WYA

CZNIKI NISKONAPI
CIOWE
1. A
uk elektryczny
własności fizyczne (rysunek 1)
Anoda
elektrony i jony dodatnie powstajÄ… w wyniku
jonizacji termicznej (temperatura kolumny
Å‚ukowej 4000  20000 K)
jon -
Ä™!
Ä™!
Ä™!e
Ä™!
elektrony przemieszczajÄ… siÄ™ w kierunku anody
jony dodatnie przemieszczajÄ… siÄ™ w kierunku
Ä™!
Ä™!
Ä™!e N
Ä™!
katody i bombardują ją  powoduje to zarówno
e
Ä™!
Ä™!
Ä™!
Ä™!
jon +
wzrost temperatury katody, jak i dodatkowÄ…
jon +
emisję elektronów
Ä™!e
Ä™!
Ä™!
Ä™!
wysoka temperatura stopy katodowej Å‚uku jest
Ä™!
Ä™!
Ä™!e
Ä™!
dodatkowym z
ródłem elektronów
jony ujemne wędrują do anody, bombardują
Katoda
jÄ… i nagrzewajÄ…
Rys.1. PoglÄ…dowy obraz zjawisk w Å‚uku
elektrycznym
własności elektryczne (rysunek 2)
napięcie łuku Ua jest sumą:
bezpośrednio po rozdzieleniu po rozsunięciu styków
Ua H" UAC + UL
styków
suma spadków w strefie anodowej
i katodowej UAC H" 20 ÷ 30 V = const
Anoda
Anoda
spadek napięcia na kolumnie łukowej
UL = EÅ"l
gradient napięcia w kolumnie łuku UAC
E = 50 ÷ 100 V/cm (l  dÅ‚ugość Å‚uku)
znak napięcia łuku Ua zmienia się
tak, jak znak prÄ…du Å‚uku
UL
Katoda
wartość prądu łuku nie ma
praktycznie żadnego wpływu na
napięcie łuku
energia Å‚uku:
Rys.2. Napięcie łuku
Wa = ua ia dt
z
elektrycznego
na kolumnÄ™ Å‚ukowÄ… umieszczonÄ… w
Katoda
polu magnetycznym o indukcji B
działa siła:
F = BiaL sinÄ…
© Copyright by WiesÅ‚aw Nowak, Kraków 2002
Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany za pomocą urządzeń
elektronicznych, mechanicznych, kopiujÄ…cych, nagrywajÄ…cych i innych bez pisemnej zgody posiadacza praw
autorskich.
str. 2/11
warunki gaszenia
łuk elektryczny gaśnie gdy wartość prądu łuku zbliża się do zera, bowiem energia oddawana
przez łuk staje się większa niż energia wewnętrzna wydzielana w łuku ( śmierć łuku z
zimna )  rysunek 3
i,u
ONS
Ud
Ua
Ur
i
a
Rys.3. Gaszenie Å‚uku elektrycznego
ia  prąd łuku, Ua  napięcie łuku, im  wartość prądu
niestabilności łuku, ONS  obszar niestabilności łuku,
i
m
Ur  napięcie robocze, Ud  wytrzymałość powrotna
t
przerwy połukowej
t
m
łuk może jednak nie zostać zgaszony, jeżeli odbiór ciepła z kolumny nie będzie
wystarczający  np. łuk pali się w pobliżu z
le przewodzącej ciepło ściany
również po zgaśnięciu łuku może się on ponownie zapalić w wyniku słabego wzrostu
wytrzymałości elektrycznej przerwy połukowej lub niekorzystego przebiegu napięcia
powrotnego (rysunek 4, 5 i 6)
L,r ia
i,u
Ud
i
c
Ua
C
E
Ur
i
a
L,r
«TRV
i
m
C TRV
E
i
t t
m
Rys.4. Mechanizm powstawania napięcia Rys.5. Napięcie powrotne w obwodzie DC
