Politechnika Gdańska
Wydział Elektrotechniki i Automatyki
Katedra Wysokich Napięć i Aparatów Elektrycznych
Laboratorium Aparatów Elektrycznych
Laboratorium Aparatury Elektroenergetycznej
Ćwiczenie nr 5
Temat: A
UKOWE WYA

CZANIE PR
DU
Opracował: dr inż. Marek Pikoń
Gdańsk 2005
A
UKOWE WYA

CZANIE PR
DU
1. Wyłączanie prądu  warunki konieczne i wystarczające
Wyłączanie prądu w obwodach elektroenergetycznych nie jest łatwe. Gdyby w
pewnym miejscu toru prądowego dokonać nagłego przerwania prądu o wartości chwilowej
ip, dzięki indukcyjności obwodu prąd w pozostałej części obwodu będzie nadal płynął
ładując pojemność obwodu tak długo, aż energia zgromadzona w indukcyjności obwodu
(0,5Lip2) zostanie zgromadzona w pojemności obwodu (0,5CU2) oraz częściowo
rozproszona w postaci ciepła. Przy niewielkich pojemnościach obwodów
elektroenergetycznych przerwanie nawet niewielkiego prądu spowoduje powstanie
poważnych przepięć:
L
U d" ip
C
Z tego powodu przerywanie prądu w obwodach elektroenergetycznych musi być
poprzedzone sztucznym sprowadzeniem prądu do zera  w obwodach prądu stałego lub
może zachodzić podczas naturalnego przejścia prądu przez zero  w obwodach prądu
przemiennego.
L
i
A

C
e
RH"0
Rys. 1. Uproszczony schemat ideowy obwodu zwarciowego: e  siła
elektromotoryczna z
ródła, L  indukcyjność obwodu, C  pojemność obwodu, R 
rezystancja obwodu, i  prąd zwarciowy, A
 łącznik.
Przerwanie przepływu prądu w obwodzie pokazanym na rys. 1 nastąpi wówczas,
gdy pewien odcinek toru prądowego, będący dobrym przewodnikiem prądu, stanie się
dielektrykiem. Taki proces musi zajść w łączniku A
. Jest to konieczny warunek wyłączenia,
ale nie wystarczający. Po przerwaniu prądu zwarciowego, w obwodzie LRC wystąpią
gasnące oscylacje napięcia, które, nakładając się na przebieg siły elektromotorycznej,
dają t.zw. napięcie powrotne pojawiające się na pojemności C obwodu, a tym samym na
zaciskach łącznika A
. To szybko narastające napięcie może spowodować utratę własności
izolacyjnych powstałego właśnie elektroizolacyjnego odcinka toru prądowego, zatem
wyłączenie prądu nastąpi dopiero wówczas, gdy wytrzymałość elektryczna tego odcinka
toru prądowego będzie w każdej chwili większa od wartości napięcia powrotnego.
Konieczność zapewnienia odwracalnych zmian przewodności elektrycznej odcinka
toru prądowego łącznika jest trudnym zadaniem, ponieważ jego rezystancja w stanie
przewodzenia powinna być minimalna, np. 10-5&!, zaś po przerwaniu prądu  możliwie
duża, np. 106&!. Wymaga się zatem szybkich zmian rezystancji odcinka toru prądowego
łącznika w granicach co najmniej 11 rzędów wielkości! Mediami, które mogą spełniać takie
wymagania, są gazy, których przewodność elektryczna zmienia się w takich granicach
przy zmianach temperatury. Większość gazów w temperaturach poniżej 3000�C jest
dobrymi dielektrykami, zaś po przekroczeniu tej temperatury zaczynają przewodzić prąd.
Typową zależność przewodności elektrycznej gazu od temperatury pokazano na rys. 2.
1
Rys. 3. Zależność współczynnika
Rys. 2. Przewodność elektryczna
przewodności cieplnej  dla różnych



powietrza w funkcji temperatury przy
gazów od temperatury, w zakresie
różnych ciśnieniach [3].
temperatur typowych dla kolumny
połukowej [1].
