Politechnika Gdańska
Wydział Elektrotechniki i Automatyki
Katedra Mechatroniki i Inżynierii Wysokich Napięć
Laboratorium Urządzeń Elektrycznych
Ćwiczenie nr 6
Temat: A

CZNIKI HYBRYDOWE
Opracował: mgr inż. Piotr Leśniewski
Gdańsk 2011 r.
Urządzenia elektryczne  A
ączniki hybrydowe
1. Wprowadzenie
A

CZNIK HYBRYDOWY  łącznik elektryczny będący połączeniem
tradycyjnego łącznika zestykowego, z elementem półprzewodnikowym, odpowiednio
dobranym i wysterowanym. Takie połączenie, obydwu tych łączników pozwala na
stworzenie zupełnie nowego urządzenia o specyficznych właściwościach użytkowych.
Wzrastająca moc nowoczesnych przyrządów rozdzielczych oraz jednoczesna
praca wielkich urządzeń zasilających niskiego napięcia prądu przemiennego pociąga za
sobą ciągły wzrost poziomu spodziewanych wartości prądów zwarciowych. W związku
z tym powstaje problem ograniczania tych prądów, celem zapewnienia niezawodnego
działania urządzeń i aparatury łączeniowej. Istotnym problemem staje się zapewnienie
jak najmniejszych przerw w dostawie energii do odbiorców, w przypadku wystąpienia
zwarcia. Dlatego przyrządy ograniczające prądy zwarciowe oraz główne wyłączniki
zabezpieczające w układach rozdzielczych stają się jednymi z najważniejszych
elementów w całym systemie elektroenergetycznym. W obecnym stanie techniki
aparatowej możliwości rozwoju konwencjonalnych metod wyłączania prądów zostały
praktycznie wyczerpane. Najnowsze technologie produkcji w/w aparatury
zabezpieczeniowej tylko w niewielkim stopniu potrafią wyeliminować wady tychże
aparatów. Do najpoważniejszych zaliczyć należy silną erozję materiału stykowego oraz
zużycie komór gaszeniowych. Problemem staje się także fakt przerywania prądu w
obecności łuku łączeniowego. Do tego dochodzą ograniczenia mechaniczne ruchu
układu stykowego łącznika. Wszystko to sprawia, że maleją bezpieczeństwo i
niezawodność pracy tych łączników.
Wobec tego, zadaniem dla projektantów i producentów aparatury łączeniowej
stało się znalezienie aparatów, które minimalizowałyby cieplne i mechaniczne skutki
przepływu prądów zwarciowych, przy jednoczesnym ograniczaniu ich wartości.
Powinny charakteryzować się bardzo krótkim czasem własnym podczas działania. Nie
mogą stwarzać dodatkowych zagrożeń, np. poprzez generowanie zbyt dużych przepięć
w procesie wyłączania. Urządzenie musi zapewniać odpowiednią obciążalność
prądową, która w systemie elektroenergetycznym wynosi od kilku do kilkunastu
kiloamperów.
Układami, które nie posiadały wad łączników konwencjonalnych, między
innymi: ograniczonej szybkości działania członu napędowego i obecności łuku
łączeniowego okazały się bezzestykowe łączniki półprzewodnikowe. Najbardziej
rozpowszechnionym rozwiązaniem stały się tyrystorowe wyłączniki szybkie, tzw. TWS
 y. Działanie tego rodzaju łączników opierało się na komutacji prądu w tyrystorze,
umieszczonym w torze głównym łącznika. Wstrzykiwanie prądu obwodowego
następowało w wyniku rozładowania kondensatora komutacyjnego. A
ączniki
tyrystorowe umożliwiały skuteczne ograniczenie wartości szczytowej pierwszej półfali
prądu zwarciowego, przez co parokrotnie skracały czas trwania zakłócenia w
chronionym obwodzie.
Na rys. 1 przedstawiono przykładowe rozwiązanie łącznika tyrystorowego,
realizującego w/w wymagania.