powrotnego
a) b)
i,u i,u
Ua
Ua
Ud +
Ud +
i
i
t
t
Ur
Ur
Ud -
Ud -
Rys.6. Napięcie powrotne w obwodzie AC: a) zgodne znaki napięcia łuku i napięcia
roboczego, b) przeciwne znaki napięcia łuku i napięcia roboczego
str. 3/11
2. Gaszenie Å‚uku elektrycznego
Ogólna postać równania obwodu z wyłącznikiem zamkniętym:
e  Ri  L di/dt = 0
Dla obwodu DC w stanie ustalonym:
I = e/R
I 0, jeżeli: e 0 lub R "
istnieją więc zasadnicze trudności przy wyłączaniu tych obwodów
Równanie obwodu po otwarciu wyłącznikia:
e  Ri  L di/dt  ua = 0
istnieje więc możliwość wyłączenia zarówno obwodu DC oraz AC przez zwiększanie
napięcia łuku ua
Dwie techniki wyłączania obwodów nN:
w warunkach prÄ…du ustalonego
z ograniczanie prÄ…du
3. Wyłączanie w warunkach ustalonych
Dotyczy wyłączeń w warunkach normalnych i awaryjnych prądów:
roboczych
przeciążeniowych
zwarciowych
3.1. Wyłączanie w obwodach DC
Przed otwarciem obwodu  rysunek 7a)  w obwodzie płynie prąd:
i0 = E/R (r H" 0)
Po otwarciu obwodu w czasie t0 (rysunek 7b):
E  Ri  L di/dt  ua(i) = 0
jeżeli ua > E, to ia 0
jeżeli ua < E, to ia = (E  Ua)/R `" 0
a) b) c)
Ua
i,u
ua
Ua
i0
Ur
L Ua
ia
U
E, r R
E
t
t0 ta t
t0
Rys.7. Wyłączanie obwodu DC w warunkach ustalonych
str. 4/11
Zakładając, że:
ua = E dla t = t0
ua = Ua dla t > t0
otrzymuje siÄ™ (rysunek 7c):
E Ua Ua
ia = - 1- expb- t Äg dla ia e" 0, ta = Äln
R R Ua - E
Energia Å‚uku (rysunek 8):
ta
L1+G1- Ua Ua
O
1 Ua
F I F Iln P
Wa = ua ia dt = Li2 2
G2 J J
z 0 M
H K H K
E E Ua - E
t0 N Q
L1+G1- Ua Ua 1
O,
Ua
F Iln P WL0 = Li2
Wa = WL0 2
J
M 0
H K
E E Ua - E 2
N Q
Wa ta
WL0 Ä
__
___
2 2
1.5 1.5
Wa
WL0
___
1 1
ta
Ä
__
0.5 0.5
Ua
0.2
1 1.5 2 3 5 10
E
__ Rys.8. Krzywe Wa / WL0 i ta / Ä
«optimum
Z rysunku 8 wynika, że:
jeżeli Ua = E , to Wa / WL0 = 2 i ta = "  brak możliwości wyłączenia obwodu
jeżeli Ua >> E , to Wa / WL0 = 1 i ta 0  ale moc łuku Wa / ta "
obszar optymalny: 1,5 < Ua / E < 2,5
str. 5/11
3.2. Wyłączanie w 1-fazowych obwodach AC
Napięcie i prąd w obwodzie przed otworzeniem wyłącznika:
u = E sinÉt
i = I0 cos(Ét + Õ)
ÉL
2
I0 = E / R2 +bÉLg , cos Õ =
2
b
R2 + ÉLg
Po otwarciu wyłącznika napięcie łuku zmienia biegunowość wraz ze zmianą biegunowości
prądu łuku  rysunek 9. Wyłączanie jest zdecydowanie łatwiejsze niż w obwodach DC, bowiem
jeżeli:
Ua e" E , to można wymusić wcześniejsze niż naturalne przejście prądu przez zero
Ua << E , to i tak prąd w sposób naturalny przechodzi przez zero
W obwodzie AC należy więc nie dopuścić do sytuacji, kiedy napięcie powrotne jest większe niż
wytrzymałość powrotna.