2. Elektryczny łuk łączeniowy
W łącznikach elektroenergetycznych wysokiego napięcia, a także w większości
aparatów łączeniowych niskiego napięcia do wyłączania prądu wykorzystuje się łuk
elektryczny, zwany tam łukiem łączeniowym.
A
uk elektryczny jest formą wyładowania elektrycznego o specyficznej budowie i
własnościach. Najogólniej można powiedzieć, że jest to chmura zjonizowanego gazu
(plazmy), łącząca dwie elektrody (lub styki), co pokazano schematycznie na rys. 4.
Rys. 4. Uproszczony obraz łuku
elektrycznego
L  długość łuku (odstęp
międzyelektrodowy),
Sk  strefa przykatodowa o długości
mniejszej od 1 �m,
Sa  strefa przykatodowa o długości
nieco większej od 1 �m,
Kł  kolumna łukowa.
2
Przewodnictwo elektryczne plazmy opiera się na przepływie elektronów i jonów
gazowych, zaś metalu  tylko na przepływie elektronów swobodnych. Z tego powodu
proste połączenie elektryczne takich przewodników nie jest możliwe. W związku z tym w
łuku elektrycznym, w miejscu styczności plazmy z elektrodami tworzą się t.zw. strefy
przyelektrodowe: przykatodowa i przyanodowa, umożliwiające dopasowanie mechanizmu
przewodnictwa elektrycznego plazmy i metalu. Procesy fizyczne w strefie przykatodowej
umożliwiają przechodzenie elektronów z metalu do plazmy, zaś procesy w strefie
przyanodowej umożliwiają powstawanie tam jonów dodatnich. Innymi słowy, strefy
przyelektrodowe są z
ródłem nośników prądu w kolumnie łukowej. Jednocześnie w
kolumnie łukowej zachodzą procesy powodujące zanikanie nośników prądu (rekombinacja
i dyfuzja) oraz procesy powodujące uzupełnianie strat nośników (jonizacja termiczna).
Można zatem powiedzieć, że istnienie wyładowania łukowego wymaga spełnienia dwóch
warunków: dopasowania mechanizmu przewodnictwa elektrycznego plazmy i metalu oraz
dostarczania odpowiedniej energii do wytwarzania nośników prądu w strefach
przyelektrodowych i w kolumnie łukowej. Niespełnienie jednego z tych warunków
spowoduje zaniknięcie wyładowania (zgaszenie łuku). W przypadku wyładowania
łukowego jest to możliwe tylko wówczas, gdy prąd przestaje płynąć (praktycznie: gdy
osiąga odpowiednio małą wartość). Zgaszenie łuku wymaga zatem wcześniejszego
sztucznego sprowadzenia prądu do zera lub wykorzystania chwili, gdy prąd przechodzi
przez zero w sposób naturalny*. W tym czasie w łuku zanikają procesy zapewniające
dopasowanie mechanizmów przewodnictwa elektrycznego w strefie przykatodowej:
ponowne uruchomienie tych procesów wymaga natychmiastowego przyłożenia napięcia w
granicach 200 � 400 V (w rzeczywistości to napięcie jest pewną funkcją czasu) [4]. Jeżeli
takie napięcie powrotne nie pojawi się, wówczas wyładowanie zaniknie. Taki mechanizm
gaszenia łuku wykorzystuje się w łącznikach niskiego napicia. Ponieważ proces
wyłączania przebiega tam głównie w strefie przykatodowej, długość kolumny łukowej
ogranicza się wówczas do minimum. Jest to t.zw. łuk krótki o długości 1 � 3 mm.
