LIKSTRÖMSBRYTARE

De växelströmsbrytare som återfinns i ett hushåll idag bör bytas ut enligt de experimentella resultaten i Avsnitt 2.2. Den enklaste principen för att bryta en ljusbåge är att öka avståndet mellan anod och katod i brytaren samt att låta ljusbågen gå igenom ett dielektriskt material som t.ex. en gas eller vakuum. Svårigheterna med att implementera en sådan brytare i hemmet är att det skulle kräva mycket stor plats och att det skulle vara svårt att behålla trycket på gasen eller vakuumet utan extern utrustning samt att hålla behållaren tät. Man skulle även kunna använda sig utav en frihjulande krets lik den som beskrivs i Avsnitt 4.2.

Enligt H. Pugliese och M. Von Kannewurff [9] finns det en rad tekniker som används i likströmsbrytare. En vanlig metod för att släcka en ljusbåge är att leda in den i en ljusbågsdelare, se Fig. 14. En ljusbågsdelare kan t.ex. vara tillverkad av en lamell i metall som är fixerad på ett dielektriskt material. När ljusbågen leds in i ljusbågsdelaren kommer den att dela upp sig över lamellerna och spänningen kommer att öka. I och med att spänningen ökar mellan varje lamell minskar strömmen och ljusbågen släcks, se Fig. 14.

Figur 14. Principskiss för ljusbågsdelare tagen från ”Electrical Arcs” (B. Elliot) [15]. Spänningsfallet mellan

lamellerna kommer att minska strömmen och släcka ljusbågen.

Ljusbågen måste dock föras in i ljusbågsdelaren för att den ska kunna släckas. En metod att göra detta är att använda sig av magneter vars magnetfält böjer ljusbågen och därmed leder in den i ljusbågsdelaren, se Fig. 15. Denna teknik kallas magnetisk blåsning och kan också användas utan en ljusbågsdelare då böjningen av ljusbågen medför en förlängning vilket försvårar ljusbågens fortvarighet. En annan metod för att leda in ljusbågen i ljusbågsdelaren är att använda en ljusbågsledare. Ljusbågsledaren är tillverkad av ett material med god ledningsförmåga och utformad så att ljusbågen vandrar längs ledaren in i ljusbågsdelaren då ljusbågen tar den väg som har lägst motstånd. Det finns även tekniker som använder sig av att strömmen leds om i motsatt riktning vid brytningstillfället. Den motriktade strömmen kommer att motverka den primära strömmens uppkomst och därmed bryta kretsen.

Figur 15. Principskiss för en brytare med magnetisk blåsning tagen från ”Electrical Arcs” (B. Elliot) [15].

Beroende på ström- och fältriktningen kommer ljusbågen att böjas upp eller ner.

Utifrån de principer för likströmsbrytning som diskuterats ovan kan flera tänkbara brytare för användning i hushållet utformas. Att använda sig utav en ljusbågsdelare är fördelaktigt då det redan används i beprövad teknik så som moderna automatsäkringar och att de tar förhållandevis lite plats. I artikeln "Magnetic Blowing of Break Arcs up to 360 VDC" av A. Vessa et al. [16] utreds permanent- magnetiserade likströmsbrytare för spänningar upp till 360 V. Författarna menar att brytningstiden kan ökas med 5-100 gånger vid användning av permanentmagneter och att brytningstiden minskar i takt med att spänningen ökar. De påstår även att luftgapet i en permanentmagnetiserad brytare inte behöver vara mer än 1 mm. Beroende på kostnaden för magneterna och kontakterna skulle en brytare med magnetisk blåsning vara en bra lösning i hemmet då storleken på brytaren skulle vara förhållandevis liten. För att slippa tillverka brytare med ljusbågsdelare på båda sidor om luftgapet (då strömmen kan gå i båda riktningar) skulle man kunna tänka sig att magneterna byts ut mot spolar som agerar elektromagneter. Dessa skulle ställa in sig efter den rådande strömriktningen och antagligen innebära ett billigare alternativ till permanentmagneterna. Nackdelen med spolarna är att de skulle alstra värme.

