Effect of SF6-alternative gas on the dielectric breakdown strength in load break switches

Abstract

Det moderne kraftnettet inneholder stadig fler fornybare energikilder. Dette er svært gunstig for klimaavtrykket til samfunnets elektriske energiforbruk, men det gir også noen nye utfordringer. Overgangen til fornybare energikilder krever et mer fleksibelt og kontrollerbart strømnett. Den nøyaktige topologien til neste generasjons distribusjonsnett er fortsatt ubestemt, og ikke innenfor denne oppgavens omfang, men det vil mest sannsynlig inneholde en utbredt bruk lastbrytere. På steder der det allerede er begrenset plass, vil størrelsen på lastbryterne, og generelt for alle elkraftkomponenter, spille en stor rolle. For å oppnå kompakte løsninger har kraftindustrien siden 1970-tallet vært avhengig av bruk av svovelheksafluorid-gass (SF6). SF6-gass har omtrent tre ganger den dielektriske holdfastheten som atmosfærisk luft, dette gjør det mulig å produsere mye mindre utstyr for samme belastningsevne. Utmerkede termiske egenskaper gjør også SF6 til en ideell gass for bruk i brytere. Men dagens utbredte miljøfokus har kastet lys over problemene knyttet til bruken av SF6-gass i elektrisk utstyr. På grunn av et globalt oppvarmingspotensial (GWP) på 22800 ganger CO2, er alternative løsninger til bruk av SF6 svært attraktive. Alternative gasser som tilbyr lignende egenskaper som SF6, men uten den høye GWP, har kommet til markedet de siste årene. Industriselskaper som ABB, Siemens, og 3M tilbyr alle alternative gasser.

I denne masteroppgaven ble den statiske dielektriske holdfastheten til ABBs AirPlus-gass testet på et generisk "pin & cup" kontaktpar. Flere forskjellige parametere ble undersøkt. En økning i luftgap fra 6 mm til 10 mm førte til en økning i U16% holdfastspenningen på 30,87% eller mer for alle oppsettene. For konstant avstand og en trykkøkning fra 1 bar til 1,3 bar var den resulterende økningen i U16% holdfastspenningen 23,60% eller høyere for alle tilfeller. Effekten av AirPlus gass sammenlignet med teknsik luft ga en økning i U16% holdfastspenningen på 55% eller mer for alle konfigurasjoner. Disse resultatene indikerer at AirPlus kan være en viktig faktor i utviklingen av kommende generasjons kompakte lastbrytere

Eksperimenter ble også utført for å utforske sammenhengen mellom statisk og dynamisk holdfasthet i atmosfærisk luft. Det ble ikke funnet en tydelig og generell sammenheng mellom de to i testene utført under denne oppgaven.

Static dielectric testing was conducted on a pin & cup style contact pair. Gap distances of 6 mm and 10 mm, pressures of 1 bar and 1.3 bar, and gas compositions of technical air and a 7.5% AirPlus mixture were tested. An increase in gap distance from 6 mm to 10 mm resulted in a 30.87% or more increase in the U16% breakdown voltage for all the tested configurations. For constant distance and a pressure increase from 1 bar to 1.3 bar, the resulting increase in the U16% breakdown voltage was 23.60% or higher for all cases. The effect of AirPlus gas when compared to technical air yielded an increase in the U16% breakdown voltage of 55% or more for all configurations.

Testing was carried out to investigate the relationship between static and dynamic breakdown voltage for a contact pair in atmospheric air. No general relationship was found.