O ile przerwanie wyładowania łukowego w strefie przykatodowej polega na
wykorzystaniu naturalnej bariery potencjału występującej w złączu metal-plazma i w
zasadzie nie wymaga fizycznej interwencji w tym obszarze (w praktyce stosuje się
odpowiednie materiały na elektrody oraz wymusza się ruch łuku między elektrodami tak,
aby próba ponownego zapłonu przebiegała przy zimnych elektrodach), to przerwanie
wyładowania w kolumnie łukowej wymaga szybkiego odprowadzenia z plazmy dużej
energii poprzez intensywne chłodzenie. Proces ten jest trudny, ale umożliwia uzyskanie
znacznej wytrzymałości elektrycznej tego obszaru (np. kilkadziesiąt kV), dlatego taki
sposób gaszenia łuku wykorzystuje się głównie w łącznikach wysokiego napięcia. Długość
łuku wynosi tam zwykle kilka-kilkanaście cm. Jest to t.zw. łuk długi. Wysoka skuteczność
takiego procesu łączeniowego jest wynikiem szczególnie korzystnych własności
łączeniowych plazmy gazowej. Gaz, będący doskonałym dielektrykiem może się stać
dobrym przewodnikiem prądu w krótkim czasie i dowolną ilość razy. Jest to tylko kwestia
podgrzania lub ochłodzenia gazu. Istotne znaczenie w takim procesie łączeniowym
odgrywa zależność przewodności elektrycznej i cieplnej gazów od temperatury. Przy
obniżaniu temperatury plazmy poniżej 10 000�C, jej przewodność elektryczna szybko
maleje, zaś dla licznych gazów używanych w technice łączeniowej, w zakresie temperatur
kolumny połukowej ich przewodność cieplna wówczas wzrasta! Typowe zależności
przewodności cieplnej różnych gazów od temperatury przedstawiono na rys. 3.
*Proszę zwrócić uwagę, że wymaganie to jest zgodne z identycznym wymaganiem opisanym w p 1,
przy czym fizyczne przyczyny obu tych wymagań są różne.
3
3. Chłodzenie łuku
W procesie chłodzenia łuku, ciepło z łuku może odpływać do elektrod i do gazu
otaczającego łuk. W łącznikach elektroenergetycznych wysokiego napięcia do gaszenia
łuku wykorzystuje się chłodzenie w wyniku wymuszonej konwekcji i przewodnictwa
cieplnego gazu w otoczeniu łuku. Chłodzenie łuku przez elektrody znajduje zastosowanie
w łącznikach niskiego napięcia. Udział promieniowania w bilansie energetycznym łuku w
łącznikach elektroenergetycznych jest praktycznie pomijalny.
W zależności od sposobu chłodzenia łuku wyróżnia się chłodzenie powierzchniowe
 gdy chłodzone są głównie zewnętrzne obszary kolumny łukowej oraz objętościowe  gdy
kolumna łukowa jest chłodzona równomiernie w całej swojej objętości.
Bliższe informacje dotyczące fizyki tych procesów można znalez
ć w literaturze [1].
4. Skutki chłodzenia łuku w warunkach przepływu prądu
A
uk elektryczny w łącznikach elektroenergetycznych występuje zazwyczaj w
warunkach wymuszonego przepływu prądu, tzn., że rezystancja łuku nie wpływa znacząco
na wartość prądu wyłączeniowego, natomiast wartość tego prądu ma decydujący wpływ
na parametry łuku. W takim przypadku każda zmiana intensywności chłodzenia łuku
wywołuje odpowiednią zmianę natężenia pola elektrycznego w kolumnie łukowej tak, aby
moc doprowadzana do jednostki długości łuku równoważyła tam moc strat. Wynika stąd
wniosek, że ze wzrostem intensywności chłodzenia łuku wzrasta proporcjonalnie
natężenie pola elektrycznego w kolumnie łukowej. Towarzyszy temu zwykle wzrost
temperatury kolumny przy jednoczesnym zmniejszeniu jej średnicy. W tablicy 1 i 2
podano, w oparciu o badania własne oraz literaturę, przykładowe parametry łuku dla
różnych sposobów chłodzenia [1, 8].
