Politechnika Gdańska
Wydział Elektrotechniki i Automatyki
Katedra Wysokich Napięć i Aparatów Elektrycznych
Laboratorium Aparatów Elektrycznych
Laboratorium Aparatury Elektroenergetycznej
A

CZNIKI WYSOKIEGO NAPI
CIA
Opracował: mgr inż. A
ukasz Tłustochowicz
Gdańsk 2008
1. Wprowadzenie, pojęcia podstawowe
A
ącznik elektroenergetyczny to aparat elektryczny przeznaczony do przewodzenia,
w stanie zamknięcia1) [3] określonych prądów oraz do wykonywania określonych czynności
łączeniowych w obwodach energoelektrycznych (wg PN/E 01000,  A
ączniki elektroener-
getyczne. Nazwy i określenia ).
A
ączniki wysokiego napięcia stanowią bogatą rodzinę aparatury pracującej w obwo-
dach prądu przemiennego o napięciach wyższych od 1000 V i prądu stałego dla napięć wy-
ższych niż 1200 V. Czasami wprowadza się pojęcie łącznika uniwersalnego, zdolnego do
pracy w obydwu układach jednocześnie [2]. Podobnie, jak łączniki niskiego napięcia można
dokonać ich podziału ze względu na zdolność łączeniową, funkcję w obwodzie, czy różno-
rodność rozwiązań konstrukcyjnych [1]. Postępując w ten sposób możemy wyróżnić:
A) wyłączniki,
B) rozłączniki,
C) bezpieczniki,
D) odłączniki,
E) uziemniki,
F) zwierniki.
2. Wyłączniki
Najczęstszym kryterium podziału wyłączników wysokiego napięcia na grupy funkcy-
jne jest obecność w nich różnego typu medium gaszenia łuku. Z tego względu wyłączniki
dzielimy na:
a) olejowe,
b) pneumatyczne,
c) z sześciofluorkiem siarki, tzw. SF6,
d) magnetytowydmuchowe,
e) próżniowe.
Wybór wyłącznika ze względu na sposób gaszenia łuku elektrycznego jest zazwy-
czaj zagadnieniem złożonym, zwłaszcza, że poza własnościami typowo technicznymi
znaczenie w dzisiejszych czasach odgrywa cena urządzenia [4]. Poniżej opisano posz-
czególne rodzaje wyłączników, lecz ze względu na ograniczoną zawartość opracowania
każdą z grup przedstawiono skrótowo, wymieniając tylko ich najistotniejsze cechy cha-
rakterystyczne oraz zakres stosowalności w stacjach elektroenergetycznych [4].
2.1. WYA

CZNIKI PEA
NOOLEJOWE
Wyłączniki pełnoolejowe cechuje w miarę prosta budowa. Obecnie, aparaty te nie
są stosowane w rozdzielnicach wnętrzowych, ze względu na niebezpieczeństwo ich
wybuchu. Rzadko też spotyka się rozdzielnice napowietrzne z tego typu wyłącznikami.
Aparaty te znajdują zastosowania w terenowych stacjach rozdzielczych średnich napięć
(15�20) kV [4]. Należy zwrócić uwagę na nazwę wyłącznika (pełnoolejowy), która określa
funkcję, jaką pełni w aparacie olej elektroizolacyjny. Służy on do zapewnienia pełnej izola-
cyjności elementów łącznika, a także jako medium gaszące łuk elektryczny, przy wyłącza-
niu prądu przez aparat.
1)
Terminy stan zamknięcia i otwarcia stosuje się tylko dla łączników zestykowych [3].
