WIADOMOŚCI WSTĘPNE
Urządzenia elektryczne instalowane w stacjach elektroenergetycznych, takie jak: łączniki (wyłączniki, rozłączniki, odłączniki, uziemniki, zwierniki, bezpieczniki), przekładniki prądowe i napięciowe, nazywa się często aparatami elektrycznymi. Stosuje się różne kryteria klasyfikacyjne urządzeń elektrycz-nych. Jednym z podstawowych kryteriów jest napięcie znamionowe (Un), które określa się jako wartość skuteczną napięcia międzyprzewo-dowego, na którą urządzenie zostało zbudowane i oznaczone. Ze względu na napięcie znamionowe urządzenia elektryczne napięcia przemiennego można generalnie podzielić na urządzenia niskiego napięcia ( Un < 1000 V) i wysokiego napięcia ( Un > 1000 V). Urządzenia wysokiego napięcia dzieli się dodatkowo najczęściej na trzy grupy, przy czym granice między poszczególnymi grupami przesuwają się z czasem w kierunku wyższych wartości napięć. Obecnie można przyjąć następujący podział:
- urządzenia średniego napięcia (SN) - do 60 kV,
- urządzenia wysokiego napięcia (WN) - od 110 do 400 kV,
- urządzenia najwyższego napięcia (NN) - powyżej 400 kV.
Urządzenia elektryczne można podzielić ogólnie na dwie grupy, tzn. na urządzenia napowietrzne i urządzenia wnętrzowe. Urządzenia należące do pierwszej grupy mają odpowiednie konstrukcje i obudowy, zapewniające ich niezawodną pracę na zewnątrz budynków.
IZOLACJE
W urządzeniach elektrycznych izoluje się elementy przewodzące wchodzące w skład toru prądowego każdej fazy względem pozostałych faz oraz względem ziemi (metalowej obudowy, osłon, elementów konstrukcyjnych).
Niektóre urządzenia (np. przekładniki, dławiki) mają ponadto izolację pomiędzy poszczególnymi zwojami i warstwami zwojów. Stosuje się różne rodzaje izolacji:
- powietrzną,
-gazową i próżniową (w szczelnych komorach),
- olejową,
- stalą.
Izolacja urządzenia to zwykle złożony układ izolacyjny. Jego wytrzymałość elektryczna zależy od wielu czynników, do których należy zaliczyć: właściwości zastosowanych materiałów izolacyjnych, ich ukształtowanie i usytuowanie, czas trwania narażenia, wymiary i kształty elementów przewodzących (elektrod układu izolacyjnego). Przeskoki iskier elektrycznych w izolacji powietrznej, gazowej, próżniowej, a także olejowej (w określonych warunkach), nie prowadzą do jej zniszczenia. Przebicie elektryczne izolacji stałej powoduje zawsze jej trwałe uszkodzenie. Wytrzymałość napięciową urządzeń elekt. sprawdza się w specjalnych, znormalizowanych układach probierczych. Układ izolacyjny powinien wytrzymać napięcia probiercze przez czas trwania próby. Wartości i kształty napięć probierczych oraz czasy trwania poszczególnych prób określają odpowiednie normy w zależności od rodzaju i wartości napięcia znamionowego urządzenia. Wartości napięć probierczych przekraczają zwykle wielokrotnie znamionowe napięcia urządzeń.
Narażenia środowiskowe
Urządzenia elektryczne są instalowane i pracują w określonych środowiskach. Niektóre czynniki środowiskowe mogą wpływać niekorzystnie na pracę urządzeń elektrycznych, a niekiedy mogą nawet ograniczać lub uniemożliwiać ich instalowanie lub pracę. Szkodliwe czynniki środowiskowe mogą być różnego pochodzenia. Można do nich zaliczyć naturalne czynniki atmosferyczne, a także narażenia wywołane działalnością człowieka, takie jak: zapylenie, podwyższona temperatura i wilgotność powietrza, obecność aktywnych gazów. Z drugiej strony, urządzenia elektryczne mogą również oddziaływać niekorzystnie na środowisko zagrażając ludziom i otoczeniu, np. porażeniem prądem, oparzeniem łukiem elektrycznym, pożarem lub wybuchem w środowisku z materiałami palnymi lub mieszankami wybuchowymi, szkodliwym działaniem pól elektromagnetycznych.
Przy wykonywaniu urządzeń należy opierać się na odpowiednich rozwiązaniach oraz stosować materiały gwarantujące ochronę przed szkodliwym
działaniem środowiska, a także bezpieczną i zgodną z przeznaczeniem pracę
w miejscu ich zainstalowania. Urządzenia elektryczne wyposaża się w obudowy lub osłony zapewniające wymagane bezpieczeństwo ludzi oraz ochronę
przed zakłóceniem ich pracy lub uszkodzeniem wskutek przedostania się do ich wnętrza ciał stałych, pyłu lub wody, a także na skutek zewnętrznych oddziaływań mechanicznych.
Izolacja urządzeń elektrycznych. Technologia i materiały zastosowane do wykonania izolacji urządzeń elektrycznych powinny zapewniać ich prawidłową pracę przy narażeniach elektrycznych wywołanych napięciami roboczymi oraz przepięciami. Należy także uwzględnić zmniejszanie się wytrzymałości izolacji spowodowane naturalnymi procesami starzeniowymi materiałów izolacyjnych oraz szkodliwym oddziaływaniem środowiska. We wcześniejszej praktyce dopuszczano pracę urządzeń elektrycznych przy
napięciach o określoną wartości większych od ich napięć znamionowych. Obecnie, zgodnie z zaleceniami norm międzynarodowych, przyjmuje się coraz powszechniej napięcie znamionowe urządzenia jako jego najwyższe napięcie robocze.
PRZEPIĘCIA
Pojawiające się w sieciach elektroenergetycznych napięcia przekraczające dopuszczalne wartości napięć roboczych nazywa się przepięciami. Dzieli się je na :
- wewnętrzne, spowodowane czynnościami łączeniowymi, nagłymi zmianami obciążenia, doziemieniami itp.;
- zewnętrzne, spowodowane wyładowaniami atmosferycznymi bezpośrednio do elementów roboczych układu elektroenerge-tycznego (przepięcia bezpośrednie) lub do obiektów znajdujących się w jego bliskim sąsiedztwie (przepięcia indukowane). Spośród przepięć wewnętrznych, wysokimi wartości-ami charakteryzują się przepięcia ferrorezonansowe występujące w przypadkach szczególnie nieko-rzystnych połączeń w układach sieciowych, w których tworzą się obwody złożone z szeregowo połączonych indukcyjności z rdzeniem ferromagnetycznym i pojemności. Przepięcia zewnętrzne (bezpośrednie) mają charakter impulsowy o wartościach dochodzących do kilku tysięcy kilowoltów przy stromościach czoła fali przepięciowej dochodzących do kilku tysięcy kilowoltów na mikrosekundę. Przepięcia induko-wane dochodzą do 200 kV, a ich stromości nie przekraczają kilkudziesięciu kilowoltów na mikrosekundę. Prawdopodobieństwo wystąpienia przepięć maleje wraz ze wzrostem ich amplitudy i stromości.
OBLICZENIA ZWARCIOWE
Zwarcia w sieciach elektroenergetycznych Zwarcie jest to (przypadkowe lub celowe) połączenie bezpośrednie lub przez łuk elektryczny, między dwoma lub więcej niż dwoma punktami obwodu elektrycznego, które w normalnych warunkach mają różne napięcia. Zwarcie może obejmować wszystkie fazy (tory prądowe) układu elektroenergetycznego lub tylko niektóre z nich . Zwarcie może być z udziałem ziemi lub bez. Znaczenie tego udziału zależy od sposobu połączenia punktu neutralnego sieci z ziemią. Rozróżnia się następujące rodzaje zwarć:
-trójfazowe,
-trójfazowe doziemne,
-dwufazowe,
-dwufazowe doziemne,
- jednofazowe.
Zwarcia mogą być spowodowane: przepięciami atmosferycznych i łączeniowymi, uszkodzeniami elementów konstrukcyjnych i izolacyjnych linii napowietrznych i kablowych, zetknięciem przewodów z obiektami przewodzącymi, błędnymi operacjami w stacjach elektroenergetycznych itp. Płynący w obwodzie prąd zwarciowy jest zwykle wielokrotnie większy od
prądu występującego w czasie normalnej pracy urządzeń sieciowych. Nie dotyczy to przypadków zwarć jednofazowych w sieciach z punktem neutralnym
izolowanym lub uziemionym przez dławik. Prądy zwarciowe, mimo krótkiego czasu przepływu, powodują gwałtowne nagrzewanie przewodów, kabli, uzwojeń maszyn i transformatorów, a także
elementów wiodących prąd w urządzeniach stacyjnych. Stwarza to zagrożenie uszkodzenia wszystkich tych elementów i urządzeń. Siły dynamiczne powstające w sąsiadujących przewodach mogą powodować: uszkodzenia izolatorów, wyginanie i łamanie przewodów szynowych sztywnych, uszkodzenia uzwojeń transformatorów i przekładników prądowych.
Metodyka obl. zwarciowych
Rozróżnia się:
- sieci, w których składowa przemienna prądu zwarciowego ma stałą amplitudę (zwarcia odległe od generatorów);
- sieci, w których składowa przemienna prądu zwarciowego ma malejącą amplitudę (zwarcia w pobliżu generatorów). Są to sieci, w których udział maszyny synchronicznej w prądzie zwarciowym początkowym Ik przekracza dwukrotnie jej prąd znamionowy lub w których udział prądu silników synchronicznych i asynchronicznych w prądzie zwarciowym początkowym Ik przekracza 5% jego wartości wyznaczonej bez silników.
Do pierwszej grupy można zaliczyć zdecydowaną większość sieci rozdzielczych zasilanych z sieci przesyłowych wysokich i najwyższych napięć. Drugą grupę tworzą sieci rozdzielcze zakładów przemysłowych zasilane przez
własne elektrownie a także te, do których przyłączona jest duża liczba silników asynchronicznych i synchronicznych. Oblicza się dwa prądy zwarciowe [ I ] :
- prąd zwarciowy maksymalny, dla doboru urządzeń elektrycznych;
- prąd zwarciowy minimalny, dla doboru bezpieczników i nastaw zabezpieczeń oraz dla sprawdzenia warunków rozruchu silników.
Przy obliczeniach prądów zwarciowych stosuje się następujące uproszczenia:
-liczba obwodów objętych zwarciem nie ulega zmianie podczas jego trwania, tzn. w całym rozpatrywanym przedziale czasu występuje ten sam rodzaj zwarcia;
-transformatory pracują przy swoich przekładniach znamionowych, tzn. przełączniki regulatorów przekładni transformatorów znajdują się w położeniu podstawowym;
- przyjmuje się zerową rezystancję łuku w miejscu zwarcia.
Niżej podano definicje prądu zwarciowego i jego pochodnych. Prąd zwarciowy - przetężenie spowodowane zwarciem wywołanym uszkodzeniem lub błędnym połączeniem w obwodzie elektrycznym. Prąd zwarciowy obliczeniowy - prąd, który płynąłby, gdyby zwarcie zostało zastąpione połączeniem idealnym o pomijalnej impedancji, bez zmiany zasilania. Prąd zwarciowy okresowy - wartość skuteczna składowej okresowej prądu zwarciowego obliczeniowego. Prąd zwarciowy początkowy lk''- wartość skuteczna składowej okresowej prądu zwarciowego obliczeniowego w chwili powstania zwarcia.
Moc zwarciowa obliczeniowa Sk'' - wartość iloczynu trzech składników: prądu zwarciowego początkowego Ik'', napięcia znamionowego sieci Un i współczynnika (pierw. z 3)
Prąd zwarciowy nieokresowy - wartość średnia między obwiednią górną i dolną prądu zwarciowego, malejąca od wartości początkowej do zera. Prąd zwarciowy udarowy io - maksymalna wartość chwilowa obliczeniowego prądu zwarciowego.
Prąd zwarciowy wyłączeniowy symetryczny Ib - wartość skuteczna jednego pełnego okresu składowej okresowej obliczeniowego prądu zwarciowego w chwili rozdzielenia styków pierwszego bieguna łącznika. Prąd zwarciowy ustalony Ik - wartość skuteczna prądu zwarciowego, wyznaczona po minięciu zjawisk przejściowych.
Zastępczy obwód elektryczny - model obwodu zwarciowego złożony z elementów idealnych służący do wyznaczenia prądu zwarciowego. Źródło napięciowe zastępcze cUn/(pierw.z3) - źródło napięciowe idealne przyłączone w miejscu zwarcia, w schemacie dla składowej symetrycznej zgodnej,
pozwalające obliczyć prąd zwarciowy. Wartości współczynnika c występującego we wzorze na napięcie tego źródła podano w tablicy
Prąd zwarciowy cieplny Ih - według normy [2) : ustalona wartość skuteczna prądu zastępczego, który wydzieli w torze prądowym, w czasie trwania zwarcia Tk, taką samą ilość ciepła jak prąd zwarciowy i(t). Linie elektroenergetyczne Parametry podłużne i poprzeczne linii (impedancje i admitancje) są, w rzeczywistości, rozłożone równomiernie wzdłuż linii. W sieciach rozdzielczych o napięciu do 110 kV włącznie można posługiwać się stałymi skupionymi
nie popełniając większych błędów. Obliczenia zwarciowe przeprowadza się w oparciu o schemat zastępczy dla jednej fazy układu. W przypadku dokładnych obliczeń rozpływów prądów i mocy w sieciach kablowych średnich napięć (SN) i w sieciach 110 kV oraz przy obliczaniu zwarć jednofazowych w sieciach skompensowanych oraz z izolowanym lub uziemionym przez rezystor punktem neutralnym należy posługiwać się schematem zastępczym w postaci czwórnika typu II . W gałęziach poprzecznych tego schematu wystarczy uwzględnić tylko susceptancję pojemnościową. R +jX
Impedancje i admitancje jednostkowe, tzn. odniesione do 1 km długości linii, są wielkościami charakterystycznymi tychże linii i są oznaczane zwykle literami: R ', X', B ' i G '. Wartości całkowite tych impedancji i admitancji otrzymuje się przez pomnożenie wielkości jednostkowych przez długość linii l:
R = R 'l, X = X'I, BL = B 'I, GL = G 'l.
Rezystancja jednostkowa R ' linii
Rezystancję jednostkową linii można ustalić korzystając z odpowiednich tablic, w których zamieszczono wartości rezystancji przewodów lub żył kabli (w S2/kzn), zależnie od przekroju i typu przewodu lub kabla. Można także obliczyć rezystancję jednostkową korzystając ze wzoru:
Reaktancja jednostkowa X' linii
Reaktancja jednostkowa przewodów linii napowietrznych zależy od kilku czynników, do których należy zaliczyć: odstępy między przewodami, ich średnicę, układ przestrzenny przewodów, konstrukcję oraz właściwości
magnetyczne użytych materiałów. W przypadku linii kablowych, ich reaktancja jednostkowa indukcyjna X' zależy od średnicy i kształtu żył oraz odstępów między nimi, a także od konstrukcji kabla i użytych materiałów. Susceptancja jednostkowa pojemnościowa B ' linii kablowych. W liniach kablowych rozróżnia się dwa rodzaje pojemności:
- pojemność roboczą Cr jednej żyły kabla, która ma zastosowanie do
obliczania prądu ładowania linii, pojemność zerową Co jednej żyły, która ma zastosowanie do obliczania prądów ziemnozwarciowych.
Pojemności Cr i Co podawane są na 1 km długości linii (pojemności jednostkowe). Susceptancje jednostkowe pojemnościowe jednej fazy linii: robocze i zerowe, oblicza się odpowiednio ze wzorów:
Br =2?fCr Bo =2?fCo
Kabel o polu promieniowym może być traktowany jak kondensator cylindryczny. Dotyczy to zarówno każdej ekranowanej żyły kabla trójżyłowego jak i ekranowanego kabla jednożyłowego. Pojemność dla składowej zerowej i pojemność robocza kabla są w tym przypadku jednakowe. Kabel z izolacją rdzeniową (trójfazowy) charakteryzuje się niejednorodnym rozkładem pola elektrycznego wokół poszczególnych żył. Można wyróżnić w nim dwa rodzaje pojemności między dowolną żyłą i wspólnym dla wszystkich żył ekranem (powłoką metalową) oraz między dwoma dowolnymi żyłami. Pojemność robocza kabla o izolacji rdzeniowej jest pojemnością całkowitą jednej żyły, składającą się z pojemności cząstkowej między żyłą a powłoką metalową (pojemność dla składowej zerowej) oraz pojemności między żyłami
Susceptancja jednostkowa pojemnościowa B ' linii napowietrznych. Zależności między pojemnościami dla linii napowietrznych są takie same jak dla kabli z izolacją rdzeniową. Wartości pojemności Cr i Co można znaleźć w katalogach wydawanych przez biura projektowe. Dławiki zwarciowe stosuje się w sieciach średnich napięć (6 do 30 kV). Prąd znamionowy dławików dochodzi do 2000 A, a napięcie zwarcia wynosi od 3 do 15% . Rezystancję dławika (ok. 1%jego reaktancji indukcyjnej) pomija się w obliczeniach. Silniki asynchron. Impedancje silników asynchronicznych uwzględnia się w obliczeniach zwarciowych, jeśli suma ich prądów znamionowych jest większa od 1% prądu
zwarciowego początkowego, obliczonego bez udziału silników.
Moduł impedancji Z" = RM + jX M silników asynchronicznych w układzie dla składowej symetrycznej. Wartości rezystancji i reaktancji indukcyjnej silników można wyznaczyć z następujących zależności: RMlX M = 0,10 i XM = 0,995 ZM - dla silników SN (średniego napięcia o mocy znamionowej odniesionej do pary biegunów PnM >_ I MW RM/XM - 0,15 i XM = 0,989 ZM - dla silników SN o mocy znamionowej
odniesionej do pary biegunów PnM < 1 MW;
RM/XM=0,42 i XM = 0,922 ZM - dla grup silników nn (niskiego napięcia) połączonych kablami.
W przypadku zasilania silnika przez przekształtniki statyczne przyjmuje się:
UnM - napięcie znamionowe transformatora przekształtnika statycznego po stronie sieci lub napięcie znamionowe przekształtnika statycznego, jeżeli jest zasilany bezpośrednio z sieci;
InM - prąd znamionowy transformatora przekształtnika;
ILR/InM = 3, RM/XM = 0,10 i XM = 0,995 ZM.
Generatory przyłączone bezpośrednio do sieci. W przypadku bezpośredniego przyłączenia generatora do sieci, bez transformatora pośredniczącego, jego impedancję skorygowaną ZcK w układzie dla
składowej symetrycznej zgodnej można wyznaczyć ze wzoru:
Wartości rezystancji Rc generatora można wyznaczyć z następujących
zależności :
RG = 0,05 Xd dla generatorów z Unc > I kV oraz Snc > 100 MVA,
RG = 0,07 Xd dla generatorów z Unc > 1 kV oraz Snc < 100 MVA,
RG = 0,15 Xd dla generatorów z U"c < 1 kV.
Generatory i transformatory w blokach energetycznych
Jeśli zachodzi potrzeba oddzielnego rozpatrywania impedancji generatorów i transformatorów w blokach energetycznych, wartości tych impedancji w układzie dla składowych symetrycznych zgodnych
Bloki energetycznePrzy zwarciach po stronie górnego napięcia bloku generator-transformator stosuje się następującą zależność na impedancję wypadkową bloku w układzie dla składowej symetrycznej zgodnej uwzględniającą jeden współczynnik korekcyjny. Podział zwarć. Rozróżnia się zwarcia odległe od generatorów i zwarcia w pobliżu generatorów.
Zwarcia odległe od generatorów
W czasie zwarć odległych od generatorów nie występuje zmiana napięć powodujących przepływ prądu zwarciowego, a impedancje obwodu pozostają stałe i liniowe. Nie uwzględnia się wpływu silników. Prąd zwarciowy jest sumą dwóch składowych:
- składowej przemiennej o stałej amplitudzie w czasie trwania zwarcia,
- składowej nieokresowej malejącej od wartości początkowej do zera.
Zwarcia w pobliżu generatorów
W przypadku zwarć w pobliżu generatora prąd zwarciowy jest sumą dwóch składowych:
- składowej przemiennej o amplitudzie malejącej w czasie trwania zwarcia,
- składowej nieokresowej malejącej od wartości początkowej do zera.
Przy obliczaniu tego prądu uwzględnia się wpływ silników.
Prąd wyłączeniowy symetryczny Ib
Dla zwarć odległych od generatora prąd wyłączeniowy symetryczny jest równy prądowi zwarciowemu początkowemu:
ZESTYKI ŁĄCZNIKÓW ELE.