a) b)
i ,ua
a
Ua
Ua
IUaI
t
t
Rys.9. Przebieg prądu i napięcia łuku (a) oraz modułu napięcia łuku w obwodzie AC
3.3. Wyłączanie w 3-fazowych obwodach AC
Jeżeli przewód nautralny jest obecny w obwodzie wyłączanym:
warunki wyłączania są w każdej fazie takie same jak w układzie 1-fazowym
Jeżeli przewód nautralny nie jest obecny, to przy wyłączniu np. zwarcia 3-fazowego:
na pierwszym wyłączającym biegunie (np. w fazie A) pojawia się napięcie powrotne o
wartości składowej wymuszonej E  ( 0,5E) = 1,5E
po otwarciu bieguna fazy A prÄ…d w fazie B: IB =  IC
na pozostałych biegunach po ich otwarciu składowe wymuszonej napięcia powrotnego mają
wartości 3E / 2 = 0,866E
najgorsze warunki są więc w pierwszym biegunie wyłączającym wyłącznika i są one
zdecydowanie gorsze niż w układzie z przewodem neutralnym, gdzie składowa wymuszona
napięcia powrotnego ma wartość E
str. 6/11
4. Wyłączanie z ograniczaniem prądu
Dotyczy przede wszystkim wyłączeń w warunkach awaryjnych prądów:
zwarciowych (rysunek 10)
> w obwodach DC  przed osiągnięciem przez prąd wartości ustalonej
> w obwodach AC  przede wszystkim przed osiągnięciem przez prąd wartości udarowej
i
Ip
i
p
i
0
i
c
Rys.10. Prżebiegi prądu spodziewanego Ip
oraz prądu rzeczywistego przy wyłączaniu z
ograniczaniem prÄ…du
t0 ta t
warunki ograniczania prÄ…du
> odpowiednia szybkość wzrostu napięcia łuku
> odpowiednia wartość napięcia łuku
4.1. Wyłączanie w obwodach DC
2
Wa
PrÄ…d spodziewany:
WL0
___
E
ip = 1- expb- t Äg = Ip 1- expb- t Äg
15 R
Rozdzielenie styków następuje w czasie t0,
1.2
w którym ip = i0, a Å‚uk gaÅ›nie w czasie ta << Ä
k = 1
(rysunek 10). Przebieg energii wydzielonej
1
w łuku dla różnych współczynników
k = 0.9
0.95
ograniczenia prÄ…du k = i0 / Ip przedstawia
0.85
k = 0.8
rysunek 11.
0.75
k = 0.7
0.5
k = 0.6
0.3
k = 0.5
0.2
k = 0.25
Rys.11. Krzywe Wa / WL0 dla różnych
0
1 1.5 2 2.5 3 Ua wartości współczynnika ograniczania prądu
E
__
str. 7/11
4.2. Wyłączanie w obwodach AC
W obwodach AC żeby nie dupuścić do wystąpienia w obwodzie prądu udarowego otwarcie
biegunów wyłącznika ograniczającego musi nastąpić przed czasem 5 ms. Na ogół we
współczesnych wyłącznikach czas ten jest poniżej 2,5 ms! Dlatego w wyłącznikach
ograniczajÄ…cych wymagane jest stosowanie:
części ruchomych o bardzo małej bezwładności
stosowanie zewnętrzych z
ródeł energii przyspieszającej proces otwierania
4.3. Ograniczanie prÄ…du przez bezpiecznik topikowy
i
i
p
Warunek stopienia elementu topikowego dla
dużych prądów (przede wszystkim
zwarciowych)  przemiana adiabatyczna:
tpa
t
t
pa
R i2dt = mcT
z
0
U
Ua
gdzie: R  rezystancja topika, m  masa
Ur
topika, c  pojemność cieplna, T 
tepmeratura topnienia, tpa  czas
przedłukowy (rysunek 12).
t
i
i
a
Rys.12. Ograniczanie prÄ…du przez
bezpiecznik topikowy
t
4.4. Sposoby zwiększania napięcia łuku
stosowanie elementów topikowych jednorazowego użytku (w tym wkładek topikowych) lub
samoregenerujÄ…cych siÄ™ (np. sodowych lub potasowych)
stosowanie rezystorów o dodatnim współczynniku temperaturowym włączonych na stałe (dla
I < 100 A) lub bocznikujących styki wyłącznika (musi być dodatkowy szeregowy układ
zestykowy)
wykorzystanie naturalnej rezystancji Å‚uku elektrycznego
str. 8/11
4.5. Przyspieszanie rozdzielania styków wyłącznika
Stosowane sÄ… dwie metody:
odrzut styków
stosowanie ultraszybkich wyzwalaczy
UKA
ADY ODRZUTU STYKÓW
niezależne od wartości prądu
" mechaniczne: sprężynowe, pneumatyczne, hydrauliczne  pozwalają na osiągnięcie
czasów < 1 ms, ale ze względów ekonomicznych nie są stosowane w wyłącznikach
" chemiczne: odrzut styków następuje wskutek wybuch; wymagają po zadziałaniu
wymiany Å‚adunku; nie sÄ… to konstrukcje rozwijane od wielu lat
" elektryczne: energia przechowywana jest w kondensatorze  rysunek 13
F
Wyzwalanie
Odrzut powstaje w wyniku oddziaływania
D
prądów indukowanych w przewodzącym
B dysku D od impulsowego pola
magnetycznego wytworzonego przez płaską
C
cewkÄ™ B. y
ródłem prądu jest kondensator
Zasilanie
rozładowywany przez cewkę B. Układ ten jest
czasami stosowany w niektórych
konstrukcjach wyłączników ograniczających.