7. NÄTUTTAG

Beroende på vilken spänningsnivå som ansätts i likströmsnätet kan nätuttagen utformas på olika sätt. Trots att inga större risker har påvisats vid kabelryckning i likströmsfallet (se Avsnitt 2.2) bör man dock diskutera utformningen av nätuttaget utifrån denna synvinkel. För att undvika eventuell ljusbågsbildning vid en kabelryckning skulle man behöva installera någon sorts likströmsbrytare i nätuttaget. För att enkelt komma runt problemet med att kabeln rycks från uttaget när utrustning är strömsatt skulle en enkel mekanisk låsanordning kunna hålla fast kabeln i uttaget. Anordningen skulle samtidigt kunna vara ansluten till en intern likströmsbrytare i uttaget för att öka säkerheten ytterligare. Nackdelen med denna teknik är att annan utrustning eller elinstallationen skulle kunna komma till skada om användaren snubblar över kabeln då den inte släpper från väggen som tidigare. Det skulle även innebära att alla kabelhuvuden skulle behöva bytas ut för att matcha de nya uttagen.

En annan variant är att utforma ett magnetiskt relä på insidan av uttaget. Reläet skulle vara känsligt för en isolerad magnetisk del av kontaktens stift och därmed slå ifrån när kontakten var på väg ut ur uttaget. I detta läge skulle reläet slå till en intern brytare som skulle bryta kretsen innan kontakten själv bildar ett avbrott. Denna variant skulle antagligen vara säkrare än den beskriven ovan men innebära fler och dyrare komponenter och högre krav på utrustningen. Man skulle eventuellt slippa byta kabelhuvuden beroende på hur magnetreläet utformas.

Skulle ytterligare spänningsnivåer finnas tillgängliga som föreslagits i Avsnitt 4.2 skulle extra nätuttag behöva

konstrueras. För att förenkla användningen kan kontakt och uttag med fördel formges så att utrustningen inte ansluts mot fel polaritet på spänningen eller fel spänningsnivå (t.ex. -12 och 12 V istället för 12 och 0 V).

8. SÄKRINGAR

Det finns idag många moderna säkringar som är märkta för likström. En modern automatsäkring använder sig oftast av en bimetallremsa som böjs vid för starka strömmar och därmed utlöser säkringen. En automatsäkring är endast beroende av effektivvärdet på strömmen [17] och ett hushåll med nyinstallerat elsäkerhetsskåp med automatsäkringar skulle därför troligen inte behöva byta ut detta. Äldre proppskåp skulle behöva bytas ut då smältsäkringar inte är anpassade till likström. Om spänningsnivån sätts till något annat än 230 V och om flera spänningsnivåer finns tillgängliga bör säkringarna anpassas därefter.

9. KABLAGE

Vid 230 V likspänning kommer effektivvärdet av belastningsströmmen i hemmet vara oförändrad. Man kan därför behålla allt befintligt kablage då detta inte kommer att utsättas för någon extra påfrestning. Skulle en lägre spänningsnivå realiseras som i föreslag C i Avsnitt 4.2 skulle detta innebära högre strömmar vid stora belastningar samt höga effektförluster. Enligt A. Sannino et al. [10] uppstår det redan nere vid 48 V likspänning för högt spänningsfall och för starka strömmar i de kablar som finns i ett typiskt hem (1,5 och 2,5 mm2 _{tvärsnitt). Man skulle alltså utöver de}

nödvändiga installationer som påpekats i tidigare avsnitt även behöva dra nya kablar i hemmet ifall en lägre spänningsnivå än 230 V ska införas.

10. DISKUSSION

Kostnaden för att installera ett likströmsnät i hemmet kommer att variera beroende på hur mycket av utrustningen i hemmet som man väljer att driva på likspänning. Från de förslag som presenteras i Avsnitt 4.2 kan man dra några generella slutsatser. Enligt Förslag A och B skulle ingen utrustning i hemmet behöva bytas ut eller modifieras. De direkta kostnaderna skulle komma från installation av central likriktning/omvandling, byte av nätuttag och strömbrytare samt eventuellt byte av elsäkringsskåp. I Förslag B skulle även en extra kostnad för ”universaladaptern” tillkomma och man skulle då kunna utnyttja likspänningen i högre grad än det förstnämnda förslaget. Enligt Förslag C skulle även kostnader för nytt kablage, nya nätuttag och säkringar för de lägre spänningsnivåerna tillkomma. I takt med att inköps- och installationskostnaderna ökar bör även elkostnaderna minska. För att kunna ställa den faktiska vinsten i minskad energiåtgång mot installationskostnader måste ett faktiskt nät konstrueras/modelleras och testas. Man skulle även behöva beräkna tänkbara serietillverkningskostnader för de nya komponenter som ska användas i likströmsnätet. Utifrån