2
Urządzenia elektryczne  A
ączniki hybrydowe
S
TZ CK
Rys. 1. Schemat elektryczny przykładowego łącznika tyrystorowego, S  styk w torze
głównym łącznika, TZ  tyrystor załączający, CK  kondensator komutacyjny.
Wyłączniki tyrystorowe TWS prądu stałego znalazły zastosowanie w urządzeniach
zasilających trakcji elektrycznej oraz układach elektrowni okrętowych.
W ostatnich latach zaczęły pojawiać się różne odmiany łączników zapewniających
bezłukowe wyłączanie prądu, jednocześnie realizujące w/w wymagania. Zaczęto
poszukiwać rozwiązań łączników, które wyeliminowałyby wady łączników
tyrystorowych. Główne z nich to: brak galwanicznego odcięcia obwodu, wytwarzanie
niekiedy wysokich przepięć łączeniowych, jak również wrażliwość na stromość napięcia
powrotnego
Aktualnie do ograniczania prądów zwarciowych, oprócz wyłączników
ograniczających zestykowych i klasycznych bezpieczników piaskowych, stosuje się
wiele urządzeń działających w oparciu o różnorodne zasady. Wykorzystuje się:
" łuk łączeniowy;
" nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe;
" urządzenia półprzewodnikowe;
" układy hybrydowe;
Podstawą typowych łączników hybrydowych jest wzajemna kompensacja wad
i wykorzystanie zalet zestykowych (małe straty w stanie zamknięcia) i
bezzestykowych technik przerywania prądu (szybkość działania).
Na rys. 2 przedstawiono schemat wyłącznika hybrydowego z układem
 wstrzykiwania prądu obwodowego do zestyku (HCLID), natomiast na rys. 3,
przedstawiono przebiegi prądów, podczas procesu wyłączania prądu zwarciowego
przez ten łącznik.
ZnO
UDZ
ZM
A B
is
isw
i2
LK
K
K
K
i1
D1 D2 T2
T1 CK
K
K
K
+
Rys. 2. Schemat ideowy łącznika hybrydowego prądu przemiennego z
 wstrzykiwaniem prądu obwodowego (HCLID)
3
Urządzenia elektryczne  A
ączniki hybrydowe
Do podstawowych elementów łącznika można zaliczyć:
UDZ  układ detekcji zwarć,
ZnO  absorber energii,
ZM  zestyk mechaniczny,
CK, LK  pojemność i indukcyjność obwodu komutacyjnego łącznika,
D1, D2  diody,
T1, T2  tyrystory załączające obwód komutacyjny.
i, u
iC
C
C
C
i =iD2
S
S
S D2
S
D2
D2
ur
r
r
r
i =i -iS i =iC
D1 C S S C
D1 C S S C
D1 C S S C
D1 C S
ES
ID
D
D S
D
S
S
iSW
SW
SW
SW
t
t3
t1 t2 t4
1 2 3 4
1 2 3 4
1 2 3 4
t1 t2
1 2
1 2
1 2
Rys. 3. Przebiegi prądu i napięcia podczas wyłączania prądu przez łącznik hybrydowy
prądu przemiennego z  wstrzykiwaniem prądu obwodowego
Podczas normalnej pracy zestyk główny ZM jest zamknięty i obwód
komutacyjny jest otwarty. Podczas wystąpienia zwarcia prąd is w obwodzie głównym
zaczyna narastać. Gdy prąd osiągnie próg zadziałania układu detekcji zwarć zostaje
wysłany sygnał wyzwalający tyrystor Th1. Tyrystor zaczyna przewodzić w chwili t1 i
kondensator komutacyjny CK zaczyna rozładowywać się w obwodzie komutacyjnym.
Istnieją dwie drogi rozładowania CK:
a) dla i1  od zacisku  + kondensatora CK, LK, D2 w kierunku przeciwnym do is przez
szybko otwierany zestyk ZM by popłynąć przez T1 do  - CK;
b) dla i2  od  + CK, LK, D1, T1 do  - CK.