W łącznikach elektrycznych stosuje się tzw. zestyki rozłączne, zwane także przerywowymi. Zestyk elektryczny to zespół dwóch elementów przewodzących
(styków), dzięki styczności których jest możliwy przepływ prądu. Zestyki rozłączne łączników umożliwiają załączanie i wyłączanie różnego rodzaju obwodów i urządzeń elektrycznych, zamykając i otwierając się pod działaniem siły napędu łącznika. W łącznikach przystosowanych do przerywania prądów zwarciowych (wyłącznikach) są najtrudniejsze warunki pracy zestyków. Z tego
powodu w niektórych z nich stosuje się tzw. zestyki zespolone. Zestyki zespolone stosuje się także w niektórych typach rozłączników, które mają znacznie
mniejsze zdolności łączeniowe niż wyłączniki. Zestyk zespolony składa się ze styku podstawowego (roboczego) i pomocniczego, tzw. opalnego. Zadaniem zestyku podstawowego jest przewodzenie prądu przy zamkniętym wyłączniku. Zestyk opalny przewodzi prąd, którego droga zamyka się przez łuk elektryczny. W czasie przerywania prądu najpierw otwiera się zestyk podstawowy, następnie rozdzielają się styki zestyku opalnego, między którymi zapala się łuk elektryczny. Zestyki opalne powinny być odporne na działanie łuku elektrycznego w możliwie wysokim stopniu, a także powinny być łatwo wymienialne. Zestyki stosowane w łącznikach są jednym z rodzajów zestyków elektrycznych. W urządzeniach elektrycznych stosowane są także inne rodzaje zestyków. Należą do nich zestyki nierozłączne nieruchome (zaciski) oraz zestyki nierozłączne ruchome (zestyki ślizgowe). Styki zestyków nierozłącznych nieruchomych nie zmieniają swojego położenia w czasie pracy obwodu lub układu, którego są częścią. Do nich zalicza się wszelkiego rodzaju zaciski przyłączeniowe oraz połączenia śrubowe w obwodach urządzeń elektrycznych. W zestykach nierozłącznych ruchomych styki mają możliwość przemieszczania się względem siebie. Służą do elektrycznego połączenia części ruchomych i nieruchomych obwodów urządzeń elektrycznych (silniki pierścieniowe i komutatorowe, trakcja elektryczna).
Rezystancja zestyku rozłącznego
składa się z:
- rezystancji przejścia, spowodowanej zagęszczeniem linii prądu w miejscach rzeczywistej styczności powierzchni styków ;
- rezystancji warstwy nalotowej i adsorbcyjnej. Przyczyną większej wartości rezystancji w miejscu styczności styków (rezystancji przejścia), w porównaniu do rezystancji w miejscu gdzie struktura materiału stykowego jest ciągła, jest zmniejszenie się przekroju dla przewodzenia do rzeczywistej powierzchni styczności, wielokrotnie mniejszej od powierzchni określonej wymiarami geometrycznymi zestyku. Utlenianie się powierzchni styków jest przyczyną powstawania warstw nalotowych. Rezystywność tych warstw jest w przypadku metali nieszlachetnych wielokrotnie większa od ich rezystywności przed utlenieniem. Warstwa adsorbcyjna to cienka warstewka gazów (grubość równa co najmniej średnicy jednej cząstki). Rezystancja tej warstwy maleje wraz ze zwiększeniem się
natężenia prądu przepływającego przez zestyk. Czoła styków nie przylegają do siebie na całej powierzchni. Występuje wiele elementarnych obszarów styczności. Powierzchnia rzeczywista (czynna) zestyku jest sumą tych elementarnych
powierzchni, których liczba i rozmiary zależą od materiału, z którego wykonano styki i od siły ich docisku. Przybliżoną wartość rezystancji przejścia zestyku rozłączonego można wyznaczyć przeprowadzając analizę modelo. zestyku elementarnego. Powierzchnię zestyku elementarnego można określić znając wartość siły docisku Fe oraz wartość naprężenia odpowiadającego granicy plastyczności materiału stykowego. Powierzchnię tego zestyku można obliczyć ze wzoru:
Zastępczy promień tej powierzchni można obliczyć korzystając ze znanego wzoru: przepływ prądu w takim elementarnym zestyku można rozpatrywać jako
przepływ z jednej pół przestrzeni nieograniczonej o rezystywności p do drugiej takiej samej pół przestrzeni przez powierzchnię Se, pod warunkiem jednak, że cały zestyk ma duża objętość i powierzchnię czołową w stosunku do Se. Prąd przepływający z elektrody płaskiej o promieniu re do pół przestrzeni nieograniczonej o rezystywności p jest ograniczony przez rezystancję. Jest to połowa rezystancji zestyku elementarn.
Zależność jest słuszna tylko w przypadku gdy siła docisku każdego zestyku elementarnego jest taka sama i wynosi Fe. W przypadku gdy siła docisku całego zestyku wynosi F, liczbę powstałych zestyków elementarnych można wyznaczyć ze wzoru: Współczynniki p i q zależą od rodzaju zestyku. Dlatego w łącznikach, zwłaszcza o dużych prądach znamionowych, powinny być stosowane odpowiednio duże siły docisku. Wraz z upływem czasu eksploatacji rezystancja zestyku zwiększa się, ponieważ zwiększa się grubość warstwy nalotowej na skutek utleniania się
styków, czemu sprzyja podwyższona temperatura ich pracy. Wraz ze wzrostem rezystancji rośnie natężenie pola elektrycznego w warstwie nalotowej i temperatura zestyku. Prowadzi to do przebicia warstwy nalotowej i gwałtownego zmalenia rezystancji zestyku. Proces ten może się powtarzać wielokrotnie.
Jeżeli nie nastąpi zniszczenie warstwy nalotowej z powodu dużej jej grubości, może to spowodować podwyższenie się temperatury ponad wartość dopuszczalną.
Analityczne ujęcie nagrzewania się zestyków jest możliwe tylko dla
prostych przypadków przy przyjęciu daleko idących uproszczeń, z powodu złożoności zjawisk związanych z takimi procesami. Obciążalność prądową
zestyków ustala się praktycznie na podstawie badań laboratoryjnych.
Obciążalność prądowa zestyków
W przypadku przepływania przez zestyki dużych prądów, temperatura powierzchni rzeczywistej styczności może osiągać wartości dochodzące do
temperatur topnienia metali, z których są wykonane styki, co może być przyczyną ich zespawania i trwałego uszkodzenia. Może to się zdarzyć przede wszystkim przy przepływie prądów zwarciowych. Temperatura powierzchni rzeczywistej styczności jest wtedy wielokrotnie większa od temperatury samego zestyku. Chcąc zapewnić długotrwałą niezawodną pracę zestyku należy zadbać o to, żeby spadek napięcia na zestyku wywołany prądem znamionowym nie przekraczał wartości dopuszczalnej aUdap = (0,1...0,25)aUm dla zestyków
elektroenergetycznych i aUdop = (0,5...0,8)aUm dla zestyków przekaźnikowych.
Wyniki obliczeń obciążalności prądowej zestyków przeprowadzonych w oparciu o proponowane w literaturze zależności, mogą być traktowane
tylko jako orientacyjne, ponieważ nie uwzględniono w nich oddziaływanie sił elektrodynamicznych, spowodowanych zagęszczeniem prądu w miejscach styczności styków. Siły te, przy małych dociskach mogą być przyczyną
zmniejszenia powierzchni rzeczywistej styczności, a także powodować odskoki styków, zapłony łuku oraz nadtopienie materiału styków. Dlatego właściwym postępowaniem prowadzącym do oceny zestyków mogą być tylko badania dopuszczalnej obciążalności zwarciowej dynamicznej i cieplnej.
Odskoki styków
W czasie zamykania łączników mechanizmowych, zetknięcie się styków następuje w sposób zderzeniowy, przy znacznych prędkościach styków ruchomych. Stan zamknięcia łącznika nie zawsze następuje natychmiast, często dopiero po jednym lub kilku odskokach styku ruchomego.
Podczas zderzenia się styków następuje przemiana energii kinetycznej na energię potencjalną związaną z odkształceniem sprężystym materiału stykowego, a następnie ponowna zmiana energii potencjalnej na kinetyczną ruchu
w przeciwnym kierunku. Część energii doprowadzonej do zestyku zostaje zużyta na odkształcenie plastyczne materiału stykowego znajdującego się w bezpośrednim sąsiedztwie powierzchni styczności, część zmieniona na fale sprężyste w sprężynach zestykowych i konstrukcji wsporczej, a część tracona
w amortyzatorach tłumiących, jeżeli łącznik jest w nie wyposażony. Pozostała część energii powoduje odskoki styków.
Odskoki styków są szczególnie niepożądane w przypadku łączników zainstalowanych w obwodach, w których płyną znaczne prądy. Podczas odskoków styku ruchomego zmniejsza się jego docisk do styku stałego, co powoduje zwiększenie się rezystancji zestyku i wydzielanie znacznych ilości ciepła. Jest to przyczyną powstawania ciekłych połączeń metalicznych w ostatnich
miejscach styczności styków, które następnie ulegają rozerwaniu. Wywołuje to z kolei zapłon łuku o bardzo wysokiej temperaturze, co doprowadza do parowania cząstek materiału stykowego. Podczas ponownego zetknięcia styków
następuje ochłodzenie powierzchni i powstanie mikrospoin, które następnie są rozrywane w czasie kolejnego odskoku lub otwierania zestyku. Prowadzi to do systematycznego niszczenia zestyków wskutek deformacji powierzchni styków
i przemieszczania ich materiału.
Do środków ograniczających odskoki styków można zaliczyć:
- zamykanie zestyku przy możliwie małej prędkości styku ruchomego;
- stosowanie konstrukcji kompensujących oddziałania elektrodynamiczne;
- stosowanie amortyzatorów gumowych, filcowych, pneumatycznych, cieczowych i innych, wykorzystanie tarcia sprężyn stykowych;
- stosowanie dużego docisku początkowego;
- stosowanie styków ruchomych o dużej bezwładności (styki ruchome drążone wypełnione ciężkim sypkim materiałem);
- stosowanie zestyków równoległych o odpowiednio przesuniętych wzajem-
nie chwilach uzyskiwania styczności styków.
Materiały stykowe
Pożądane właściwości materiałów stosowanych na styki łączników elektroenergetycznych rozłącznych to:
-mała rezystywność;
-duża przewodność cieplna;
-duża odporność na utlenianie i erozję łukową;
-mała skłonność do tworzenia się warstw nalotowych;
-wysoka temperatura mięknięcia, topnienia i parowania;
-mała twardość (przeciwdziała odskokom styków);
-duże wartości minimalnych prądów i napięć wyładowań łukowych;
-duża wytrzymałość mechaniczn;
-łatwa obróbka mechaniczna, cieplna
-niska cena.
Żaden rzeczywisty materiał stykowy nie może spełnić wszystkich wymienionych wymagań. Właści-wości najczęściej stosowanych materiałów stykowych omawia się najczęściej dzieląc je na grupy. Jeden z podziałów tych materiałów przedstawia się następująco.
Czyste metale
Metale szlachetne stosowane na styki to rod (Rh), pallad: (Pd) i złoto (Au).Metale te nie mają skłonności do tworzenia warstw nalotowych, mają dużą
rezystywność (z wyjątkiem złota), są drogie. Rod jest stosowany tylko do pokrywania styków słaboprądowych. Najtańszy z nich pallad nadaje się na pokrycia styków pracujących w warunkach dużej wilgotności i w obecności
związków siarki. Złoto jest zbyt miękkie i nie może być stosowane na zestyki rozłączne. Używa się go do powlekania rzadko rozłączanych styków złączy
wielostykowych stosowanych w urządzeniach elektronicznych.
Metale pospolite stosowane jako materiały stykowe to srebro (Ag), miedź (Cu) i aluminium (AI). Metale te cechują się małą rezystywnością, mają jednak
skłonność do tworzenia warstw nalotowych. Czystym srebrem pokrywa się tylko styki łączników słaboprądowych. Ma ono niską temperaturę topnienia i szybko się zużywa przy przerywaniu prądu.
Podstawowym materiałem stykowym jest miedź. Ma małą rezystywność i jest względnie tania. Podstawową wadą miedzi jest jej skłonność do tworzenia
się tlenkowych warstw nalotowych, które mają właściwości półprzewodzące i izolacyjne. Powyżej temperatury 100oC szybkość tworzenia się warstw
nalotowych jest wyraźnie większa.
Podobnie jak miedź, aluminium ma małą rezystywność. Nie jest jednak dobrym materiałem stykowym ze względu na pokrywanie się warstwą tlenku
o właściwościach izolacyjnych i o dużej trwałości. Metale trudnotopliwe stosowane na styki to wolfram (W) i molibden (Mo).
Metale te są trudno obrabialne, charakteryzują się wysokimi temperaturami topnienia oraz dużą twardością. Ich rezystywność jest dość mała. W wysokich temperaturach pokrywają się trwałą warstwą nie przewodzących tlenków. Materiały stopowe Materiały należące do tej grupy charakteryzują się większą liczbą dodatnich właściwości jako materiały stykowe. Mają jednak większą rezystywność od czystych metali.Na uwagę w tej grupie zasługują stopy: Ag-Pd, Ag-Cu, Ag-Ni, Ag-Cd oraz Cu-Zn (mosiądz). Dodatek palladu do srebra zapobiega powstawaniu siarczków srebra przy pracy zestyku w obecności związków siarki. Dodanie kilku procent miedzi lub niklu do srebra daje materiał o większej twardości i wytrzymałości cieplnej, przy niewielkim wzroście rezystywności. Stop srebra z kadmem jest materiałem stykowym charakteryzującym się odpornością na sczepianie się styków. Podobnie styki mosiężne mają większą odporność na sczepianie się w porównaniu do styków z czystej miedzi, ale bardziej się zużywają podczas
otwierania łącznika. Materiały spiekane. Do wytwarzania materiałów stykowych spiekanych stosuje się technologię proszków. Jednym z przedstawicieli tej grupy jest spiek srebro-wolfram, którego zaletą jest mała rezystywność i wysoka temperatura topnienia. Wadą tego spieku jest samorzutne pokrywanie się warstewką izolacyjną już w temperaturze pokojowej. Spieki srebro-wolfram i miedź-wolfram są dobrymi materiałami na styki opalne. Zestyk roboczy wykonany z tego drugiego materiału może pracować
tylko w oleju ze względu na utlenianie miedzi. Podobne właściwości mają spieki srebro-molibden i miedź-molibden. Charakteryzują się nieco mniejszą
odpornością na wytapianie łukowe.
Spieki: srebro-nikiel, srebro-wolfram-grafit, srebro-nikiel-grafit, charakteryzują się wysoką odpornością na łuk elektryczny. Dodatek grafitu polepsza ich
odporność na sczepianie. Dużą odporność na sklejanie styków ma także spiek Ag-Cd0. Erozja powierzchni styków W czasie zamykania i otwierania zestyków na powierzchniach styków
zachodzą procesy powodujące erozję ich materiału. Objawem tego jest przenoszenie materiału z jednego ze styków na styk z nim współpracujący lub też ubytek materiału obydwóch współpracujących styków w wyniku jego rozpylania do otoczenia. Erozję można podzielić na mechaniczną i elektrotermiczną. Pierwsza z nich występuje bez udziału obciążenia elektrycznego i jest spowodowana powtarzającymi się zderzeniami oraz wzajemnym tarciem powierzchni stykowych. Pojawiają się niewielkie odkształcenia styków oraz rozwarstwienie ich powierzchni, co może być przyczyną łuszczenia się i odpryskiwania materiału stykowego. W wyniku erozji elektrotermicznej występuje wędrówką materiału stykowego z jednego styku na drugi lub rozpylanie materiału do otoczenia. Jest to spowodowane zjawiskami elektrycznymi i cieplnymi mającymi miejsce podczas zamykania i otwierania zestyków. Kiedy odległość między stykami, przy zamykaniu zestyku, jest dostatecznie mała dochodzi do przeskoku iskry, który przechodzi w wyładowanie łukowe. Po zetknięciu się nierównych powierzchni stykowych następuje zgaśnięcie łuku. Podczas początkowego procesu zamykania zestyku, bardzo duże gęstości
prądu w zestykach elementarnych są przyczyną sił elektrodynamicznych powodujących odrzucanie styku ruchomego. Utworzone połączenia szybko parują i ponownie zapala się łuk. Opisany proces może się powtarzać wielokrotnie. W czasie otwierania zestyku maleje docisk styków i zmniejsza się powierzchnia przewodzenia, gęstości prądów dochodzą do bardzo dużych wartości. Skutkiem tego powierzchnia stykowa nagrzewa się do wysokiej temperatury i topi się. Płynny metal tworzy połączenie między rozchodzącymi się stykami. Przy pewnej odległości styków połączenie przerywa się w pobliżu styku o biegunowości dodatniej, wskutek czego jego materiału ubywa na korzyść styku o biegunowości ujemnej. Taki proces przebiega głównie w włącznikach
prądu stałego. Materiał stykowy może ulegać erozji także w wyniku jego rozpryskiwania podczas topnienia na skutek uwalniania się rozpuszczonych w nim gazów, a także w wyniku wyrzucania ropel materiału przez siły elektrostatyczne i dynamiczne.
Erozja elektrotermiczna jest zależna od właściwości materiałów stykowych
oraz od wartości załączanego i przerywanego prądu w potędze równej około 2.
Ustalenie dokładnych zależności jest trudne ze względu na złożoność zjawiska.
Konstrukcje zestyków rozłącznych.
W łącznikach elektrycznych stosuje się następujące typowe konstrukcje zestyków:
- szczękowe,
- czołowe,
- wieńcowe.
Zestyki szczękowe są stosowane w łącznikach niskiego napięcia (łączniki ręczne, bezpieczniki stacyjne) oraz wysokiego napięcia (odłączniki, bezpieczniki). Docisk styków uzyskuje się dzięki sprężystości jednego ze styków,
najczęściej nieruchomego, wykonanego z miedzi lub brązu krzemowego. Takie rozwiązania zapewniają docisk rzędu 3 = 6 N*cm\-2. Większe dociski uzyskuje
się stosując sprężyny dociskowe. Zastosowanie dwóch równoległych płaskowników jako styku ruchomego w odłącznikach średniego napięcia powoduje
zwiększenie docisku podczas przepływu prądów zwarciowych na skutek oddziaływania sił elektrodynamicznych. Zestyki wieńcowe stosuje się powszechnie w wyłącznikach wysokiego
napięcia. Z powodu małej rezystancji przejścia, styki wieńcowe są wykonywane na duże prądy znamionowe. Styk nieruchomy w kształcie wieńca ("tulipana") składa się z kilku lub kilkunastu segmentów, każdy na prąd zwarciowy rzędu 8 =12 kA. Styk ruchomy jest wykonany w postaci pręta lub tulei.
ŁUK ELEKTR. ŁĄCZENIOWY
Mechanizm wyładowania łukowego w łącznikach elektrycznych. Zapalenie się łuku elektrycznego w łączniku może być spowodowane:
- rozdzielaniem się styków łącznika w czasie jego otwierania,
- przeskokiem iskry przy zbliżaniu się styków podczas zamykania łącznika,
- stopieniem i odparowaniem elementu topikowego w bezpiecznikach.
W czasie otwierania łącznika, między rozdzielającymi się stykami występuj wyładowania elektryczne, jeżeli przerywany prąd i napięcie są większe od pewnych określonych wartości granicznych. Wartości te zależą od materiału,
z którego wykonane są styki (tabl. 4. I ). Przy otwieraniu obwodów, w których płynie niewielki prąd, ale napięcie jest znaczne, może wystąpić wyładowanie świecące, tzn. wyładowanie iskrowe niskotemperaturowe (niska temperatura gazu i elektrod). Tylko niewielkie wartości prądu w obwodach o niskim napięciu mogą być przerywane bez iskrowo.
Minimalne wartości napięć ( Uo) i prądów (lo) warunkujące powstanie wyładowania łukowego
Materiał Ua [V] Io [A]
Platyna 17 0,7 -1,1
Złoto 15 0,3 - 0,4
Srebro 12 0,4
Wolfam 15 -16 0,8 -1,2
Miedź 12 -13 0,4
Pallad 15 -16 0,8 - 0,9
Węgiel 20 0,0 I - 0,02
Żelazo 13 - I5 0,3 - 0,5
Nikiel 14 0,4 - 0,5
W przeciwieństwie do tego, podczas wyładowań łukowych, gaz i elektrody nagrzewają się do bardzo wysokich temperatur. Bezpośrednio przed rozejściem
się styków maleje szybko siła ich docisku, skutkiem czego rośnie rezystancja przejścia. Przepływający prąd powoduje silne nagrzanie powierzchni styków w miejscach ich styczności. Wysoka temperatura powoduje parowanie metalu i jonizację termiczną elektrod. W chwili utraty metalicznej styczności między
stykami pojawia się pole elektryczne o dużym natężeniu i rozpoczyna się jonizacja zderzeniowa. Rozpędzone w polu elektrycznym elektrony jonizują
pary metali i cząsteczki gazu w przestrzeni między stykowej. Dochodzi szybko do jonizacji lawinowej i zapalenia się łuku elektrycznego. Łuk początkowo jest krótki (kilka milimetrów), w miarę rozchodzenia się styków wydłuża się, przechodząc w łuk długi. Jego temperatura osiąga poziom 6 = 20 tysięcy kelwinów.