de kostnader som ändå uppkommer vid en övergång till likspänning kan man konstatera att en relativt stor efterfrågan skulle vara nödvändig för att hålla nere produktionskostnaderna för de nya komponenterna.

Vid installationen av ett likströmsnät skulle styrningen av den centrala omvandlingen kunna bli relevant. I den här artikeln har den ingående växelspänningen antagits vara ideal och det skulle behövas en mer djupgående analys av hur avvikelser i växelspänningen påverkar likströmsnätet. Beroende på vilken kvalitet den ingående växelspänningen har kan den centrala omvandlingen behöva anpassas därefter för att hålla en konstant spänningsnivå. I D. Salomonssons doktorsavhandling [2] föreslås en central likriktare med både en ned- och upptransformerande spänningsomvandlare på utgången. Med denna koppling kan man med aktiv styrning anpassa utspänningen så att den hålls konstant. I ett faktiskt nät kan alltså en central likriktning endast bestående av en diodbrygga ställa till problem då spänningsnivån inte kan anpassas aktivt.

Vid en övergång till likspänning måste även hänsyn tas till de regelverk som finns kring övertonshalten som sänds ut på det matande nätet. Denna artikel tar dock inte upp några mätningar eller annan studie på området. Därmed vore det intressant för ett vidare arbete att undersöka karaktäristiken på de övertoner som uppkommer på både det matande nätet och det lokala likströmsnätet. Detta kan sedan ställas i jämförelse med ett växelströmsnäts övertoner för att på så vis finna vidare argument för eller emot effektiviteten med ett likströmsnät.

Studien som presenteras i denna artikel har endast begränsat sig till hushåll och bostadshus. Då utrustningen i ett hem kan variera mycket är det svårt att utvärdera nyttan av likspänning i alla tänkbara fall. Att däremot installera ett likströmsnät i en kontorsbyggnad med mycket elektronik, som t.ex. en serverhall, eller ett kontorslandskap skulle innebära att tekniken skulle kunna utnyttjas mer. Skulle man dessutom ersätta befintlig belysning med lysdioder (som är beroende av likspänning) skulle man kunna byta ut lysrör och lågenergilampor som kräver en egen omvandling och dessutom kan innehålla det miljöfarliga ämnet kvicksilver.

11. SLUTSATSER

I den här artikeln utreds möjligheterna och förutsättningarna för en eventuell övergång till likströmsnät i hemmet. Typisk hemutrustning och brytare har testats med likström och skulle antagligen klara en övergång. Det föreligger dock en del risker vid användning av växelströmsbrytare och uttag. Vid en övergång till likström skulle följande komponenter i hemmet behöva bytas ut mot likströmsanpassad utrustning

• Strömbrytare • Vägguttag

• Äldre säkringsskåp

Tre förslag på en övergång till likspänning presenteras också utifrån en eller flera spänningsnivåer. Förslagen diskuteras även utifrån omvandling, likriktning, nät, brytning, nätuttag, säkringar och kablage. De tre förslagen beskrivs kortfattat nedan

• Central likriktning med 230 V utspänning, dagens utrustning kan behållas utan modifikation

• Central likriktning med 230 V utspänning, samtliga nätadaptrar byts ut mot en ”universaladapter” • Central likriktning med 230 V utspänning och

central likspänningsomvandling till spänningsnivåerna ±12 och 0 V

I den sista realiseringen skulle även säkringar, kablage och nätuttag behöva anpassas till de nya spänningsnivåerna. Detta skulle medföra att hårda krav måste ställas på standardiseringen av utrustningen. En generell slutsats som kan dras är att ju mer man vill utnyttja likströmstekniken desto fler anpassningar måste göras i hemmet. För att lösa problemet med laddare och adaptrar bör en eller flera lägre likspänningsnivåer finnas tillgängliga.

