Cost-effective Rotational Switch for SF6-free Gas Insulated Switchgears

Gassisolerte koblingsanlegg (GIS) for mellomspenning (MV) er sentrale komponenter i distribusjonsnettet, både på primær- og sekundærsiden. ABB Electrification Norway i Skien produserer gassisolerte koblingsanlegg for tre ulike spenningsnivå (12, 24 og 36 kV) med eksport til hele verdensmarkedet. Tradisjonelt er anleggene gassfylte med svovelheksafluorid (SF6) på grunn av dens gode isolasjons- og strømbryterevne. I de senere årene har det blitt mer fokus på SF6 som en meget sterk klimagass, og det har derfor blitt viktig for industrien å utvikle SF6-fri teknologi for å redusere klimaavtrykket til koblingsanleggene. ABB jobber med å utvikle SF6-fri bryterteknologi for bruk i GIS ved bruk av luft eller en gassblanding bestående av luft og C5-fluorketon (AirPlusTM). I dette prosjektet er målet å utvikle et nytt konsept basert på en roterende treposisjonsbryter med luft og AirPlusTM, og på denne måten utvikle mer kostnadseffektive koblingsanlegg for alle tre spenningsnivåene: 12, 24 og 36 kV. Prosjektet er et samarbeid mellom NTNU, SINTEF, KTH og ABB. Et vellykket prosjekt innebærer at SF6-frie koblingsanlegg i større grad vil kunne overta for konvensjonell SF6-basert teknologi, fordi de vil være både teknologiske og kostnadsmessige konkurransedyktige. Fra og med september 2020 har PhD-studenten Paul M. Røren bidratt med sitt forskningsprosjekt ved NTNU. Et oppsett for å teste bryterevnen til AirPlusTM ble designet og utviklet i løpet av prosjektet. Ved å benytte dette oppsettet ble det utført eksperimenter med luft og AirPlusTM hvor det var mulig å variere både strømnivået og fylletrykket, i tillegg til muligheten for måle lysbuestrømmen, spenningen over lysbuen, hastigheten på kontaktene og overtrykket. Høyhastighetskamera ble også benyttet til å filme lysbuen gjennom et kvartsvindu. Det ble utført mange eksperimenter og flere av resultatene har blitt publisert i vitenskapelige forum. I starten av prosjektet ferdigstilte SINTEF et oppsett som gjorde det mulig å utføre strømbrytningseksperimenter med en roterende bryter. Det ble testet ulike designalternativer, som ble kontinuerlig evaluert og forbedret. Basert på det beste resultatet har ABB startet fullskala utviklingsaktivitet for å implementere bryteren i sin SF6-frie portefølje. Ved hjelp av simuleringsverktøy og mange ulike viklingstester optimaliserer ABB sine brytere.

The technology platform developed in this and parallel projects can be implemented in other, future products of ABB Skien and also in product from other ABB companies. ABB Skien is the Lead Technology Centre for developing the coming generations of compact MV switchgear globally. To maintain this position, it is crucial to stay in the research forefront, and have a close and good relationship with universities and research institutions active in these field. Today ABB's MV switchgear plants in Skien, China and India combined use approximately 100 000 kg SF6 per year. When ABB eventually has developed a full range SF6-free product portfolio, a significant amount of this strong greenhouse gas will be taken out of circulation and use. As a result of the finding in this project ,ABB has now a good position for developing a environmental friendly product line within the coming years. For NTNU and SINTEF Energy Research the project strengthens their long-term relationship with a Norwegian-based manufacturer of power equipment. It also educates young PhD candidates in a topic important for making the energy sector more sustainable.

ABB ELDS in Skien manufactures 12-40.5 kV compact, gas insulated switchgears for the world market. Traditionally, these have been based on using sulphur hexafluoride (SF6) gas as the electrical insulation- and current interruption medium. Since SF6 is an extremely strong greenhouse gas, ABB is currently working on replacing this gas with an environmentally benign alternative; a mixture of air and fluoroketone referred to by the trade name AirPlusTM. The manufacturing costs for the AirPlus™ switchgear are – due to the poorer insulation and interrupting capabilities compared to SF6 – not as low as for the SF6-based solution. The SF6 switchgear has a so-called "three-position switch", which can take "closed", "open" and "earthed" (grounded) positions, with using only one operating shaft. For the existing AirPlus™ switchgear, the load current switching function and the earthing function are performed by two separate devices. This solution takes up more space and materials, and even more important, makes up a considerably portion of the switchgear manufacturing costs. The proposed project aims at developing a compact and inexpensive "three-position switch" concept for air and AirPlus™, based on a rotational movement and preferable with a simple "knife contact" system, instead of the linear movement, axisymmetric "tulip-pin" contact device currently applied in the AirPlus™ switchgear. This involves developing and testing design features (piston/cylinder arrangements, nozzle geometries, evaporating polymers, etc.) that provide a rapid contact movement together with a sufficiently strong gas flow onto the switching arc to extinguish it and thereby interrupt the current. The project is a collaboration between ABB ELDS in Skien, SINTEF, NTNU and KTH.