5. Skutki chłodzenia łuku w okolicy zera prądu
W okolicy zera prądu wyłączeniowego, w trakcie zmniejszania się wartości prądu moc
łuku maleje, a chłodzenie powoduje zmniejszenie średnicy kolumny łukowej. W momencie
przechodzenia prądu przez zero, z uwagi na pewną bezwładność procesów
dejonizacyjnych, pomiędzy stykami pozostaje jeszcze słup zjonizowanego gazu  t.zw.
kolumna połukowa o średnicy kilku mm i temperaturze kilka tysięcy stopni. W tej
temperaturze gaz posiada jeszcze znaczną przewodność elektryczną. W takim środowisku
szybko narastające napięcie powrotne prowadzi do tworzenia się nowych cząstek
zjonizowanych w wyniku jonizacji termicznej lub (i) zderzeniowej, co może doprowadzić do
odtworzenia wyładowania łukowego. Wyróżnia się zatem dwa mechanizmy ponownego
zapłonu łuku:
" cieplny  prowadzący do ponownego zapłonu łuku po upływie krótkiego czasu od
chwili przejścia prądu przez zero, charakteryzujący się jednak długim czasem
pełnego rozwoju,
" elektryczny  prowadzący do ponownego zapłonu łuku po stosunkowo długim
czasie od chwili przejścia prądu przez zero, charakteryzujący się bardzo krótkim
czasem rozwoju.
Równolegle z procesem tworzenia nowych cząstek zjonizowanych, w wyniku
chłodzenia zachodzi proces zmniejszania liczby jonów i elektronów. Od tego, który z
procesów przeważy zależy, czy z biegiem czasu stopień zjonizowania kolumny połukowej
będzie się powiększał czy malał, innymi słowy, czy nastąpi ponowny zapłon łuku, czy
przerwanie przepływu prądu. Typowe przebiegi prądu wyłączeniowego oraz napięcia na
łączniku pokazano, w pewnym uproszczeniu, na rys. 5 i 6.
4
Tablica 1. Natężenie pola elektrycznego w kolumnie łukowej dla różnych sposobów
chłodzenia.
Natężenie pola
Sposób chłodzenia
elektrycznego
[V/cm]
A
uk palący się swobodnie w nieruchomym powietrzu 10 � 20
A
uk intensywnie chłodzony strumieniem powietrza 200
skierowanym wzdłuż jego osi
A
uk w oleju 70 � 100
A
uk intensywnie chłodzony strumieniem oleju lub wody 200
skierowanym wzdłuż jego osi
A
uk poruszający się w wąskiej szczelinie (0.5 � 2 mm) 40 � 100
pomiędzy płytami z materiału ceramicznego
A
uk w kanale o małej średnicy (kilka mm) w stałym materiale 200 � 300
gazującym
Tablica 2. Orientacyjne wartości temperatury kolumny łukowej w zależności od sposobu
chłodzenia.
Temperatura kolumny
Sposób chłodzenia łuku
łuku
[K]
A
uk palący się swobodnie w nieruchomym powietrzu 10 000
A
uk chłodzony strumieniem sprężonego powietrza 16 000
A
uk intensywnie chłodzony strumieniem wody 40 000
5
Rys. 5. Przebiegi prądów i napięć podczas wyłączania prądu w obwodzie o
charakterze indukcyjnym. i  prąd wyłączeniowy, ip  prąd połukowy, e  siła
elektromotoryczna z
ródła, uł  napięcie na łuku, Ug1, Ug2 - napięcie na łuku w chwili
gaszenia łuku, Uz  napięcie ponownego zapłonu łuku, ups  spodziewane napięcie
powrotne, Uw1, Uw2  wytrzymałość kolumny połukowej, Upm  amplituda napięcia
powrotnego rzeczywistego, up  przebieg napięcia powrotnego, t1  moment
rozdzielenia styków wyłącznika, t2  moment pierwszego zgaszenia łuku, t3 
moment ponownego zapłonu łuku, t4  moment powtórnego zgaszenia łuku.
Rys. 6. Przebiegi prądów i napięć w okolicy zera prądu wyłączeniowego
charakterystyczne dla cieplnego (a) i elektrycznego (b) mechanizmu ponownego
zapłonu łuku. ul  napięcie łuku, up  napięcie powrotne, i  prąd wyłączeniowy, ipł
 prąd połukowy, tz  moment ponownego zapłonu łuku.
