wylacznik szybki, AiR WIP, III semestr, ENEKT energoelektronika
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Laboratorium Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki
dla studentów WIP
WYŁĄCZNIKI SZYBKIE PRĄDU STAŁEGO.
materiały pomocnicze do laboratorium elektroniki, elektrotechniki i energoelektroniki
wyłącznie do użytku wewnętrznego przez studentów WIP PW
bez prawa kopiowania i publikowania
Zakład Trakcji Elektrycznej
Instytut Maszyn Elektrycznych
Wydział Elektryczny
Politechnika Warszawska
Warszawa, 2009
1.Cel i zakres ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zasadą działania wyłączników szybkich prądu
stałego (klasycznych i hybrydowych) oraz przeprowadzenie badań działania
tyrystorowego wyłącznika szybkiego
2. Wprowadzenie
W obwodach zasilanych napięciem stałym prąd w sposób naturalny nie przechodzi przez
zero. W celu wyłączenia prądu stałego, przejście przez zero musi zostać wymuszone. W tym
celu stosujemy poniższe metody:
¾
Zwiększanie rezystancji łuku wyłączeniowego przede wszystkim przez jego
wydłużanie, jak to jest powszechnie stosowane w budowie łączników
mechanizmowych zestykowych prądu stałego na napięcia do 3 kV. Inną
możliwość szybkiego zwiększania rezystancji łuku stanowi intensywne odbieranie
ciepła od kanału łukowego, jak ma to np. miejsce w bezpiecznikach topikowych .
¾
Wymuszanie przejścia prądu przez zero przez „wstrzykiwanie" do wyłączanego
obwodu przebiegu zmiennoprądowego, uzyskiwanego z zewnętrznego źródła —
najczęściej w wyniku rozładowania poprzez indukcyjność naładowanej uprzednio
baterii kondensatorów.
¾
Wymuszanie przejścia prądu przez zero przez wywołanie stanu niestabilnego palenia
się łuku w obwodzie RLC.
3.Wyłączanie prądu stałego przez zwiększanie rezystancji łuku
Uproszczony schemat obwodu prądu stałego został przedstawiony na rysunku 1
Rys.1 Schemat obwodu prądu stałego
Równanie rozpatrywanego obwodu o napięciu źródła E z łukiem jest następujące:
di
a
E
=
i
R
+
L
+
u
(1)
a
a
dt
gdzie: i
a
, u
a
– prąd i napięcie łuku
Dla stanu ustalonego:
di
a
= 0
⇒
E
=
i
R
+
u
(2)
a
a
dt
Ten warunek jest spełniony (rys. 2) w punkcie równowagi trwałej (punkt A) oraz w punkcie
równowagi nietrwałej (punkt B).
Rys 2 Charakterystyka łuku wyłączeniowego
Zgaszenie łuku jest możliwe, jeżeli pochodna prądu będzie ujemna dla całego przedziału
prądu wyłączeniowego (rys 3):
Rys 3 Charakterystyka łuku biegnąca nad charakterystyką zewnętrzną obwodu w całym
zakresie prądy wyłączeniowego, dzięki czemu wyłączenie jest możliwe
di
i
i
=
=
I
a
u
=
=
E
−
i
R
−
u
=
L
<
0
(3)
a
a
w
0
a
a
dt
Moc łuku wyniesie:
di
P
(
t
)
=
u
(
t
)
i
(
t
)
=
Ei
−
Ri
2
−
i
L
a
(4)
a
a
a
a
a
a
dt
Natomiast energia łuku:
t
t
t
0
aw
aw
aw
∫
∫
∫
2
∫
A
(
t
)
=
P
(
t
)
dt
=
E
i
dt
−
R
i
dt
−
L
i
di
(5)
a
a
a
a
a
a
1
42
43
0
0
0
I
1
42
3
w
A
A
1
2
gdzie:
I
w
– prąd wyłączeniowy dla czasu t=0
t
aw
– czas łukowy wyłączenia
A
1
– energia dostarczonego do łuku przez źródło zależna od przebiegu i
a
(t)
A
2
– energia pola magnetycznego obwodu zależna od jego parametru
Zmniejszaniu się prądu i
a
do zera, towarzyszy zgodnie z charakterystyką (rys 3) wzrost
napięcia łuku do wartości u
ag
:
di
di
a
a
(6)
u
=
u
=
E
−
L
=
E
+
L
ag
a
i
→0
dt
dt
a
3. Wyłączniki szybkie
Obwody zasilaczy podstacji trakcyjnych zabezpiecza się przed skutkami zwarć i
przeciążeń za pomocą wyłączników szybkich. Podstawową cechą charakterystyczną takiego
wyłącznika jest krótki czas działania. Wartość prądu zwarcia w obwodzie zasilacza zależy od
położenia punktu sieci, w którym ono wystąpi. Przy zwarciach bliskich (maksymalne prądy
zwarć — I
zwmax
) wartości prądów są zbliżone do wartości prądów zwarć na zaciskach
prostowników. Zadaniem wyłącznika szybkiego jest przerwanie obwodu zwarcia przed
osiągnięciem przez prąd wartości ustalonej, a wiec w czasie t < 3τ (τ- stała czasowa
obwodu).
