Kierunek Elektrotechnika sem. VI LABORATORIUM TRAKCJI ELEKTRYCZNEJ. Ćwiczenie nr 6

Transkrypt

1 Kierunek Elektrotechnika sem. VI LABORATORIUM TRAKCJI ELEKTRYCZNEJ Ćwiczenie nr 6 Zwarcia w sieciach trakcyjnych prądu stałego - materiały pomocnicze i zakres ćwiczenia 1

2 Cel ćwiczenia: Zapoznanie się z zagadnieniami związanymi ze zjawiskami zwarciowymi w sieciach trakcyjnych prądu stałego oraz metodami obliczania prądów zwarciowych. Przeprowadzenie obliczeń prądów zwarć i wpływu poszczególnych parametrów na ich wartości. Dobór nastaw w.sz.. Wyznaczenie stałych czasowych narastania prądu w obwodzie zwarcia. 1. Wstęp W układzie zasilania trakcji elektrycznej prądu stałego można wyodrębnić trzy obwody charakteryzujące się specyficznymi warunkami pracy i parametrami elektrycznymi. Obwód pierwszy stanowi część zasilającego systemu elektroenergetycznego prądu przemiennego (źródła energii, sieci rozdzielcze, linie zasilające podstacje trakcyjne), obwód drugi obejmuje przekształtnikową podstację trakcyjną przetwarzającą energię prądu przemiennego na energię prądu stałego (transformator, prostownik, filtry wygładzające), zaś obwód trzeci, pełni rolę sieci rozdzielczej prądu stałego doprowadzającej energię prądu stałego do elektrycznych pojazdów trakcyjnych (rozdzielnia prądu stałego, sieć trakcyjna). Rys.1 Schemat dostawy energii elektrycznej do pojazdów trakcyjnych w systemie prądu stałego 3kV DC. Źródłem zasilania podstacji trakcyjnych jest system elektroenergetyczny (1). Podstacje trakcyjne PKP są zasilane napięciem 15, 20, 30 lub 110 kv. W innych krajach są stosowane również napięcia 10, 35, 66 i 132 kv. Dla warunków zasilania podstacji trakcyjnych istotna jest moc zwarciowa w stacji energetycznej zasilającej podstację trakcyjną oraz poziom napięcia zasilającego podstację. Linie zasilające (2) w zależności od lokalizacji podstacji względem stacji energetycznej mają długość od 0.1 km (stacja energetyczna przy podstacji) do ok. 20 km, mogą być wykonane jako napowietrzne, kablowe lub napowietrzne - kablowe, a ich przekrój wynosi najczęściej od 70 do 240 mm 2. Rozdzielnia prądu przemiennego (3) składa się przeważnie z następujących pól: dopływowych (linii zasilających), linii potrzeb nietrakcyjnych, zespołów prostownikowych, potrzeb własnych, sprzęgła. W polach znajdują się z zależności od potrzeb wyłączniki prądu zasilania powoduje automatyczne wyłączenie wyłącznika w drugim obiekcie zasilania). Po wyłączeniu nadprądowym lub uzależnionym następuje próba linii i w przypadku jej pozytywnego wyniku - samoczynne ponowne załączenie wyłącznika. Zostanie to szerzej opisane w dalszej części pracy. Poprzez kable zasilaczy (9) lub zasilacze napowietrzne prąd płynie od wyłączników szybkich do sieci trakcyjnej. Po obu stronach kabla zasilacza tj. zarówno od strony wyłącznika szybkiego jak i 2

