DIELEKTROMOS ÍVMEGSZAKÍTÁS SZIMULÁCIÓJA NAGYFESZÜLTSÉGŰ MEGSZAKÍTÓKBAN

DIELEKTROMOS ÍVMEGSZAKÍTÁS SZIMULÁCIÓJA NAGYFESZÜLTSÉGŰ MEGSZAKÍTÓKBAN Dr. Madarász György A., Szabó Krisztián., Király Lajos Hyundai Technology Center Hungary Kft. 1146 Budapest, Hermina út 22 1

DIELEKTROMOS ÍVMEGSZAKÍTÁS SZIMULÁCIÓJA NAGYFESZÜLTSÉGŰ MEGSZAKÍTÓKBAN A SZIMULÁCIÓ A VILLAMOS ÍV MEGSZAKÍTÁSA A VILLAMOS ÍV DIELEKTROMOS ÚJRAGYULLADÁSA A VILLAMOS ÍV MEGSZAKÍTÁSA/ DIELEKTROMOS ÚJRAGYULLADÁSA NAGYFESZÜLTSÉGŰ MEGSZAKÍTÓKBAN A DIELEKTROMOS ÍV-ÚJRAGYULLADÁS/ ÁTÜTÉS SZIMULÁCIÓJA 2

MI A SZIMULÁCIÓ? Napjaink terjedő új, mérnöki technológiája A mérnöki munka során modellezzük a fizikai valóságot. A modellel számításokat végzünk, analizáljuk a fizikai folyamatokat, következtetéseket teszünk, melyek alapján új végtermék, eljárás stb. születik A történelem során a modellek egyre pontosabbá váltak, a fizikai és matematikai ismereteink gyarapodásával, valamint számítástechnikai eszközeink fejlődésével. A szimuláció mint tudományos eszköz lehetővé teszi olyan fizikai folyamatok megismerését is, amelyet nem tudunk mérni! 3

A VILLAMOS ÍV MEGSZAKÍTÁSA A villamos ívmegszakítás néhány jellemzője: A váltakozóáramú ív minden áramnulla-átmenetben magától kialszik, majd újragyullad Az ív megszakítása = az ív újragyulladásának megakadályozása Miért gyullad újra az ív az áramnulla-átmenet után? Az érintkezők között fellépő u. n. tranziens visszatérő feszültség következtében, ha a) az áram nullaátmenetekor a maradék ívcsatorna villamosan vezető marad és a maradék vagy utó-áram hatására termikus ionizáció növekszik. b) az áram nullaátmenetekor a maradék ívcsatorna villamosan szigetelő, de a villamos szilárdság nem elegendő és villamos átütés jön létre. 5

Ívmegszakítás jellege nagyfeszültségű megszakítókban: Termikus Dielektromos Mikor dielektromos jellegű az ívmegszakítás? 6

Dielektromos ívmegszakításról akkor beszélünk, amikor a váltakozóáramú ív az áram-nulla átmenetben kialudván, azért nem gyullad újra, mert az érintkezők között a gáztér annyira lehűl, hogy szigetelőképessége ellen tud állni a növekvő visszatérő feszültségnek (VSF). Ez az állapot akkor jön létre, amikor a növekvő tranziens visszatérő feszültség meredeksége nem túl nagy, illetve a megszakítandó áram is kisebb, vagyis az ívcsatorna hőmérséklete közvetlen az áram-nullaátmenet után is alacsony. 7

Nagyfeszültségű megszakítókban a kistávolságú zárlati áramok megszakításának kivételével többnyire dielektromos jellegű az áram megszakadása vagy az ív újragyulladása. 8

A dielektromos átütés feltétele homogén villamos térben E/N>(E/N) cr E/N [Vm 2 ] -aredukáltvillamos térerőség, E [V/m] - a villamos térerősség, N[m -3 ] -a semleges részecskék száma 1 m 3 gázban E/N gyakorlati mértékegysége: 1[Td] 10-21 [Vm 2 ] Td (Townsend)