Rys.13. Odrzut elektryczny na zasadzie
Thomsona
niezależne od wartości prądu
" elektrodynamiczne: nie są wyposażone w obwody magnetyczne i działają z
wykorzystaniem sił elektrodynamicznych w pewnych konfiguracjach układów zestykowych 
rysunek 14
" elektromagnetyczne: są wyposażone w obwody magnetyczne i odrzut styków następuje
pod wpływem działania elektromagnesu  rysunek 15, 16 i 17
a) b)
Fr
Fm
Fm
i i
i i
Rys.14. Odrzut elektrodynamiczny: a) zwykły, b) wzmocniony w zestyku podwójnym
str. 9/11
F
A
i
rdzen
Fm
i
B
I
C
Rys.15. Odrzut elektromagnetyczny w Rys.16. Odrzut elektromagnetyczny w
instalacyjnym wyłączniku nadprądowym wyłączniku silnoprądowym
C  rdzeń ze szczeliną, B  cewka zwierana przez
element A
b)
Fm Fm
otwieranie
a) i
otwieranie
Fm Fm
i
i
i
c) otwieranie
Fm
i
2
i i
Rys.17. Odrzut elektromagnetyczny:a) obwód
i
2
magnetyczny typu U przyciągający, b) obwód
magnetyczny typu U odpychający, c) układ
dla dużych prądów
i i
5. Współczesne wyłączniki nN
5.1. Budowa
Mechanizm napędowy:
skokowy dwustabilny  pozycja ZAA

CZ / WYA
ACZ: stosowany w małych
wyłącznikach (In < 100 A)
skokowy trójstabilny (rysunek 19)  pozycja ZAA

CZ / WYZWOLONY / WYA

CZONY:
stosowany najczęściej w wyłącznikach przemysłowych; załączenie wyłącznika po
wyzwoleniu wymaga przesunięcia dz
wigni w pozycjÄ™ RESET
zasobnikowy  stosowany w wyłącznikach na duże prądy
str. 10/11
Wyzwalacze:
termo-magnetyczne (rysunek 19)  do wyłączenia wyłącznika pod wpływem zwarć
i przeciążeń
elektroniczne  stosowane są coraz częściej i pozwalają na swobodne kształtowanie
charakterystyki czasowo-prÄ…dowej
Układ zestykowy:
do ok. 100 A mogą być wykonane z miedzi, powyżej ze srebra
do ok. 630 A są wykonane jako jednonożowe, powyżej jako wielonożowe
musi być tak ukształtowany, aby nie wystąpiło samoczynne otwarcie przy przepływie prądu
zwarciowego
w wyłącznikach ograniczających zapewnia odrzut styku ruchomego
Komora gaszeniowa:
absorbowuje energię łuku elektrycznego (chłodzi łuk elektryczny)  np. jeżeli Ua = 500 V,
Ia = 10 kA przy czasie 2 s, to Wa = 10 kJ, Pa = 5 MW!
zapewnia dejonizację przerwy połukowej
stosuje się komory płytkowe z płytkami metalowymi (rysunek 18)
Ua H" N Uac + (L  Ne) UL
np. dla N = 10, L = 4 cm, e = 2 mm, Uac = 30 V, UL = 75 V/cm otrzymuje siÄ™ Uac = 350 V
e
i
e
L
styk ruchomy
N
e
e
styk nieruchomy
i
Rys.18. Komora gaszeniowa płytkowa wyłącznika nN
5.2. Kategorie
Wyłączniki nN są zgodnie z normą IEC947 2 wykonywane w dwóch kategoriach:
kategoria A (z ograniczaniem prądu)  nie wymagają dużej wytrzymałości
elektrodynamicznej
kategoria B (z ograniczaniem czasy)  ponieważ może płynąć przez nie prąd zwarciowy
ustalony wymagają bardzo dużej wytrzymałości elektrodynamicznej
Przkłady konstrukcji wyłączników nN przedstawiają rysunki 19, 20 i 21.
str. 11/11
Rys.19. Przekrój wyłącznika
ograniczajÄ…cego 400 A
w wykonaniu kompaktowym
elektroda
zacisk
bieznikowa
przylaczowy
gorny
komora
styk opalny
gaszeniowa
styk glowny Ag
komora
gaszeniowa
wal
napedowy
zacisk
gorny
styk ruchomy
obudowa
rygiel
zacisk
zamek
dolny
obwod
magnetyczny
przekladnik
pradowy
podlaczenie do wyzwalacza
wyzwalacza
Rys.20. Komora gaszeniowa wyłącznika Rys.21. Komora gaszeniowa wyłącznika
Compact NS  Merlin Gerin Masterpact  Merlin Gerin