3 od strony sieci trakcyjnej znajdują się ograniczniki przepięć. Sieć trakcyjna (10) składa się z sieci górnej i powrotnej (szyn kolejowych). Poprzez sieć trakcyjną prąd jest doprowadzany do pojazdów trakcyjnych (11). Szyny kolejowe są połączone kablami powrotnymi z szyną minusową podstacji (rys. 2). Do szyny minusowej są przyłączone bieguny -" prostowników. Przy szynie minusowej znajduje się urządzenie ochrony ziemnozwarciowej Efektywność wyłączania zwarć i trwałość wyłącznika szybkiego zależy od zdolności ograniczenia prądu zwarciowego. Na zdolność tą, z kolei wpływa typ konstrukcji mechanicznej (czas własny) wyłącznika oraz skuteczność przerywania łuku elektrycznego (układ gaszenia łuku cewka i komora). Dodatkowym elementem ograniczającym wartość przerywanego przez wyłącznik szybki prądu jest dławik urządzenia wygładzającego zmniejszający stromość narastania prądu płynącego w obwodzie zwarciowym. Wpływ dławika na jakość przebiegu prądu zwarcia jest szczególnie istotny przy zwarciach bliskich, gdy indukcyjność pętli zwarcia stanowią wyłącznie reaktancje obwodu zasilającego i transformatorów prostownikowych o niewielkich wartościach (przeliczonych do poziomu napięcia wyprostowanego) w stosunku do indukcyjności sieci trakcyjnej (rys. 3). W przypadku niezadziałania wyłącznika szybkiego przy zwarciu w sieci trakcyjnej lub wystąpienia zwarcia w obwodzie podstacji trakcyjnej (prostownika, szyn zbiorczych prądu stałego czy w obwodzie filtru bez bezpiecznika) wyłączenia obwodu spod napięcia dokonuje jeden z właściwych dla układu zasilania wyłączników mocy (WM) po stronie prądu przemiennego. Pobudzenie do otwarcia styków wyłącznika mocy jest inicjowane przez obwody wyzwalaczy pośrednich (bezzwłoczne lub zwłoczne) albo z opóźnieniem przez układy zabezpieczeń (ziemnozwarciowe, podnapięciowe). Rys.2 Schemat połączeń urządzeń elektrycznych w podstacji trakcyjnej 3kV DC. Do ważniejszych problemów związanych z funkcjonowaniem podstacji trakcyjnych i kabin sekcyjnych należą: - przepięcia łączeniowe, - powstawanie zwarć i ich wyłączanie; chodzi podstawowe o zwarcia w obwodach stałoprądowych, - eksploatacja wyłączników szybkich (w.sz.) prądu stałego. 3

4 Powyższe problemy sprowadzają się ogólnie do procesu wyłączania zwarć i dużych prądów roboczych w obwodach prądu stałego. Ponieważ w obwodach zasilanych napięciem stałym prąd nie przechodzi w sposób naturalny przez zero, jego wyłączanie, tj. doprowadzenie do wartości zerowej, musi być wymuszone. Stosuje się w tym celu następujące metody: - zwiększanie rezystancji łuku wyłączeniowego poprzez jego wydłużanie oraz intensywne odbieranie ciepła z kanału łukowego, - wymuszanie przejścia prądu przez zero przez wstrzykiwanie" do wyłączanego obwodu przebiegu zmiennoprądowego, pochodzącego z zewnętrznego źródła - tzw. wyłączanie przeciwprądem, - wymuszanie przejścia prądu przez zero poprzez wywołanie stanu niestabilnego palenia się łuku w obwodzie RLC dołączanym do wyłącznika. Bezpośredni związek z poruszonymi powyżej zagadnieniami ma istnienie indukcyjności w obwodzie, zarówno w układzie zasilania np. transformatory, dławiki, sieć trakcyjna, jak i w pojazdach trakcyjnych np. silniki trakcyjne, silniki maszyn pomocniczych, boczniki indukcyjne, dławiki filtrów wejściowych itp. Spośród wymienionych urządzeń dużą część indukcyjności obwodu stanowią dławiki, zwane ze względu na miejsce zainstalowania dławikami katodowymi. Wartość indukcyjności dławików waha się od 0.6 mh (koleje hiszpańskie), poprzez 1.8 mh do 6 mh (PKP), aż do 12 mh (koleje b. ZSRR). Każdy dławik włączony jest do obwodu tuż za prostownikiem trakcyjnym od strony bieguna +" i każdy prostownik posiada swój dławik. Wyjątkiem są koleje krajów b. ZSRR, gdzie dławik jest wspólny dla całej podstacji i jest włączany od strony bieguna -". Dławiki są stosowane w podstacjach z następujących powodów: - ograniczenie stromości narastania prądów zwarciowych (im mniejsza stromość narastania prądu tym mniejsza rzeczywista maksymalna wartość prądu zwarciowego wyłączanego przez wyłącznik szybki), - ograniczenie tętnień prądu wyprostowanego (większa indukcyjność jest stosowana przy prostownikach o mniejszej liczbie pulsów lub gdy dławik stanowi zasadniczą część urządzenia wygładzającego np. w filtrach typu gamma). - uzyskanie odpowiedniej indukcyjności w obwodzie dla zasilania pojazdów trakcyjnych z przekształtnikami energoelektronicznymi (w warunkach PKP praktycznie bez znaczenia). Rys.3 Przebieg prądu zwarcia w zależności od indukcyjności dławika. 4