6
6. Wpływ techniki gaszenia łuku na proces wyłączania prądu
Proces wyłączania prądu zależy od zastosowanej techniki gaszenia łuku, co można
zaobserwować na oscylogramach prądu wyłączeniowego i napięcia na zaciskach
wyłącznika. Dzieje się tak, ponieważ różne techniki gaszenia łuku charakteryzują się różną
intensywnością chłodzenia łuku oraz szybkością odbudowy wytrzymałości przerwy
połukowej. Jeżeli wprowadzi się pojęcie rezystancji łuku i rezystancji kolumny połukowej,
to:
" rezystancja łuku, zależna od intensywności chłodzenia i długości łuku, wpływa na
proces wyłączania w wyniku ograniczenia wartości prądu oraz przesunięcia
fazowego prądu wobec siły elektromotorycznej z
ródła,
" rezystancja kolumny połukowej, zmienna w czasie, silnie zależna od zastosowanej
techniki chłodzenia łuku, budowy komory gaszeniowej oraz wartości prądu
wyłączeniowego, może wpływać znacząco na proces wyłączania tłumiąc oscylacje
składowej swobodnej napięcia powrotnego, czyli zmieniać stromość narastania i
amplitudę napięcia powrotnego.
7. Technika gaszenia łuku
W celu zgaszenia łuku niezbędna jest intensywna dejonizacja łuku w okolicy zera
prądu wyłączeniowego. Dejonizacja kolumny połukowej wymaga jej intensywnego
chłodzenia strumieniem gazu, pary lub aerozolu. Dużą intensywność chłodzenia uzyskuje
się przez dobór odpowiedniego czynnika chłodzącego (powietrze, wodór, SF6), o
odpowiedniej gęstości i tworzącego strumień odpowiednio skierowany na kolumnę łukową
oraz połukową.
W praktyce łuk jest często sytuowany w osi odpowiednio wyprofilowanego kanału
przepływowego. Takie rozwiązanie, zapewniające stabilne położenie łuku w kanale, dobre
wnikanie czynnika chłodzącego do wnętrza kolumny łukowej i połukowej oraz skuteczne
usuwanie nagrzanego czynnika chłodzącego, jest stosowane w komorach gaszeniowych
pneumatycznych (powietrznych lub SF6) oraz olejowych [2].
Istnieje również technika chłodzenia łuku polegająca na szybkim przemieszczaniu
łuku przy pomocy pola magnetycznego w nieruchomym gazie. Taki sposób chłodzenia
znalazł praktyczne zastosowanie w łącznikach niskiego napięcia (magnetowydmuchowe
komory gaszeniowe) oraz w łącznikach średniego napięcia wykorzystujących sprężony
SF6.
Dużą skuteczność dejonizacji łuku i kolumny połukowej uzyskuje się w przypadku
łuku w próżni [6, 7]. Dejonizacja, będąca w tym przypadku wynikiem dyfuzji cząstek
naładowanych z łuku do otoczenia o bardzo niskim ciśnieniu, jest tak intensywna, że może
doprowadzić do ucięcia prądu przed naturalnym przejściem przez zero. Jak wiadomo jest
to zjawisko niekorzystne, ponieważ może prowadzić do powstania poważnych przepięć
podczas wyłączania prądu. Można temu zapobiec dobierając odpowiednie materiały
nakładek stykowych, zapewniające odpowiednią ilość par metalu podczas wyłączania
małych prądów, natomiast w celu ograniczenia ilości par metalu podczas wyłączania
dużych prądów, w próżniowych komorach gaszeniowych wytwarza się pola magnetyczne:
" promieniowe  powodujące okrężny ruch łuku po stykach, dzięki czemu nie
dochodzi do lokalnego przegrzewania metalu,
" osiowe  zapewniające  rozmycie łuku, dzięki czemu również nie dochodzi do
lokalnego przegrzewania metalu.
