excellent thermal- and insulating properties of SF6, the energy generated by this arc is increased and the contact may fail to re-open because the contact members are welded together. Previous and ongoing research funded by ABB and the Norwegian Research Council have addressed dielectric insulation, load current interruption and thermal performance for air and air mixtures as alternatives to SF6. Now, we need to initiate R&D work on short-circuit current making in the same gases in order to facilitate a complete alternative to the existing SF6 based MV switchgear product line. The project is a collaboration between ABB EPMV in Skien, SINTEF and NTNU.