5 Rys. 4 Schemat obwodu zwarcia w sieci trakcyjnej. Sieć trakcyjna jest zasilana z podstacji trakcyjnych jednostronnie lub dwustronnie. Na liniach wielotorowych z zasilaniem dwustronnym stosuje się przeważnie kabiny sekcyjne. Podstawowe układy zasilania ilustruje rysunek 5. Rys. 5 Typowe schematy zasilania w systemie prądu stałego: a.) jednostronne, b.) dwustronne, c.) dwustronne z kabiną sekcyjną. 2. Zwarcia w obwodach zasilania prądu stałego Powszechnie stosowanym elementem zabezpieczającym sieć trakcyjną i obwód zasilacza trakcyjnego od zwarć i przeciążeń jest nadmiarowy wyłącznik szybki, służy on także do załączania i wyłączania prądów roboczych. W 5

6 procesie wyłączania prądów zwarciowych ważną rolę odgrywa czas wyłączania rozumiany jako czas liczony od chwili przekroczenia przez prąd wartości nastawionej na wyzwalaczu wyłącznika szybkiego do chwili osiągnięcia całkowitego przerwania prądu. Zbyt długi przepływ prądu zwarciowego prowadzi do uszkodzeń cieplnych i dynamicznych układu zasilania, np. słabych połączeń w sieci trakcyjnej, kabli zasilaczy, a także do uszkodzeń w pojazdach trakcyjnych, zwłaszcza uzwojeń silników. Prądy zwarciowe mogą być też przyczyną skracania żywotności niektórych elementów, np. diod w prostownikach trakcyjnych. Wyłączaniu prądów zwarciowych przez wyłączniki szybkie towarzyszy zazwyczaj powstawanie przepięcia łączeniowego, przy czym istotny jest zarówno poziom tego przepięcia, jak i czas jego trwania. Przepięcia te powodują narażenia izolacji układu zasilania (prostowników, wyłączników, kabli itp.) oraz narażenia poszczególnych elementów, np. mogą wystąpić przebicia diod w prostownikach trakcyjnych, uszkodzenia kondensatorów itp. Przepięcia te są ważne z punktu widzenia urządzeń zawierających pojemności (urządzenia wygładzające, obwody RC w prostownikach). Dłuższe utrzymywanie się napięcia łuku, a także zbyt duża jego wartość powoduje naładowanie pojemności i utrzymywanie się podwyższonego napięcia przez pewien czas po przerwaniu prądu. Konsekwencją tego może być w skrajnym przypadku powtórny zapłon łuku elektrycznego. Czas jego zadziałania, upływający od przekroczenia przez prąd obwodu wartości nastawionej Inast na wyzwalaczu do otwarcia styków, wynosi do około 30 ms, a więc jest to wyłącznik o działaniu znacznie szybszym od stosowanych po stronie prądu zmiennego wyłączników mocy, dla których analogiczne czasy wynoszą około ms. Skrócenie czasu zadziałania jest korzystne ze względu na przerywanie wartości prądu (stała czasowa obwodu zasilania wynosi 1O 30 ms} mniejszej od wartości ustalone. Największa wartość prądu występująca w obwodzie podczas zwarcia wyłączalnego nazywa się prądem ograniczonym I OGR (przez wyłącznik). Na rysunku pokazany jest schemat obwodu zwarcia w sieci trakcyjnej. Odcinki sieci zasilane przez jeden zasilacz mają długości do kilkunastu kilometrów (rys. 5). Wpływ na wartość prądu zwarcia aa rezystancja zastępcze źródła, napięcie źródłowe, liczba czynnych zespołów prostownikowych, długości kabli zasilających i powrotnych, konfiguracja układu zasilania oraz rezystancja odcinka sieci wchodzącego w obwód zwarcia. Schemat zastępczy i przykładowy przebieg prądu zwarcia pokazane są na rys.6. Przyjmując, że obwód ten zawiera elementy liniowe, równanie przebiegu prądu w stanie nie ustalonym ma postać: t E i( t) = (1 e T ) R (1) gdzie: E - napięcie źródłowe (przyjmuje się wartość napięcia stanu jałowego, R - rezystancja obwodu, L - indukcyjność obwodu, T - stała czasowa obwodu, T=L/R 6

7 Rys.6 Schemat zastępczy zwarcia oraz przebieg prądu zwarciowego przy dwu wartościach indukcyjności L 1 >L 2. Rys.7 Schematyczny wykres przebiegu wyłączania prądu zwarciowego wyłącznikiem szybkim prądu stałego I wz - prąd zadziałania wyzwalacza, I ogr - ograniczona wartość prądu, I sp spodziewany prąd zwarciowy, t w czas własny wyłącznika, tp czas przedłużony, wyłącznika, t ł czas łukowy wyłącznika, tc całkowity czas przepływu prądu zwarciowego, T stała czasowa obwodu, U napięcie robocze, U m maksymalne napięcie między stykami wyłącznika 7