Stosunek prądów i1/i2 od chwili początkowej rozładowania do chwili rozdzielenia
styków zestyku głównego ZM jest równy 1 z powodu prawie jednakowych impedancji
ich torów prądowych. Częstotliwość drgań własnych obwodu rozładowania
kondensatora CK oraz prądu i1 jest wyższa od częstotliwości sieci. Suma prądów w
zestyku ZM staje się równa zero w chwili t2 gdy i1=is. Siły elektrodynamiczne
działające na styk ruchomy ZM muszą spowodować rozłączenie zestyku w tej samej
chwili. Wtedy nie następuje zapłon łuku przy rozdzielaniu styków, ponieważ D1 i D2
przewodzą w czasie "t = t2  t1. Diody te przewodzą także póz
niej w wyniku czego
napięcie między zaciskami zestyku ZM jest zbyt małe aby wystąpić mógł zapłon łuku.
Po rozdzieleniu zestyków i1 i i2 zaczynają różnić się od siebie. D2 przewodzi prąd is,
który nadal wzrasta i płynie w torze D1  D2 do z
ródła napięcia zasilającego obwód
zwarciowy. D1 przewodzi prąd będący różnicą pomiędzy ic i is. W chwili t3 D1 przestaje
przewodzić. Prąd ograniczony osiąga maksimum i razem z prądem ic popłynie w
obwodzie T1-LK-CK-D2 do z
ródła zasilania. Na ZM pojawia się napięcie powrotne. CK
4
Urządzenia elektryczne  A
ączniki hybrydowe
jest nadal przeładowany. Napięcie na wyłączniku i kondensatorze wzrasta do chwili t4
(wartości szczytowe) poczym prąd zwarciowy i prąd kondensatora spadają do zera.
Zalety łącznika hybrydowego z  wstrzykiwaniem prądu obwodowego
" układ zestykowy z elementem wstrzykującym prąd obwodowy może
pracować przy dowolnym kierunku przepływu prądu
" szybki napęd elektrodynamiczny styku umożliwi skrócenie czasu
przedłukowego z dziesiątków ms (wyłączniki konwencjonalne) do ok. 100 �s
" układ wtryskiwania prądu obwodowego umożliwia kształtowanie przebiegu
napięcia powrotnego i eliminuje wysokie przepięcia łączeniowe
" styki główne w powietrzu umożliwiają osiągnięcie wymaganej obciążalności
prądowej wyłącznika rzędu kilku kA
Przedstawiony łącznik hybrydowy, pomimo bardzo szybkiego wyłączania prądu
zwarciowego posiada dużą niedogodność, związaną z koniecznością stosowania w
obwodzie wstrzykiwania prądu obwodowego do zestyku głównego dużego
i kosztownego kondensatora Ck (rys. 2). Tę niedogodność wyeliminować można
poprzez zastosowanie łącznika półprzewodnikowego wyłączalnego (np. IGBT, GTO),
równoległego do zestyku, który przejmuje prąd zestyku, a tym samym umożliwia
bezłukowe jego otwarcie. W budowie takiego ogranicznika (IGBT  CLID) można
wyróżnić następujące podstawowe elementy: układ detekcji zwarć (UDZ), szybki
napęd elektrodynamiczny (NED), który otwiera zestyk mechaniczny (ZM), element
energoelektroniczny (IGBT) oraz warystor (ZnO) chroniący element półprzewodnikowy
przed przepięciami. Schemat łącznika przedstawiono na rys. 4.
