Franciszek WÓJCIK Poliechnika Łódzka, Kaedra paraów Elekrycznych naliza możliwości poprawy skueczności działania wyłączników magneowydmuchowych Sreszczenie. W arykule przedsawiono eoreyczną analizę możliwości poprawy skueczności działania wyłączników magneowydmuchowych prądu sałego. Wykazano, na podsawie analizy przebiegów łączeniowych przy wyłączaniu prądów roboczych i zwarciowych, że główną przyczyną słabego ograniczania prądu zwarciowego przez e wyłączniki są zby długie czasy - czas własny owierania i czas łukowy zesykowy palenia się łuku na sykach wyłącznika. Swierdzono, że poprawa skueczności działania wyłączników magneowydmuchowych, prowadząca do zmniejszenia współczynnika ograniczania prądu zwarciowego wymagałaby głębokich zmian w układach sykowo-gaszeniowym oraz napędowym. bsrac. The aricle presens he heoreical analysis of possibiliies for improvemen in he effecive operaion of DC magneic blow-ou circui breakers. I has been demonsraed from analysis of swiching processes during breaking of operaing currens and shor-circui currens ha he main reason why hese circui breakers limi shor-circui currens insufficienly is long opening ime and long ime of arc burning on heir conacs (arcing ime). I was found ha he improvemen in he effecive operaion of magneic blow-ou circui breakers resuling in he reducion of he shorcircui curren limiing raio would require considerable changes in conac-exinguishing and acuaing sysems. (Theoreical analysis of possibiliies for improvemen in he effecive operaion of DC magneic blow-ou circui breakers) Słowa kluczowe: wyłączniki magneowydmuchowe, wyłączanie zwarć, ograniczanie prądów zwarciowych. Keywords: magneic blow-ou circui breakers, faul clearance, limiaion of shor-circui currens. Wsęp Wyłączniki prądu sałego są sosowane w elekrycznej rakcji kolejowej, miejskiej, górniczej, a akże w różnego rodzaju przemysłowych sysemach napędowych oraz w elekroermii. Są wyposażone w magneowydmuchowe komory gaszeniowe i działają na znanej zasadzie wydmuchu elekromagneycznego [1]. Największymi użykownikami ych wyłączników są: rakcja kolejowa zasilana prądem sałym o napięciu 3 V, najbardziej rozpowszechnionym spośród czerech sysemów zasilania elekrycznej rakcji kolejowej [], rakcja kolejowa zasilana napięciem V oraz rakcja miejska zasilana napięciem sałym o warościach 6, 7 i 8 V. Są one insalowane w podsacjach rakcyjnych i polach sprzęgłowych jako wyłączniki sacjonarne oraz w ramwajach, jednoskach rakcyjnych, lokomoywach i wagonach mera jako wyłączniki pojazdowe. W sposób zamierzony wyłączają prądy robocze, zaś samoczynnie wyłączają prądy przeciążeniowe i zwarciowe. Szczególnie isona jes zdolność do wyłączania prądów zwarciowych. W sieciach rakcyjnych prądy e mają bardzo zróżnicowane warości, zależne od miejsca wysąpienia zwarcia. Nado, ze względu na ciągły wzros mocy insalowanych urządzeń rakcyjnych i konieczności zwiększenia szywności źródeł zasilania, wzrasają również warości prądów zwarciowych. Prądy e powinny być wyłączane w możliwie krókim czasie, znacznie przed osiągnięciem warości usalonej. Magneowydmuchowe wyłączniki prądu sałego eksploaowane w prakyce coraz częściej nie mogą spełnić akich wymagań, bardzo słabo ograniczając spodziewany prąd zwarciowy. W ich układzie sykowo-gaszeniowym wydzielają się wówczas energie rzędu kilku MJ. W celu odciążenia energeycznego wyłącznika coraz częściej są sosowane w sieciach rakcji kolejowej filry