8 Rys. 8. Położenia miejsca zwarcia minimalnego przy zasilaniu dwustronnym bez kabiny : 1) w środku odcinka (uzależnienie w.sz. zasilaczy sąsiednich podstacji), 2.) na krańcu odcinka (bez uzależnienia). Rys. 9. Położenia miejsca zwarcia minimalnego przy zasilaniu dwustronnym z kabiną : 1) w 1/3 długości odcinka (z uzależnieniem w.sz. zasilaczy odpowiednio podstacji i kabiny), 2.) w środku odcinka (bez uzależnienia). Ha rysunku 6 pokazane są dwa przebiegi prądów zwarcia o takich samych wartościach ustalonych I ust, lecz przebiegających z różnymi stałymi czasowymi, przy czym T 2 <T 1, a L 2 < L 1. Czas własny zadziałania wyłącznika szybkiego ma wartość stałą wynoszącą kilka ms. Dla obwodu o większej indukcyjności stromość narastania prądu jest mniejsza, a tym samym mniejsza jest wartość prądu ograniczonego wyłączanego przez wyłącznik I Ogr2 >I ogr1. W celu ograniczenia wartości prądu wyłączonego stosuje się w podstacjach trakcyjnych dławiki katodowe, połączone szeregowo z prostownikami, zwiększające indukcyjność obwodu. Ma to istotne znaczenie, szczególnie przy-wyłączaniu zwarć o dużych prądach (zwarcie bliskie podstacji). Jeżeli punkt zwarcia znajduje się blisko podstacji (np. uszkodzenie izolacji kabla zasilacza}, to prąd wyłączany ma wtedy największą wartość ustaloną (maksymalny prąd zwarcia - I zwmax ). Zdolność wyłączeniowa w. sz. powinna zapewnić wyłączenie prądu - I zwmax. Do obliczeń prądu zwarcia o wartości maksymalnej należy przyjąć najmniejszą spodziewaną rezystancję obwodu, najmniejszą rezystancję wewnętrzną podstacji odpowiadającą pracy wszystkich czynnych zespołów prostownikowych oraz najwyższą spodziewaną wartość napięcia zasilającego. Rezystancja wewnętrzna R p podstacji wynosi: R p U n = ε I N n (2) gdzie: ε - rzeczywiste pochylenie charakterystyki zewnętrznej zespołów prostownikowych uwzględniające wpływ obwodów zasilających, I n - prąd znamionowy zespołu, U n - napięcie znamionowe (lub rzeczywiste dla danych warunków zasilania, odpowiadające prądowi znamionowemu), N - liczba czynnych zespołów prostownikowych. 8

9 Z uwagi na dopuszczalne w określonych granicach wahania napięć źródłowych w systemie elektroenergetycznym wartość napięcia zasilającego może być wyższa lub niższa w granicach ±p%. Na wartość napięcia wpływa także pobór prądu z pozostałych nieuszkodzonych obwodów zasilaczy wywołujący spadek napięcia U r. Wpływ prądów roboczych uwzględnia się przez wprowadzenie umownego prądu obciążenia o wartości nominalnej zainstalowanych zespołów: U r = I n R p N (3) Wzór do obliczeń maksymalnych wartości prądów zwarcia ma postać: I zw = U p 1+ ε )(1 + ) 100 ( + I N R ) zw ( n n max R R p U p (4) gdzie: N - liczba wszystkich czynnych zespołów, U ł - spadek napięcia w łuku ( V), R ZW - rezystancja obwodu zwarcia zawierającego kabel lub część kabla zasilacza, kable powrotne, ewentualnie rezystancję uziomu. Do obliczeń prądu zwarcia o wartości minimalnej należy przyjmować największą rezystancję odpowiadającą jednemu czynnemu zespołowi prostownikowemu N = 1, największą spodziewaną rezystancję obwodu zwarcia oraz najniższą spodziewaną wartość napięcia zasilającego wynikającą z dopuszczalnych lub deklarowanych przez energetykę wartości: p [%]. Wzór na minimalną wartość prądu ma postać: I zw min = U n p (1 + ε )(1 ) 100 ( + + R R I Rkp n + R l p Ł U r ) s p kz zw (5) gdzie: R kz -- rezystancja kabla zasilacza, R kp - rezystancja kabli powrotnych, r s - rezystancja Jednostkowa sieci trakcyjnej, l zz - długość sieci trakcyjnej do punktu, w którym zwarcie dla danej konfiguracji układu zasilania powoduje popłynięcie prądu o minimalnej wartości (rys. 7 i 8). Z punktu widzenia warunków pracy układa zasilania korzystne jest, aby wartości prądów maksymalnych zwarcia były jak najmniejsze (wyłącznik szybki wyłącza wtedy mniejsze prądy, co wydłuża okres jego pracy, a minimalne prądy zwarcia jak największe. To ostatnie ograniczenie wynika z faktu., te przy dużych rezystancjach, pętli zwarciowej prądy robocze I obcmax (np.ciężki rozruch w pobliżu podstacji) mogą mieć wartości większe od prądów zwarć minimalnych I zwmin. Zapewnienie selektywności wyłączeń zwarć wymaga w takich przypadkach stosowania dodatkowych urządzeń, co podraża koszty inwestycyjne. Dlatego zaleca się, aby wartość prądu I nast wyzwalacza wyłącznika szybkie go spełniała nierówność: Ł I obcmax +200 I nast I zwmin [A] (6) Jeżeli nierówność (6) nie jest spełniona, to należy stoso wać następujące przedsięwzięcie pozwalające na poprawę warunków zwarciowych układu zasilania: - zmiana konfiguracji układu zasilania, - zwiększenie przekroju sieci jezdnej, - skrócenie długości odcinków zasilania, - uzależnienie wyłączników szybkich przy zasilaniu dwustronnym, - wyłączenie prądów zwarć w oparciu o inne kryteria niż wartość prądu. 9