Podczas normalnej pracy prąd płynie przez zestyk mechaniczny. W chwili
wykrycia zwarcia, przez układ detekcji (UDZ), następuje wysłanie impulsu
załączającego na bramkę IGBT. W tej samej chwili sygnał sterujący uruchamia napęd
elektrodynamiczny (NED), który rozwiera łącznik mechaniczny (ZM). Czas do
rozwarcia zestyku w pewnych rozwiązaniach układu napędowego wynosi zaledwie 20
�s. Następuje przerzut prądu z łącznika zestykowego (ZM) do IGBT. W przypadku
omawianego łącznika łuk się nie zapala, a pojawiające się słabe wyładowanie iskrowe
trwa zaledwie kilka mikrosekund. Przerwa międzystykowa nie jest silnie zjonizowana i
odbudowa wytrzymałości jest prawie natychmiastowa. Wyłączenie IGBT przerzuca
prąd do warystora (ZnO). Sukces zależy od szybkości napędu, który musi otworzyć
styki, nim prąd zwarciowy osiągnie niebezpieczną wartość. W ograniczniku osiągnięto
przyśpieszenie części ruchomej ok. 105 m/s2. Ograniczenie prądu zwarciowego
następuje w chwili wyłączenia łącznika półprzewodnikowego. Wysokość napięcia
powrotnego na zaciskach wyłącznika wynika z charakterystyki warystora, który
stanowi integralną cześć wyłącznika. Wyłączenie przyrządu półprzewodnikowego
następuje po odzyskaniu wytrzymałości przerwy międzystykowej na napięcie
powrotne.
5
Urządzenia elektryczne  A
ączniki hybrydowe
Rys. 4. Schemat blokowy ogranicznika prądu stałego z łącznikiem
półprzewodnikowym wyłączalnym (IGBT  CLID)
Rys. 5. Przebiegi prądu i napięcia podczas wyłączania prądu zwarciowego przez
łącznik hybrydowy z łącznikiem półprzewodnikowym wyłączalnym: 1  prąd,
2 - napięcie
Wadą przedstawionego rozwiązania jest konieczność stosowania kosztownego układu
napędowego, co można wyeliminować przez zastąpienie zestyku ZM przez specjalny bezpiecznik
krótkotopikowy o długości topika rzędu pojedynczych mm. W bezpieczniku takim można dopuścić
bardzo duże gęstości prądu, przekraczające nawet kilka kA/mm2, gdyż w tym przypadku występuje
silne chłodzenie osiowe topika przez przewodnictwo, a mały odstęp między chłodnymi stykami
skraca czas dejonizacji par metalu powstałego po rozpadzie topika. Ogranicznik taki nazwano
CHCL (Contactless Hybrid Current Limiter)  bezstykowy hybrydowy ogranicznk prądu
zwarciowego.
Ogranicznik CHCL (rys. 6) składa się z trzech równoległych torów prądowych: bezpiecznika
krótkotopikowego (BKT), łącznika półprzewodnikowego (A
P), absorbera energii (ZnO)
6
Urządzenia elektryczne  A
ączniki hybrydowe
pochłaniającego energię zgromadzoną w polu magnetycznym wyłączanego obwodu oraz
mikroprocesorowego układu sterowania (US), którego zadaniem jest załączenie oraz wyłączenie w
odpowiednim momencie łącznika półprzewodnikowego. W przypadku rozpatrywanego CHCL, jako
A
P zastosowano tranzystor IGBT.
W warunkach roboczych prąd w CHCL płynie tylko przez bezpiecznik. W czasie zwarcia w
zabezpieczanym obwodzie następuje rozpad topika i zapłon łuku. Między zaciskami BKT pojawia
się napięcie łukowe, znacznie przewyższające napięcie przepustowe łącznika statycznego, a więc
wystarczające do wymuszenia przerzutu prądu do łącznika półprzewodnikowego (A
P). Jednym z
istotnych czynników wyróżniających działanie CHCL jest, więc sposób detekcji zwarcia oraz
zasada sterowania łącznika statycznego A
S. W przypadku CHCL, powstanie zwarcia jest
dyskryminowane przez działający bezpiecznik, dla którego kryterium stanowi całka Joule a w
powiązaniu z szybkością wzrostu prądu, a nie chwilowa wartość prądu. Od szybkości zmian prądu
zależy wpływ rozpraszania wydzielanego ciepła na wzrost temperatury topika
Na rys. 7 przedstawiono przykładowe przebiegi prądów i napięcia podczas działania CHCL.
Eksperyment wykonano w obwodzie drgającym RLC o częstotliwości 488 Hz i spodziewanym
prądzie zwarcia 1,8 kA.
