Investigation of polymer ablation and AirPlus^TM for load current interruption of medium voltage systems

Abstract

Bruken av koblingutstyr er uunngåelig i ethvert strømnett, da de kontrollerer effektflyten i systemet. Denne masteroppgaven har hovedsakelig fokusert på bryting av laststrømmer for mellomspenningssystemer. Bryterteknologi benyttet til dette formålet er i dag dominert av metall-kapslede brytere fylt med SF6-gass. Denne gassen fungerer mer eller mindre som et ideelt medium for strømbrytning, men det er en veldig potent klimagass med sin høye GWP på 23900 ganger høyere enn CO_2 for en tidshorisont på 100 år. Økt miljøkunnskap og bevissthet har de siste årene ført til et politisk ønske om å redusere, og på sikt stoppe, bruken av SF6-gass. I årene fremover forventes det derfor regulatoriske tiltak for å begrense bruken av SF6-gass. Dette har lagt press på produsenter av koblingsutstyr og forskningsinstitusjoner til å utvikle nye bryterteknologier. Et mulig alternativ er bruken av polymer ablasjon og AirPlus^TM for strømbrytning.

Litteratur har blitt studert for å få en bedre forståelse av teamet strømbryting. Eksperimenter er utført for fire ablative polymerer i høystrøm/bryterlaboratoriumet ved NTNU. Følgende polymerer ble valgt for studier; naturlig PTFE, naturlig PP, naturlig PEHD og naturlig POM-C.

Det er utført eksperimenter for alle de ovennevnte polymerene med to forskjellige utforminger av lysbuekammeret. Et design som begrenser lysbuen innenfor et begrenset volum, og et design som begrenser lysbuen innenfor det samme begrensede volumet i tillegg til å generere økt gassflyt ved strømmens nullgjennomgang.

Med designet som tillater økt gassflyt ved strømmens nullgjennomgang, oppnådde alle tetsede ablative polymerer vellykket strømbryting for eksperimenter i AirPlus^TM ved alle testede strømnivåer. Ingen store forskjeller ble oppdaget i antall vellykkede strømbrytninger, men PP og PEHD viste forekomster av uønskede strømmer etter strømmens nullgjennomgang. PP og PEHD ser også ut til å være inkompatible med AirPlus^TM for bruk til strømbryting. Dannelse av store menger av et uidentifisert stoff under forsøk med disse to polymerene i gassen reiser store spørsmål til levetiden på en potensiell bryter med denne blandingen. Av de testede polymerene ser det derfor ut til at PTFE og POM-C er de beste kandidatene for polymer ablasjonsassistert strømbrytning i AirPlus^TM.

The use of switching devises is inevitable in any electrical system, as they control the power flow of the system. The work of this thesis has mainly focused on current interruption of load currents in medium voltage (MV) systems. Switching technologies for this purpose are today dominated by metal-enclosed switchgear filled with SF_6-gas. This gas acts as a more or less ideal medium for current interruption, but it is a very potent greenhouse gas with its high global warming potential (GWP) of 23900 times higher than that of CO_2 for a time horizon of 100 years. Increased environmental knowledge and awareness have in recent years led to a political desire to reduce and eventually stop the use of SF_6-gas. In the years to come, regulatory measures to limit the use of SF_6-gas are therefore expected. This has put pressure on switchgear manufacturers and research institutions to develop new switchgear technologies. One possible alternative is the use of polymer ablation and AirPlus^TM for current interruption.

Literature has been reviewed to gain a better understanding of the topic of current interruption. Experiments have been conducted for four ablative polymers in the high current/circuit breaker laboratory at NTNU. The following polymers were selected for study; natural PTFE, natural PP, natural PEHD and natural POM-C.

Experiments have been conducted for all the above-mentioned polymers with two different designs of the arcing chamber. A design constricting the arc within a limited volume, and a design constricting the arc within the same limited volume in addition to allowing for enhanced gas-flow at current zero (CZ).

With the design, allowing for enhanced gas-flow at CZ, all ablative polymers achieved successful current interruption for experiments in AirPlus^TM for all tested current levels. No major differences were detected in the number of successful current interruptions. However, PP and PEHD showed occurrence of undesired post-arc currents. PP and PEHD also seem to be incompatible with AirPlus^TM for current interruption. The formation of large amounts of an unidentified substance during experiments with the two polymers in the gas raises major questions about the lifespan of a potential switch with this mix. Of the polymers tested, PTFE and POM-C therefore seem to be the best candidates for polymer ablation assisted current interruption in AirPlus^TM.