10 Dwa pierwsze sposoby spośród wymienionych nie wymagają komentarza, jednakże stosowanie ich ma ograniczony zakres i pewnych przypadkach może być niewystarczające. Uzależnienie wyłączników szybkich przy zasilaniu dwustronnym, lub dwustronnym z kabiną, polega na takim wzajemnym sprzężeniu obwodów sterowania dwóch zasilających ten sani odcinek wyłączników, aby w przypadku wyłączenia nadmiarowego jednego z nich, drugi został wyłączony przez układ sterowania. Sposób ten znacząco poprawia warunki zwarciowe przez sztuczne zmniejszenie rezystancji pętli zwarcia. Ilustrują to schematy na rys.8 i 9. Jeśli przy zasilaniu dwustronnym (rys. 8) wystąpi zwarcie na torze 2 w pobliżu podstacji B, to dla zasilacza podstacji A tego toru jest to zwarcie minimalne o rezystancji sieci jezdnej wynoszącej rl. Jednocześnie dla zasilacza toru 2 podstacji B jest to zwarcie maksymalne i wartość prądu na pewno przekroczy I nastw.sz., co spowoduje jego wyłączenie. Poprzez obwody uzależnień spowoduje to również wyłączenie wyłącznika podstacji A. Punktem, w którym dla takiego przypadku współpracy wyłączników będzie występowała minimalna rzeczywista wartość prądu zwarcia, jest punkt położony w środku odcinka zasilania, a rezystancja sieci w pętli zwarcia wyniesie wtedy rl, co wpłynie na zwiększenie minimalnej wartości prądu zwarcia. Analogicznie można prześledzić układ z rys.9, gdzie uzależnione są odpowiednie wyłączniki kabiny sekcyjnej i podstacji. Wyłączanie zwarć w oparciu o inne kryteria niż wartość prądu polega na analizie takich parametrów przebiegu prądu jak stromość narastania di/dt, przyrost prądu w określonym czasie I/ T lub utrzymanie się prądu na określonym poziomie przez określony czas I/T. Parametry te są różne dla przebiegów prądów obciążenia i prądów zwarć. Na tej podstawie można wyróżnić prądy zwarć i prądy obciążenia, wymaga to stosowania dodatkowych urządzeń wspomagających wyłącznik szybki. Jeżeli nierówność (6) nie jest spełniona, zachodzi konieczność stosowania dodatkowych urządzeń zabezpieczających od zwarć i wyróżniających prądy zwarcia wg kryterium innego niż wartość prądu. Niektóre z nich omówiono poniżej. a.) Kryterium stromości narastania prądu di/dt [A/ms] w obwodzie zasilacza: di. = dt t= 0 (7) gdzie: U napięcie zasilające obwód zwarcia [V], L indukcyjność obwodu zwarcia [mh]. Ze względu na indukcyjny charakter obciążenia (silniki) największe wartości różniczki di/dt występują przy zwarciach. Jako wartość graniczną należy przyjąć iloraz U/L przy zwarciu odległym. Każda mniejsza wartość stromości narastania prądu od wyznaczonej dla zwarcia odległego odpowiada prądowi obciążenia. b.) Kryterium przyrostu prądu zwarcia I zw(t) w ciągu jednej stałej czasowej T [ms]: I = zw( T ) I zq min (8) s kz U L L T = l r + R + R + R (9) gdzie: L indukcyjność obwodu zwarcia [mh], l długość odcinka sieci trakcyjnej w obwodzie zwarcia [km], r s rezystancja sieci [Ω/km], R kz rezystancja kabli zasilających [Ω], R kp rezystancja kabli powrotnych [Ω], R p rezystancja zastępcza podstacji [Ω]. kp p 10