Charakterystyki wyładowania łukowego
Palący się między stykami (elektrodami) łuk elektry-czny można podzielić na kilka stref. W pobliżu elektrody ujemnej K znajduje się strefa katodowego spadku napięcia (UK =10...20 V), spowodowana ładunkiem przestrze-nnym jonów dodatnich zjonizo-wanych w tej strefie oraz napływa-jących z kolumny łukowej. Grubość strefy katodowej wynosi około 0,01= 0,1 mm. Wyładowanie elektryczne bazuje głównie na elektronach emitowanych z elektrody ujemnej. Możliwe są dwa rodzaje emisji:
-termoemisja (emisja cieplna) występująca po rozgrzaniu elektrody na skutek bombardowania jej jonami dodatnimi, wspomagana dużym natężeniem pola elektrycznego;
-autoemisja (emisja polowa) spowodowana dużym natężeniem pola elektrycznego ( 10\5 . . 10\6 V*cm\-1 ) przy elektrodzie ujemnej.
Przy elektrodzie dodatniej występuje strefa anodowego spadku napięcia ( UA = 5. . .10 V), w której elektrony mają znaczną przewagę nad jonami z powodu odpływu tych ostatnich do elektrody ujemnej. Grubość tej strefy wynosi 0,1-1 mm. Elektroda dodatnia spełnia w czasie wyładowania łukowego bierną przyjmując tylko strumień elektronów. Środkową, zasadniczą część łuku zajmuje kolumna łukowa, łącząca s: strefą katodową i anodową przez strefy przejściowe. W kolumnie łuku występuje równomierna konce-ntracja jonów dodatnich i elektronów oraz natężenie pola elektrycznego (10 = 400 V*cm\-1). Temperatura kolumny łuk, jest bardzo wysoka (6...20*10\3 K) z powodu przeka-zywania energii kinetycznej rozpęd-zonych w polu elektrycznym elektr-onów cząsteczkom obojętnym jonom dodatnim w czasie zderzeń sprężystych. Charakterystyka łuku to zależność napięcia luku od prądu łuku. Rozróżnia się charakterystykę statyczną i dynamiczną łuku. Charakterystyka statyczną uzyskuje się podczas bardzo powolnych zmian prądu łuku. Odpowiada ona równowadze energii dostarczanej do łuku i traconej przez łuk. Przebieg tej charakterystyki zależy od długości łuku i intensywności chłodzenia kolumny łukowej. Charakterystyki dynamiczne uzyskuje się dla większych prędkości zwiększania lub zmniejszania prądu. Na ich przebieg ma wpływ bezwładność zjawisk zachodzących w kolumnie łukowej, zmiana jej średnicy oraz intensywność procesów jonizacji i dejonizacji. W przypadku łuku prądu przemiennego prąd co pół okresu ma wartość chwilową równą zeru i zmienienia kierunek przepływu, niezależnie od stanu zjonizowania przestrzeni między elektrodami. Kiedy napięcie osiąga wartość napięcia zapłonu (Uz) łuk zapala się, kiedy napięcie zmniejszy się poniżej napięcia gaśnięcia (Ug) łuk gaśnie. Dla prądu przemiennego di/dt=\0, charakterystyka łuku jest więc charakterystyką dynamiczną, a napięcie gaśnięcia jest mniejsze od napięcia zapłonu łuku. W obwodzie prądu przemiennego zawierającym tylko rezystancję napięcie zasilające jest w fazie z napięciem i prądem łuku. Zapewnia to korzystne warunki gaszenia łuku. W przypadku przewagi reaktancji w obwodzie, w chwili przejścia prądu przez zero napięcie źródła ma wartość bliską maksymalnej. W takich obwodach warunki gaszenia łuku są znacznie gorsze niż w obwodach zawierających tylko rezystancję. Krótszy jest również czas przerwy bezprądowej.
Wyładowanie elektryczne w próżni
Wyładowanie elektryczne w gazie jest przepływem prądu polegającym na ruchu cząstek gazu obdarzonych ładunkiem elektrycznym (jonów i elektronów).
Wyładowanie elektryczne w próżni jest możliwe dzięki zjonizowaniu atomów metali odparowanych z elektrod przez sam proces wyładowania. VV wyładowaniu próżniowym łukowym o wartościach prądu od kilku do
kilku tysięcy amperów występują oddzielne łuki równoległe. Każdy z nich składa się z kilku elementów (stref). Zaczynając od elektrody o biegunowości ujemnej występują kolejno :
- plamka katodowa,
- katodowa stopa łuku,
- plazma łuku,
- strefa przvanodowa.
W zależności od materiału elektrod, przez każdy z pojedynczych łuków przepływa prąd o wartości od kilkudziesięciu do kilkuset amperów. Elementarne łuki nie są stabilne, a ich plamki katodowe poruszają się z dużą prędkością po powierzchni elektrody. Ruch plamek jest wymuszony przez pole magnetyczne wytworzone przez przepływający prąd. Poruszające się w sposób przypadkowy plamki zatrzymują się na krawędziach elektrod lub w miejscach w których emisja elektronów jest najsilniejsza i jednocześnie ciepło jest lepiej
odprowadzane. Jest to często przyczyną zgaszenia plamek. Zgaszenie jedne z kilku plamek katodowych, przy tej samej wartości chwilowej prądu powoduje wzrost prądu przewodzonego przez inne plamki, co może prowadzić do kolejnego podziału niektórych z nich i powstania nowych plamek. Liczba
plamek katodowych zmienia się również w zależności od zmian wartość chwilowych prądu łuku. Na powierzchni elektrody ujemnej tworzą się więc i zanikają plamki katodowe, a czas zaniku i tworzenia jest rzędu mikrosekund.
Katodowa stopa łuku składa się ze strefy ładunku przestrzennego oraz strefy jonizacji. Strefa ładunku przestrzennego jest miejscem koncentracji cząstek obojętnych oraz jonów. Znaczna przewaga jonów dodatnich w tej strefe jest źródłem dodatniego pola elektrycznego o dużym natężeniu, które jest przyczyną emisji elektronów z plamki katodowej. Przyspieszane w tym polu elektrycznym elektrony jonizują cząstki par metali w strefie jonizacji.Strefa plazmowa ma kształt stożka, którego wierzchołek dotyka plamki katodowej a podstawa jest oparta na anodzie. Przestrzeń plazmowa jest nasycona elektronami, cząsteczkami obojętnymi i jonami poruszającymi się ku anodzie. Cząsteczki obojętne, jony i elektrony są wyrzucane ze strefy
jonizacji z dużą prędkością. Natężenie pola elektrycznego w plazmie jest rzędu 0,01 V*cm\-1 i nie wpływa w istotny sposób na zmianę prędkości jonów i elektronów. Z powodu dużego rozrzedzenia gazu w plazmie nie występują zderzenia jonów z innymi cząstkami, dlatego jony i cząsteczki obojętne poruszają się wzdłuż linii prostych. Cząsteczki obojętne i jony dodatnie dochodzące do anody osadzają się na niej. Gradient napięcia w strefie plazmy jest bardzo mały, gdyż przestrzeń ta jest wypełniona cząstkami naładowanymi
różnoimiennie. Anodowy spadek napigcia jest również niewielki, ponieważ gromadząca się w strefie przyanodowej chmura elektronów jest stale neutralizowana przez
dopływające jony dodatnie.
Ze zmniejszaniem się chwilowych wartości prądu łuku próżniowego, np. na opadającej części sinusoidy, zmniejsza się liczba plamek katodowych oraz średnia wartość prądu przenoszonego przez jedną plamkę. Łuk pali się jeszcze stabilnie, jeżeli istnieje przynajmniej jedna plamka katodowa. Dla miedzi są to wartości rzędu 100 A, dla aluminium około 25 A. Graniczna wartość prądu, przy której plamka katodowa przestaje istnieć w formie stabilnej nazywa się
minimalnym prądem stabilnego palenia się łuku. Wartości tego prądu wynoszą około 40 A dla wolframu, 18 A dla miedzi, 12 A dla srebra oraz 1,2 A dla bizmutu i 0,8 A dla antymonu. W zakresie prądów mniejszych od minimalnego prądu stabilnego palenia się łuku plamka katodowa może istnieć, ale jest niestabilna z często występującymi okresami przygasania i ponownego rozjaśniania. Niestabilne palenie
się łuku jest przyczyną pojawienia się w jego napięciu składowej nieustalonej o dużych wartościach amplitudy i częstotliwości. Łuk gaśnie przy wartości prądu nazywanej prądem ucięcia, gdy ograniczone parametrami obwodu napięcie nie jest w stanie podtrzymać wyładowania. Wartości prądów ucięcia zależą głównie od rodzaju materiału stykowego oraz od parametrów i konfiguracji wyłączanego obwodu elektrycznego. Dla materiałów stykowych prądy ucięcia są mniejsze, a w szczególnych
przypadkach równe minimalnym prądom stabilnego palenia się łuku. Duże wartości prądów ucięcia łączników próżniowych są niekorzystne ze względu na
generowanie przepięć w sterowanych nimi obwodach. Po zgaszeniu łuku próżniowego jony i cząstki obojętne rozpraszają się
z przestrzeni międzyelektrodowej i kondensują na powierzchni komory gaszeniowej lub na specjalnym ekranie otaczającym zestyki. Po czasie rzędu mikrosekund próżnia w przestrzeni międzystykowej odzyskuje pierwotną wytrzymałość napięciową.
Gaszenie łuku w łącznikach prądu przemiennego Warunki efektywnego gaszenia łuku elektrycznego.
Efektywne gaszenie łuku elektrycznego wymaga spełnienia następujących
dwóch warunków. 1.Należy zapewnić intensywne odbieranie ciepła od kanału łukowego przed naturalnym przejściem prądu łuku przez zero. 2. Po przejściu prądu przez zero, należy zapewnić skuteczną dejonizację kanału połukowego, wystarczającą dla dostatecznie szybkiego narastania
wytrzymałości przerwy między rozchodzącymi się stykami.
Skuteczność chłodzenia kanału łukowego może być określona przez pomiaru jego oporności w chwili przechodzenia prądu przez zero. Do czynników przyczyniąjących się do zwiększenia tej rezystancji można zaliczyć:
- intensywny odbiór energii z kanałi łukowego,
- małą wartość cieplnej stałej czasowej łuku,
- małą wartość prądu wyłączeniowego,
- dużą długość kanału łukowego.
Wymienione czynniki wpływają również dodatnio na szybkość narastania wytrzymałości przerwy między stykami. Szybkość ta zależy od szybkości obniżania temperatury (T) gazu w kanale połukowym. W zakresie temperatur do 3000 K mechanizm przeskoku jest taki sam jak dla gazu zimnego, ale jego wytrzymałość jest obniżona w stosunku 300/T. W przypadku łuku krótkiego odzyskiwanie wytrzymałości przez przerwę
połukową ma następujący przebieg. Przy narastającym napięciu powrotnym elektrony przemieszczają się w kierunku elektrody dodatniej. Przy elektrodzie
ujemnej powstaje w ciągu około 1 us ładunek przestrzenny o wytrzymałości od kilkudziesięciu do tysiąca woltów. W fazie początkowej, gdy przewodność
gazu jest jeszcze zbyt duża z powodu jego wysokiej temperatury, całe napięcie jest wytrzymywane praktycznie przez warstwę ładunku przestrzennego przy elektrodzie ujemnej. Długość całej przerwy połukowej nie ma wtedy znaczenia z punktu widzenia jej wytrzymałości. Po obniżeniu się temperatury tej przerwy poniżej temperatury przewodzenia gazu napięcie rozkłada się na całej przerwie,
jednocześnie następuje skokowy wzrost wytrzymałości, zależny od długości przerwy. Efekt ten jest wykorzystywany w budowie komór gaszeniowych łączników niskiego napięcia. Przy większych wartościach napięć na przerwie połukowej może dojść do przebicia tworzącej się przy katodowej warstwy ładunku przestrzennego.
Wystąpi wtedy przepływ tzw. prądu połukowego na skutek zwiększenia przewodności kanału połukowego przez narastające napięcie powrotne. Spowodowanie ponownego zapłonu łuku przez prąd połukowy zależy od stanu relacji między ciepłem w zanikającym kanale połukowym i ciepłem wytwarzanym przez prąd połukowy, a ciepłem odprowadzanym. Gaszenie łuku elektrycznego w łącznikach odbywa się przy zastosowaniu
różnych technik, w których wykorzystuje się następujące zjawiska i efekty fizyczne :
- wydłużanie łuku,
- powiększanie napięcia na jednostkę długości łuku,
- zmniejszanie stałej czasowej cieplnej kanału łuku,
- zwiększanie wytrzymałości napięciowej przerwy po_ łukowej.
Najwcześniej stosowanym sposobem gaszenia łuku było jego wydłużanie. Efekt ten uzyskuje się przez zastosowanie tzw. wydmuchu magnetycznego lub pneumatycznego przy zastosowaniu komór gaszeniowych wąskoszczelinowych lub płytkowych. Powiększenie gradientu napięcia łuku potrzebnego do jego podtrzymania uzyskuje się przez stosowanie gazów o dużej przewodności
cieplnej, odparowanie cieczy lub topienie materiałów stałych. Aby zmniejszyć stałą czasową cieplną łuku wymusza się przyspieszanie dyfuzji przez zwiększenie różnicy ciśnień, stosuje się gazy o małej masie cząsteczek i dużej
przewodności cieplnej. Większą wytrzymałość napięciową przerwy między stykami otrzymuje się przez zwiększanie ciśnienia gazu, stosowanie próżni oraz gazów elektroujemnych (SF6). Stosowane w łącznikach prądu przemiennego techniki gaszenia łuku można podzielić na pięć podstawowych grup. Działanie łączników należących do poszczególnych grup jest oparte na zastosowaniu następujących środowisk, w których pali się łuk:
I ) olej mineralny,
2) powietrze,
3) sześciofluorek siarki,
4) próżlua, 5) materiały gazowydmuchowe, płytki ceramiczne, piasek kwarcowy.
Gaszenie łuku w oleju mineralnym
Olej mineralny jest dobrym materiałem izolacyjnym, a także skutecznym medium gaszącym łuk elektryczny. Wysoka temperatura łuku powoduje parowanie i rozkład oleju, wokół kanału łukowego powstaje bańka gazowa, w której najwięcej jest wodoru (70=80% ), a także kilkanaście procent acetylenu i kilka procent metanu. Temperatura tej mieszaniny gazów wynosi kilka tysięcy stopni. W takiej temperaturze wodór ma bardzo wysoką przewodność cieplną,
intensywnie odprowadza ciepło z powierzchni kanału łukowego. W pobliżu przejścia prądu przez zero, kiedy maleje ilość energii przekazywanej do bańki gazowej, występuje tzw. efekt ekspansyjny, polegający na wzmożeniu parowania oleju przy malejącym ciśnieniu. Towarzyszy temu odrywanie kropel oleju z jego powierzchni otaczającej bańkę gazową i wrzucanie ich do kanału
łukowego. Powoduje to intensywne chłodzenie i w rezultacie zgaszenie łuku.
Gaszenie łuku sprężonym powietrzem
Dla uzyskania odpowiedniej wytrzymałości napięciowej przy otwartych
zestykach oraz odpowiedniej skuteczności gaszeniowej w wyłącznikach powietrznych (pneumatycznych) ciśnienie sprężonego powietrza wynosi od 15 do 30 MPa, a niekiedy nawet 70 MPa. Wzrost ciśnienia powietrza pociąga za sobą nie tylko wzrost jego wytrzymałości elektrycznej, ale także malenie średnicy kanału oraz cieplnej stałej czasowej palącego się w nim łuku.
Moment rozejścia się styków w łącznikach pneumatycznych jest poprzedzony otwarciem zaworu zbiornika sprężonego powietrza. Podczas gaszenia zapalającego się łuku cząsteczki sprężonego powietrza wpadające do kolumny
łukowej są nagrzewane i jonizowane i w końcu wyrzucane z jej obszaru. W ten sposób łuk jest intensywnie chłodzony i dejonizowany. Część jego ciepła jest odprowadzana przez przewodzenie rozgrzanego gazu. Azot uzyskuje największą przewodność cieplną w temperaturze ok. 7500 K. Intensywne chłodzenie łuku powoduje, że gradient napięcia łuku osiąga duże wartości dochodzące do 200 V*cm\-1.
Nadmierne wydłużenie łuku przez strumień sprężonego powietrza jest niekorzystne z punktu widzenia skuteczności jego gaszenia. Wzrasta wtedy moc łuku, co ogranicza masę przepływającego przez komorę gaszeniową powietrza.
Gaszenie łuku w sześeiofluorku siarki
Cząsteczki gazu tworzące łuk elektryczny są w stanie plazmy. Kiedy prąd luku zbliża się do naturalnego przejścia przez zero, plazma zanika przy temperaturze ok. 3000 K. Z punktu widzenia skuteczności gaszenia łuku jest istotne, żeby największa przewodność cieplna plazmy występowała w pobliżu tej temperatury. Postulat ten spełnia sześciofluorek siarki (SF6), w którym energia wiązania atomów fluoru z atomem siarki wynosi 22,4 eV. Gaz ten jest produktem przemysłowej syntezy fluoru i siarki, jest trwały do temperatury 500oC, jest bezwonny i ma stosunkowo dużą gęstość (6,4 kg*m\-3). Dysocjacja SF6 do
poziomu pojedynczych atomów intensywnie gasi łuk oraz daje największą wartość przewodności cieplnej tego środowiska w temperaturze ok. 3000 K.
Jednocześnie przewodność elektryczna tego zjonizowanego gazu w takich temperaturach jest wysoka. Powoduje to, że gradient napięcia łuku ma małe wartości podobnie jak jego moc i energia. Wszystkie te okoliczności ułatwiają
zgaszenie łuku przy przejściowego prądu przez zero. Poza korzystnymi właściwościami gaszenia łuku sześciofluorek siarki charakteryzuje się dobrymi właściwościami izolacyjnymi. Jest gazem elektroujemnym, tzn. ma zdolność wychwytywania swobodnych elektronów. W procesie tym biorą udział atomy fluoru uwolnione podczas dysocjacji cząsteczek SF6. Przez to jego wytrzymałość elektryczna jest ok. 2,5-krotnie większa od
wytrzymałości powietrza przy tym samym ciśnieniu.
Gaszenie łuku w próżni.
Z tego opisu wynika, że przy zbliżaniu się prądu łuku do zera ciśnienie par metali zmniejsza się, co powoduje szybką dejonizację kolumny łukowej.
Efekt ten jest tak silny, że następuje ucięcie prądu przed jego naturalnym przejściem przez zero.
Gaszenie łuku w komorach gaszeniowych z materiałami stałymi
Komory gaszeniowe otwarte z materiałami stałymi są stosowane w łącznikach mgneto- i gazowydmuchowych. Natomiast przykładem zastosowania komór zamkniętych są bezpieczniki topikowe z gasiwem kwarcowym. W komorach gaszeniowych otwartych gazowydmuchowych jako materiały gaszeniowe stosuje się najczęściej szkło organiczne, fibrę i tworzywa poliamidowe.
Komory gaszeniowe otwarte magnetowydmuchowe są wykonane z niegazujących materiałów ceramicznych. Gaszenie łuku elektrycznego w komorach gaszeniowych gazowydmuchowych odbywa się w dwóch etapach. W pierwszym etapie następuje intensywny odbiór mocy z łuku dzięki odpowiedniemu ukształtowaniu kanałów przepływowych w materiale gazującym. W drugim etapie (połukowym) następuje wy-
dmuch rozgrzanych i zjonizowanych gazów. Gaszenie łuku w łącznikach magnetowydmuchowych polega na wydłużeniu łuku w polu magnetycznym i j ego chłodzeniu przez bezpośrednią styczność
z płytkami ceramicznymi. Płytki ceramiczne tworzą komory gaszeniowe wąskoszczelinowe, co sprawia, że łuk przylega do nich oddając im ciepło. Wydłużany
i chłodzony intensywnie łuk wymaga dla swego podtrzymania coraz wyższego napięcia, co ułatwiającego zgaszenie przy pierwszym przejściu prądu przez zero. W komorach gaszeniowych zamkniętych z piaskiem kwarcu
gasiwem, gaszenie łuku elektrycznego polega na jego chłodzeniu przez przewodzenie ciepła do gasiwa, a także przez zużywanie ciepła łuku na topienie gasiwa.
Gaszenie łuku elektrycznego prądu stałego
Przy gaszeniu łuku elektrycznego w łącznikach prądu stałego istotnym problemem jest brak naturalnego przejścia prądu łuku przez zero. Doprowadzenie prądu do odpowiednio małej wartości umożliwiającej zgaszenie łuku zaraz po otwarciu styków łącznika wymaga zastosowania odpowiednich do tego celu sposobów. Można do nich zaliczyć:
-zwiększanie rezystancji łuku przez jego wydłużenie,
-zwiększanie rezystancji łuku przez intensywne jego chłodzenie
-dołączanie do przerywanego obwodu przebiegu zmiennoprądowego,
-stosowanie elementów RLC do wymuszenia niestabilnego palenia się łuku.
Łączniki Wysokonapięciowe
Podział łączników Łączniki wysokonapięciowe dzieli się na kilka grup zależnie od zdolności łączeniowej i funkcji, jakie spełniają w układzie elektroenergetycznym. Najczęściej wyróżnia się sześć następujących grup łączników.
1 ) Wyłączniki, przeznaczone do przerywania prądów roboczych, przeciążeniowych i zwarciowych.