7
8. Komory gaszeniowe
Każdy łącznik przeznaczony do wyłączania prądu posiada t.zw. komory gaszeniowe
przeznaczone do gaszenia łuku. Ze względu na technikę gaszenia łuku można wyróżnić
następujące, podstawowe typy komór gaszeniowych:
" pneumatyczne  w których łuk jest chłodzony strumieniem sprężonego gazu
(powietrza, SF6),
" olejowe  w których łuk jest chłodzony strumieniem gazów i par powstałych z
rozkładu oleju pod wpływem ciepła wytworzonego przez łuk,
" gazowydmuchowe  w których łuk jest chłodzony strumieniem gazów powstałych z
rozkładu stałego materiału gazującego pod wpływem ciepła wytworzonego przez
łuk,
" magnetowydmuchowe  w których łuk, poruszający się pod wpływem pola
magnetycznego, jest chłodzony w gazie (powietrze, SF6) lub w wąskiej szczelinie
pomiędzy płytkami z odpowiedniego materiału elektroizolacyjnego,
" próżniowe  w których łuk, palący się w parach metalu pochodzących ze styków
łącznika, jest intensywnie chłodzony w wyniku dyfuzji nośników prądu z obszaru
wyładowania.
9. Sztuczne sprowadzanie prądu wyłączeniowego do zera
Dla obwodu zwarciowego, którego schemat przedstawiono na rys. 1 można napisać
równanie napięć:
di
e(t) = Ri + L + ut ,
dt
przy czym napięcie łuku jest funkcją prądu wyłączeniowego (t.zw. charakterystyka
napięciowo-prądowa łuku). Graficzne rozwiązanie tego równania dla obwodu prądu
stałego z uwzględnieniem zależności uo(i) przedstawiono na rys. 8, zaś szczegółowy opis
można znalez
ć w literaturze [1].
Należy podkreślić, że sprowadzenie prądu wyłączeniowego do zera jest możliwe
di
tylko dla prądów spełniających warunek < 0 . Obszar prądów, dla których warunek ten
dt
nie jest spełniony został na rysunku 8 zaciemniony. W tym zakresie prądów wyłączenie nie
jest możliwe z powodu niemożności sprowadzenia prądu do zera. Wyłączenie będzie
możliwe tylko wówczas, gdy charakterystyka łuku zostanie odpowiednio przesunięta  do
góry tak, aby nie miała punktów wspólnych z prostą E-iR. Spełnienie tego warunku
wymaga wygenerowania przez łuk odpowiednio wysokiego napięcia w obwodzie, co
można uzyskać w wyniku intensywnego chłodzenia łuku, a także rozciągnięcia łuku lub
dzielenia na szereg łuków krótkich. Wartość maksymalna napięcia łuku wystąpi w
momencie osiągania przez prąd wyłączeniowy wartości zerowej i wyniesie:
di di
�ł- L �ł
Ul ' = E - �ł �ł
= E + L ,
dt dt
�ł łł
czyli w obwodzie zawierającym indukcyjność wyłączenie prądu jest możliwe tylko
wówczas, gdy użyty łącznik będzie w stanie dostatecznie szybko wygenerować
odpowiednio wysokie napięcie, przekraczające napięcie z
ródła*.
* - Proszę zwrócić uwagę, że jest to już trzeci mechanizm powstawania przepięć w procesie
wyłączania prądu. Dwa pozostałe, to: przepięcie powstające w wyniku urwania prądu oraz
przepięcie pochodzące od napięcia powrotnego.
8
Rys. 7. Graficzne rozwiązanie równania
obwodu prądu stałego. 1  charakterystyka
łuku, 2  charakterystyka obwodu, 3 -
charakterystyka łuku nie mająca punktów
wspólnych z charakterystyką obwodu, i1 
zakres prądów, które można wyłączyć przy
danej charakterystyce łuku, i2 - i1 - zakres
di
prądów, dla których L jest dodatnie.
dt
10. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest obserwacja oraz identyfikacja procesów zachodzących w
wyłączanym obwodzie oraz w łączniku podczas wyłączania prądu stałego i przemiennego,
przy wykorzystaniu różnych technik wyłączania łukowego.
11. Przebieg ćwiczenia
Ćwiczenie składa się z dwóch części. Pierwsza dotyczy wyłączania prądu stałego,
druga  wyłączania prądu przemiennego przy zastosowaniu różnych technik gaszenia
łuku.