gamma z ogranicznikami przepięć insalowanymi na dławiku filru [3,4]. Ograniczniki e działają przy założonym poziomie przepięć łączeniowych na dławiku, powodując wyracenie w rezysorze ogranicznika dużej energii magneycznej zgromadzonej w dławiku filru, pochodzącej od prądu zwarciowego. Jes o więc działanie poza wyłącznikiem, ukierunkowane głównie na złagodzenie warunków jego pracy, poprzez silne zmniejszenie energii wydzielonej w komorze gaszeniowej wyłącznika, bez wnikania w specyfikę działania samego wyłącznika. W celu określenia ewenualnych możliwości zwiększenia zdolności wyłączalnej poprzez poprawę dynamiki działania wyłączników magneowydmuchowych przeanalizowano przebiegi prądów i napięć wysępujące przy wyłączaniu zwarć oraz przeprowadzono symulacje wyłączania zwarego obwodu wyłącznikiem o założonej dynamice działania. Na ej podsawie podjęo próbę oceny granicznych możliwości obecnie sosowanych w prakyce wyłączników magneowydmuchowych. Wybrane aspeky działania wyłączników magneowydmuchowych Na rysunku 1 pokazano schema obwodu zwarciowego oraz uproszczone przebiegi prądu i napięcia podczas wyłączania zwarcia. u m i u i o E s i w u, i E s -u R u ł1 u R1 u L1 i w r 1 g Rys.1. Schema obwodu zwarciowego: uproszczone przebiegi prądu i napięcia podczas wyłączania zwarcia: i w prąd nasawczy wyzwalacza, i s spodziewany prąd zwarciowy, I u prąd usalony, i prąd ograniczony, sała czasowa obwodu zwarciowego, pozosałe oznaczenia w ekście u ł u ł i s u L u R u R u ł 186 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Elecrical Review), ISSN 33-97, R. 87 NR /11
W przypadku załączenia obwodu zwarego, pojawi się w nim prąd zwarciowy i s wzrasający do warości usalonej i u według krzywej wykładniczej ze sromością począkową zależną od napięcia zasilającego i indukcyjności obwodu, a mianowicie: dis Es (1) s dla = d Ls Po osiągnięciu w chwili w przez prąd obwodu warości i w działa zabezpieczenie nadprądowe i po czasie własnym wyłącznika w chwili r nasępuje jego owarcie. Pojawia się napięcia łuku u ł. Pod jego wpływem powinno nasąpić możliwie szybkie odchylenie przebiegu prądu od krzywej wykładniczej, a nasępnie ograniczenie prądu na poziomie i. San aki pojawia się w chwili, dla kórej obowiązuje równanie (): () Es ur uł Dalsze malenie prądu po chwili jes możliwe, gdy napięcie łuku wzrasa w aki sposób, aby zapewnić ujemną warość napięcia na indukcyjności obwodu: (3) ul Es ur uł gdzie: ur i Rs Jak wynika rysunku 1b napięcia u L na indukcyjności obwodu w chwili 1 należącej do przedziału czasu - ma zwro przeciwny do napięcia zasilającego E s, w chwili należącej do przedziału czasu - g ma zwro zgodny z ym napięciem, a jedynie w chwili, w kórej prąd zwarciowy osiąga warość ograniczoną i=i jes równe zeru. by zaem wyłączniki skuecznie ograniczały prądy zwarciowe w określonych warunkach obwodowych, równanie () lub nierówność (3) powinny być spełnione przy możliwie małej warości prądu ograniczonego i. W prakyce za skuecznie ograniczające prąd uważa się zazwyczaj wyłączniki o prądzie ograniczonym i co najmniej dwukronie mniejszym od usalonego prądu zwarciowego i u, czyli przy współczynniku ograniczenia prądu k definiowanym jako sosunek prądu ograniczonego do usalonego prądu zwarciowego: k = i / I u,. Wówczas w przybliżeniu między sykami wyłącznika wysępuje napięcia łuku u ł,e s, zaś spadek napięcia na rezysancji obwodu jes również bliski połowy napięcia źródła u R = i R s,e