11 Każdy przyrost prądu o wartości mniejszej od wyznaczonej wg (8) I zw(t) w czasie T jest identyfikowany jako prąd obciążenia. c.) Kryterium poboru prądu o wartości I i lub większej w przez czas T i (ciągłość wartości w czasie). Przyjmuje się, że każdy prąd o wartości większej lub równej maksymalnemu prądowi chwilowemu obciążenia I obcmax nie jest pobierany dłużej niż wynika to z charakteru obciążenia. Jeżeli czas poboru jest większy od przyjętego czasu granicznego T, to stan taki identyfikuje się jako zwarcie. Analogicznie można wyznaczyć parametry dla ochrony od zwarć doziemnych lub zwarć przez rezystancję. Niezbędne jest w tym celu wyznaczenie histogramów prądu obciążenia I(T) np. metodą symulacyjną. 3. Wyłączniki szybkie Obwody zasilaczy podstacji trakcyjnych zabezpiecza się przed skutkami zwarć i przeciążeń za pomocą wyłączników szybkich. Podstawową cechą charakterystyczną takiego wyłącznika jest krótki czas działania. Wartość prądu zwarcia w obwodzie zasilacza zależy od położenia punktu sieci, w którym ono wystąpi. Przy zwarciach bliskich (maksymalne prądy zwarć I zwmax ) wartości prądów są zbliżone do wartości prądów zwarć na zaciskach prostowników. Zadaniem wyłącznika szybkiego jest przerwanie obwodu zwarcia przed osiągnięciem przez prąd wartości ustalonej, a wiec w czasie t < 3T. Wyłączniki szybkie stanowią podstawowe aparaty zabezpieczające w obwodach prądu stałego dużej mocy, stąd powszechne ich stosowanie w trakcji elektrycznej prądu stałego. Instaluje się je w podstacjach trakcyjnych, kabinach sekcyjnych oraz w pojazdach trakcyjnych. Wyłączniki są wykonane jako jednobiegunowe, ponieważ w trakcji elektrycznej prądu stałego tylko jeden biegun znajduje się na wysokim potencjale. Działanie w.sz. może być samoczynne, co oznacza, że mają wbudowany wyzwalacz pierwotny, lub pośrednie (wyłączenie zamierzone przez obsługę lub wyłączenie od innego sygnału zewnętrznego). Styki wyłącznika mogą być utrzymywane w położeniu zamkniętym za pomocą elementów mechanicznych (wyłączniki zapadkowe), za pomocą sił magnetycznych (wyłączniki z przechwytem magnetycznym) lub za pomocą sprężyny (wyłączniki przerywnikowe). Zależnie od rozwiązania uruchamianie styku następuje przez oddziaływanie na zapadkę, przez kompensację strumienia magnetycznego w elektromagnesie trzymającym lub poprzez działanie zwory układu wyzwalającego na ramię stykowe i potem zwolnienie sprężyny. Zamykanie styków odbywa się za pomocą napędu, który może być silnikowy, elektromagnetyczny lub pneumatyczny. Wyłączniki mogą być spolaryzowane lub niespolaryzowane. Wyłączniki spolaryzowane reagują tylko na przepływ prądu w określonym kierunku. O ile w pojazdach trakcyjnych przepływ prądu następuje w jednym kierunku (z wyjątkiem pojazdów z rekuperacją), to w podstacjach i kabinach sekcyjnych przepływ prądu może następować w obu kierunkach ze względu na dwustronne zasilanie sieci trakcyjnej. Z tego powodu, w celu zapewnienia selektywności wyłączeń, w podstacjach i kabinach sekcyjnych stosuje się wyłączniki spolaryzowane. Gaszenie łuku elektrycznego odbywa się w komorze poprzez podzielenie jego na części, rozciąganie i chłodzenie. Łuk zapalający się na stykach głównych wyłącznika zostaje przeniesiony na prowadnice łuku (tzw. rożki), co znacznie ogranicza stopienie styków. Wprowadzenie łuku do komory i wymuszenie jego ruchu w komorze odbywa się poprzez oddziaływanie pola magnetycznego. Pole magnetyczne jest wytwarzane przez cewkę włączoną szeregowo w obwód główny. Podczas przerywania prądów o niewielkich wartościach, np. przy manewrowym wyłączaniu obwodu, pole magnetyczne cewki wydmuchowej jest za słabe do wprowadzenia łuku do komory. W 11