2) Rozłączniki, przeznaczone do przerywania prądów roboczych i przeciążeniowych mniejszych od 10-krotnej wartości prądu znamionowego. W stanie otwarcia zapewniają widoczną i bezpieczną przerwę izolacyjną. Stosuje się je
do załączania i wyłączania linii, transformatorów i odbiorników średniego napięcia w warunkach pracy normalnej i przy niewielkich przeciążeniach.
3)Odłączniki, zapewniające w stanie otwarcia widoczną i bezpieczną przerwę izolacyjną o dużej wytrzymałości elektrycznej. Charakteryzują się bardzo niewielkimi zdolnościami łączenia.
4) Uziemniki, przeznaczone do uziemiania i zwierania obwodów elektrycznych odłączonych spod napięcia. Zapewniają bezpieczeństwo prac remontow., konserwacyjnych itp.
5) Zwierniki, współpracujące z zabezpieczeniami zwarciowymi, przeznaczone do załączania linii na zwarcie jednofazowe i inicjowania w ten sposób
samoczynnego wyłączania linii.
6)Bezpieczniki, przeznaczone do samoczynnego wyłączania obwodów w czasie zwarć i przy znacznych przeciążeniach. Bezpieczniki są łącznikami jednorazowego działania.
Wyłączniki
Wiadomości ogólne W budowanych obecnie wyłącznikach wysokonapięciowych wykorzystuje się różne techniki gaszenia łuku elektrycznego. Nie można stwierdzić jednoznacznej dominacji żadnej z nich, chociaż przewaga pewnych technik
gaszenia łuku występuje w zależności od parametrów znamionowych wyłączników, do których należą: napięcie znamionowe, prąd wyłączalny oraz trwałość mechanicz. i łączeniowa. Rozpowszechnione, wytwarzane i rozwijane są w dalszym ciągu następujące typy wyłączników wysokonapięciowych:
- małoolejowe,
- z sześciofluorkiem siarki,
- pneumatyczne (powietrzne),
- próżniowe,
- magnetowydmuchowe.
Na napięcia wysokie (110, 220, 400 kV) i najwyższe (> 400 kV) są
budowane wyłączniki z sześciofluorkiem siarki i pneumatyczne. Nie produkuje
się już wyłączników małoolejowych na napięcia wysokie, chociaż pewna ich liczba pozostaje nadal w eksploatacji. Na średnie napięcia (6 do 60 kV) są budowane wyłączniki małoolejowe, z sześciofluorkiem siarki, próżniowe oraz magnetowydmuchowe, a także ciężkie wyłączniki pneumatyczne tzw. generatorowe.
Wyłączniki małoolejowe są najbardziej rozpowszechnione ze względu na prostą budowę i technologię wytwarzania. Gaszenie łuku w tych wyłącznikach odbywa się w specjalnych komorach gaszeniowych wykonanych z materiałów izolacyjnych o dużej wytrzymałości mechanicznej (żywice epoksydowe zbrojone włóknem szklanym). Intensywność procesów dejonizacyjnych i skuteczność gaszenia łuku zależą
od ciśnienia gazów i par w komorze gaszeniowej. Ciśnienie to z kolei zależy od wartości prądu łuku. Niektóre budowane obecnie wyłączniki małoolejowe mają komory gaszeniowe przystosowane do gaszenia łuku charakteryzującego się prądem zarówno o bardzo dużych jak i małych wartościach, od dziesiątków kiloamperów do kilku amperów. Trwałość łączeniowa wyłączników małoolejowych jest stosunkowo niewielka i zależy od wartości prądów wyłączeniowych. Wyłącznik może przerwać czterokrotnie prąd o wartości równej znamionowemu prądowi wyłączalnemu. Po tym należy poddać go przeglądowi. Mimo coraz szerszego wprowadzania do produkcji i eksploatacji wyłączników z sześciofluorkiem siarki, wyłączniki małoolejowe są nadal eksploatowane i produkowane na napięcia znamionowe w zakresie zarówno średnich jak i wysokich napięć.
Wyłączniki z sześciofluorkiem siarki Postęp w stosowaniu sześciofluorku siarki (5F6) jako czynnika gaszącego łuk elektryczny jest przyczyną coraz szerszego w prowadzania do produkcji i eksploatacji wyłączników z tym gazem syntetyczym. Przewiduje się szybki
rozwój produkcji tych wyłączników dla wszystkich zakresów napięć znamionowych sieci elektroenerge.
Budowane obecnie wyłączniki z SFfi mogą mieć trzy rodzaje komór gaszeniowych: samosprężne, z łukiem wirującym i samogaszenio.
W przypadku wyłączników samosprężnych komory gaszeniowe znajdują się w zbiornikach, w których ciśnienie SF6 wynosi 0,35 = 0,55 MPa. Napędy wyłączników samosprężnych są zwykle rozbudowane, ze względu na konieczność sprężenia gazu w krótkim czasie, 10 = 20 ms, do znacznego ciśnienia. Wymaga to znacznych przyspieszeń i dużych prędkości styku ruchomego. Często stosuje się napędy hydrauliczne. W wyłącznikach z łukiem wirującym stosuje się specjalne cewki przy styku stałym. Prąd zaczyna płynąć przez cewkę dopiero po odsunięciu się styku ruchomego na pewną odległość od styku stałego. Wtedy łuk elektryczny palący się między stykiem stałym i ruchomym przenosi się ze styku stałego na
styk pomocniczy (opalny), przez cewkę zaczyna płynąć prąd. Wytworzone pole magnetyczne przemieszcza łuk po trajektorii zbliżonej kształtem do stożka.
Wirowanie łuku w SF6 powoduje jego intensywnie chłodzenie i dejonizację. W przypadku wyłączników z komorami samogaszeniowymi , po utracie kontaktu styku ruchomego ze stałym, łuk pali się początkowo we wnęce dyszy izolacyjnej powodując wzrost ciśnienia znajdującego się tam SF6. Po wyjściu styku ruchomego z dyszy następuje gwałtowny wypływ z nie rozgrzanego i zjonizowanego gazu powodując zgaszenie wydłużonego łuku przy przejściu jego prądu przez zero. Wyłączniki z sześciofluorkiem siarki są budowane na wszystkie wartości napięć znamionowych i prądy znamionowe do 6000 A oraz na prądy wyłączalne od 12,5 do 80 kA. Mogą być stosowane w każdych warunkach i w każdym
miejscu sieci. Trwałość mechaniczna wyłączników z SF6 dochodzi do 10 tysięcy cykli przestawieniowych, a trwałość łączeniowa 10 = 20 cykli łączeniowych przy prądzie równym prądowi wyłączalnemu. Przeglądy konserwacyjne wystarczy wykonywać po 8 =10 latach eksploatacji. Sam sześciofluorek siarki jest gazem nietoksycznym, jednak w obecności wyładowań elektrycznych i wilgoci mogą powstawać niebezpieczne związki.
Produkty rozkładu SF6 takie jak SF4 i SF2 tworzą z wodą fluorowodór i dwutlenek siarki, które powodują korozję niektórych metali i materiałów ceramicznych. przestrzeni łuku elektrycznego powstają SOF2, SOF4 i 502F2. Dla organizmów żywych szczególnie niebezpieczny jest SzF,o. W celu uniknięcia powstawania tych szkodliwych i niebezpiecznych związków należy stosować w wyłącznikach i układach izolacyjnych czysty i suchy SF6. Wydajnym środkiem pochłaniającym wodę i SOF2 jest aktywny trójtlenek glinu.
Wyłączniki pneumatyczne (powietrzne) buduje się głównie na napięcia wysokie i najwyższe. Charakteryzują się dużymi wartościami prądów znamionowych i wyłączalnych. Wyłączniki pneumatyczne na napięcia średnie to tzw. ciężkie wyłączniki generatorowe produkowane na prądy znamionowe do 50 kA i prądy wyłączalne do 250 kA przez wiodące firmy europejskie i światowe. Nie jest łatwo zastąpić ciężkie wyłączniki średnio-napięciowe przez zastosowanie
innych rozwiązań. Styki główne wyłącznika pneumatycznego są umieszczone w powietrznych komorach gaszeniowych. Styki te wykonuje się przeważnie jako czołowe, uformowane w postaci dysz. W czasie ich rozchodzenia się, na palący się łuk działa strumień sprężonego powietrza powodujący jego zgaszenie. W zależności od kierunku ruchu sprężonego powietrza w stosunku do osi łuku, komory gaszeniowe wyłączników pneumatycznych dzieli się na:
- podłużnostrumieniowe,
- poprzecznostrumieniowe,
- promieniowo strumieniowe.
Najszersze zastosowanie zalazły komory gaszeniowe podłużnostru-mieniowe. Rzadziej stosuje się komory promieniowo strurnieniowe ze względu na bardziej skomplikowaną konstrukcję. Dysze tych dwóch typów komór są prawie zawsze metalowe. Wyłączniki z komorami poprzeczno strumieniowymi są mało rozpowszechnione, są stosowane w wyłącznikach generatorowych.
Zależnie od wartości napięcia znamionowego i prądów wyłączalnych wyłączniki są wyposażone w komory gaszeniowe, od jednej lub dwóch przy 110 kV do ośmiu połączonych szeregowo przy najwyższych napięciach. Dla zapewnienia równomiernego podziału napięcia miedzy poszczególne komory są
stosowane specjalne kondensatory sterujące. W przypadku klasycznej konstrukcji jeden biegun wyłącznika składa się z zespołu komór gaszeniowych (każda z kondensatorem sterującym) umieszczonych na izolatorach osłonowych nabudowanych na zbiorniku sprężonego powietrza. Wewnątrz tych izolatorów znajdują się cięgna izolacyjne do prze-stawiania zaworów sterujących przepływem sprężonego powietrza, które także przez te izolatory jest doprowadzane do komór gaszeniowych podczas działania wyłącznika. W zbiorniku znajduje się powietrze w ilości wystarczającej do wykonania z pełną mocą wyłączalną cyklu łączeniowego: załączenie - wyłączenie - przerwa 0,3 s - załączenie - wyłączenie. Najbardziej rozpowszechnionym typem wyłączników pneumatycznych na napięcia wysokie i najwyższe są wyłączniki produkowane przez ABB i ZWAFa
oznaczone symbolem DLF. Postęp w konstrukcji tych wyłączników polega na:
umieszczeniu zbiornika sprężonego powietrza bezpośrednio przy komorach gaszeniowych,
zwiększeniu ciśnienia sprężonego powietrza do kilkudziesięciu megapaskali,
sterowanie zaworami pneumatycznymi za pomocą prętów sztywnych lub układów hydraulicznych.
Istotną zaletą tak udoskonalonych wyłączników pneumatycznych jest duża szybkość ich działania, większa niż w przypadku wyłączników z SF6.Najlepszymi (najszybciej przerywającymi prąd zwarciowy) wyłącznikami na najwyższe napięcia są wyłączniki pneumatyczne synchronizowane. Zastosowanie sterowania elektronicznego momentami początkowymi rozchodzenia się styków w poszczególnych biegunach wyłącznika umożliwia rozpoczęcie otwierania każdego bieguna na parę milisekund przed pierwszym naturalnym przejściem przepływającego przez niego prądu zwarciowego przez zero. Dzięki dużej prędkości rozchodzenia się styków (ponad 20 m·s ) łuk zostaje zgaszony przy tym pierwszym przejściu prądu zwarciowego przez zero w danej fazie obwodu trójfazowego.
Wyłączniki próżniowe Produkcja i zastosowanie wyłączników próżniowych szybko rośnie, mimo
relatywnie wysokiej ceny. Budowane są na napięcia 6 -- 30 kV, prądy znamionowe 630 = 3 I 50 A oraz na prądy wyłączalne 8 = 40 kA. Styki wyłączników próżniowych są specjalnie ukształtowane , tak aby przy przerywaniu prądów wytworzyć w przestrzeni międzystykowej poprzeczne pole magnetyczne, przez co przy wyłączaniu prądów o bardzo dużych wartościach powstający łuk nie pali się w jednym miejscu, lecz jest wprowadzony w bardzo szybki ruch po powierzchniach styków. Unika się przez to silnego miejscowego przegrzania powierzchni stykowych i ich zniszczenia. Styki wyłączników próżniowych znajdują się w komorze gaszeniowej o ciśnieniu 10·5 =103 Pa. Zapewnia to bardzo dużą wytrzymałość elektryczną przerwy między-stykowej, której długość w stanie otwartym wynosi zaledwie od 6 do
20 mm, w zależności od wartości napięcia znamionowego. Szczelność komory, przy zmianie położenia styku ruchomego, zapewnia mieszek sprężysty wykonany ze stali o specjalnych właściwościach. Umożliwia to wykonanie od 60 do 200 tysięcy cykli łączeniowych bez zniszczenia. Wyłączniki próżniowe mają bardzo dużą trwałość mechaniczną. Przegląd konserwacyjny (głównie napędu) powinien być przeprowadzony po dziesięciu latach eksploatacji lub po dziesięciu tysiącach zadziałań. Trwałość łączeniowa wyłączników próżniowych wynosi przy znamionowym prądzie wyłączalnym 100 i więcej wyłączeń. Wyłączniki próżniowe mają tendencję do ucinania prądu przed jego naturalnym przejściem przez zero, co w określonych warunkach może spowodować przepięcia łączeniowe o niebezpiecznych amplitudach. Wyłączniki magnetowydmuchowe
Do gaszenia łuku w wyłącznikach magnetowydmuchowych wykorzystuje się zjawisko szybkiego wydłużania, przemieszczania oraz intensywnego chłodzenia łuku elektrycznego. Łuk pali się w polu magnetycznym, wytworzonym przez prąd zakłóceniowy przepływający przez cewki elektromagnesu. Siła działająca na łuk powoduje bardzo szybkie jego wydłużenie (nawet do kilku metrów) i przemieszczenie do góry w szczelinach komory gaszeniowej, wykonanej z materiału izolacyjnego. Wraz z wydłużeniem łuku zwiększa się spadek napięcia na nim, co jest równoznaczne ze zwiększeniem rezystancji obwodu, ograniczającej wartość prądu zakłóceniowego i ułatwiającej zgaszenie łuku. Komora tego typu składa się z płytek gaszeniowych ceramicznych o znacznej wysokości (400 = 500 mm). Umożliwia to uzyskanie największych (dla komór magnetowydmuchowych) wartości prądów wyłączalnych oraz znacznej liczby wyłączeń dużych prądów do czasu jej wymiany. Komory tego typu mają prostą budowę i dzięki temu znalazły również zastosowanie w cięższych odmianach styczników i rozłączników. Jednocześnie z opisaną rozbudowaną właściwą komorą gaszeniową wyłączniki magnetowydmuchowe są wyposażane w proste komory wydmuchowe samosprężne. Komora samosprężna, działająca na zasadzie wydmuchu sprę-żonego powietrza (sprężonego przez podgrzanie palącym się hikiem), jest umieszczona między zestykiem a właściwą komorą gaszeniową, np. wąsko-szczelinową, jej zadaniem jest gaszenie łuków o małych wartościach prądów, przy których wydmuch magnetyczny jest mało skuteczny. Wyłączniki magnetowydmuchowe są budowane na średnie napięcia, prądy znamionowe 800 = 4000 A i prądy wyłączalne 16 = 60 kA. Do najbardziej istotnych właściwości wyłączników magnetowydmucho-wych zalicza się:
- brak specjalnego środowiska gaszącego łuk,
- dużą dopuszczalną częstość łączeń,
- dużą trwałość mechaniczną i łączeniową,
- brak przepięć przy wyłączaniu prądów indukcyjnych i pojemnościowych,
- krótki czas palenia się hzku (10 =- 20 ms),
-prostąbudowę,łatwą konserwację i obsługę. Wyłączniki magnetowydmuchowe są szczególnie przydatne do sterowania: piecami łukowymi, napędami w walcowniach, bateriami kondensatorów dużych mocy, a także silnikami indukcyjnymi o dużej częstości łączeń.
Rozłączniki
Rozłączniki są to łączniki na średnie napięcia przeznaczone do załączania i wyłączania prądów roboczych i przeciążeniowych transformatorów niewielkich mocy oraz linii napowietrznych i kablowych, a także do załączania i wyłączania silników oraz pojedynczych baterii kondensatorów. W stanie otwartym rozłącznik; zapewniają widoczną i bezpieczną przerwę izolacyjną w obwodzie, zastępując w odniesieniu do tej funkcji odłączniki. Rozłączniki instaluje się zamiast wyłączników w układach o małych wymaganiach dotyczących niezawodności zasilania, o stosunkowo niewielkich wartościach mocy i prądów znamionowych zasilanych urządzeń. Rozłączniki mają niewielkie zdolności wyłączalne, rzadko dochodzące do dziesięciokrotnej wartości prądu znamionowego. W przypadkach występowania konieczności wyłączania prądów zwarciowych muszą być zastosowane dodatkowo bezpieczniki. Rozłączniki wyposażone w bezpieczniki nazywane są rozłącznikami bezpiecznikowymi. Rozłączniki powinny przerywać prądy nie przekraczające ich zdolności wyłączalnej, a bezpieczniki prądy zwarciowe. Komory gaszeniowe rozłączników mają prostą budowę. Najczęściej są to komory gazowydmuchowe lub powietrzne samosprężne. Rozłącziki buduje się jako trójbiegunowe ze wspólną podstawą i napędem dla wszystkich biegunów. Mają po dwa równoległe zestyki na biegun: roboczy i pomocniczy (opalny) umieszczony w komorze gaszeniowej. W czasie otwierania styki robocze wyprzedzają styki opalne. Łuk zapala się dopiero w czasie otwierania styków opalnych. Sprężynowe napędy rozłączników zapewniają znaczną prędkość styków ruchomych w czasie ich zamykania i otwierania. Do grupy rozłączników można zaliczyć również styczniki średniego na- pięcia, charakteryzujące się prostą budową oraz dużą trwałością mechaniczną i łączeniową. Styczniki te są powszechnie stosowane do sterowania odbiorni-
kami SN o dużej częstości łączeń (do 1200 łączeń na godzinę). Nie zapewniają jednak wstanie otwarcia widocznej przerwy w obwodzie. Produkuje się dwa rodzaje styczników SN: powietrzne i próżniowe. Pierwsze z nich mają najczęściej proste komory gaszeniowe z elektro- magnetycznym wydmuchem łuku. Styczniki próżniowe mają mniejsze wymiary i masy i charakteryzują się lepszymi właściwościami łączeniowymi niż styczniki powietrzne. Ich komory gaszeniowe są podobnie skonstruowane jak w przypadku wyłączników próżniowych. Napęd styczników próżniowych jest elektromagnesowy, tak jak w przypadku styczników niskiego napięcia.
Odłączniki i uziemniki
Odłączniki służą do załączania i wyłączania obwodów i urządzeń w stanie bezprądowym, to jest po uprzednim przerwaniu prądu przystosowanym do tego łącznikiem. Można nimi załączać i wyłączać niektóre urządzenia w stanie jałowym, np. transformatory o niedużych mocach znamionowych, przekładniki napięciowe, czy krótkie linie energetyczne . W stanie otwartym odłączniki zapewniają widoczną i bezpieczną przerwę izolacyjną w obwodzie.W celu zapewnienia bezpieczeństwa podczas wykony-wania prac konserwacyjnych, remontowych itp. na odłączonych od źródeł napięcia urządzeniach i liniach stosuje się specjalne łączniki zwane uziemnikami. Łączniki te umożliwiają zwieranie i uziemianie odstawionych z ruchu obwodów wysokonapięciowych. Uziemnik może być częścią składową odłącznika. Można wtedy powie-dzieć, że odłącznik jest wyposażony w dodatkowe noże uziemiające (uziemnik). W takim przypadku stosuje się oddzielne napędy odłącznika i uziemnika sprzężone mechanizmem ryglującym, uniemo-żliwiającym zamknięcie uziemnika gdy odłącznik jest załączony i urządzenia są pod napięciem, jak również zamknięcie odłącznika, kiedy uziemnik jest zamknięty. Oprócz odłączników z nożami uziemiającymi są budowane samodzielne uziemniki przeznacz-one do wielokrotnego zwierania i uziemiania uprzednio odłączonych od źródeł napięcia urządzeń i linii. Odłączniki z nożami uziemiającymi oraz uziemniki są powszechnie stosowane, szczególnie w stacjach
wysokich i najwyższych napięć, gdzie stosowanie przenośnych uziemiaczy jest niewygodne i niebezpieczne. Różnice konstrukc-yjne międzyodłącznikami wynikają zasadniczo z ich napięć znamionowych. Odłączniki średnich napięć wytwarza się pra-wie wyłącznie jako tzw. sieczne (nożowe), ze stykami ruchomymi wykonanymi z dwóch równoległych miedzianych płaskowników. Podczas gdy odłączniki na wysokie i najwyższe napięcia są budowane jako tzw. poziomo obrotowe jedno- i dwuprzerwowe, rzadziej pionowe (pantografowe, nożycowe). Ich styki ruchome są wykonywane z prętów lub rur miedzianych. W przypadku odłączników poziomo obrotowych, styki ruchome poruszają się prostopadle do osi izolatorów wsporczych, w przypadku odłączników jednoprzerwowych napęd powoduje obrót obydwóch izolatorów wsporczych, w dwuprzerwowych obraca się tylko izolator środkowy. Odłączniki pionowe są stosowane w stacjach napowietrznych o konstrukcjach wysokich, w których szyny zbiorcze są zawieszone na dwóch różnych poziomach. W stacjach najwyższych napięć stosuje się także odłączniki pionowe o siecznym ruchu styków (pionowo obrotowe). Odłączniki są budowane na wszystkie napięcia znamionowe (izolacji) oraz na prądy znamionowe od dwustu do kilku tysięcy amperów. Odłączniki wykonuje się zwykle jako jednofazowe, ale do pracy w ukła-dach elektroenergetycznych łączy się je przeważnie w zestawy trójbiegunowe ze wspólnym napędem, zapewniającym jednoczesne otwieranie i zamykanie wszystkich biegunów. W przypadku odłączników na bardzo duże prądy znamionowe, w których siły połączenia styków są bardzo duże, stosuje się niekiedy oddzielne napędy na poszczególne bieguny.