Warto podkreślić, że w ograniczniku CHCL sterowanie tranzystorem IGBT musi być
dokładnie zsynchronizowane z procesem rozpadu topika. Wyłączenie tranzystora jest
dopuszczalne dopiero po pełnym zdejonizowaniu przerwy międzystykowej powstałej po rozpadzie
topika. Wówczas prąd jest przerzucany do warystora, który absorbuje energię wyłączania i
wymusza przejście prądu przez zero
Rys. 6. Schemat CHCL prądu stałego
7
Urządzenia elektryczne  A
ączniki hybrydowe
1600 i [A] 1000
u [V]
900
1400
800
1200
i
700
1000
600
u
800 500
400
600
300
400
200
200
100
0 0
0 100 200 300 400 500
t [�s]
Rys. 7. Przebieg prądu i napięcia CHCL: topik Ag � = 0,13 mm, czas łukowy 10 �s, czas
dejonizacji 140 �s, spodziewany prąd probierczy 1800 A; i  prąd wyłączany
W działaniu CHCL bardzo ważnym problemem jest prawidłowe sterowanie
elementem półprzewodnikowym. Zbyt póz
ne załączenie tranzystora, powoduje zbędne
powiększenie wartości prądu ograniczonego, wytworzenie łuku o większej objętości i
silniej zjonizowanej plazmie, co wydłuża czas dejonizacji. Zbyt wczesne wyłączenie
może natomiast spowodować, że przerwa w wytopionym topiku będzie jeszcze zbyt
krótka, co obniży wytrzymałość powrotną bezpiecznika krótkotopikowego. Zbyt długi
czas przewodzenia A
S może skutkować wystąpieniem przypadku, w którym istnieje
możliwość utraty możliwością sterowania IGBT (przekroczenie prądu granicznego
cieplnego). Wynika stąd, że łącznik statyczny musi być załączony jak najszybciej po
przetopieniu się topika, ale jednak nie wcześniej niż po czasie potrzebnym do pełnej
destrukcji topika, aby nie skrócić wytworzonej przerwy. Wszelkie opóz
nienia w
procesie wyłączania prądu są niekorzystne i powodują wzrost ograniczanego prądu i
energii przepuszczanej przez ogranicznik, zwiększenie czasu eliminacji zakłócenia.
Choć zasada działania IGBT-CLID jest nieco zbliżona do CHCL, to jednak różnica
polegająca na zastosowaniu w IGBT CLID łącznika zestykowego, napędzanego
szybkim napędem elektrodynamicznym w miejscu bezpiecznika BKT użytego w CHCL
powoduje, że warunki działania i ograniczania prądu stają się zupełnie inne. Powoduje
on przerzut prądu do łącznika statycznego A
S wskutek otwierania  na rozkaz
sterowanego zestyku IGBT-CLID, podczas, gdy w przypadku CHCL przerzut następuje
pod wpływem działania bezpiecznika (BKT), a więc jest inaczej uwarunkowany. Choć
po wyłączeniu A
S, proces ograniczania prądu zwarciowego w obu ogranicznikach
przebiega podobnie, to decyzja o uruchomieniu A
S jest podejmowana w inny sposób.
W przypadku CHCL, jest ona związana z odbudową wytrzymałości powrotnej BKT.
Jednym z istotnych czynników wyróżniających działanie CHCL jest więc sposób
detekowania zwarcia oraz zasada sterowania łącznika statycznego A
S. W przypadku
CHCL, powstanie zwarcia jest dyskryminowane przez działający bezpiecznik, dla
którego kryterium stanowi całka Joule a w powiązaniu z szybkością wzrostu prądu, a
nie chwilowa wartość prądu. Od szybkości zmian prądu zależy wpływ rozpraszania
wydzielanego ciepła na wzrost temperatury topika. W przypadku ogranicznika IGBT-
CLID rozsunięcie styków łącznika zestykowego, wchodzącego w skład IGBT-CLID,
8
Urządzenia elektryczne  A
ączniki hybrydowe
następuje  na rozkaz po przekroczeniu przez prąd zwarciowy lub jego stromość
zadanej wartości, zaś przerzut prądu do łącznika statycznego jest też dokonywany
autorytarnie z opóz
nieniem niezależnym od wyłączanego prądu. W przypadku tego
ogranicznika istnieje możliwość dowolnego narzucenia czasu jego działania. Zwykle,
po otworzeniu zestyku, po czasie zależnym od napędu, a niezależnym od prądu,
załączenie IGBT następuje ze stałym opóz
nieniem, dobranym do czasu rozsuwania
styków na pewną odległość, zależnym od szybkości działania napędu, a nie
wyłączanego prądu.