12 takich przypadkach stosuje się czasami wydmuch łuku powietrzem sprężonym przez tłoczek poruszany mechanizmem wyłącznika (np. starsza odmiana wyłączników typu Gearapid). Od wyłączników szybkich i komór łukowych pracujących w podstacjach trakcyjnych i kabinach sekcyjnych wymaga się bardzo dużej niezawodności, o wiele większej niż od wyłączników w pojazdach trakcyjnych. Niezadziałanie wyłącznika pojazdowego w przypadku zwarcia spowoduje przerwanie prądu zwarcia przez wyłącznik podstacyjny lub w przypadku wystąpienia zwarcia na sieci trakcyjnej i niezadziałania właściwego wyłącznika szybkiego nie ma innego zabezpieczenia, które przerwałoby prąd zwarcia. Najbliższym zabezpieczeniem na wyższym poziomie jest zabezpieczenie nadprądowe zespołu prostownikowego po stronie prądu przemiennego. Przy pracy kilku zespołów prostownikowych i wystąpieniu zwarcia dalekiego, gdzie wartość ustalonego prądu zwarcia jest ograniczona rezystancją sieci trakcyjnej, prądy poszczególnych zespołów prostownikowych będą zbyt małe, aby pobudzić zabezpieczenia.. Po samoczynnym wyłączeniu wyłącznika szybkiego następuje samoczynne ponowne załączenie poprzedzone wykonaniem próby linii. Wykonanie próby linii (sprawdzenie stanu izolacji) ma na celu uniknięcie załączenia wyłącznika na zwarcie. Rys.10 Najbardziej rozpowszechnioną w Polsce konstrukcją są wyłączniki typu WS lub BWS z napędem elektromagnetycznym (do symbolu oznaczenia dopisuje się e) lub pneumatycznym (odpowiednio p), produkowany firmę APENA w Bielsku-Białej (obecnie-general Electric). Dane techniczne wyłączników WSe: napięcia znamionowe U n : 600, 1500, 3000 V, prądy znamionowe I n : 600, 1000, 2000, 3000 A, zakresy wyzwalaczy prądowych I nast : (0,6-1,2) I (l, (0,8-1,6) I n, (l,0-2,0) I n, 12

13 prąd wyłączalny maksymalny I wy ł: 20 ka dla 3 kv, 40 ka dla pozostałych U n. Przy doborze wyłącznika szybkiego jego parametr)' powinny spełniać następujące wymagania: U n > U nsieci I n I z15' I wył I zwmax, gdzie: I z15' maksymalna wartość prądu zastępczego piętnastominutowego w warunkach obciążenia. Prąd nastawy wyłącznika należy dobrać wg zależności (7). Rys. 11 Widok komory wyłącznika BWS po cyklu zwarć. 4. Przykład obliczenia parametrów prądu zwarcia do nastaw w.sz. a.) Stromość narastania wg wzoru (7): Typowy dławik podstacji ma indukcyjność 4 mh, indukcyjność jednostkowa sieci wynosi 1,8 mh/km, stąd dla odcinka sieci o długości 20km indukcyjność zwarciowa wyniesie: L = 20 l,8 mh/km + 4 mh = 40 mh di/dt=3300v/40mh=82.5a/ms Każdy przebieg prądu o stromości narastania mniejszej od 82,5 A/ms należy identyfikować jako prąd obciążenia. b.) Przyrost prądu zwarcia w ciągu jednej stałej czasowej T (wzór (8): Jeśli przyjmiemy, że: T=21 ms, Izwmin=1487 A to I zw (T)= Izw = x 1487=940 [A] 13