Referenser

[1] Casazza, J.; Delea, F.; Understanding Electric Power Systems: An Overview of the Technology and the Marketplace, IEEE Press, John Wiley & Sons, Inc., 2003, ISBN 0-471-44652-1.

[2] Salomonsson, D.; "Modeling, Control and Protection of Low-Voltage DC Microgrids," Ph.D. dissertation, EPS, EES, KTH, Stockholm, Sweden, 2008.

[3] Stragier, J.; Hauttekeete, L.; De Marez, L.; "Introducing Smart grids in residential contexts: Consumers' perception of smart household appliances," Proc. of the IEEE Conference on

Innovative Technologies for an Efficient and Reliable Electricity Supply (CITRES), pp. 135-142, 27-29 Sept.

2010.

[4] Wicks, F.; "Evaluating alternatives for integrating distributed DC generation with AC power systems,"

Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit, 2000. (IECEC) 35th Intersociety , vol.2, no.,

pp.763-766 vol.2, 2000.

[5] Ito, Y.; Zhongqing, Y.; Akagi, H.; "DC microgrid based distribution power generation system," The 4th

International Power Electronics and Motion Control Conference (IPEMC), vol.3, no., pp.1740-1745 Vol.3,

[6] "Power system design - Basis for efficient smart grid initiatives," IET-CIRED seminar on SmartGrids for

Distribution, pp. 1, 23-24 June 2008.

[7] Po-Wa Lee; Yim-Zhu Lee; Bo-Tao Lin; "Power distribution systems for future homes," Proc. of the

IEEE 1999 International Conference on Power Electronics and Drive Systems (PEDS), pp. 1140-

1146, 1999.

[8] Guile, A.E.; "Arc-electrode phenomena," Proc. of the

Institution of Electrical Engineers, vol. 118, no. 9, pp.

1131-1154, September 1971.

[9] Pugliese, H.; Von Kannewurff, M.; "Direct current circuit breaker primer," Record of Conference Papers

from the Industry Applications Society’s 57th Annual Petroleum and Chemical Industry Conference (PCIC),

pp. 1-7, 20-22 Sept. 2010.

[10] Sannino, A.; Postiglione, G.; Bollen, M.H.J.; "Feasibility of a DC network for commercial facilities," IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 39, no. 5, pp. 1499- 1507, Sept.-Oct.

2003.

[11] Mohan, N.; Undeland, T.;Robbins, W.; Power electronics: converter, applications and design, 3rd ed., John Wiley & Sons, Inc., 2003, ISBN 0-471-42908-2. [12] Krug, D.; Bernet, S.; Dieckerhoff, S.; "Comparison of

state-of-the-art voltage source converter topologies for medium voltage applications," Conference Record of

the 38th IAS Annual Industry Applications Conference,

vol. 1, pp. 168- 175, 12-16 Oct. 2003.

[13] Kolar, J.W.; Ertl, H.; Zach, F.C.; "Design and experimental investigation of a three-phase high power density high efficiency unity power factor PWM (VIENNA) rectifier employing a novel integrated power semiconductor module," Proc. of the Eleventh

Annual Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), vol. 2, pp. 514-523, 3-7 Mar 1996.

[14] Llorente, S.; Monterde, F.; Burdio, J.M.; Acero, J.; "A comparative study of resonant inverter topologies used in induction cookers," Proc. of Seventeenth Annual

IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), vol. 2, pp. 1168-1174, 2002.

[15] Illustration: Elliot, B., ”Electrical Arcs (Part 1 of a 2- part series),” Technology Brief, Issue 18, homepage: http://www.automationnotebook.com, 2010.

[16] Vassa, A.; Carvou, E.; Rivoirard, S.; Doublet, L.; Bourda, C.; Jeannot, D.; Ramoni, P.; Jemaa, N.B.; Givord, D.; "Magnetic Blowing of Break Arcs up to 360 VDC," Proc. of the 56th IEEE Holm Conference

on Electrical Contacts (HOLM), 2010, pp. 1-5, 4-7

Oct. 2010.

[17] ABB SACE S.p.A., “ABB circuit-breakers for direct

current applications,” Technical application paper,