1
2.2. WYA

CZNIKI MAA
OOLEJOWE
Aparaty te przez całe dziesięciolecia należały do grupy najbardziej rozpowszech-
nionych. Stosowano je w stacjach średnich napięć miejskich i przemysłowych [4]. W roz-
wiązaniach tych łączników udało się radykalnie zmniejszyć ilość oleju, zastępując go ma-
teriałami elektroizolacyjnymi stałymi (papier, porcelana, żywicą epoksydową). Masa oleju
w wyłączniku na napięcie znamionowe pracy 245 kV nie przekracza kilkuset kilogramów
i stanowi zaledwie niewielki procent oleju zawartego w odpowiednikach, czyli wyłącznikach
pełnoolejowych [3]. Zaletą takich rozwiązań była stosunkowo niska cena oraz prosta kon-
strukcja. Wyłączniki tej grupy odznaczają się niezbyt dużą zdolnością łączeniową. Nie jest
wskazane stosowanie ich w obwodach o dość znacznej częstości łączeń. W wyłącznikach
małoolejowych stosuje się następujące rodzaje komór gaszeniowych:
" podłużnostrumieniowe (rys. 2a),
" poprzecznostrumieniowe (rys. 2b) [1].
Rys. 1. Konstrukcja bieguna wyłącznika
małoolejowego SN budowy tornistorowej
[8]
Rys. 2. Komory gaszeniowe wyłączników małoolejowych: a) podłużnostrumieniowe, b) poprzecz-
nostrumieniowe: 1 styk nieruchomy i zacisk dolny, 2 zewnętrzna część komory (materiał izolacy-
jny), 3 łuk elektryczny, 4 bańka gazowa, 5 olej, 6 styk ruchomy [3]
Materiały używane do budowy komór (rys. 2.) odznaczają się zwykle dużą wytrzymałością
mechaniczną. Taki warunek spełnia kompozyt z żywicy epoksydowej wzmocnionej włók-
nem szklanym, tzw. szkło epoksyd [1]. Wyłączniki małoolejowe stanowią podstawowy typ
aparatów średnich napięć. Rozwój techniki łączeniowej, konstrukcji aparatury, a także no-
wych napędów zasobnikowych sprawił, że łączniki te charakteryzują się wysoką trwałością
łączeniową mechaniczną, rzędu 105 cykli przestawień [5]. W przedziale najwyższych na-
pięć wyłączniki małoolejowe występują w dwóch odmianach:
a) jednoprzerwowe kolumnowe, służące głównie do łączenia transformatorów,
budowane na napięcia do 170 kV oraz prądy wyłączalne rzędu 28 kA i moce
wyłączalne do 3400 MV.A,
b) wieloprzerwowe uniwersalne, budowane w pełnym zakresie napięć, o prądach
wyłączalnych od 60 kA do 70) kA [5].
2
2.3. WYA

CZNIKI PNEUMATYCZNE
W rozwiązaniu łącznika łuk elektryczny, przy wyłączaniu gaszony jest pod wpły-
wem sprężonego powietrza, które wydobywa się ze specjalnego zbiornika (6), w którym
panuje ciśnienie od 1 MPa do 3 MPa. Gaz przepływając z prędkością dz
więku przez me-
talową dyszę aktywnie oddziaływuje na palący się w niej łuk elektryczny [3]. Wyłączniki te-
go typu charakteryzują się dużą niezawodnością działania i trwałością łączeniową i me-
chaniczną. Można je stosować w obwodach o znacznej częstości łączeń. Z racji swoich
parametrów technicznych można je wykorzystywać, jako aparaty zabezpieczające w waż-
nych i dużych stacjach elektroenergetycznych [4].
Wyłączniki pneumatyczne budowane są dla przedziału napięć najwyższych. Apara-
ty pracujące przy średnich napięciach noszą nazwę wyłączników generatorowych, tzw.
ciężkich [5]. Prądy znamionowe łączników tej grupy sięgają od 12 kA do 36 kA, przy zna-
mionowych napięciach pracy rzędu 20 kV. Prądy wyłączalne są na poziomie 140 kA. Wed-
ług danych firmy Brown Boveri, w przypadku prądów znamionowych ciągłych większych
od 12 kA należy stosować chłodzenie wodne.
Wyłączniki pneumatyczne NN budowane są jako wieloprzerwowe, ze zbiornikami
sprężonego powietrza i zaworami głównymi umieszczonymi w pobliżu komór gaszenio-
wych (rys. 3.). Często wyposaża się je w rezystory bocznikujące. Ograniczają stromość
narastania napięcia powrotnego przy wyłączaniu. W rozwiązaniach aparatów na napięcia
znamionowe 400 kV rezystancje potrzebne są także do ograniczania przepięć przy załą-
czaniu [5]. Przykład wyłącznika pneumatycznego średniego napięcia firmy Brown Boveri
pokazano na rys. 3.