14 Każdy przyrost prądu w czasie 21ms o wartości mniejszej od 940 A należy identyfikować jako prąd obciążenia. - c.) Wartość prądu I o czasie trwania T bez przerwy (ciągłość wartości): Jeśli np. przyjmiemy, że każdy prąd o wartości większej lub równej maksymalnemu prądowi chwilowemu obciążenia I max = 1550 A nie będzie pobierany dłużej niż 2-3 s to może być on identyfikowany jako prąd zwarcia. Na podstawie określonych w sposób przybliżony parametrów charakterystycznych prądów zwarcia i obciążenia można dokonać wstępnej nastawy urządzenia zabezpieczającego i po próbnym okresie obserwowanej eksploatacji dokonać korekty nastaw. Przyjmijmy, że maksymalny prąd zwarcia wystąpi na końcu kabla zasilacza i wyniesie 12kA. Dobieramy wyłącznik WSe o prądzie znamionowym 2000 A (ze względu na wyzwalacz), o zakresie nastaw wyzwalacza I nast = (0,6 l,2)i n. Maksymalny prąd zwarcia I /wmax = 12,4 A jest mniejszy od maksymalnego prądu wyłączalnego wyłącznika wynoszącego 20 ka. 4. Parametry sieci trakcyjnej 14

15 Indukcyjność L sieci trakcyjnej: [mh/km] 15

16 4. Zakres ćwiczenia: 1. Wyznaczyć minimalne i maksymalne prądy zwarć dla zadanego odcinka i schematu zasilania oraz sieci trakcyjnej (przy różnych schematach zasilania: jedno-dwustronne, z kabiną sekcyjną i bez, z uzależnieniem wyłączników szybkich i bez). (wykorzystanie programu PT2010, instrukcja w oddzielnym pliku) 2. Wyznaczyć zależność wartości maksymalnych prądów zwarć od liczby pracujących zespołów prostownikowych, mocy zwarciowej i napięcia zasilania PT (15,20,30,110kV) (wykorzystanie programu PT2010) 3. Dobrać w. sz. i jego nastaw dla zasilaczy podstacji mając dane ich maksymalne prądy obciążenia (wg kryterium (6)). Zaproponować ewentualnie zmiany w układzie zasilania, aby były spełnione odpowiednie kryteria. 4. Wyznaczyć zależność stałej czasowej T (wg (9)) obwodu zwarcia metalicznego w funkcji odległości l od podstacji trakcyjnej dla zadanych typów sieci trakcyjnej. 5. Wyznaczyć dla zadanego typu zespołu prostownikowego zależność minimalnego prądu I zwmin = f(l) zwarcia w funkcji długości zasilanego odcinka l dla różnych typów sieci trakcyjnej i szynowej (wykorzystanie programu PT2010). Przykładowe pytania sprawdzające 1. Rodzaje zwarć występujące w układzie zasilania trakcji elektrycznej prądu stłego. 2. Schemat zasilania zwarcia metalicznego w obwodzie zasilania sieci trakcyjnej. 3. Jakimi metodami dokonuje się wyłączeń prądów zwarciowych w sieciach prądu stałego? 4. Czy łatwiej wyłączyć jest zwarcie w obwodzie DC czy AC? Odpowiedź uzasadnić. 5. Pojęcie minimalny prąd zwarcia. Podać miejsce wystąpienia w układzie zasilania: jednostronnym dwustronnym dwustronnym z kabiną sekcyjną. 6. Jak zależy przebieg zwarcia w obwodzie DC od wartości parmetrów R,L tego obwodu? 7. Dlaczego wyłączniki w obwodach DC muszą być szybkie? 8. Zasady działania wyłączników szybkich stosowanych w trakcji elektrycznej. 9. Proszę narysować przebieg prądu i napięcia w obwodzie wyłączania zwarcia w sieci trakcyjnej. 10. Maksymalny prąd obciążenia zasilacza wynosi 1.8kA, wartość minimalnego prądu zwarcia 2,5kA. Proszę dobrać poziom nastawy wyzwalacza wyłącznika szybkiego zabezpieczającego ten obwód. 11. Jakie kryteria stosuje się do identyfikacji zwarć w sieciach trakcyjnych? 12. Od czego zależy wartość maksymalnego prądu zwarcia w sieci DC? 16

17 Literatura [1.] Mierzejewski L., Szeląg A., Gałuszewski M. - System zasilania trakcji elektrycznej prądu stałego. WPW, 1989 [2.] Nasiłowski J. Wyłączniki i styczniki prądu stałego. PTW, Warszawa 1960 [3.] Nyk W. - Aparatura podstacji trakcyjnych PKP. TTS 11/1998 [4.] Tuliński K. - Analiza możliwości poprawy procesu wyłączania zwarć przez klasyczne wyłączniki szybkie w podstacjach trakcyjnych prądu stałego. Rozprawa doktorska, PW, 2004 [5.] Wdowiak J., Mierzejewski L., Szeląg A. - Projektowanie układów zasilania trakcji elektrycznej systemu prądu stałego. WPW,