Cel i zadanie ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z:
" zasadą działania wybranych łączników hybrydowych;
" zasadą sterowania pracą wybranych łączników hybrydowych;
" zasadą sterowania szybkiego napędu indukcyjno-dynamicznego;
" określeniem zasad sterowania pracą łączników hybrydowych
2. Przebieg ćwiczenia
Ćwiczenie składa się z dwóch części. Na początku studenci zapoznają się z
istotą i potrzebą bezłukowego wyłączania prądów. Kolejnym etapem jest
przedstawienie budowy i zasady działania wybranych modeli łączników hybrydowych.
W części eksperymentalnej należy sprawdzić możliwość ograniczania prądu
zwarciowego przez wybrany model łącznika dla różnych wartości spodziewanego
prądu zwarciowego.
2.1. Stanowisko probiercze
Na rys. 8. przedstawiono widok stanowiska laboratoryjnego do badania wybranego
łącznika hybrydowego. Badany łącznik może wyłączać prądy zwarciowe zarówno prądu
stałego jak i przemiennego o częstotliwości sieciowej 50 Hz. Ponieważ proces
ograniczania odbywa się w czasie około 1 ms, a więc interesująca jest tylko jedna
półfala prądu 50 Hz. Dlatego możliwe było wykorzystanie, jako z
ródła prądu
probierczego układu oscylacyjnego LC z baterią kondensatorów składającą się z 20
kondensatorów o pojemności 100 �F każdy i napięciu roboczym 400 V. Kondensatory
ładuję się do napięcia dobieranego tak, aby uzyskać założony prąd probierczy.
Częstotliwość prądu probierczego, odpowiadająca częstotliwości rezonansowej układu
probierczego, regulowano dławikiem dyskowym. Indukcyjność tego dławika oraz
pojemność dobrano tak, aby uzyskać częstotliwość około 10 razy wyższą od
częstotliwości technicznej 50 Hz. Daje to możliwość otrzymania dużej stromości prądu
przy niewielkiej jego wartości szczytowej, co zmniejszało ryzyko uszkodzenia
kosztownego tranzystora badanego ogranicznika. Tyrystor załączający sterowano
ręcznie, celem wyeliminowania przypadkowych załączeń.
Do rejestracji napięć i prądów poszczególnych torów prądowych badanych
ograniczników zastosowano oscylograf cyfrowy LeCroy. Wielkości te mierzono za
pośrednictwem sond napięciowych typu P5200 firmy Tektronix oraz przetworników
prądowych i napięciowych typu LEM. Komunikację między oscyloskopem a
komputerem PC użytym do zbierania danych i analiz zapewniono za pomocą karty
GPIB.
9
Urządzenia elektryczne  A
ączniki hybrydowe
Rys. 8. Stanowisko probiercze: 1  model CHCL, 2  bateria kondensatorów, 3  dławik
regulacyjny, 4  tyrystor załączający, 5  sterownik załączający układ probierczy, 6 
oscylograf, 7  komputer PC (rejestracja przebiegów), 8 - mikroprocesorowy sterownik, 9 
zestaw zasilaczy sterownika, 10  komputer przenośny, 11  driver IGBT, 12  układ
generujący impuls cyfrowy 15 V sygnalizujący rozpad topika, 13  układ rozładowania baterii
kondensatorów
2.2. Schemat układu probierczego
Przystępując do badań grupa powinna dokładnie przeanalizować
i sprawdzić poprawność wszystkich połączeń w układzie. Gotowość grupy do odbycia
tej części ćwiczenia powinna być zgłoszona prowadzącemu zajęcia. Na rys. 9.
przedstawiono przykładowy schemat układu probierczego do badania wybranych
modeli łączników hybrydowych.