11.1. Stanowisko laboratoryjne I
W skład stanowiska wchodzi prądnica prądu stałego (22 kW, 250 V), zespół
rezystorów i dławików, łącznik do wyłączania prądu, specjalny przyrząd do wyznaczania
charakterystyki statycznej łuku, pokazany na rys. 8 i 9 oraz typowe przyrządy do pomiarów
i rejestracji prądów i napięć.
11.2. Przebieg części I ćwiczenia
Należy przeprowadzić identyfikację poszczególnych części stanowiska
laboratoryjnego, narysować schemat ideowy obwodu probierczego oraz obwodów
pomiarowych i sterowniczych. Należy wyznaczyć charakterystyki statyczne łuku
chłodzonego azotem i argonem, następnie należy wykonać próby wyłączania prądu,
rejestrując przebiegi prądu wyłączeniowego i napięcia na zaciskach łącznika.
W oparciu o uzyskane wyniki należy opisać i przeanalizować proces wyłączania
prądu w obwodzie probierczym. Szczegółowe wymagania dla każdej grupy laboratoryjnej
dotyczące warunków i zakresu badań określi każdorazowo nauczyciel prowadzący
ćwiczenie.
9
11.3. Stanowisko laboratoryjne II
Stanowisko laboratoryjne pokazano w widoku na rys. 10. W skład stanowiska
wchodzi zespół zwarciowy, urządzenia sterujące, pomiarowe i rejestrujące. Stanowisko
umożliwia wykonanie prób łączeniowych prądu do 1000 A i przy napięciu do 2400 V.
11.4. Przebieg części II ćwiczenia
Należy zidentyfikować poszczególne części stanowiska, wykonać schemat ideowy
zespołu zwarciowego wraz z układami pomiarowymi i sterującymi, następnie należy
zapoznać się z budową modeli łączników przeznaczonych do badań oraz wykonać
odpowiednie szkice i opisy modeli.
Po dobraniu parametrów obwodu probierczego tak, aby uzyskać założony
spodziewany prąd wyłączeniowy oraz napięcie powrotne, należy wykonać próby
sprawdzające poprawność doboru parametrów obwodu. Następnie należy przeprowadzić
próby wyłączania prądu przez badane modele łączników. W oparciu o oscylogramy
prądów wyłączeniowych i napięć na zaciskach łączników należy udokumentować,
przeanalizować i opisać proces wyłączania prądu w poszczególnych typach łączników.
12. Sprawozdanie
Sprawozdanie z przeprowadzonych eksperymentów powinno mieć formę raportu z
badań, napisanego zwięzłym językiem technicznym. Warunki, przebieg oraz wyniki badań
powinny być tak udokumentowane, aby na podstawie sporządzonego raportu można było
odtworzyć przebieg eksperymentów.
Sprawozdanie, oprócz strony tytułowej z danymi grupy laboratoryjnej, powinno
zawierać następujące rozdziały:
1. Cel badań
2. Program badań
3. Warunki badań:
Opis techniczny obiektów badań
Schematy obwodów probierczych i pomiarowych
Parametry obwodów
Procedury przyjęte podczas badań
4. Wyniki badań (tablice, oscylogramy, wykresy)
5. Analiza wyników badań (w zakresie ustalonym przez nauczyciela
prowadzącego ćwiczenie)
10
Rys. 8. Przyrząd do obserwacji i badania łuku elektrycznego stabilizowanego i
chłodzonego strumieniem gazu.
Rys. 9. Przyrząd do obserwacji i badania łuku elektrycznego stabilizowanego i
chłodzonego strumieniem gazu - schemat zasilania gazem i wodą chłodzącą.
11
Rys. 10. Stanowisko laboratoryjne do badań procesu wyłączania prądu przemiennego
przy wykorzystaniu różnych technik gaszenia łuku.
Rys. 11. Model bezpiecznika gazowydmuchowego podczas wyłączania prądu 800 A w
obwodzie probierczym zasilanym napięciem 1200 V.