Rys. 4. Zasada budowy wyłącznika pneumatycznego
wieloprzerwowego (symetryczny układ pneumatycz-
ny): 1 rezystory do sterowania rozkładem napięcia
na poszczególnych przerwach, 2 rozłączniki przery-
wające prąd płynący przez rezystory, 3 komory ga-
szeniowe, 4 kanały w izolatorach wsporczych, 5
zawory gaszeniowe, 6  zbiornik sprężonego powiet-
rza [3]
Rys. 3. Wyłącznik pneumatyczny SN firmy Brown Boveri (24 kV, 5200 A, prąd wyłączalny 48,2 kA,
moc zwarciowa 2000 MV.A) [3]
3
2.4. WYA

CZNIKI Z SZEŚCIOFLUORKIEM SIARKI SF6
A
ączniki te pracują w układzie zamkniętym z SF6. Stwarza to trudności z zachowa-
niem odpowiedniej szczelności, a także doborem określonych materiałów, odpornych na
agresywne oddziaływanie toksycznych produktów rozpadu gazu, takich jak: SF2 i SF4 [5].
Aparaty budowane są w dwóch odmianach  układach funkcjonalnych:
a) jednociśnieniowym,
b) dwuciśnieniowym.
2.5. WYA

CZNIKI MAGNETOWYDMUCHOWE
W komorach gaszeniowych wyłączników magnetowydmuchowych SN gaszenie łu-
ku elektrycznego odbywa się w powietrzu o ciśnieniu atmosferycznym, wskutek:
" przemieszczania się kanału łukowego, połączonego z jednoczesnym jego wy-
dłużaniem,
" dodatkowego oddziaływania na kanał łukowy poprzez wprowadzenie go w wą-
skie szczeliny między łukoodporne płytki w komorze gaszeniowej, wykonane
np. z tlenku cyrkonu.
Ze względów izolacyjnych wyłączniki tej kategorii wykonuje się dla napięć do 17,5 kV. A
uk
elektryczny, powstający na stykach łącznika w procesie wyłączania prądów musi być roz-
ciągany na duże odległości, dlatego magnetowydmuchowe komory gaszeniowe mają spo-
re wymiary (dziesiątki centymetrów i więcej), co w połączeniu z koniecznością stosowania
odpornych na łuk elektryczny materiałów komory sprawia, że są to wyłączniki kosztowne.
Stosowane są wszędzie tam, gdzie wymagana jest duża wytrzymałość mechaniczna i łą-
czeniowa wyłącznika. Na rys. 5. pokazano przykładowy wyłącznik magnetowydmuchowy
SN, z wyraz
nie widocznymi komorami gaszeniowymi.
Rys. 5. Wyłącznik magnetowydmuchowy firmy Merlin Gerin [3]
W obydwu wymienionych przypadkach do przemieszczania i wydłużania kanału łu-
kowego wykorzystuje się efekt jego cieplnego unoszenia, jak również oddziaływanie ele-
ktrodynamiczne, pochodzące od specjalnie formowanego pola magnetycznego. W niektó-
rych rozwiązaniach technicznych komór stosuje się dodatkowo podmuch autopneumaty-
czny. Umożliwia on poprawne wyłączanie prądów krytycznych, o wartościach od kilku do
kilkunastu amperów [8].
4
W komorach gaszeniowych wyłączników magnetowydmuchowych stosowane są
następujące układy do wydłużania łuku:
" o łuku dzielonym i wydłużaniu pętlowym wielokrotnym,
" o łuku ciągłym (falistym). Przekrój przez komorę magnetowymuchową, w której
zastosowano ten sposób wydłużania łuku elektrycznego pokazano na rys. 6.