s. Urzymanie w przedziale czasu T g = g napięcia łuku wzrasającego do warości u ł,e s oraz dalszy jego wzros ponad napięcie zasilające E s, powoduje osaeczne wyłączenie prądu w chwili g. Warość czasu T g jes zależna nie ylko od przebiegu napięcia łuku u ł w ym przedziale, ale również od sałej czasowej obwodu. Wzros sałej czasowej τ, a więc wzros indukcyjności obwodu L s, silnie wpływa na długość czasu łukowego i warość przepięć łączeniowych. Bilans energii obwodu wg rysunku 1a opisują równania (4) i (): 1 (4) uł isd Ls i Es isd Rs i d s s gdzie: () W ł uł isd ; W E Es isd ; W R s s R i d W L 1 Ls is ; Z założenia, że napięcie łuku u ł = E s wynika, że czas palenia się łuku jes równy ł = 6 τ. Wówczas, energia zgromadzona w indukcyjności obwodu L s jes całkowicie racona w rezysancji obwodu, naomias energia wydzielona z łuku jes równa energii dosarczonej ze źródła. Jak zaznaczono wyżej, zwiększanie napięcia łuku ponad warość napięcia źródła u ł > E s prowadzi do skracania czasu łukowego, zmniejszania energii wydzielanej w obwodzie oraz wpływa na zmiany jej rozkładu w elemenach obwodu i wyłączniku. Energia dosarczana ze źródła maleje, energia racona w rezysancji obwodu maleje, zaś pozosająca na sałym poziomie energia magneyczna zgromadzona w indukcyjnościach obwodu jes w coraz mniejszym sopniu racona w rezysancji obwodu, a coraz większym w łuku. Im wyższe napięcie łuku, ym krószy czas palenia się łuku i mniejsze energie: W E, W R, W ł, co jes korzysne dla wszyskich elemenów obwodu. Z powyższego opisu wyłączania obwodów prądu sałego wynika, że meoda wymuszona wyłączania prądu jes w zasadzie meodą wyłączania przeciwnapięciem. Uzyskanie znaczącego ograniczenia prądu zwarciowego oraz krókich czasów łukowych wymaga wysąpienia w układzie sykowo-gaszeniowym wyłącznika odpowiednio wysokiego napięcia łuku. Ograniczeniem szybkości wzrosu napięcia łuku oraz jego warości jes poziom napięcia przy kórym mogą wysąpić niekorzysne dla wyłącznika wórne zapłony łuku. W celu szerszego rozparzenia wpływu szybkości działania wyłącznika oraz oddziaływania przebiegu napięcia łuku na procesy łączeniowe przeprowadzono obliczenia symulacyjne w układzie z rysunku 1a. Symulacja wyłączania prądu zwarciowego wyłącznikiem magneowydmuchowym Zjawiska w łuku wyłączeniowym charakeryzują się dużą dynamiką zmian. Zależą od wielu czynników przypadkowych. Nie poddają się ilościowemu opisowi analiycznemu. Dlaego określanie napięcia łuku na podsawie analizy zjawisk fizycznych w nim zachodzących jes mało precyzyjne i w prakyce znane z lieraury zależności mają charaker jakościowy, w prakyce niemożliwy do uogólnienia w odniesieniu do różnych ypów komór magneowydmuchowych [,6]. Z ych względów wybrano częso sosowany w echnice symulacji sposób określania przebiegów wyłączeniowych wykorzysujący odwzorowanie napięcia łuku za pomocą wybranych funkcji aproksymujących. Opracowano program kompuerowy WPWM pozwalający na obliczanie przebiegów prądów i napięć przy wyłączaniu obwodu zwarego wyłącznikiem charakeryzującym się znanym czasem własnym owierania, po kórym wysępuje napięcie łuku, opisane jedną z rzech niżej podanych funkcji, powodujące wyłączenie obwodu w zadanym czasie łukowym. Napięcie o zosało odwzorowane funkcjami: paraboliczną (6), liniową (7) czasu łukowego i skokową (8). (6) ułn u d n łn funkcja paraboliczna, (7) ułn u bn łn funkcja liniowa (8) ułn an cons skokowa zmiana napięcia łuku do warości a n