10
Urządzenia elektryczne  A
ączniki hybrydowe
DP Tr Lo
Co
Wyłącznik
Atr
V hybrydowy
HCLID
LEM_I
Układ wyzwalania
Oscyloskop
tyrystora
START
GPIB
(uruchamiany
ręcznie)
Rys. 9. Schemat ideowy układu probierczego ogranicznika HCLID; Atr- autotransformator, DP
 dioda prostownicza, Co  bateria kondensatorów 2000�F, Lo  indukcyjność, Tr 
tyrystor SCR (załączający prąd zwarciowy), LEM_I  przetwornik pomiarowy do
pomiaru prądu, P5200  przetwornik do pomiaru napięcia, GPIB  interfejs GPIB, FO
 kabel światłowodowy.
2.3. Metodyka przeprowadzania badań
Na początku ćwiczenia grupa musi upewnić się, czy badany układ znajduje się
w stanie początkowym zerowym, tzn. czy są rozładowane kondensatory w układzie
komutacyjnym i napędowym. Po stwierdzeniu tego faktu można przystąpić do badań.
W pierwszej kolejności należy naładować baterie kondensatorów C0 z zewnętrznego
z
ródła napięcia, jednocześnie kontrolując wartość napięcia ładowania. Naładowaną
baterię kondensatorów rozładować przez dławik, w efekcie, czego otrzymujemy impuls
prądowy o żądanej wartości, o częstotliwości wynikającej z parametrów obwodu
probierczego. Wartość impulsu prądowego powoduje zadziałanie wyłącznika, o ile
układ detekcji zwarć nastawiono na mniejszą wartość prądu.
Pomiaru wielkości elektrycznych w procesie wyłączania prądu przez wyłącznik badany,
tzn. prądów i napięć w obwodzie łącznika dokonać używając odpowiednich
przetworników. Prądy diod w układzie mierzono stosując bocznik prądowy rurowy, o
rezystancji 0,973 m&! do pomiaru prądu ID1. Prąd główny w obwodzie probierczym
(wynik rozładowania baterii kondensatorów Co) mierzono przetwornikiem pomiarowym
typu LEM, o zakresie prądowym 1000 A. Napięcie na zestyku głównym łącznika
mierzono przetwornikiem napięciowym o odpowiednim zakresie pomiarowym.
2.4. A
ącznik hybrydowy z  wstrzykiwaniem prądu obwodowego - HCLID
Należy naładować baterię kondensatorów w obwodzie komutacyjnym badanego
łącznika. Napięcie ładowania ustawić na różnych poziomach (np. 400 V, 600 V). W
trakcie prób należy zarejestrować prąd wyłączany przez ogranicznik oraz napięcie na
jego zaciskach. Oscylogramy zamieścić w sprawozdaniu z odpowiednim komentarzem.
11
Urządzenia elektryczne  A
ączniki hybrydowe
Dodatkowo należy dokonać rejestracji rozpływów prądów w czasie procesu
wyłączania.
2.5. Program ćwiczenia
" Identyfikacja elementów układu pomiarowego;
" Identyfikacja elementów łącznika hybrydowego z układem  wstrzykiwania prądu
obwodowego ;
" Obserwacja i analiza procesu wyłączania prądu zwarciowego przez wybrane
modele łączników hybrydowych.
" Określenie wymagań jakie powinien spełnić układ sterowania wybranego
łącznika hybrydowego.
3. Opracowanie wyników, sprawozdanie
Sprawozdanie z ćwiczenia powinno mieć postać protokołu z badań,
zredagowanego tak, aby na jego podstawie można było odtworzyć przeprowadzone
eksperymenty. Sprawozdanie powinno zawierać:
1. Stronę tytułową wg wzoru (punkt 6 niniejszego opracowania).
2. Opis przebiegu ćwiczenia.
" opis obiektów badań (szkice, rysunki, schemat układu probierczego),
" opis przygotowań poprzedzających badania,
" warunki badania,
" sposób badań,
" wyniki badań (odpowiednie tablice, wykresy).