Rys. 6. Schemat budowy wąskoszczelinowej, magnetowyd-
muchowej komory gaszeniowej, o łuku ciągłym falistym:
a) ceramiczna płytka gaszeniowa, b) przekroje fragmentów
komory w różnych jej wysokościach [8]
2.6. WYA

CZNIKI PRÓŻNIOWE
Wyłączniki próżniowe stanowią jedną z podstawowych grup funkcyjnych aparatury
średnich napięć. Po okresie zastoju, począwszy od lat osiemdziesiątych i dziewięćdziesią-
tych nastąpił ich znaczny rozwój. Wiele firm światowych podjęło produkcję tego typu wyłą-
czników i styczników [8]. Na rys. 7 przedstawiano przykładowy wyłącznik SN produkcji kra-
jowej z komorą próżniową. Przekrój przez typową komorę próżniową SN zamieszczono na
rys. 8.
Rys. 7. Wyłącznik próżniowy SN typu VD4
5
Rys. 8. Przekrój przykładowej komory próżniowej: 1 styk nierucho-
my, 2 styk ruchomy, 3 ekran kondensacyjny, 4 izolator cerami-
czny, 5 łącznik sprężysty układu napędowego (spełnia też funkcję
uszczelnienia), 6 popychacz styku ruchomego, 7 metalowa osłona
komory [8]
W obecnym stanie techniki łączeniowej szczególnie istotny wydaje się podział wyłą-
czników wysokiego napięcia na:
a) rozdzielcze, czyli pracujące w układach przesyłu i rozdziału energii elektrycz-
nej,
b) odbiornikowe, służące do łączenia wysokonapięciowych odbiorników energii
elektrycznej (silniki, piece elektryczne i inne) [5].
Prądy wyłączalne wyłączników próżniowych dochodzą do 25 kA, przy napięciach odpowie-
dnio 12 kV i 24 kV. Zaletą tej grupy wyłączników jest ich duża wytrzymałość mechaniczna
i łączeniowa. Ponadto odznaczają się szybkim wzrostem wytrzymałości powrotnej [3],
dlatego nadają się do wyłączania prądów w obwodach z bateriami kondensatorów.
3. Bezpieczniki
Bezpieczniki średnich i wysokich napięć znalazły zastosowania, jako aparaty zabez-
pieczające transformatory, silniki, przekładniki, czy baterie kondensatorów [1] wyłącznie od
skutków zwarć. Budowane dla napięć znamionowych do 30 kV, w wykonaniu wnętrzowym
lub napowietrznym. Rozróżnia się trzy rodzaje bezpieczników w zależności od rodzaju za-
stosowanego gasiwa:
a) piaskowe topikowe,
b) cieczowe (olejowe),
c) gazowydmuchowe [8].
3.1. BEZPIECZNIKI PIASKOWE
Bezpieczniki topikowe z piaskiem kwarcowym lub sproszkowanym marmurem, o
odpowiednim granulacie [5] działają przy wyłączaniu prądów zwarciowych tak szybko [8],
że nie dopuszczają do wystąpienia w chronionym obwodzie prądu szczytowego. Mają
wówczas tzw. zdolność ograniczania prądu zwarciowego. Należy zaznaczyć, że nie wszy-
stkie bezpieczniki topikowe posiadają w/w zaletę. Spełnienie odpowiedniego warunku
przez bezpiecznik topikowy umożliwia ograniczanie prądu. Aparaty takie nazywamy wów-
czas bezpiecznikami piaskowymi ograniczającymi lub niekiedy energetycznymi wielkich
6
mocy [3]. Na rys. 9. i rys. 10. przedstawiono przykładowe wykonania bezpieczników śred-
nich napięć z gasiwem piaskowym.
Rys. 9. Bezpieczniki SN typu CEF Rys. 10. Bezpieczniki SN typu WBWMNII
Bezpieczniki topikowe piaskowe buduje się na napięcia znamionowe do 30 kV oraz
prądy znamionowe do 200 A. Znamionowe prądy wyłączalne aparatów wynoszą średnio
50 kA [8].
3.2. BEZPIECZNIKI GAZOWYDMUCHOWE
Bezpieczniki średniego napięcia, w których medium gaszącym łuk elektryczny, przy
wyłączaniu prądu jest materiał gazujący nazywamy bezpiecznikami gazowydmuchowymi.
Element topikowy umieszczono wewnątrz obudowy (np. OWBGN 6/17,5) z wkładką
gazującą, wykonaną najczęściej z fibry lub innego materiału kompozytowego [8].