umożliwiającej osiągnięcie czasu łn. Przyjęcie ych funkcji do obliczeń wynika z faku, że można nimi opisać z dobrym przybliżeniem każdy rzeczywisy przebieg napięcia łuku wyłączeniowego, co umożliwia analizę wpływu wybranych paramerów obwodu i wyłącznika na skueczność ograniczania prądu zwarciowego. Przykładowe obliczenia przebiegów prądu i napięcia przeprowadzono dla ypowego obwodu zwarciowego w rakcji kolejowej o paramerach: R s =,1 Ω, L s = 1, mh, zasilanego napięciem E s = 3 V. Przyjęo nasępujące założenia: wyłączanie odbywa się bez wysępowania zw. zapłonów wórnych łuku, PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Elecrical Review), ISSN 33-97, R. 87 NR /11 187
u = V począkowe napięcie łuku po owarciu syków wyłącznika, c) obwód zwarciowy charakeryzuje się sałą czasową τ, d) sałe a n, b n, d n oblicza program WPWM, dla każdej z sześciu przyjęych warości czasów łukowych łn sanowiących kroność sałej czasowej obwodu, a mianowicie: ł1 = τ; ł = τ; ł3 = 3 τ; ł4 = 4 τ; ł = τ, ł6 = 6 τ, e) obliczenia przeprowadzono dla czerech warości założonych czasów własnych wn wyłączników klasycznych, a mianowicie: w1 = ms, w = ms, w3 = ms, w4 = 1 ms, f) do chwili zapłonu łuku, nasępującego po czasie własnym wn, przebieg prądu zwarciowego ma charaker wykładniczy. Opracowany program pozwala również na obliczanie nasępujących wielkości: - średniego napięcia łuku u łnśr, - prądu ograniczonego i o, - wydzielonej w elemenach czynnych obwodu energii W R, - dosarczanej ze źródła napięcia energii W E, - magazynowanej w indukcyjnościach obwodu energii W L, - wydzielanej w łuku elekrycznym energii W ł. Graficzna inerpreacja uzyskanych wyników obliczeń napięć łuku i odpowiadających im prądów dla wybranych warości czasów łukowych i wybranych czasów własnych wyłączników jes pokazana rysunkach ( 4). c) d) Rys.. Przebiegi napięć łuku (1b 6 zmieniających się według funkcji parabolicznej i odpowiadających im prądów (1a 6 dla zadanych czasów łukowych: 1 ms 1; 3 ms ; 4 ms 3; 6 ms 4; 7 ms i 9 ms 6 przy zadanych czasach własnych w wyłącznika: ms; ms; c) ms i d) 1 ms. Na rysunkach (a d) pokazano przebiegi zmian warości napięcia i prądu przy wyłączaniu zwarcia wyłącznikiem posiadającym paraboliczną charakerysykę napięcia łuku. W abiicy 1 w 4-ch wierszach oznaczonych lierą podano warości przepięć łączeniowych w kv wysępujących na wyłącznikach charakeryzujących się czasami własnymi ( 1) ms. Przykładowo, dla czasu łukowego równego 1 ms przepięcia łączeniowe zmieniają się w granicach od warości 7,7 kv przy czasie własnym wyłącznika równym ms do warości 9,8 kv przy czasie własnym wyłącznika równym 1 ms. W miarę wzrosu czasu łukowego maleją warości przepięć łączeniowych oraz prakycznie zanika wpływ czasów własnych wyłącznika na całkowiy czas wyłączania. Rysunki 3 (a d) pokazują przebiegi napięcia i prądu przy wyłączaniu zwarcia wyłącznikiem posiadającym liniową charakerysykę napięcia łuku. Warości przepięć są podane ablicy 1 w wierszach oznaczonych lierą B. Również i w ym przypadku wysępują podobne zależności warości przepięć od czasu własnego wyłącznika przy krókich czasach łukowych, lecz 188 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Elecrical Review), ISSN 33-97, R. 87 NR /11