Zwierniki
Zwiernik jest łącznikiem, którym można załączyć obwód elektryczny na zwarcie. Jednym z jego podstawowych parametrów jest prąd załączalny, który powinien być większy od udarowego prądu zwarciowego w miejscu zainstalowania zwiernika. Przeznaczeniem zwierników jest inicjowanie samoczynnego wyłączenia linii zasilających przez załączenie ich na zwarcie z ziemią. Podstawową grupę tego rodzaju łączników stanowią zwiemiki przystosowane do pracy w na-powietrznych urządzeniach rozdzielczych ze skutecznie uziemionym punktem neutralnym. Wyposaża się w nie mniej ważne linie 110 kV pracujące w układzie blokowym (blok liniatransformator).
Zwierniki tego rodzaju są budowane jako jednoprzerwowe o ruchu noża w płaszczyźnie pionowej. Zwiernik jest zawsze przygotowany do dokonania zwarcia fazy z ziemią, w stanie otwartym ma napiętą sprężynę załączającą. Zamknięcie zwiernika następuje w wyniku odryglowania zamka ręcznie lub przez wyzwalacze współpracujące z układem zabezpieczeń. W niektórych rozdzielnicach średnich napięć funkcję uziemników spełniają zwierniki trójfazowe. Rozwiązanie takie ma istotne zalety eksploatacyjne, ze względu na ograniczenie wystąpienia groźnych awarii, w przypadku błędnego załączenia uziemnika na zwarcie, co może mieć miejsce przy uszkodzeniu lub nieświadomym odłączeniu blokad.
Bezpieczniki
topikowe są stosowane dość szeroko w układach średnich napięć do zabezpieczania urządzeń i obwodów od zwarć. Współpracując z odłącznikami, rozłącznikami i stycznikami, bezpieczniki są instalowane w układach zasilających transformatory, silniki oraz baterie kondensatorów. Rozróżnia się trzy rodzaje medium gaszącego stosowanego w bezpiecznikach topikowych SN:
- piasek kwarcowy (5i02),
- materiał gazujący,
- ciecze (olej mineralny).
Bezpieczniki z piaskiem kwarcowym jako gasiwem działają bardzo szybko przy przerywaniu prądów zwarciowych, nie dopuszczając do wystąpienia szczytowej wartości prądu zwarciowego i są przez to nazywane bezpiecznikami ograniczającymi. Pozostałe rodzaje mediów gaszących nie gwarantują wydatnego ograniczenia prądu. Dlatego też bezpieczniki gazowydmuchowe i cieczowe są stosowane rzadziej, głównie w napowietrznych sieciach terenowych, gdzie wartości prądów zwarciowych są znacznie mniejsze. W bezpiecznikach z gasiwem kwarcowym element topikowy wykonuje się często w postaci jednego lub kilku równoległych drutów srebrnych nawiniętych po linii śrubowej na wsporniku ceramicznym. Wspornik ma kształt walca z równomiernie na obwodzie rozłożonymi równoległymi do osi czterema lub sześcioma żebrami. Wspornik z topikiem jest umieszczony w porcelanowej rurze wypełnionej całkowicie czystym piaskiem kwarcowym. Wyloty rury są zamknięte z obydwóch stron okuciami stalowymi, za pomocą których bezpiecznik jest mocowany w zaciskach podstawy bezpiecznikowej lub w podstawie łącznika (np. rozłącznika). Bezpiecznik może być wyposażony we wskaźnik zadziałania podparty sprężyną utrzymywaną w stanie napięcia przez dodatkowy topik znajdujący się w poosiowym otworze wspornika. Wskaźnik zadziałania może być wykorzystany do odblokowania sprężyny otwierającej rozłącznik. Mechanizm działania bezpiecznika jest złożony i zależy od wartości prądu zakłóceniowego. Przy niewielkich przeciążeniach, po upływie czasu potrzebnego na uzyskanie temperatury topnienia materiału topika (tzw. czas przedłukowy), w miejscu topika, w którym najszybciej wystąpi temperatura topnienia, zapala się krótki łuk elektryczny. Następnie, w obwodzie łukowym występuje dość złożony proces komutowania prądu między równoległymi drutami topika. W przypadku dwóch równoległych drutów, zgaszenie łuku krótkiego w jednym z nich powoduje zwiększenie prądu w drugim, co doprowadza do zapalenia się w nim łuku krótkiego. Przy najbliższym przejściu prądu przez zero nie nastąpi jednak zgaszenie łuku, gdyż wytrzymałość powrotna kanałów połukowych w obydwóch elementach nie jest dostatecznie duża (mała długość kanałów). Pojawiające się napięcie powrotne spowoduje ponowny zapłon. W miarę upływu czasu łuki w obydwóch elementach wydłużają się, a tym samym zwiększa się również wytrzymałość powrotna przerwy połukowej. Istotny wpływ na tę wytrzymałość ma chłodzenie kanału łukowego przez otaczający element topikowy piasek kwarcowy o dużej przewodności cieplnej. Ostatecznie łuk zostaje zgaszony. W wyniku takiego przebiegu zjawiska czas działania bezpiecznika przy niewielkich przeciążeniach jest stosunkowo długi. Przy dużych przeciążeniach lub zwarciach, po bardzo krótkim czasie przedłukowym następuje zapalenie się szeregu łuków krótkich na prawie całej długości elementu topikowego. Napięcie potrzebne do podtrzymania łuku może być większe niż napięcie robocze, dzięki czemu uzyskuje się ograniczenie prądu zwarciowego i zgaszenie łuku. Najbardziej rozpowszechnione bezpieczniki topikowe z gasiwem kwarcowym buduje się na napięcia 3 = 30 kV oraz na znamionowe prądy ciągłe do 200 A i prądy wyłączalne do 50 kA.
Bezpieczniki gazowydmuchowe
W bezpiecznikach gazowy-dmuchowych element topikowy jest umieszczony w obudowie z wkładką gazującą, wykonaną np. z fibry lub szkła organicznego. Obudowa jest zamknięta szczelnie od góry, a otwarta od dołu dla umożliwienia wypływu gazów. Wewnętrzny tor prądowy wkładki składa się z krótkiego elementu topikowego i połączonego z nim szeregowo przewodu elastycznego
ze sprężyną napinającą. Element topikowy jest utrzymywany w stanie napiętym przez sprężynę. Po zapłonie wydłużający się łuk (na skutek wyciągania przewodu przez sprężynę) jest gaszony strumieniem gazów powstałych z rozkładu materiału wkładki gazującej pod wpływem temperatury łuku. W Polsce bezpieczniki gazowydmuchowe wykonuje się na napięcia 15 kV i prądy od 4 dn 25 A, z przeznaczeniem do wiejskich stacji transformatorowych słupowych. Bezpieczniki cieczowe składają się z ceramicznej rury zamkniętej szczelnie z obydwóch końców, w której umieszczony jest krótki element topikowy, przyłączony do części ruchomej, połączonej przewodem z dolnym zaciskiem bezpiecznika. Część ruchoma jest utrzymywana w stanie napiętym przez sprężynę. Rura jest wypełniona cieczą gaszącą (olej mineralny). Podczas przepływu przez wkładkę prądu powodującego działanie bezpiecznika następuje stopienie elementu topikowego i zapłon łuku. Palący się w cieczy łuk wydłuża się w miarę przemieszczania się części ruchomej pociąganej przez sprężynę i gaśnie. Gazy powstałe w wyniku rozkładu cieczy pod wpływem wysokiej temperatury łuku są odprowadzane na zewnątrz przez specjalny zawór.
ŁĄCZNIKI NISKONAPIĘCIOWE
Podział łączników Do grupy łączników elektroenergetycznych niskiego napięcia należy duża liczba łączników różniących się konstrukcją i zdolnościami łączeniowymi. Są wśród nich łączniki bardzo proste o niewielkich zdolnościach łączeniowych, są też łączniki bardzo rozbudowane, którymi można przerywać duże prądy zwarciowe, wyposażone w układy zabezpieczeń, blokad i sygnalizacji. Prądy znamionowe łączników wynoszą od kilku dziesiątych ampera do kilku kilo-amperów, a ich napięcia znamionowe (izolacji) od 50 do 1000 V prądu przemiennego i od 24 do 1500 V prądu stałego. Ze względu na przeznaczenie i zdolność łączeniową łączniki niskiego napięcia dzieli się na następujące grupy:
- łączniki izolacyjne (odłączniki), przeznaczone do sporadycznego zamykania lub otwierania obwodów w stanie bezprądowym lub przy prądach o małym natężeniu;
- łączniki robocze (rozłączniki), przeznaczone do załączania i wyłączania obwodów obciążonych prądami odpowiadającymi ich właściwemu funkcjonowaniu;
- łączniki zwarciowe (wyłączniki zwarciowe), przeznaczone do załączania i wyłączania obwodów, w których płyną prądy robocze lub zwarciowe;
- łączniki manewrowe, przeznaczone do sterowania pracą odbiorników (np. silników), charakteryzujące się znaczną trwałością mechaniczną i łączeniową oraz dużą znamionową częstością łączeń;
- bezpieczniki, przeznaczone do przerywania prądów zwarciowych i przeciążeniowych.
Łączniki izolacyjne są sterowane ręcznie. Rozłączniki mogą być sterowane ręcznie lub działać samoczynnie. Łączniki zwarciowe są zawsze przystosowane do wyłączania samoczynnego, mogą być także załączane i wyłączane ręcznie. Łączniki manewrowe mogą mieć napęd ręczny lub samoczynny przystosowany do sterowania zdalnego (styczniki), mogą być dodatkowo wyposażone, np. w zabezpieczenia przeciążeniowe. Bezpieczniki działają samoczynnie przy prądach przekraczających określoną wartość w ciągu odpowiednio długiego czasu. Można je klasyfikować jako wyłączniki zwarciowe lub przeciążeniowe jednokrotnego działania. Z punktu widzenia ilościowego największe zastosowanie mają bezpieczniki wielkich mocy, wyłączniki instalacyjne i stacyjne oraz styczniki. Bezpieczniki instalacyjne są w coraz większym zakresie zastępowane przez wyłączniki instalacyjne, wyposażone w wyzwalacze przeciążeniowe i zwarciowe. Zdolności łączeniowe łączników niskiego napięcia zależą od zastosowanego sposobu gaszenia łuku elektrycznego i od konstrukcji komór gaszeniowych. W łącznikach prądu przemiennego (podobnie jak w łącznikach wysokiego napięcia) wykorzystuje się zjawisko gaśnięcia łuku przy przejściu prądu przez zero. Rozpowszechnione sposoby gaszenia łuku w łącznikach suchych niskiego napięcia wykorzystują następujące techniki:
- szybkie wydłużanie łuku na skutek dużej prędkości rozchodzenia się styków lub zastosowania wydmuchu elektromagnetycznego,
- zastosowanie dwóch lub więcej szeregowych przerw międzystykowych,
- wymuszenie wejścia łuku do szczelin pomiędzy płytkami ceramicznymi,
-zastosowanie płytek metalowych usytuowanych poprzecznie do drogi łuku w celu jego podzielenia na łuki krótkie,
-zastosowanie komór próżniowych.
Najbardziej rozpowszechniony jest sposób wymieniony jako przedostatni. Jego realizacja polega na wykorzystaniu komór gaszeniowych z płytkami dejonizującymi wykonanymi z miedzi, mosiądzu lub stali. Wydłużający się łuk dochodzi do płytek i dzieli się na nich na krótkie odcinki. Po zgaśnięciu łuku przy naturalnym przejściu prądu przez zero jego ponowny zapłon jest utrudniony z powodu relatywnie niskiej temperatury metalowych płytek, między którymi się palił.
Łączniki ręczne
Ze względu na zdolność łączeniową łączniki ręczne dzielą się na: łączniki izolacyjne (odłączniki) i łączniki robocze (rozłączniki). Załączanie i wyłączanie tych łączników dokonuje się ręcznie za pośrednictwem układu dźwigni. Podczas wyłączania łączników izolacyjnych prędkość rozchodzenia się ich styków jest niewielka i zależy od prędkości ruchu dźwigni napędu. Łączniki te nie mają komór gaszeniowych, więc można je otwierać i zamykać w stanie bezprądowym. Łączniki izolacyjne w stanie otwartym zapewniają widoczną i bezpieczną przerwę izolacyjną w obwodzie elektrycznym. Łączniki robocze są wyposażone w przerzutowy mechanizm migowy, działający niezależnie od prędkości ruchu dźwigni napędowej. Prędkość otwierania się styków jest znaczna i jest spowodowana działaniem sprężyn napiętych w czasie zamykania łącznika. Rozłączniki mają komory gaszeniowe przeważnie z płytkami dejonizującymi, niekiedy także z elektrodynamicznym wydmuchem łuku. Rozłączniki ręczne różnych typów mają trwałość mechaniczną od kilku tysięcy do około dwustu tysięcy łączeń. Znamionowa częstość łączeń dochodzi do kilkudziesięciu na godzinę. Pozwala to stosować je do sterowania obwodów i odbiorników zabezpieczanych bezpiecznikami od skutków zwarć i przeciążeń. Łączniki puszkowe są stosowane głównie w instalacjach oświetleniowych. Wykonuje się je na prądy znamionowe 6 i 10 A i napięcie 250 V. Są to najczęściej łączniki klawiszowe. W łącznikach warstwowych krzywkowych stosuje się zestyki dwuprzerwowe utworzone z dwóch styków nieruchomych i styku ruchomego dociskanego sprężyną. Obrót specjalnej krzywki znajdującej się na wałku napędowym powoduje otwarcie lub zamknięcie zestyku. Prądy znamionowe łączników warstwowych zawierają się w granicach od 10 do 1200 A. Stosuje się je m. in. do sterowania silników o mocy do 400 kW o niewielkiej częstości łączeń. Łączniki drążkowe wytwarzane są w dwóch odmianach. Łączniki drążkowe szczękowe mają styki ruchome w postaci płaskowników oraz stylu nieruchome w postaci silnie sprężynujących szczęk. W drugiej odmianie łączników drążko-
wych, w łącznikach dociskowych dobrą styczność styków w stanie zamkniętym oraz szybki odskok styków ruchomych w czasie otwierania zapewniają mocne sprężyny napinane w czasie załączania. Prądy znamionowe łączników drążkowych dochodzą do I500 A. Pod względem zdolności łączeniowej dzielą się na odłączniki i rozłączniki. W rozłącznikach stosuje się komory gaszeniowe najczęściej z metalowymi płytkami dejonizującymi. Niektóre z nich wyposaża się w bezpieczniki topikowe, co rozszerza zakres ich zastosowania. Do grupy łączników ręcznych należą także łączniki wtykowe składające się z gniazd wtyczkowych i wtyczek. Stosuje się je do przyłączania do sieci odbiorników ręcznych i ruchomych o niewielkich mocach znamionowych. Łączniki wtykowe pełnią rolę przede wszystkim łączników izolacyjnych. Największe prądy znamionowe tych łączników wynoszą 125 A, a napięcia 750 V. Łączniki wtykowe nie są wyposażane w urządzenia do gaszenia łuku elektrycznego. Ich zdolność łączeniowa nie przekracza prądów znamionowych
przy niewielkiej częstości łączeń. Dotyczy to łączników wtykowych o prądach znamionowych do 32 A, na napięcie stałe do 250 V i napięcie przemienne do 380 V.
Łączniki samoczynne
Wiadomości podstawowe W układach zasilania odbiorników o dużej częstości łączeń oraz w złożonych układach sieci elektroenergetycznych niskiego napięcia wymagania stawiane łącznikom nie mogą zwykle być spełnione przez łączniki ręczne. W takich przypadkach stosuje się najczęściej łączniki samoczynne, od których wymaga się dużej trwałości mechanicznej i łączeniowej, a także dużej znamionowej częstości łączeń oraz zdolności łączenia prądów zwarciowych.Łączniki samoczynne działają automatycznie w stanach zakłóceniowych, część z nich umożliwia realizację blokad, uzależnień i sygnalizacji. Dla spełnienia niekiedy dość złożonych zadań wyłączniki samoczynne są wyposażone w odpowiednie elementy i układy takie jak:
-zdalnie sterowane układy napędowe,
-różnorodne przekaźniki i wyzwalacze nadprądowe i napięciowe,
-urządzenia do gaszenia łuku,
-komplety zestyków pomocniczych zwiernych i rozwiernych.
Wśród łączników samoczynnych niskiego napięcia rozróżnia się wyłączniki (łączniki zwarciowe), styczniki (łączniki stycznikowe) oraz łączniki samoczynne instalacyjne. Wyłączniki zwarciowe (zamkowe) charakteryzują się dużą zdolnością łączeniową, umiarkowaną trwałością mechaniczną i niewielką znamionową częstością łączeń. Natomiast łączniki stycznikowe charakteryzują się bardzo dużą trwałością mechaniczną, rzędu milionów cykli przestawieniowych, dużą znamionową częstością łączeń oraz średnią zdolnością łączeniową. Postęp w budowie styczników polega na zwiększaniu ich trwałości mechanicznej (w perspektywie do IO milionów cykli przestawieniowych) i łączeniowej
oraz dopuszczalnej częstości łączeń.
Wyzwalacze nadprądowe elektroniczne
W nowoczesnych konstrukcjach łączników, a zwłaszcza wyłączników na duże wartości prądów znamionowych stosowane są elektroniczne wyzwalacze nadprądowe, składające się z:
- przekładników prądowych,
- układu elektronicznego,
- członu wyzwalającego.
Prąd wtórny przekładników prądowych jest wykorzystywany do zasilania układu elektronicznego i sterowania członem wyzwala-jącym. Wyzwalacze elektroniczne charakteryzują się dużą dokładnością działania oraz dużymi możliwościami nastaw prądów i czasów działania, znacznie większymi niż jest to możliwe do uzyskania w wyzwalaczach lub przekaźnikach termobimetalowych i elektromagnetycznych.
Elementy termobimetalow
Urządzenia elektroenergetyczne niskiego napięcia powinny być zabezpieczone od przeciążeń. W określonych warunkach dopuszczalne są krótkotrwałe przekroczenia wartości znamionowych ich prądów. Jednak czas trwania przeciążenia powinien być tym krótszy, im bardziej wartość prądu różni się od
wartości znamionowej. Dla zabezpieczania urządzeń elektroenergetycznych niskiego napięcia od skutków przeciążeń, stosuje się najczęściej przekaźniki lub wyzwalacze termobimetalowe. Przekaźniki te współpracują z łącznikami samoczynnymi, powodując ich otwarcie przy określonym przyroście temperatury spowodowanym przepływem prądu elektrycznego. Głównym elementem przekaźnika jest bimetal wykonany z dwóch spojonych, np. przez sprasowanie, pasków metalowych różniących się wartością współczynnika rozszerzalności cieplnej. Ogrzewany bimetal wygina się w kierunku paska o mniejszym współczynniku rozszerzalności, co powoduje otwarcie styku w przekaźniku lub odryglowanie zamka wyłącznika przez wyzwalacz. Maksymalne ugięcie wolnego końca bimetalu a oraz siła F z jaką oddziałuje bimetal. Z powyższych zależności wynika, że zarówno ugięcie, jak i siła z jaką działa bimetal, zależą od różnicy wartości współczynników rozszerzalności cieplnej zastosowanych metali lub stopów. Stwierdzenie to stosuje się jako kryterium doboru materiałów na elementy termobimetalowe. Czas potrzebny do osiągnięcia wymaganego odkształcenia bimetalu (czas działania przekaźnika) zależy od wartości prądu przeciążeniowego Ip oraz od
temperatury bimetalu przed przeciążeniem. Z tych rozważań wynika, że charakterystyki prądowo-czasowe przekaźników zimnych i wstępnie nagrzanych są różne. Ich istotną cechą są znaczne rozrzuty czasów działania. Wyzwalacze termo-bimetalowe w wyłącznikach stanowią ich integralną część. Przekaźniki bimetalowe w stycznikach są oddzielnymi elementami, mocowanymi na wspólnej podstawie lub we wspólnej obudowie. Przekaźniki i wyzwalacze termobimetalowe charakteryzują się małą dokładnością działania, są jednak powszechnie stosowane ze względu na prostą budowę i niską cenę.