Obudowa w kształcie rury z materiału organicznego jest zamknięta szczelnie od góry, a
otwarta na dole, co umożliwia swobodny wypływ gazów w procesie wyłączania prądu.
Wewnętrzny tor prądowy bezpiecznika składa się z krótkiego elementu topikowego i
szeregowo z nim włączonego połączenia elastycznego [8]. Topik jest utrzymywany w
stanie napiętym przez sprężynę, która wydłuża go po zapłonie łuku elektrycznego.
Strumień gazów powstałych z rozkładu materiału obudowy wkładki chłodzi intensywnie
łuk. Bezpieczniki nie posiadają zdolności ograniczania prądu, gdyż wyłączenie następuje
w momencie naturalnego przejścia prądu łuku przez zero. Na rys. 11. pokazano typową,
napowietrzną wkładkę bezpiecznikową średniego napięcia.
Rys. 11. Bezpiecznik gazowydmuchowy serii V produkcji ABB Przasnysz
7
4. Odłączniki
Odłączniki to aparaty należące do grupy łączników izolacyjnych. Zapewniają w sta-
nie otwartym widoczną i bezpieczną przerwę izolacyjną pomiędzy otwartymi częściami
bieguna. Czynności łączeniowe mogą być dokonywane odłącznikiem tylko w stanie bez-
prądowym obwodu. Odłączniki Sn budowane są na napięcia znamionowe izolacji w prze-
dziale od 6 kV do 30 kV oraz prądy ciągłe do 4000 A. W tym zakresie parametrów podsta-
wową konstrukcją aparatów stanowią odłączniki sieczne. Przykład takiego rozwiązania, w
wykonaniu wnętrzowym przedstawiono na rys. 12 [8].
Rys. 12. Biegun odłącznika wnętrzowego, z dolnym
nożem uziemiającym (20 kV, 630 A, ZWAR):
1 podstawa,
2 izolator wsporczy,
3 cięgno izolacyjne,
4 zestyk rozłączny,
5 zestyk nierozłączny,
6 nóż stykowy,
7 nóż uziemnika [8]
Wadą konstrukcji siecznych odłączników jest ich znaczna głębokość w stanie otwartym a-
paratu. Stwarza to niekiedy trudności zabudowy odłącznika w rozdzielnicy osłoniętej. Ko-
rzysta się wówczas z rozwiązań dwuprzerwowych o stykach ruchomych obrotowych [8].
5. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest omówienie problematyki stosowania różnych łączników wyso-
kiego napięcia, pokazania techniki gaszenia łuku wysokonapięciowego.
6. Zadanie ćwiczenia
Zadanie ćwiczenia polega na zapoznaniu studentów z budową łączników elektrycz-
nych wysokiego napięcia, na przykładzie aparatury znajdującej się na wyposażeniu labo-
ratorium WN 114. Kompletną budowę omawianego łącznika, jedną wybraną przez stude-
ntów należy dołączyć do sprawozdania z ćwiczenia. Do sprawozdania autor dołącza też
krótki opis jednej (wybranej przez siebie) techniki gaszenia łuku elektrycznego SN.
7. Przebieg ćwiczenia
7.1. Prezentacja i omówienie podstawowych grup funkcyjnych łączników wysokiego
napięcia,
7.2. Metody gaszenia łuku w łącznikach wysokiego napięcia.
8
Do gaszenia łuku elektrycznego w łącznikach wysokiego napięcia wykorzystuje się
jeden z niżej podanych czynników:
a) Olej mineralny (wyłączniki pełno  i małoolejowe)2),
b) Ciała stałe m. in.: fibrę, polimetakrylan metylu, czyli substancje silnie gazujące
(wydzielające głównie wodór) pod wpływem wysokiej temperatury od łuku ele-
ktrycznego (bezpieczniki gazowydmuchowe),
c) Strumień sprężonego powietrza (wyłączniki pneumatyczne),
d) Sześciofluorek siarki SF6 (wyłączniki SF6),
e) Piasek kwarcowy (bezpieczniki topikowe piaskowe),
f) Próżnię (wyłączniki i styczniki próżniowe) [3].