A kritikus redukált térerősség hőmérséklet és nyomásfüggése homogén villamos térben [Robin Juan Ph.-Yousfi, M. ] SF 6 gáz 11

A redukált térerősség másik használatos formája: E/ρ[Vm 2 /kg] -aredukáltvillamos térerőség, E [V/m] - a villamos térerősség, ρ[kg/m 3 ] -a gáz sűrűsége Átszámítás E/ρés E/Nközött SF 6 gáz esetén: 1 [Vm 2 /kg] = 4121.7515 [Td] 12

A gázsűrűségre vonatkoztatott kritikus térerősség hőmérsékletés nyomásfüggése homogén villamos térben 13

Dielektromos típusú ív-újragyulladás kapocszárlati áram-megszakításoknál Szabványos megszakító képesség vizsgálatok 10%, 30%, 60% és 100%-os kapocszárlati áramoknál. Miért irányul különös figyelem a T30(30%) próbára? 15

A szabványos független visszaszökő feszültség burkológörbék különböző %-os kapocszárlati áramok esetén 300 250 200 TRV [kv] 150 100 50 0 10% 7 [kv/µs] 30% 5 [kv/µs] 60% 3 [kv/µs] TRV(30%) 0 50 100 150 200 250 300 t [µs] 16

Példa: 30%-os zárlati megszakítóképesség szimulációja A kritikus sűrűségre vonatkoztatott térerősség (E/ρ) eloszlása a nagyfeszültségű SF 6 gázos megszakító érintkezői között az áram nulla átmenete (CZ) utáni időpillanatokban. (kb. CZ+50us-nál van a VSF maximuma) 17

CZ CZ+50µs CZ+100µs CZ+150µs CZ+200µs CZ+250µs 18

Korábbi feltételezés: Ha az érintkezők között a redukált térerősség nagyobb a kritikusnál, vagyis (E/ρ) max /(E/ρ) cr > 1, akkor megindul a lavina, az ív újragyullad és az ívmegszakítás sikertelen lesz. (Ez igaz homogén vagy enyhén inhomogén térben!) 19

Az (E/ρ) max /(E/ρ) cr feltétel alkalmazása a sikeres dielektromos a ívmegszakítás becslésénél. A szimuláció eredményeinek összehasonlítása a sikeres T30 megszakítási mérések eredményeivel (E/ρ)max/(E/ρ)cr 1?

Dielektromos átütés inhomogén térben streamer leader E cr Ecr A=B Feszültségesés a streamerhosszon: U shift =l shift E cr A módosult feszültség: TRV- U shift Térerősség-számítás megismétlése módosult feszültséggel 22

A "virtuális" érintkező eltolás alkalmazása (E/ρ) (E/ρ)cr 23

Streamer terület közelítése virtuális (eltolt) érintkezővel Streamer terület helyettesítése virtuális érintkezővel A virtuális érintkező (streamer) eltolása amíg (E/ρ)=E/ρ) cr Feszültségesés a virtuális érintkezőn: U shift =l shift E cr A módosult feszültség: TRV- U shift Térerősség-számítás megismétlése módosult feszültséggel 24

Az ívmegszakítás új kritériuma (E/ρ) max < (E/ρ) cr az ívmegszakítás sikeres Ha(E/ρ) max (E/ρ) cr további eltolás alkalmazása Ha az új (E/ρ) max (E/ρ) cr és az új (E/ρ) max régi (E/ρ) max vagyis (E/ρ) max növekszik, akkor az ív az érintkezők között újra fog gyulladni! 25

(E/ρ) 1400 kvm2/kg] Magyar Elektrotechnikai Egyesület 26

Az eltolt érintkezővel megismételt szimuláció eredménye 27

Következtetés Az(E/ρ)/(E/ρ) cr 1 újragyulladási kritérium a virtuális érintkező-eltolással jól alkalmazható nagyfeszültségű megszakítók dielektromos jellegű megszakító-képességének becslésére a tervezés során. 28

Példa a szimulációra (E/ρ)/(E/ρ)crit 29

Köszönjük a figyelmet! 30