Łączniki samoczynne zamkowe
są przeznaczone do załączania i wyłączania prądów roboczych, przeciążeniowych i zwarciowych. Łączniki te, nazywane wyłącznikami, mogą być przystosowane do załączania i wyłączania automatycznego lub samoczynnego. Do podstawowych elementów składowych łączników samoczynnych zamkowychnależą:
-obudowa,
-napęd,
-zamek utrzymujący wyłącznik w stanie załączonym,
-zespół zestyków,
-komora gaszeniowa,
-wyzwalacz elektromagnetyczny,
-wyzwalacz lub przekaźnik termiczny przeciążeniowy.
Nowoczesne wyłączniki na duże wartości prądów znamionowych mogą być wyposażone w jeden zespolony blok zabezpieczeniowy realizujący funkcje kilku wyzwalaczy nadprądowych o dużych możliwościach nastawień prądów i czasów działania. Łącznik może być wyposażony w napęd ręczny bezpośredni, w którym załączanie odbywa się przez przestawienie dźwigni w skrajne położenie lub pośredni, w którym przez ruch dźwigni następuje napięcie sprężyny załączającej aż do stanu, w którym napęd zostaje zazbrojony. Załączenie wyłącznika dokonuje się przez naciśnięcie przycisku załączającego lub podanie impulsu na elektromagnes załączający. Niektóre łączniki zamkowe charakteryzujące się dużymi prądami znamionowymi mogą być załączane zdalnie dzięki temu, że oprócz napędu ręcznego mają napęd elektromagnesowy bezpo-średni lub silnikowy pośredni. W stanie załączonym wyłącznik jest utrzymywany za pomocą specjalnego mechanizmu zwanego zamkiem. Zamek może być zwolniony (odryglowany) ręcznie lub na skutek działania dowolnego wyzwalacza lub przekaźnika. Odryglowanie zamka powoduje wyłączenie wyłącznika przez sprężynę zwrotną napiętą w czasie załączania. Załączenie wyłącznika w czasie działania na wyłączenie któregokolwiek wyzwalacza lub przekaźnika jest niemożliwe. Jednoczesne działanie wszystkich biegunów wyłącznika jest zapewnione przez sztywne połączenie poprzeczką izolacyjną styków ruchomych. Komory gaszeniowe tych wyłączników są rozbudowane, ze względu na konieczność przerywania dużych prądów zwarciowych. Łączniki zamkowe są wyposażone w wyzwalacze elektromagnetyczne z wyjątkiem wyłączników wypo-sażonych w nadprądowe bloki elektroniczne. Cewka elektroma-gnesu wyzwalacza składająca się z niewielkiej liczby zwojów wykonanych z przewodu o odpowiednio dużym przekroju, jest
połączona szeregowo ze stykami głównymi łącznika. Przy Przepływie prądu o wartości przekraczającej prąd nastawienia wyzwalacza elektromagnes odblo-kowuje zamek wyłącznika powodując jego otwarcie. W każdym biegunie wyłącznika mogą być wbudowane elektroma-gnetyczne wyzwalacze zwarciowe, wykonane jako jednoczłonowe szybkie (bezzwłoczne), jedno-członowe zwłoczne (z krótkim czasem zwłoki) oraz dwuczłonowe szybkozwłoczne. Jednoczłonowe wyzwalacze bezzwłoczne stosuje się w wyłącznikach na niewielkie i średnie wartości prądów znamionowych natomiast w wyłą-cznikach na bardzo duże wartości prądów stosuje się wyzwalacze zwłoczne i szybkozwłoczne. Wyzwalacze zwarciowe szybkie powodują, w razie zwarcia lub dużego przeciążenia, otwarcie wyłącznika działając z czasem własnym 0,01- 0,04 s, natomiast wyzwalacze zwłoczne z czasem własnym 0,1= 0,6 s nastawionym na mechanizmie zegarowym opóźniającym. Wyzwalacze dwu-członowe, przy prądach o wartościach mniejszych od nastawionego na członie szybkim, działają jak wyzwalacze zwarciowe zwłoczne, zaś powyżej tej wartości jak wyzwalacze szybkie. Najbardziej popularne w kraju łączniki samoczynne zamkowe to wyłączniki oznaczone symbolami WIS, APU i DS. Wyłączniki typu WIS stosuje się do sterowania i zabezpieczania odbiorników i urządzeń o napięciu do 500 V (wykonanie specjalne do 1000 V) prądu przemiennego i 250 V prądu stałego. Buduje się je na prądy znamionowe od 63 do 400 A i zdolność wyłączalną od 3 do 15 kA. Wyłączniki WIS znajdują wszechstronne zastosowanie w urządzeniach elektroenergety-cznych przemysłowych, w trakcji elektrycznej oraz w energetyce okrętowej. Wyłączniki APU są łącznikami zwarciowymi uniwe-rsalnymi. Stosuje się je do sterowania oraz zabezpieczeń przed skutkami zwarć i przeciążeń oraz przed zanikiem napięcia maszyn, transformatorów i linii w sieciach o dużych wartościach prądów zwarciowych. Wyłączniki APU są budowane na prądy znamionowe od 200 do 2500 A oraz napięcia 500 V prądu przemiennego i 440 V prądu stałego. Ich zdolność wyłączalna wynosi od 10 do 50 kA. Wyłączniki APU są stosowane w układach elektrycznych, w których jest wymagane m. in. zdalne sterowanie, selektywne działanie zabezpieczeń zwarciowych, sygnalizacja. Do takich zadań są wyposażone w odpowiednie napędy oraz we właściwe wyzwalacze i przekaźniki. Wyłączniki DS, produkowane na licencji firmy Westinghouse, są budowane w trzech wielkościach DS4, DS6 i DS8, na napięcie przemienne 660 V i prądy znamionowe od 1600 do 4000 A. Wyłączniki DS są wyposażone praktycznie we wszystkie rodzaje wyzwalaczy prądowych i napięciowych, a także w układy blokad, uzależnień i sygnalizacji. Stosuje się w nich sterowane zdalnie napędy ręczne i silnikowe. Wyłączniki DS są wyposażone w elektroniczne wyzwalacze nadprą-dowe przeciążeniowe, realizujące zespół charakterystyk prądowo-czasowych. Zdolność wyłączalna tych wyłączników wynosi od 50 do 85 kA przy 500 V oraz od 35 do 50 kA przy 660 V prądu przemiennego. Trwałość łączeniowa wynosi od dwóch do dziesięciu tysięcy łączeń. Dobre właściwości łączeniowe i eksploatacyjne oraz odpowiednie wyposażenie powodują, że wyłączniki DS są chętnie stosowane do zabezpieczeń linii, transformatorów i silników o bardzo dużych mocach i prądach znamionowych, pracujących w sieciach charakteryzujących się dużymi prądami zwarciowymi.
Styczniki
(łączniki stycznikowe) są stosowane do załączania i wyłączania odbiorników energii elektrycznej (głównie silników). Są szczególnie odpowiednie do układów, w których występuje duża częstość łączeń i jest wymagane zdalne sterowanie. Styczniki w połączeniu z przekaźnikami oraz czujnikami i przetwornikami pomiarowymi pozwalają na wykonanie prostych układów zabezpieczeń i automatycznego sterowania. Łączniki stycznikowe są stosowane praktycznie we wszystkich układach napędowych oraz układach automatyki. Spośród podstawowych części składowych stycznika na rysunku tym nie uwzględniono zestyków pomocniczych i komory gaszeniowej. Do przestawiania styków ruchomych stycznika z położenia spoczynkowego w położenie wymuszone (zwykle jest to stan załączenia) służy napęd elektromagnesowy. Napęd ten służy także do utrzymania stanu załączenia. Przestawienie sty-cznika w położenie spoczynkowe następuje na skutek działania sprężyn zwrotnych, po przerwaniu prądu płynącego w cewce elektromagnesu. Łączniki sty-cznikowe, w których działanie napędu powoduje otwarcie zestyków głównych, nazywają się przerywnikami. Styczniki to łączniki manewrowe, ich prądy wyłączalne nie przekraczają zwykle 10-krotnej wartości prądu znamionowego`. Nie wymagają więc rozbudowanych komór gaszeniowych, wystarczy zastoso-wanie płytek dejonizujących. Komory gaszeniowe styczników o niewielkich wartościach prądów znamionowych są po prostu częścią obudowy ograniczającą przestrzeń, w której pali się łuk. Jedynie w przypadku styczników na znaczne wartości prądów oraz styczników prądu stałego stosuje się komory gaszeniowe cerami-czne wąskoszczelinowe z elektro-magnetycznym wydmuchem łuku. Na niewielkie wartości prądów znamionowych (do 63 A) wykonuje się zwykle styczniki dwuzesty-kowe (o dwóch parach styków na fazę) o prostoliniowym ruchu styków ruchomych. Styczniki te charakteryzują się bardzo dużą trwałością mechaniczną, nawet do 20 milionów przestawień. W stycznikach o kołowym ruchu styków ruchomych, do podstawy stycznika jest przymocowany boczny elektromagnes napędowy ze zworą wykonującą ruch obrotowy. Zwora jest połączona sztywno z wałkiem napędowym. Na tym wałku, z kolei, na izolacyjnych elementach mocują-cych są zamontowane styki ruchome wyposażone w sprężyny zwrotne. Styczniki te wyposaża się
w komory gaszeniowe. Przeciętne czasy załączania styczników, liczone od chwili podania impulsu
sterującego powodującego dzia-łanie napędu, do chwili przepływu prądu w którymkolwiek biegunie zależą od typu i wielkości łącznika i wynoszą od 10 do 50 ms dla styczników prądu przemiennego oraz od 100 do 500 ms dla styczników prądu stałego. Natomiast czasy wyłączania liczone od chwili podania impulsu sterowniczego powodującego otwarcie stycznika do chwili utraty styczności styków we wszystkich biegunach (łącznie z czasem łukowym) wynoszą od 10 do 30 ms dla styczników prądu przemie-nnego oraz od 100 do 300 ms dla styczników prądu stałego. W czasie palenia się łuku wydziela się mniej energii, co przyczynia się do wolniejszego zużywania się styków i elementów komory gaszeniowej. Nowszą odmianą łączników stycznikowych są styczniki próżniowe, w których zestyki są umieszczone w komorach próżniowych, o ciśnieniu w zakresie10\-4--10\-3 Pa. Podobnie jak inne łączniki próżniowe styczniki te mają właści-
wość ucinania prądu przed jego naturalnym przejściem przez zero. Może to powodować przepięcia przy wyłączaniu obwodów indukcyjnych. Zjawisko to może być ograniczone przez wykonanie styków z materiału o małych wartościach prądu ucięcia oraz przez właściwy dobór styczników do sterowanego obwodu. W stycznikach o napięciu znamionowym do 1 kV odległości między stykami w stanie otwartym są rzędu 1 mm. Styczniki prądu stałego są produkowane głównie dla potrzeb trakcji kolejowej (1500 i 3000 V), trakcji tramwajowej (800 V) oraz do wózków akumulatorowych (80 V). Styczniki te mają napęd elektromagnesowy lub pneumatyczny, przy czym zarówno elektromagnesy jak i elektrozawory pneumatyczne są sterowane prądem stałym. Styczniki prądu stałego, ze względu na trudności gaszenia łuku, są wyposażone w rozbudowane komory gaszeniowe, najczęściej szczelinowe ceramiczne z elektromagnetycznym wydmuchem łuku. Buduje się także styczniki uniwersalne na prąd stały i przemienny, przeznaczone do pracy w najcięższych warunkach ruchowych, np. do sterowania silni-
kami o ciężkich rozruchach.
Łączniki samoczynne instalacyjne
Do sterowania i zabezpieczania obwodów elektrycznych oświetleniowych i siłowych o niewielkich mocach odbiorników wprowadza się ostatnio łączniki samoczynne o napięciu znamionowym do 440 V, prądzie znamionowym do 125 A i prądzie zwarciowym wyłączalnym do 25 kA. Łączniki te, najczęściej jednobiegunowe, mają budowę umożliwiącą zestawianie ich w układy wielobiegunowe ze wspólnym napędem. Samoczynne łączniki instalacyjne najnowszej konstrukcji, np. typu S90, mogą z powodzeniem zastępować wyłą-czniki instalacyjne zwykłe. Jednocześnie mogą spełniać funkcje bezpieczników instalacy-jnych, łącznie z ogratuczaniem prądów zwarciowych. Umożliwiają ponadto szybkie ponowne załączenie obwodu po wyłączeniu zwarcia.
Bezpieczniki
topikowe to łączniki bezzestykowe stosowane do jednorazowego przerywania obwodów elektrycznych. Bezpiecznik ulega przepaleniu gdy
prąd przekracza określoną wartość w ciągu dostatecznie długiego czasu. Podstawowym elementem bezpiecznika jest metalowy element topikowy, który ulega stopieniu podczas działania bezpiecznika. Elementy topikowe wykonuje się najczęściej z miedzi w postaci posrebrzonych drutów, pasków i koszy, zależnie od wartości prądu znamionowego bezpiecznika. Element topikowy jest częścią tzw. wkładki bezpiecznikowej, której porcelanowy korpus jest wypełniony drobnoziarnistym piaskiem kwarcowym. Ze względu na swoje właściwości piasek kwarcowy ułatwia gaszenie łuku po
stopieniu się elementu topikowego oraz ogranicza ciśnienie przenoszone na ścianki wkładki podczas palenia się łuku. Przez odpowiednie ukształtowanie elementu topikowego uzyskuje się wymagany rozkład temperatury wzdłuż niego przy przepływie prądów o różnych wartościach. Elementy topikowe bezpieczników mają tzw. miejsca zwarciowe oraz przeciążeniowe, w których rozpo-czyna się proces topienia odpowiednio przy zwarciach i przeciążeniach. Uzyskuje się to przez wykonanie na nich przewężeń lub otworów (miejsca zwarciowe) oraz przez naniesienie na element topikowy lutowia cynowo-ołowianego o tempera-turze topnienia niższej od miedzi. Wykorzystuje się przez to tzw. efekt metalurgiczny polegający na
wzajemnej dyfuzji cząstek na pograniczu roztopionego lutowia i topika, przyspieszający proces topienia tego ostatniego. W elementach topikowych dwuczęściowych lutowanych przy przeciążeniach następuje roztopienie lutowia i rozdzielenie zlutowanych elementów topika, między którymi zapala się łuk elektryczny. Przy przepływie prądu zwarciowego element topikowy nagrzewa się bardzo szybko (w czasie około 1 ms) do wysokiej temperatury, co powoduje jego rozpad i zapłon kilku łuków. Na skutek znacznej wartości napięcia łuku szybko narasta prąd wsteczny. Prąd wypadkowy maleje do zera, co powoduje zgaszenie łuku zanim prąd zwarciowy osiągnie największą wartość. Bezpieczniki topikowe ograniczają więc prąd zwarciowy. W przypadku przepływu prądu przeciążenio-wego element topikowy nagrzewa się znacznie wolniej. Łuk, który zapala się po pojawieniu się przerwy w miejscu przeciąże-niowym, wydłuża się zbyt wolno, aby mógł zostać przerwany przy najbliższym przejściu prądu przez zero. Prędkość topienia materiału topika zmniejsza się z czasem z powodu zmniejszania się wartości skutecznej prądu na skutek coraz dłuższych przerw bezprądowych. Działa tutaj swoiste sprzężenie zwrotne: zwiększanie się przerwy łukowej powoduje ograniczenie czynnika (zmniejszenie prądu łuku), który powoduje to zwiększenie. Wkładki bezpie-czników topikowych dzielą się generalnie na:
- wkładki o pełno zakresowej zdolności wyłączania,
- wkładki o niepełno zakresowej zdolności wyłączania.
Pierwsze z nich są zdolne do wyłączania prądów począwszy od najmniejszych wartości powodują-cych przetopienie topika (prądy znamionowe bezpieczników), aż do właściwych im znamionowych prądów wyłączalnych. Natomiast wkładki należące do drugiej grupy są zdolne do wyłączania prądów począwszy od pewnej krotności prądów znamionowych, np. (4...6) Inb do znamionowych prądów wyłączalnych. Charakterystyka prądowo-czasowa wkładki bezpie-cznikowej może być przedstawiona jako zależność średnich czasów przedłukowych od wartości prądu przepływaj-ącego przez bezpiecznik. Przy czym w zakresie dużych wartości prądów podaje się wartości skuteczne składowej okresowej prądu zwarciowego (Ip). Charakterystyka wkładki bezpie-cznikowej może być także podana w postaci pasmowej reprezentowanej przez krzywe graniczne: krzywą najkrótszych czasów przedłukowych oraz krzywą najdłuższych czasów wyłączania. Charakterystyki pasmowe stosuje się w analizie warunków wybiorczego działania bezpieczników. Wytwarza się wkładki bezpiecznikowe o następujących charakterystykach prądowo-czasowych pełno zakresowych :
- szybkiej (zwykłej),
- zwłocznej,
- bardzo szybkiej,
- zwłoczno bardzo szybkiej,
- dobezpieczeniowej.
Wkładki o charakterystykach szybkich są stosowane w obwodach, w których prądy robocze nie przekraczają nawet w krótkim czasie dwukrotnej wartości prądu znamionowego wkładki. Przy większych krotnościach oraz w przypadkach, w których dąży się do zapewnienia lepszych warunków wybiórczości, stosuje się wkładki o charakterystykach zwłocznych. Do zabezpieczeń elementów energoelektronicznych stosuje się wkładki o charakterystykach bardzo szybkich. Wkładki zwłoczno bardzo szybkie są stosowane przede wszystkim w kopalniach głębinowych założonych wybuchami, do zabezpieczania odbiorników o częstych i ciężkich rozruchach. Zdolność wyłączalna (prąd wyłączalny) bezpiecznika jest to największa wartość skuteczna składowej okresowej prądu zwarciowego (prąd początkowy), który bezpiecznik może przerwać w danych warunkach pracy bez uszkodzenia.
Zdolność wyłączalną określa się tzw. prądem spodziewanym, tj. prądem jaki wystąpiłby, gdyby obwód nie został przerwany. Prąd ograniczony bezpiecznika jest to największa wartość chwilowa prądu zwarciowego podczas działania bezpiecznika, występuj-ąca w chwili zapłonu luku, w czasie krótszym niż prąd osiągnie wartość prądu udarowego. Ze względu na konstrukcję od której zależą właściwości i przezna-czenie, bezpieczniki można podzielić na:
- dobezpieczeniowe,
- aparatowe,
- specjalne.
Bezpieczniki zaliczane do dwóch pierwszych grup mają największe znaczenie i najszersze zasto-sowanie. Bezpieczniki dobezpie-czeniówe mają specjalną konstru-kcję przystosowaną do umieszczania ich w wyłącznikach samoczynnych i mają za zadanie rozszerzenie zakresu stosowania takich łączników do obwodów, w których spodziewane wartości prądów zwarciowych przekraczają ich zdolności wyłączalne. Bezpieczniki aparatowe, wykonywane na prądy znamionowe od kilkudziesięciu miliamperów do kilku amperów, są stosowane do zabezpieczania urządzeń pomiarowych, obwodów pomocniczych, zasilaczy urządzeń elektronicznych itp. Bezpieczniki specjalne to bezpieczniki trakcyjne, samochodowe itp. Części składowe bezpiecznika instalacyjnego to:
- podstawa (gniazdo),
- pokrywa gniazda,
- wstawka kalibrowana,
- wkładka topikowa,
- główka bezpiecznikowa.
Bezpieczniki instalacyjne buduje się na prądy znamionowe od 6 do 200 A o charakterystykach szybkich (Bi-Wts) oraz zwłocznych (Bi-Wtz). Zwarciowa zdolność wyłączalna bezpieczników instalacyjnych wynosi 50 kA (niekiedy 100 kA) dla prądu przemiennego i 25 kA dla prądu stałego. Bezpieczniki instalacyjne stosuje się do zabezpieczania przed skutkami zwarć odbiorników przemysłowych i komunalnych oraz obwodów instalacji odbiorczych i linii zasilających o prądach roboczych do 63 A. Bezpieczniki małogabarytowe są podobne konstrukcyjnie do bezpieczników instalacyjnych, lecz są od nich znacznie mniejsze. Produkuje się je na napięcie 500 V i prądy znamionowe od 2 do 25 A o charakterystykach szybkich (Bi-
Wtms) i zwłocznych (Bi-Wtmz). Zdolność wyłączalna bezpie-czników małogabarytowych wynosi 25 kA. Bezpiecznik wielkiej mocy (stacyjny) składa się z:
-izolacyjnej podstawy wyposażonej w uchwyty szczękowe oraz zaciski
przvłączeniowe,
-wkładki bezpiecznikowej wykonanej z ceramicznego korpusu wypełnionego piaskiem kwarcowym.
Bezpieczniki wielkiej mocy buduje się na prądy od 6 do 1250 A o charakterystykach szybkich (Bu-Wts) oraz zwłocznych (Bu-Wto). Ich zdolności wyłączalne przy napięciu 500 V wynoszą od 60 do 125 kA. Bezpieczniki stacyjne służą jako zabezpieczenie zwarciowe urządzeń elektroenergetycznych przemy-słowych i komunalnych oraz linii o dużych prądach znamionowych i zwarciowych.