8. Opracowanie wyników, sprawozdanie
Sprawozdanie z ćwiczenia powinno mieć postać protokołu z badań, zredagowane-
go tak, aby na jego podstawie można było odtworzyć przeprowadzone eksperymenty.
Sprawozdanie powinno zawierać:
1. Stronę tytułową wg wzoru.
2. Opis przebiegu ćwiczenia.
" opis obiektów badań (szkice, rysunki),
" opis przygotowań poprzedzających badania,
" warunki badania,
" sposób badań,
" wyniki badań (odpowiednie tablice, wykresy).
3. Analizę wyników badań.
4. Zagadnienia opracowane na podstawie literatury.
Sprawozdanie musi być napisane odręcznie, zwięzłym, technicznym językiem. Stro-
ny opracowania należy ponumerować i całość spiąć. Wykresy muszą być czytelne, z wy-
raz
nie zaznaczonymi punktami będącymi wynikiem pomiarów. Do sprawozdania należy
dołączyć notatki sporządzone podczas ćwiczenia.
9. Literatura3)
[1] H. Markiewicz, "Urządzenia elektroenergetyczne", WN  T, Warszawa 2001
[2] Praca zbiorowa pod kierunkiem B. Konorskiego,  Poradnik inżyniera elektryka ,
WN  T, Warszawa 1968
[3] St. Dzierzbicki,  Aparatura elektroenergetyczna , WN  T, Warszawa 1980
[4] T. Bełdowski,  Stacje elektroenergetyczne , WN  T, Warszawa 1980
[5] Praca zbiorowa pod kierunkiem A. Au,  Poradnik inżyniera elektryka , tom III,
WN  T, Warszawa 1974
[6] Materiały konferencyjne,  Stacje transformatorowo  rozdzielcze SN/nn, Semina-
rium Naukowo  Techniczne, Poznań 2004
[7] A. Au, Zb. Ciok,  Aparaty elektryczne , część II, Wydawnictwa Politechniki Warsza-
wskiej, Warszawa 1976
[8] A. Au, Zb. Ciok, J. Maksymiuk,  A
ączniki energoelektryczne średnich napięć. Stan
istniejący i tendencje rozwojowe , WN  T, Warszawa 1984
2)
W nawiasach podano przykłady łączników, w których wykorzystano opisywane medium
3)
Wszystkie pozycje literatury są do dostępne u prowadzącego zajęcia
9
10. Pytania kontrolne
10.1. Na jakie grupy funkcyjne można podzielić łączniki wysokiego napięcia?
10.2. Jakie sposoby gaszenia łuku elektrycznego stosujemy w technice WN?
10.3. Czym różnią się wyłączniki pełno i małoolejowe?
10.4. Jakie są typowe materiały gazujące i w jakich aparatach znalazły swoje zastosowa-
nia?
10.5. Dlaczego w bezpiecznikach gazowydmuchowych stosowane są dodatkowe otuliny
z materiału gazującego?
10.6. Które z opisanych łączników wysokiego napięcia posiadają zdolność ograniczania
prądu zwarciowego? Spełnienie, jakiego warunku odpowiada za tę zdolność?
10.7. Jakie główne problemy występują w eksploatacji wyłączników najwyższych napięć
z sześciofluorkiem siarki SF6?
10.8. Na jakie grupy funkcyjne można podzielić bezpieczniki SN? Ze względu, na jaki
czynnik można dokonać takiego podziału?
11. Załącznik
Tabela 1. Wzór tabliczki strony tytułowej sprawozdania z laboratorium AE
Politechnika Gdańska
Studium Dzienne, Elektrotechnika, (mgr)
Laboratorium Aparatów
Semestr VI
Elektrycznych
Rok akademicki: 2004 / 2005
Ćwiczenie nr: Temat:
Data wykonania ćwiczenia:
Imię i nazwisko studenta
Grupa laboratoryjna & & & & ........
Autor sprawozdania & & & & & & & & & & & .
Data oddania sprawozdania:
1.
2.
3.
4.
Ocena:
5.
6.
7.
Podpis prowadzącego:
8.
10