Wyłączniki szybkie stanowią podstawowe aparaty zabezpieczające w obwodach prądu
stałego dużej mocy, stąd powszechne ich stosowanie w trakcji elektrycznej prądu stałego.
Instaluje się je w podstacjach trakcyjnych, kabinach sekcyjnych oraz w pojazdach
trakcyjnych. Wyłączniki są wykonane jako jednobiegunowe, ponieważ w trakcji elektrycznej
prądu stałego tylko jeden biegun znajduje się na wysokim potencjale. Działanie w.sz. może
być samoczynne, co oznacza, że mają wbudowany wyzwalacz pierwotny, lub pośrednie
(wyłączenie zamierzone przez obsługę lub wyłączenie od innego sygnału zewnętrznego).
Styki wyłącznika mogą być utrzymywane w położeniu zamkniętym za pomocą elementów
mechanicznych (wyłączniki zapadkowe), za pomocą sił magnetycznych (wyłączniki z
przechwytem magnetycznym) lub za pomocą sprężyny (wyłączniki przerywnikowe).
Zależnie od rozwiązania uruchamianie styku następuje przez oddziaływanie na zapadkę,
przez kompensację strumienia magnetycznego w elektromagnesie trzymającym lub poprzez
działanie zwory układu wyzwalającego na ramię stykowe i potem zwolnienie sprężyny.
Zamykanie styków odbywa się za pomocą napędu, który może być silnikowy,
elektromagnetyczny lub pneumatyczny. Wyłączniki mogą być spolaryzowane lub
niespolaryzowane. Wyłączniki spolaryzowane reagują tylko na przepływ prądu w
określonym kierunku. O ile w pojazdach trakcyjnych przepływ prądu następuje w jednym
kierunku (z wyjątkiem pojazdów z rekuperacją), to w podstacjach i kabinach sekcyjnych
przepływ prądu może następować w obu kierunkach ze względu na dwustronne zasilanie
sieci trakcyjnej. Z tego powodu, w celu zapewnienia selektywności wyłączeń, w podstacjach i
kabinach sekcyjnych stosuje się wyłączniki spolaryzowane.
Gaszenie łuku elektrycznego odbywa się w komorze poprzez podzielenie jego na części,
rozciąganie i chłodzenie. Łuk zapalający się na stykach głównych wyłącznika zostaje
przeniesiony na prowadnice łuku (tzw. rożki), co znacznie ogranicza stopienie styków.
Wprowadzenie łuku do komory i wymuszenie jego ruchu w komorze odbywa się poprzez
oddziaływanie pola magnetycznego. Pole magnetyczne jest wytwarzane przez cewkę
włączoną szeregowo w obwód główny. Podczas przerywania prądów o niewielkich
wartościach, np. przy manewrowym wyłączaniu obwodu, pole magnetyczne cewki
Rys.4
wydmuchowej jest za słabe do wprowadzenia łuku do komory. W takich przypadkach stosuje
się czasami wydmuch łuku powietrzem sprężonym przez tłoczek poruszany mechanizmem
wyłącznika (np. starsza odmiana wyłączników typu Gearapid).
Od wyłączników szybkich i komór łukowych pracujących w podstacjach trakcyjnych i
kabinach sekcyjnych wymaga się bardzo dużej niezawodności, o wiele większej niż od
wyłączników w pojazdach trakcyjnych. Niezadziałanie wyłącznika pojazdowego w
przypadku zwarcia spowoduje przerwanie prądu zwarcia przez wyłącznik podstacyjny lub w
przypadku wystąpienia zwarcia na sieci trakcyjnej i niezadziałania właściwego wyłącznika
szybkiego nie ma innego zabezpieczenia, które przerwałoby prąd zwarcia. Najbliższym
zabezpieczeniem na wyższym poziomie jest zabezpieczenie nadprądowe zespołu
prostownikowego po stronie prądu przemiennego. Przy pracy kilku zespołów
prostownikowych i wystąpieniu zwarcia dalekiego, gdzie wartość ustalonego prądu zwarcia
jest ograniczona rezystancją sieci trakcyjnej, prądy poszczególnych zespołów
prostownikowych będą zbyt małe, aby pobudzić zabezpieczenia.
. Po samoczynnym wyłączeniu wyłącznika szybkiego następuje samoczynne ponowne
załączenie poprzedzone wykonaniem próby linii. Wykonanie próby linii (sprawdzenie stanu
izolacji) ma na celu uniknięcie załączenia wyłącznika na zwarcie.
Najbardziej rozpowszechnioną w Polsce konstrukcją są wyłączniki typu WS lub BWS z
napędem elektromagnetycznym (do symbolu oznaczenia dopisuje się e) lub pneumatycznym
[ Pobierz całość w formacie PDF ]