PRZEKŁADNIKI
są szczególnego rodzaju transformatorami służą-cymi do transformacji, przy zachowaniu stałego stosunku, pierwotnych wartości napięć i prądów na wartości znormalizowane umożliwiające ich zdalny i bezpieczny pomiar za pomocą przyrządów o niewielkich zakresach pomiarowych i izolacji niskonapięciowej, a także zasilanie przekaźników automatyki sterowniczej i zabezpieczeniowej w sieciach elektroenergetycznych. Jedną z istotnych właściwości przekładników jest dokładność transformacji wielkości pierwotnych w określonych warunkach i zakresach zmian ich wartości. Do zasilania urządzeń pomiarowych (amperomierze, mierniki mocy, liczniki energii) stosuje się tzw. przekładniki pomiarowe chara-kteryzujące się dużą dokładnością transformacji w stanach ustalonych, przy wartościach pierwotnych zbliżonych do znamionowych. Przekładniki zabezpieczeniowe zasilające układy zabezpieczeń, w tym szczegółnie szybko działających zabezpieczeń zwarciowych, powinny z kolei charakteryzować się wierną transformacją prądów i napięć głównie w stanach nieustalonych(znaczne przetęże-nia,obniżone napięcie).
Przekładniki prądowe
będące praktycznie transformatorami pracującymi w stanie bliskim zwarcia, są budowane na wszystkie wartości napięć od 0,5 kV do najwyższych oraz na znamionowe prądy pierwotne I1n o znormalizowanych wartościach: 5,10,15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 75,100,150; 200. 300, 400, 500,
600, 800, 1000, 1200, 1600, 2000, 3000, 4000 A. Prądy znamionowe wtórne wynoszą 5 A, rzadziej 1 A lub 2 A. Przy prądach pierwotnych powyżej 4000 A stosuje się znamionowe prądy wtórne 10 A lub 20 A. Moce znamionowe przekładników określa się iloczynem kwadratu prądu wtórnego i impedancji znamionowej strony wtórnej. W zależności od potrzeb moce te wynosząod 2,5 do 90 V·A. Zwiększenie obciążenia ponad wartość znamionową powoduje zwiększenie błędów pomiarowych ponad klasę dokładności. Przekładniki prądowe dzielą się na pomiarowe i zabezpieczeniowe. Stosowane są następujące klasy dokładności przekładników pomiarowych: 0,1; 0,2; 0, 5 ; 1; 3 ; 5. W warunkach pracy przekła-dnika uznanych za normalne prąd pierwotny zawiera się w granicach 0,05-1,2 I1n. W tym zakresie zachowana jest klasa dokładności. Przekładniki przeznaczone do zabezpieczeń mają klasę dokładności oznaczoną symbolami SP i l OP. Dopuszczalne błędy wskazowe tych przekładników przy prądzie pierwotnym granicznym (P·l1n) wynoszą odpowiednio 5 i 10%. Współ-czynnik P wyznacza zakres prądów pierwotnych, w którym podczas trwania zwarcia ustalo-nego transformacja jest zadowalająca z punktu wymagania zabezpieczeń. Przekroczenie przez I1n krotności granicznej jest przyczyną znacznych błędów i silnego odkształcenia przebiegu prądu wtórnego. Stosuje się następujące krotności prądu I1n (znamionowe liczby przetężeniowe wskazowe) przekładników prądowych zabezpieczeniowych: 5, I0,15, 20 i 30. Przyrządy pomiarowe przyłączone do strony wtórnej przekładników prądowych są zagrożone uszkodzeniem lub zniszczeniem przez duże prądy szczególnie w czasie zwarć. Można temu zapobiec zachowując odpowiednią korelację właściwości zasilanych przyrządów i przekładników, określonych nastę-
pującymi parametrami:
-znamionowym prądem bezpiecznym przyrządów, oznaczającym najmniejszą wartość prądu pierwotnego, przy którym błąd całkowity przekładnika
prądowego jest nie mniejszy niż 10% przy obciążeniu znamionowym;
-znamionowym współczynnikiem bezpieczeństwa przyrządów FS, równym stosunkowi znamionowego prądu bezpiecznego przyrządów, do znamionowego prądu pierwotnego przekładnika. Inaczej mówiąc, współczynnik bezpieczeństwa przyrządów oznacza stopień ograniczenia prądu wtórnego przy przekroczeniu przez prąd pierwotny określonej granicy. Można przyjąć, że przy dowolnym wzroście prądu pierwotnego wartość skuteczna prądu wtórnego nie zwiększy się powyżej wartości 2I2n*FS. Istnieje analogia między współczynnikiem bezpieczeństwa przyrządów FS oraz liczbą przetężeniową, oznaczającą wielokrotność znamionowego prądu pierwotnego przekładnika, przy której jego błąd wskazowy wynosi określoną wartość, np.10%. Przekładniki prądowe składają się z rdzenia, wykonanego z blach transformatorowych lub specjalnych stopów żelazo-niklowych o dużej przenikalności magnetycznej początkowej i maksymalnej oraz z uzwojeń pierwotnego i wtórnego . Stosunek znamionowego prądu pierwotnego I1n do wtórnego I2n nazywany jest przekładnią znamionową przekładnika. Wytrzymałość zwarciowa cieplna przekładników prądowych jest charakteryzowana znamionowym krótkotrwałym prądem cieplnym Ith, odpowiadającym stosowanemu dotychczas prądowi cieplnemu jednosekundowemu Ic1. Dla przekładników krajowych zależnie od konstrukcji Ith = (60 = 240)I1n. Wytrzymałość zwarciową dynamiczną określa wartość szczytowa prądu równa 2,5 x Ith. Strumień magnetyczny w rdzeniu przekładnika zależy od przepływu pierwotnego (I1z1) i wtómego (12z2). Obydwa przepływy równoważą się w znacznym stopniu i strumień wypadkowy jest niewielki a indukcja w rdzeniu waha się w granicach 0,05-0,10 T. W przypadku przerwy w uzwojeniu wtórnym strumień wtórny nie równoważy strumienia pierwotne-go i indukcja wzrasta do około 1-1,5 T. Powoduje to wielokrotny wzrost strat w żelazie zagrażając przegrzaniem rdzenia i zniszczeniem izolacji. Ponadto w uzwojeniu wtórnym może indukować się napięcie rzędu kilku do kilkunastu kilowoltów. Zagraża to zniszcze-niem izolacji i porażeniem osób obsługujących urządzenia stacyjne. Dlatego, w każdej sytuacji kiedy przekładnik nie jest obciążony (miernikiem lub przekaźnikami) powinien być zwarty po stronie wtórnej. Przed odłączeniem obciążenia od przekładnika pracującego w układzie elektroenergetycznym należy najpierw zewrzeć jego uzwojenie wtórne. Przekładniki prądowe są urządzeniami jednofazowymi. Wykonuje się je jako jedno- lub wielordzeniowe, najczęściej z dwoma lub trzema rdzeniami umieszczonymi we wspólnej obudowie. Uzwojenia strony wtórnej mogą różnić się mocą znamionową i klasą dokładności, mogą do nich być przyłączone różne przyrządy (amperomierze, watomierze, liczniki energii elektrycznej, przekaźniki zabezpieczeniowe).
Przekładniki Ferrantiego
służą do pomiaru składowej symetrycznej zerowej prądu w układach trójfazowych. Działają na zasadzie sumowania magnetycz-nego prądów, dzięki czemu mogą wykrywać bardzo małe prądy składowej zerowej, nawet o trzy rzędy wielkości mniejsze od prądów znamionowych poszcze-gólnych faz. Rdzenie przekła-dników Ferrantiego, o kształcie pierścieniowym,wykonuje się z dobrych materiałów magnetycznie miękkich metalicznych charakte-ryzujących się dużą przenika-lnością magnetyczną początkową. Uzwojenie wtórne składa się z około stu zwojów nawiniętych na rdzeń. Duże okno rdzenia umożliwia przeprowadzenie przez nie przewodów obwodu trójfazowego, które stają się uzwojeniem pierwotnym przekładnika.Najczęściej wykonuje się przekładniki Ferrantiego przystosowane do nasuwania na końcówkę kabla trójżyłowego. Znacznie rzadziej wykonuje się przekładniki nakładane na przewody szynowe, potrzebne głównie do pomiaru prądów składowych zerowych w przyłączach generatorów pracujących bezpośrednio na szyny zbiorcze. W przypadku kiedy oprócz żył fazowych przez okno przekładnika Ferrantiego przechodzi powłoka ołowiana lub pancerz stalowy, przewód uziemiający połączony z końcami tych elementów przewodzących należy przeprowadzić z powrotem przez to okno. Przyczyną błędów pomiarowych przekładników z sumowaniem magnetycznym są różnice między indukcyjnościami wzajemnymi między poszcze-gólnymi przewodami fazowymi a uzwojeniem wtórnym. Błędy te można zminimalizować przez staranne instalowanie przekła-dników. Większą dokładność pomiaru składowych zerowych prądu uzyskuje się przy większych mocach na impedancji obciążenia. Największe moce uzyskuje się przy impedancji obciążenia równej impedancji magnesowania przekładnika.
Przekładniki napięciowe
będące praktycznie transformatorami pracującymi w stanie bliskim stanowi jałowemu, są produkowane z uzwojeniami pierwotnymi na napięcia równe wszystkim napięciom znormalizo-wanym oraz napięciom znormalizowanym podzielonym przez pierw.\3. Pierwsze z nich mają obydwa zaciski uzwojenia pierwotnego izolowane i są przeznaczone do pomiaru napięcia
międzyprzewodowego, drugie natomiast są przeznaczone do pomiaru napięć fazowych przy uziemionym jednym zacisku uzwojenia pierwotnego. Przekładniki napięciowe mogą mieć jedno lub dwa uzwojenia wtórne. Podstawowe uzwojenie wtórne służy zwykle do pomiaru napięcia fazowego stanowiąc jedno z ramion układu gwiazdowego utworzonego z dwoma innymi przekładnikami. Uzwojenie wtórne dodatkowe (w przekładnikach z dwoma uzwojeniami wtórnymi) przeznaczone jest do połączenia w trójkąt i pomiaru napięcia składowej symetrycznej zerowej. Napięcie znamionowe uzwojenia wtórnego podstawowego wynosi 100 V, a przy napięciu znamionowym pierwotnym U1n/\3 jest równe 100 /\3 V. W niektórych przypadkach, np. przy rozbudowanych obwodach wtórnych, stosuje się przekładniki o napięciu wtórnym równym odpowiednio 200 V i 200/3 V. Napięcie znamionowe uzwojenia wtórnego dodatkowego może wynosić 100,100 /3 lub 100/3 V. Przekładniki napięciowe mają moce znamionowe od 10 do 500 V·A, przy współczynniku mocy obwodu wtórnego równym 0,8 (indukcyjnym). Natomiast ich klasy dokładności wynoszą: 0,1; 0,2; 0,5; 1 i 3 przy napięciu pierwotnym równym 0,8 =1,2 U", i obciążeniu od 25 do 100 o/o obciążenia znamionowego. Przekładniki przeznaczone do zasilania obwodów napięciowych przekaźni-ków zabezpieczeniowych mają uzwojenia wtórne, których klasę dokładności oznacza się symbolami 3P i 6P, co określa możliwość wystąpienia błędu napięciowego odpowiednio 3 i 6% oraz błędu kątowego odpowiednio 120 i 240 min. dla U1 >_ 0,05U1n. Iloraz znamionowego napięcia pierwotnego U1n i wtórnego U2n nazywa się przekładnią przekładnika napięciowego:
=U1n/U2n. Jak wynika z (7.17) błąd napięciowy ma dwie składowe. Jedna jest skutkiem przepływu prądu magnesującego Iu przez uzwojenie pierwotne i spadku napięcia na impedancji Z1. Druga składowa (U2) jest spowodowana przepływem prądu obciążenia I2 i spadkiem napięcia na impedancji uzwojeń Z1 i Z2. Składowa ta zależy od obciążenia przekładnika. W przekładnikach napięciowych należy liczyć się również z błędem kątowym δu. Błąd ten jest równy kątowi między wskazem napięcia wtórnego i pier-wotnego. W przypadku, kiedy wskaz napięcia wtórnego wyprzedza wskaz napięcia pierwotnego, błąd kątowy jest dodatni. W przypadku przekładników, których przekładnia jest oznaczona ilorazem liczby zwojów uzwojenia pierwotnego i wtórnego błąd napięciowy jest ujemny. Dodanie kilku zwojów do uzwojenia wtórnego lub odjęcie odpowiedniej ich liczby od uzwojenia pierwotnego (poprawka zwojowa), przy zachowaniu oznaczenia przekładni, powoduje zmniejszenie błędów napięciowych.
Budowa przekładników napięciowych indukcyjnych na napięcia wysokie i najwyższe (> 100 kV) wymaga dużych nakładów przede wszystkim na wykonanie izolacji uzwojenia pierwotnego. Tańszym rozwiązaniem jest stosowanie przekładników napięciowych pojemnościowych, składających się z pojemnościowego dzielnika napięcia i przekładnika indukcyjnego. Napięcie po stronie wtórnej dzielnika wynosi od 4 do 20 kV i jest dalej zmniejszane przez przekładnik indukcyjny (napięcie znamionowe strony wtórnej wynosi zwykle 100 V). Jednym z dodatkowych elementów dzielnika napięciowego pojemnościowego jest dławik Lk kompensujący spadki napięć na pojemnościach dzielnika pocho-dzących od prądu obciążenia strony wtórnej i prądu magnesowa-nia przekładnika indukcyjnego. Dzielnik pojemnościowy przekła-dnika jest często wykorzystywany do sprzęgania linii elektroe-nergetycznej z urządzeniami komunikacyjnymi nadawczo-odbiorczymi pracującymi przy wielkiej częstotliwości (w. cz.). Indukcyjność Lw.cz. separuje sygnał wielkiej częstotliwości od ziemi, stanowiąc pomijalną reaktancję dla przebiegów o częstotliwości 50 Hz. Natomiast pojemności dzielnika stanowią dla sygnału w. cz. Niewielką reaktancję.
ROZDZIELNICE
Rozdzielnica to zespół urządzeń elektrycznych, składający się z aparatury rozdzielczej, zabezpie-czeniowej, pomiarowej, sterowni-czej i sygnalizacyjnej, wraz z szynami zbiorczymi i elementami izolacyjnymi oraz konstrukcją mechaniczną i osłonową, przeznaczony do rozdziału energii elektrycznej przy określonym napięciu znamionowym. Polem nazywa się część rozdzielnicy zawierającą urządzenia przezna-czone do spełniania określonych zadań. Rozróżnia się następujące rodzaje pól:
-liniowe zasilające, do dopro-wadzenia energii elektrycznej do rozdzielnicy;
-liniowe odbiorcze, do odpro-wadzania energii elektrycznej z rozdzielnicy do odbiorców (odbiorników);
-transformatorowe, do przyłączenia transformatora zasilającego lub zasilanego z rozdzielnicy;
-pomiarowe, umożliwiające pomiar różnych wielkości elektrycznych;
-sprzęgłowe, do łączenia lub rozdzielania dwóch systemów lub dwóch sekcji szyn zbiorczych;
-odgromnikowe, umożliwiające zainstalowanie ogranicznika przepięć;
-potrzeb własnych, zasilające transformator potrzeb własnych. Ze względu na napięcie znamionowe rozróżnia się rozdzielnice: najwyższych napięć (NN), wysokich napięć (WN), średnich napięć (SN) i niskich napięć (nn). Ze względu na miejsce zainstalowania rozdzie-lnice dzieli się na napowietrzne i wnętrzowe. Rozdzielnice napowi-etrzne są instalowane na odpo-wiednio przygotowanym i ogrodzonym terenie. Ogrodzony teren wraz z rozdzielnicą i urządzeniami towarzyszącymi nazywa się rozdzielnią napowietrzną. Analogicznie, pomieszczenie lub budynek, w którym znajduje się rozdzielnica wnętrzowa oraz urządzenia towarzyszące, nazywa się rozdzielnią wnętrzową. Rozdzielnia jest jedną z części składowych stacji elektroene-rgetycznej lub jedyną w przypadku stacji rozdzielczej. W stacji transformatorowo-rozdzielczej jest zwykle rozdzielnia górnego napięcia (GN) i dolnego napięcia (DN) oraz stanowiska (napowietrzne) lub komory (wnętrzowe) transformatorowe. Zarówno rozdzielnice jak i całe stacje elektroenergetyczne powinny być tak skonstruowane, aby spełniały wymagania dotyczące prawidłowej pracy urzą-
dzeń w nich zainstalowanych oraz bezpieczeństwa osób obsługi, a także wymagania dotyczące oddziaływania na środowisko. W szczególności należy zapewnić właściwe odstępy izolacyjne pomiędzy elementami będącymi pod napięciem i należącymi do różnych faz lub obwodów oraz między tymi elementami a ziemią lub elementami uziemionymi. Zastosowane rozwiązania konstrukcyjne powinny uniemożliwiać zbliżenie się osób obsługi i osób postronnych na niebezpieczną odległość do urządzeń znajdujących się pod napięciem. Wszystkie urządzenia obwodów pierwotnych i łączące je przewody powinny być dobrane do warunków zwarciowych.
Szyny zbiorcze
Elementem rozdzielnicy pełniącym rolę węzła elektrycznego jest najczęściej zespół przewodów nazywanych zwykle szynami zbiorczymi. Do szyn zbiorczych dołączone są główne tory prądowe poszczególnych pól rozdzielnicy. Urządzenia należące do obwodów pierwotnych w poszczególnych polach rozdzielnicy są zwykle połączone przewodami szynowymi o konstrukcji takiej samej lub zbliżonej do tych, których użyto do wykonania szyn zbiorczych. Przewody szynowe mogą być giętkie lub sztywne. Pierwsze z nich mają postać gołych linek zawieszonych na izolatorach. Stosuje się je w rozdzielniach napowietrznych oraz w rozdzielniach wnętrzowych WN (rozdzielnie halowe). Na szyny zbiorcze i połączenia szynowe giętkie stosuje się przewody stalowo-aluminiowe. Przy dużych wartościach prądów oraz przy napięciach wyższych od 110 kV stosuje się tzw. przewody wiązkowe, tzn. po dwie, trzy i więcej linek stalowo-alumniowych na fazę. Szyny zbiorcze sztywne i połączenia szynowe sztywne wykonuje się z gołych płaskowników najczęściej aluminiowych. Przy większych wartościach prądów stosuje się po dwa lub trzy płaskowniki na fazę, a przy bardzo dużych wartościach prądów roboczych wykonuje się szyny w postaci ceowników, dwuceowników lub rur. Szyny zbiorcze rozdzielnic prądu przemiennego dobiera się ze względu na obciążalność prądową długotrwałą oraz sprawdza się ich odporność na cieplne działanie prądu zwarciowego. Ponadto szyny sztywne sprawdza się na działanie
dynamiczne prądu zwarciowego. Natomiast szyny giętkie przeznaczone do rozdzielnic na wysokie i najwyższe napięcia sprawdza się na zjawisko ulotu. Dobór szyn zbiorczych na obciążalność prądową długotrwałą polega na sprawdzeniu czy ta obciążalność jest większa od największego spodziewanego prądu ciągłego, przy uwzględnieniu miejsca i sposobu ich ułożenia. Sprawdzenie wytrzymałości szyn zbiorczych sztywnych na dynamiczne działanie prądu zwarciowego polega na wyznaczeniu występujących w nich naprężeń mechanicznych przy przepływie prądu zwarciowego i porównaniu tych naprężeń z największymi naprężeniami dopuszczalnymi dla danego kształtu i materiału szyn. Sprawdzenie szyn giętkich na zjawisko ulotu polega na obliczeniu dla nich napięcia początkowego ulotu i porównaniu go z napięciem roboczym.
Rozdzielnice wysokich napięć - roz. napowietrzne
Rozróżnia się dwie podstawowe konstrukcje rozdzielnic napowie-trznych: wysokie i niskie. W konstrukcji wysokiej szyny zbiorcze i odłączniki szynowe są na wysokości 8 = 10 m. Umożliwia to instalowanie pozostałych urządzeń
pod szynami. W rozdzielnicach niskich, tańszych i bardziej rozpowszechnionych, wszystkie urządzenia znajdują się na jednym poziomie. Długość i szerokość rozdzielnicy zależy także od wysokości umieszczenia urządzeń rozdzielczych. Konstrukcje niskie wymagają ogrodzenia urządzeń, zajmują więc większy teren. Rozwiązanie przestrzenne rozdzielnicy napowietrznej WN zależy od rodzaju zastosowanych odłączników szynowych i ich ustawienia. Odłączniki mogą mieć poziomą lub pionową przerwę izolacyjną. Odłączniki z poziomą przerwą izolacyjną mogą być ustawione równolegle lub szeregowo względem siebie w torach prądowych poszczególnych faz. Rozwiązanie konstrukcyjno- przestrzenne z równoległym ustawieniem odłączników nosi nazwę układu klasycznego lub grzebieniowego. Jego cechy charakterystyczne to: trójpoziomo-wy układ przewodów, duża wysokość i długość oraz mała szerokość pola rozdzielczego. Rozwiązanie konstrukcyjno-przestrzenne z szeregowym ustawieniem odłączników nazywa się układem kilowym. Występują tutaj tylko dwa poziomy prowadzenia przewodów, wysokość i długość pola jest mniejsza niż w układzie klasycznym, natomiast szerokość pola jest większa. Rozwiązaniem najbardziej przejrzystym i zajmującym najmniej terenu jest układ z zastosowaniem odłączników z pionową przerwą izolacyjną, z których każdy jest ustawiony pod miejscem przecinania się trasy szyny zbiorczej danej fazy z przewodem szynowym tej samej fazy pola rozdzielczego. Rozwiązanie takie nazywa się układem diagonalnym.