12
d)
a)
b) e)
f)
c)
Rys. 12. Poszczególne stadia wyłączania prądu 800 A w obwodzie probierczym zasilanym
napięciem 1200 V, przy wykorzystaniu jednej z technik gaszenia łuku - przez szybkie
rozciąganie łuku w powietrzu. Fotografie przedstawiają: model łącznika w stanie
zamkniętym a), łącznik w stanie otwierania styków i rozciągania łuku b), c) oraz stopniowe
zanikanie chmury zjonizowanego powietrza po wyłączeniu prądu d), e), f).
12. Pytania kontrolne
1. Wymień sposoby chłodzenia łuku elektrycznego. Omów wybrany sposób (podaj
przykłady łączników wykorzystujących omawiany sposób chłodzenia)
2. Wymień warunki ponownego zapłonu łuku i omów wybrany.
13
3. Podaj podstawowe warunki łukowego wyłączenia prądu stałego i przemiennego,
jakie musi spełnić łącznik.
4. Omów skutki chłodzenia łuku w warunkach przepływu prądu.
5. Omów skutki chłodzenia łuku w okolicy zera prądu.
6. Omów mechanizm gaszenia łuku elektrycznego w próżni.
7. Wyjaśnij, w jakim celu w łącznikach próżniowych łuk wprowadza się w ruch wirowy.
8. W jaki sposób w łącznikach próżniowych łuk wprowadza się w ruch wirowy.
9. Opisz zjawisko ucięcia prądu przed jego naturalnym przejściem przez zero, w jakich
łącznikach występuje, dlaczego?
10. Omów mechanizm gaszenia łuku w komorach wąskoszczelinowych wykonanych z
materiału izolacyjnego (łączniki magnetowydmuchowe).
11. Omów mechanizm gaszenia łuku elektrycznego w strumieniu sześciofluorku siarki.
12. Omów mechanizm gaszenia łuku elektrycznego w cieczach.
13. Omów mechanizm gaszenia łuku elektrycznego w nieruchomym powietrzu.
14. Omów mechanizm gaszenia łuku elektrycznego w strumieniu sprężonego
powietrza.
15. W jakim celu w łącznikach pneumatycznych wykorzystuje się rezystory tłumiące.
16. Omów mechanizm gaszenia łuku w obecności materiałów  samogazujących .
17. Przedstaw zasadę działania bezpieczników gazowowydmuchowych.
18. Porównaj metody gaszenia łuku: próżniowa i w sześciofluorku siarki.
19. Porównaj metody gaszenia łuku: próżniowa i w obecności materiałów
 samogazujących .
14
20. 13. Literatura
[1] S. Dzierzbicki  Wysokonapięciowe aparaty łączeniowe. Zasady działania
[2] S. Dzierzbicki  Wyłączniki wysokonapięciowe prądu przemiennego
[3] Z. Ciok  Procesy łączeniowe w układach elektromagnetycznych .
[4] K. Auleytner  Odgromniki
[5] W. Poniecki, H. Sibilski  Kierunki rozwoju wyłączników niskiego, średniego i wysokiego
napięcia Wiadomości Elektrotechniczne nr 3, 2001
[6] J. Kutzner  Własności współczesnych konstrukcji wyłączników próżniowych
Politechnika Poznańska, Instytut Energetyki, 2004
[7] Z. Załucki  Problemy napięciowe łączników próżniowych Politechnika Poznańska,
Instytut Energetyki, 2004
[8] Z. Celiński  Podstawy fizyki plazmy w zastosowaniach technicznych WNT, 1970
[9] A. Kordus  Plazma WNT, 1985
Poz. 6 i 7 są dostępne w Katedrze Wysokich Napięć i Aparatów Elektrycznych PG,
poz. 8 i 9 stanowią literaturę uzupełniającą.
13. Załącznik
Tabela 1. Wzór tabliczki strony tytułowej sprawozdania z laboratorium AE
Politechnika Gdańska
Studium:
Laboratorium Aparatów
Semestr:
Elektrycznych
Rok akademicki:
Ćwiczenie nr: Temat:
Data wykonania ćwiczenia:
Imię i nazwisko studenta
Grupa laboratoryjna ........
Autor sprawozdania .
Data oddania sprawozdania:
1.
2.
3.
4.
5.
Ocena:
6.
7.
8.
Podpis prowadzącego:
15