3. Analizę wyników badań.
4. Zagadnienia opracowane na podstawie literatury.
Dodatkowo w sprawozdaniu należy opracować następujące zagadnienia:
" Dlaczego badania wykonano w obwodzie drgającym LC?
" W jaki sposób można wyznaczyć rezystancje obwodu zwarciowego?
" Wyznaczyć indukcyjność obwodu zwarciowego.
Sprawozdanie musi być napisane zwięzłym, technicznym językiem. Strony muszą być
ponumerowane i spięte razem. Wykresy wykonane czytelnie, z wyraz
nie
zaznaczonymi punktami będącymi wynikiem pomiarów. Integralną częścią
sprawozdania jest protokół z badań, sporządzony przez grupę w trakcie trwania zajęć.
Notatki te należy dołączyć do opracowania.
W oparciu o zarejestrowane i załączone w sprawozdaniu oscylogramy z prób
wyłączania prądu probierczego przez wyłącznik badany opisać jego zasadę działania.
Zaznaczyć na oscylogramie charakterystyczne etapy tego procesu.
UWAGA 1:
Wszystkie oscylogramy muszą być opisane i wyskalowane.
UWAGA 2:
Indukcyjność cewki w obwodzie należy obliczyć z częstotliwości drgań
rezonansowych obwodu składającego się z cewki oraz kondensatora.
Pytania kontrolne
12
Urządzenia elektryczne  A
ączniki hybrydowe
1. Podaj zalety łączników półprzewodnikowych w porównaniu do łączników
zestykowych.
2. Podaj zalety łączników zestykowych w porównaniu do łączników
półprzewodnikowych.
3. Co to jest łącznik hybrydowy?
4. Jakie zalety łączników zestykowych i półprzewodnikowych wykorzystuje
się w łącznikach hybrydowych?
5. Wyjaśnić zasadę działania napędu elektrodynamicznego w łączniku
hybrydowym.
6. Opisz zasadę działania półprzewodnikowych elementów przełączalnych
(tyrystory SCR i GTO, tranzystor IGBT).
7. Wyjaśnij zasadę działania łącznika hybrydowego z obwodowym
wstrzykiwaniem prądu  HCLID.
8. Wyjaśnij zasadę działania łącznika hybrydowego z łącznikiem
półprzewodnikowym wyłączalnym  IGBT-CLID.
9. Wyjaśnij zasadę działania bezstykowego hybrydowego ogranicznika
prądów zwarciowych CHCL.
10. Dlaczego badania laboratoryjne wykonuje się w układzie drgającym LC?
11. Wyjaśnić rolę absorbera energii (warystora tlenkowego) w łączniku
hybrydowym.
12. Wyjaśnić rolę elementu półprzewodnikowego w łączniku hybrydowym.
13. Zdefiniować pojęcia: zdolność wyłączania wkładki topikowej, prąd ograniczony, czas
przedłukowy, czas łukowy.
4.Literatura
Czucha J., Partyka R., Żyborski J.: Ultraszybkie urządzenia do ograniczania prądu przy zwarciach łukowych w
instalacjach niskiego napięcia, Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrycznego Politechniki Gdańskiej, Nr 9, Gdańsk
1
1996.
Semenowicz B.: Bezpiecznik krótkotopikowy jako element bezstykowego hybrydowego ogranicznika prądów,
2
Rozprawa doktorska (maszynopis), Gdańsk 2005.
Żyborski J.: Ograniczanie prądów zwarciowych w urządzeniach elektroenergetycznych niskiego napięcia, przez
3 łączniki hybrydowe ultraszybkie,  Instalacje elektryczne niskiego napięcia w świetle normalizacji europejskiej ,
Gdańskie Dni Elektryki, Gdańsk 2001
13