Rozdzielnice wnętrzowe.
W rozdzielnicach wnętrzowych WN są stosowane urządzenia rozdzielcze przystosowane do pracy w warunkach napowietrznych. Mimo to uzyskuje się znaczną oszczędność powierzchni, gdyż łączniki, przekładniki i inne urządzenia instaluje się pod szynami zbiorczymi. Szyny zbiorcze tych rozdzielnic mogą być giętkie (linki stalowo-aluminiowe) lub sztywne (rury ze stopów aluminiowych). Wymiary rozdzie-lnic z szynami sztywnymi są mniejsze. Nie trzeba stosować naciągu szyn.
Rozdzielnice gazowe z sześciofuorkiem siarki
Chcąc zmniejszyć wymiary rozdzielnic na napięcia wysokie i najwyższe, należy zastosować izolację o właściwościach znacznie lepszych od powietrza atmosferycznego. Poszukiwania lepszej izolacji polegały na przeprowadzeniu prób z olejem izolacyjnym, sprężonym powie-trzem, próżnią, sześciofluorkiem siarki, freonem i innymi gazami. Najlepszym z wymienionych mediów okazał się sześciofluorek siarki (SF6). Układy izolacyjne z SF6 przeszły już intensywny rozwój stając się klasycznym rozwiązaniem konstrukcyjno-technologicznym rozdzielnic produkowanych i instalowanych w krajach gospodarczo rozwiniętych od końca lat sześćdziesiątych. Szyny zbiorcze i wszystkie urządzenia rozdzielcze są umieszczone w hermetycznych osłonach (rurach i zbiornikach) wypełnionych sześciofluorkiem siarki o ciśnieniu od 0,20 do 0,55 Pa, wykorzystywanych jednocze-śnie jako konstrukcje nośne. Osłony wykonuje się ze stali oraz stopów niemagnetycznych (przy dużych prądach znamionowych). Kształty osłon powinny być zbliżone do kształtu cylindry-cznego w celu uzyskania możliwie jednorodnego pola elektrycznego. Obudowy rozdzielnic, wykonane zwykle z aluminium lub stopów aluminium, rzadziej ze stali niemagnetycznej, składają się ze szczelnych komór zawierających jedno lub kilka urządzeń. Każda komora jest wyposażona w membranę o zmniejszonej wytrzymałości mechanicznej, ulegającej zniszczeniu w ciągu kilku milisekund w przypadku nadmiernego wzrostu ciśnienia. Rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje rozdzielnic z SF6: rozdzielnice, w których szyny zbiorcze dla poszczególnych faz znajdują się w oddzielnych osłonach (izolacja jednobie-gunowa) oraz rozdzielnice, w których szyny zbiorcze dla wszystkich faz są umieszczone we wspólnej osłonie (izolacja trójbiegunowa). Urządzenia rozdzielcze (wyłączniki, rozłączniki, odłączniki, uziemniki) i inne urządzenia w rozdzielnicach z SF6 różnią się od tradycyjnych, stosowanych w rozdzielnicach napowietrznych i wnętrzowych. Opracowano nowe urządzenia, najczęściej o mniejszych wymiarach, przeznaczone wyłącznie do rozdzielnic z SF6. Modułowa konstrukcja elementów rozdzielnic, zawierających różne urządzenia, umożliwia budowę rozdzielnicy o dowolnym układzie szyn zbiorczych oraz o dowolnym wyposażeniu pól i różnym sposobie zasilania. Poszczególne moduły montuje się za pomocą śrub stosując specjalne uszczelnienia. Każdy moduł jest wyposażony w urządzenia do kontroli ciśnienia gazu oraz sygnalizacji uszkodzenia. Do zalet rozdzielnic z SF6 można zaliczyć:
-małe gabazyty (kilka do kilkunastu razy mniejsze w porównaniu do rozdzielnic tradycyjnych),
-wykonywanie kompletnych rozdzielnic w zakładzie produkcyjnym,
-oszczędność materiałów (ok. pięciokrotne mniejszenie zużycia materiałów przewodzących oraz ok. trzydziestokrotne zmniejszenie zużycia materiałów izolacyjnych),
-niewrażliwość na czynniki atmosferyczne,
-bezpieczeństwo obsługi i brak szkodliwego oddziaływania na środowisko,
-łatwa i prosta konserwacja.
Rozdzielnice średnich napięć
W tradycyjnych rozdzielnicach średnich napięć podstawową izolacją między elementami urządzeń należących do różnych faz oraz ziemią jest powietrze. Istnieje jednak stała tendencja do coraz szerszego stosowania materiałów izolacyjnych stałych do izolowania niektórych, a nawet wszystkich torów prądowych rozdzielnic, uzyskując znaczne zmniejszenie ich wymiarów. Produkuje się także rozdzielnice średnich napięć izolowane sześciofluorkiem siarki (SF6).Mimo swojej nowoczesności rozdzielnice te nie są jeszcze rozpowsze-chnione ze względu na wysoką cenę. Istnieje duża różnorodność rozwiązań rozdzielnic SN prefabrykowanych. Ze względu na sposób wykonania ochrony przed dotknięciem części pod napięciem oraz możliwością przedostania się ciał stałych, rozróżnia się rozdzielnice otwarte i osłonięte. Dostęp do urządzeń zainstalo-wanych w rozdzielnicy może być jedynie od przodu lub od przodu i od tyhz. Ze względu na sposób połączenia łączników z innymi elementami rozdzielnicy, dzieli się je na jedno- i dwu- członowe. Szyny zbiorcze rozdzielnic wnętrzowych wykonuje się głównie
z płaskowników aluminiowych. Od niedawna niektórzy wytwórcy stosują także szyny miedziane. Rozdzielnice otwarte są ograniczone częściowo lub całkowicie osłonami siatkowymi lub mieszanymi - siatkowymi i pełnymi. Od strony tylnej rozdzielnice mogą być zabezpieczone tylko poręczami ochronnymi. Rozdzielnice osłonięte są ograniczone osłonami pełnymi ze wszystkich stron. Drzwi są również pełne. Do osłoniętych zalicza się również takie rozdzielnice, w których wszystkie części będące pod napięciem są pokryte izolacją stałą, np. zalane żywicą epoksydową, a także rozdzielnice hermetyczne izolowane sześciofluorkiem siarki. Rozdzielnice prefabrykowane SN montuje się z jednakowych członów zawierających pola liniowe, transformatorowe, pomiarowe i inne. Niektóre typy rozdzielnic produkowane przemysłowo zawierają kilkanaście do kilkudziesięciu różnych pól, spełniających większość uwarun-kowań technicznych i eksploatacyjnych. Podstawowe parametry tych rozdzielnic (prądy znamionowe pól zasilających i odbiorczych, wytrzymałość zwarciowa cieplna i dynamiczna) zależą od zastosowanych urządzeń, a przede wszystkim od wyłączników. Obecnie powszechnie stosowane są rozdzielnice jedno- i dwuczłonowe. Te ostatnie są bardziej nowoczesne i bezpieczne w eksploatacji ze względu na brak odłączników w rozdzielnicach o pojedynczym systemie szyn zbiorczych.
Rozdzielnice jednoczłonowe
Dwa podstawowe typy rozpowszechnionych obecnie rozdzielnic jednoczłonowych na średnie napięcie to rozdzielnice typu WRS i RU. Pierwsze z nich to
rozdzielnice wolnostojące z pojedynczym systemem szyn zbiorczych, przeznaczone do sieci o napięciu 15 i 20 kV. Przystosowane są głównie do pracy z wyłącznikami krajowymi SCI4. Rozdzielnice drugiego typu (RU) są wykonywane z pojedynczym i podwójnym systemem szyn zbiorczych, mają budowę dwukondygnacyjną. W przypadku rozdzielnic WRS produkuje się ponad 40 pól rozdzielczych o różnym przeznaczeniu. Każde z nich można zaliczyć do jednego z podstawowych rodzajów. Są to pola:
- transformatorowe,
- liniowe odpływowe,
- liniowe zasilania rezerwowego,
- sprzęgłowe,
- baterii kondensatorów,
- transformatorów uziemiających,
- pomiarowe,
- odgromnikowe.
Pola liniowe mogą być z wyprowadzeniami napowietrznymi lub kablowymi i mogą być wyposażone w przekładniki prądowe i napięciowe oraz w uziemniki. Do pól transformatorowych mogą być przyłączane transformatory o mocy
6,3 = 25 MV·A. Rozdzielnice RU składają się z pól podzielonych na dwie części. W części górnej pola znajdują się szyny zbiorcze oraz - zależnie od potrzeby - odłącznik szynowy, uziemnik, wyłącznik, przekładniki prądowe. W części dolnej znajdują się elementy służące do przyłączenia kabla, mogą być także dodatkowe urządzenia (odłącznik liniowy z uziemnikiem, przekładniki prądowe). Z powodu dwuczę-ściowej budowy rozdzielnice RU muszą być instalowane w pomieszczeniach z podpiwni-czeniem. Dotyczy to pól liniowych kablowych, których jest zwykle najwięcej. Pola sprzęgłowe, transformatorowe, pomiarowe, odgromnikowe, mają tylko część górną.
Rozdzielnice dwuczłonowe
składa się z członu stałego i ruchomego. Człon stały danego pola grupujący część urządzeń rozdzielczych jest przymocowany do fundamentu. Część ruchoma jest wykonana np. w postaci wysuwanego wózka. Obydwie części mogą być łączone i rozłączane za pomocą specjalnych
napędów. Do łączenia służą rozłączne zestyki międzyczłonowe, które w rozdzielnicach jednosystemowych zastępują odłączniki. W członie stałym rozdzielnicy są trzy komory wysokiego napięcia oddzielone od siebie metalowymi przegrodami. Są to komory: szyn zbiorczych, członu ruchomego i przyłączeniowa. Główny tor prądowy każdej fazy przechodzi przez dwa izolatory przepustowe, w których znajdują się styki łączników międzyczłonowych. Oprócz zwykłych rozdzielnic jedno- i dwuczłonowych wytwarzane są także, znacznie od nich droższe, rozdzielnice SN izolowane sześciofluorkiem siarki. Pojedyncze pole rozdzielnicy jest podzielone na dwie szczelne komory:szynową i wyłącznikową. Rozdzielnice izolowane SF6 są bezpieczne dla środowiska i niewrażliwe na jego wpływy, charakteryzują się dużą niezawodnością oraz bardzo małymi wymaganiami dotyczącymi obsługi.
Rozdzielnice niskiego napięcia.
W porównaniu do rozdzielnic średniego i wysokiego napięcia rozdzielnice niskiego napięcia charakteryzują dużą różnorodnością rozwiązań konstrukcyjnych. Przemysł krajowy produkuje kilkanaście różnych konstrukcji rozdzielnic jedno- i dwuczłonowych, wolnostojących i przyściennych. Rozdzielnice prefa-
brykowane można podzielić na trzy podstawowe rodzaje: skrzynkowe, szkieletowe i bezszkieletowe. Różnią się one sposobem wykonania części wsporczych, mocujących poszczególne elementy. Rozdzielnice skrzynkowe montuje się z pojedynczych skrzynek najczęściej żeliwnych, rzadziej wykonanych z blachy lub materiałów izolacyjnych. Skrzynki są znormalizowane i mają określone przeznaczenie (skrzynki szynowe, bezpiecznikowe, wyłącznikowe). Rozdzielnice skrzynkowe montuje się przeważnie przy ścianach pomieszczeń na wspornikach z kształtowników stalowych. Powszechność stosowania tego rodzaju rozdzielnic w instalacjach przemysłowych na napięcie do 500 V i prąd znamionowy do 600 A wynika z następujących ich zalet:
-niewielkie wymiary,
-łatwość montażu i rozbudowy,
-dobra ochrona przed narażeniami mechanicznymi i środowiskowymi
-możliwość instalowania w pomieszczeniach ogólnodostępn.,
-bezpieczna obshxga.
Rozdzielnice szkieletowe jednoczłonowe są wykonane z kształtowników stalowych spawanych lub skręcanych śrubami. Na ramach wykonanych z tych kształtowników wewnątrz pola rozdzielnicy montuje się ciężkie urządzenia rozdzielcze (wyłączniki, przekładniki, bezpieczniki). Natomiast na czołowej płycie osłonowej umieszcza się napędy łączników, przyciski sterownicze, przyrządy pomiarowe itp.
Rozdzielnice bezszkieletowe są wykonane z odpowiednio ukształtowanych blach skręco-nych śrubami. Blachy te stanowią osłony między poszczególnymi polami rozdzielnicy oraz między urządzeniami rozdzielczymi. Rozdzielnice bezszkieletowe nie różnią się zasadniczo pod względem właściwości mecha- nicznych i elektrycznych od rozdzielnic szkieletowych, są lżejsze i bardziej estetyczne. Obecnie coraz szerzej stosuje się rozdzielnice dwuczłonowe kostkowe o różnych odmianach konstrukcyjnych. Jedną z pierwszych konstrukcji tego rodzaju były rozdzielnice typu UNIBLOK, przeznaczone do rozdziału energii elektrycznej w zakładach przemysłowych, do sterowania i zabezpieczania odbiorników przed skutkami przeciążeń i zwarć. Pojedyncze pole takiej rozdzielnicy składa się z członu stałego, stanowiącego szafę lub część szafy wraz z szynami i podstawą wózka, oraz członu ruchomego (wózka) z umieszczonymi na nim urządzeniami łączeniowymi obwodu głównego i obwodów pomocniczych. Tory prądowe główne oraz fagmenty szyn są izolowane materiałami izolacyjnymi stałymi, najczęściej żywicami termoutwardzalnymi. Połączenia elektryczne między urządzeniami członu ruchomego z szynami zbiorczymi w członie stałym uzyskuje się za pomocą styków szczękowo-segmentowych. Do połączenia obwodów pomocniczych stosuje się złącza wtykowe. Ze względu na swoją konstrukcję rozdzielnice kostkowe umożliwiają szybką wymianę całego uszkodzonego zespołów, np. zasilania jednego z odbiorów, na rezerwowy, co znacznie skraca czas przerw awaryjnych.
DOBÓR URZĄDZEŃ ELEKTRYCZNYCH
Kryteria podstawowe. Urządzenia elektryczne mające pracować w określonych warunkach środo-wiskowych i technicznych powinny być dobrane w taki sposób, żeby charakteryzujące je parametry i właściwości zapewniały ich prawidłowe działanie w czasie technicznie i ekonomicznie uzasadnionym. Wymagania stawiane urządzeniom elektry-cznym można podzielić na pod-stawowe i dodatkowe. Wymagania (kryteria) podstawowe obowiązują przy doborze wszystkich urządzeń elektrycznych. Wynikają one z narażeń środowiskowych, warunków napięciowych, obciążeń prądem roboczym oraz oddziaływań cieplnych i dynamicznych prądów zwarcio-wych. Do wymagań dodatkowych zalicza się wymagania (kryteria) szczegółowe dotyczące urządzeń
określonego rodzaju. Kryterium środowiskowe Ze względu na narażenia środowiskowe urządzenia elektryczne dzielą się ogólnie na napowietrzne i wnętrzowe. Różnią się one głównie rodzajem obudów lub osłon oraz wykonaniem izolacji. Generalnie rzecz biorąc, urządzenia wnętrzowe nie mogą pracować w warunkach napowietrznych. Natomiast w większości przypadków urządzenia w wykonaniu napowietrznym mogą być instalowane w pomieszczeniach. Należy jednak brać pod uwagę warunki ich chłodzenia oraz zagrożenie jakie mogą stwarzać dla otoczenia.
Kryterium napięciowe
Spełnienie kryterium napięciowego polega na doborze urządzenia o napięciu znamionowym równym napięciu znamionowemu sieci w miejscu zainstalowania. W przypadku środowiska charakteryzującego się dużym stopniem zanieczyszczenia należy stosować urządzenia o napięciu znamionowym o jeden stopień wyższym, chyba że mają izolację w wykonaniu przeciwzabrudzeniowym. Wytrzymałość izolacji urządzeń elektrycznych jest na ogół wystarczająca w odniesieniu do przepięć wewnętrznych. Natomiast w przypadku zagrożenia przepięciami atmosferycznymi, których amplitudy przekraczają zwykle poziom izolacji urządzeń, należy stosować odpowiednie środki ochrony odgromowej i przepięciowej.
Kryterium obciążenia prądem roboczym
Spełnienie kryterium obciążenia prądem roboczym polega na niedopuszczeniu do nadmiernego przyrostu temperatury torów prądowych oraz innych części urządzenia. Prądy znamionowe urządzeń In są określone przy obciążeniu ciągłym dla tzw. obliczeniowej temperatury otoczenia uo. Dla większości urządzeń rozdzielczych dopuszcza się krótkotrwałe przeciążenie prądem większym od granicznego prądu ciągłego. Dopuszczalne prze
ciążenia łączników nie przekraczają zwykle 1,2 In i mogą trwać do 30 minut. Ważne jest, żeby kolejne przeciążenia nie występowały częściej niż co 5 godzin.
Kryterium wytrzymałości dynamicznej przy zwarciach
Dynamiczna wytrzymałość zwarciowa urządzeń elektrycznych jest określana znamionowym prądem szczytowym isz. W przypadku łączników dodatkowym parametrem jest znamionowy prąd załączalny (największa wartość chwilowa prądu, którą łącznik może załączyć bez uszkodzenia). Kryterium jest spełnione, gdy prądy te są większe od największej wartości udarowego prądu zwarcia ip w miejscu zainstalowania urządzenia.
Kryteria dodatkowe
Dodatkowe kryteria doboru urządzeń elektrycznych różnią się między sobą zależnie od rodzaju urządzeń, do których się odnoszą. Liczba różnych wymagań stawianych urządzeniu jest zwykle tym większa, im bardziej jest skomplikowane i im ważniejszą funkcję pełni w układzie elektrycznym. Łączniki
Przy doborze wyłączników uwzględnia się dodatkowo m. in. Następujące parametry: prąd wyłączalny symetryczny, moc wyłączalną, określony cykl łączeniowy, czas wyłączenia (od podania impulsu wyłączającego do zgaszenia łuku), napięcie powrotne, rodzaj napędu. Wymienione parametry z wyjątkiem napięcia powrotnego uwzględnia się także w przypadku doboru rozłączników. Natomiast w przypadku odłączników spośród wymienionych parametrów uwzględnia się tylko rodzaj napędu. Wyłącznik lub rozłącznik będzie właściwie dobrany, gdy jego znamionowy prąd wyłączalny symetryczny będzie większy od największej spodziewanej wartości wyłączeniowego prądu zwarcio-wego, występującego po najkrótszym możliwym opóżnieniu rozdzielania się styków. Kierując się mocą wyłączalną należy zapewnić, żeby jej wartość znamionowa charakteryzująca wyłącznik była większa od mocy wyłączeniowej zwarciowej spodziewanej w miejscu zainstalowania wyłącznika.
Kryterium cyklu łączeniowego dotyczy m.in. przypadku współpracy wyłączników z automatyką SPZ (samoczynnego ponownego załączania). Zastoso-wany wyłącznik musi być przystosowany do dwukrotnego przerwania prądu zwarciowego w bardzo krótkich odstępach czasu. Dopuszczalne wartości i przebiegi napięć powrotnych wyłączników są
ustalane w' określonych warunkach próby. Dobór wyłącznika ze względu na to kryterium polega na porównaniu napięć powrotnych określonych przez jego wytwórcę z napięciami wyliczonymi, w oparciu o normę, dla sieci w miejscu zainstalowania wyłącznika.
Bezpieczniki wysokiego napięcia
Przy doborze bezpieczników wysokonapięciowych uwzględnia się następujące kryteria dodatkowe: napięcie wyłączalne, prąd wyłączalny, charakterystykę prądowo-czasową, charakterystykę prądów ograniczonych. Znamiono-we napięcie wvłączalne bezpiecznika powinno być równe lub tylko nieco wyższe od napięcia roboczego sieci w miejscu jego zainstalowania. Wyższe napięcia bezpieczników mogą być przyczyną przepięć w czasie ich działania wyższych niż dopuszczalne. Znamionowy prąd wyłączalny bezpiecznika powinien być nie mniejszy od wartości prądu zwarciowego początkowego.
Przekładniki.
Do kryteriów dodatkowych stosowanych przy doborze przekładników prądowych i napięciowych zalicza się moc znamionową i klasę dokładności. Moc znamionowa przekładnika powinna być większa od przewidywanego obciążenia obwodu wtórnego. W przypadku przekładników prądowych należy uwzględnić moc traconą na rezystancji przewodów i ich połączeń. Klasa dokładności powinna być odpowiednia do rodzaju przyrządów przyłączonych do uzwojenia wtórnego. W przypadku przekładników pomiarowych zaleca się, żeby klasa dokładności była o jeden stopień lepsza od klasy najbardziej
dokładnego miernika przyłączo-nego do przekładnika.
Dławiki zwarciowe
Ważnym kryterium dodatkowym dławików zwarciowych jest ich reaktancja znamionowa względna xnD.