warości ych przepięć są prawie o % niższe niż w przypadku napięcia łuku zmieniającego się według funkcji parabolicznej. Na rysunkach 4 (a d) pokazano przebiegi napięcia i prądu przy wyłączaniu zwarcia wyłącznikiem, w kórym nasępuje skokowa zmiana napięcia łuku do warości umożliwiającej osiągnięcie założonego czasu łukowego. Warości przepięć łączeniowych podano w abeli 1, ( wiersz C) Warości e nieznacznie przekraczają napięcie zasilające, ale również wzrasają wraz ze wzrosem czasu własnego wyłącznika. Tabela 1. Warości przepięć w kv, przy wyłączaniu zwarcia w czasie łukowym ł [ms], wyłącznikiem o czasie własnym w [ms], na kórym napięcia łuku zmienia się według funkcji: kwadraowej, B liniowej oraz C skokowej. w 1 ł 1 3 4 6 7 9 C 3,4 3, 3,1 3, 3, 3, B, 4,7 4,3 4. 3,8 3,7 7,7 6,,3 4,8 4, 4, C 3,6 3, 3,1 3,1 3, 3, B 6,4, 4,6 4,3 4, 3,9 8,3 6,3,4 4,8 4, 4,3 C 3,9 3,3 3, 3,1 3, 3, B 6,7,1 4,3 4, 3,8 3,7 9,4 6,4,4 4,8 4, 4,3 C 4, 3,4 3, 3,1 3, 3, B 7,, 4, 4, 3,9 3,8 9,8 6,6, 4,8 4, 4, Tabela. Warości napięcia łuku u ł w [kv] oraz czasu T w [ms] u ł /T wysępujące przy wyłączaniu zwarcia w czasie łukowym ł [ms], wyłącznikiem o czasie własnym w [ms], na kórym napięcia łuku zmienia się według funkcji: kwadraowej, B liniowej oraz C skokowej. ł w 1 3 4 6 7 9 3,4 3, 3,1 3, 3, 3, C, 1,8 1, 1,3 1, 1,1 B 6, 11,8 16,4 3,,6 1,9 7, 1,38 14,4 1,,4,8 4,4,67 8,8, 33, C 3,6 3,14 3,7 3,6 3, 3,4 1,83 1,3 1,1 1,13 1,,9 B 4,6 9,8 14,1 17,6,6 3, 1,6 6, 1,1 13,,9 19,4,73 3,6,61 7,8,1 31,3 C 3,9 3,8 3,14 3,9 3,7 3, 1,4 1,1 1,6,94,8,78 B 3,1 7,4 11,6 14,6 17, 19,4 1,,6,93 11,4,74 16,6,9 1,,1,,4 8, C 4,14 1 3,36 1 3,18 1 3,1 1 3,9 1 3,7 1 1 1,4,93,83,76,71,64 B,,3 8, 11,1 13, 1,7,91 4,6,7 9,8,8 1,,47 19,4,41,6,36, napięciu na wyłączniku. Przykładowe warości ych wielkości są nasępujące: dla czasu łukowego 3 ms wynoszą 1, kv i 13, ms przy czasie własnym wyłącznika ms;,9 kv i 11,4 ms przy czasie własnym wyłącznika ms dla napięcia łuku o przebiegu parabolicznym zaś odpowiednio 1, kv, 9,8 ms i 1, kv, 7,4 ms dla napięcia łuku o przebiegu liniowym. Wolniejszy paraboliczny wzros napięcia łuku w pierwszej fazie procesu wyłączania zwarcia jes znacznie ławiejszy do osiągnięcia w prakyce niż wzros liniowy. Jednak wówczas należy się liczyć ze znacznie wyższymi przepięciami, przekraczającymi o ok. % przepięcia przy liniowej zmianie napięcia. Warości ych przepięć dla rzech analizowanych przebiegów napięcia łuku podano abeli 1. Najniższe warości współczynnika ograniczenia prądu k oraz najniższe warości przepięć łączeniowych uzyskuje się w przypadku skokowych zmian napięcia łuku co ilusrują rysunki 4(a d). Jednak prakyczna realizacja skokowej zmiany napięcia łuku do warości powyżej napięcia zasilającego po owarciu się syków wyłącznika, na obecnym poziomie echniki jes niemożliwa. Liniowa zmiana napięcia łuku w funkcji czasu łukowego również prowadzi do wysokiej skueczności ograniczania prądu zwarciowego. W abeli zesawiono warości napięcia łuku u ł wysępujące na wyłączniku w chwili ograniczenia prądu zwarciowego oraz czasu, po kórym o ograniczenie nasępuje, liczonego od chwili r rozejścia się syków wyłącznika. Z podanych am warości napięć łuku i czasu wynika, że najkorzysniejszym dla wyłącznika przebiegiem napięcia łuku jes przebieg paraboliczny. Ograniczenie prądu, chociaż mniej skueczne i później wysępujące niż przy przebiegu liniowym, nasępuje przy najniższym PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Elecrical Review), ISSN 33-97, R. 87 NR /11 189
c) d) c) Rys. 3. Przebiegi napięć łuku (1b 6 zmieniających się według funkcji liniowej i odpowiadających im prądów (1a 6 dla zadanych czasów łukowych: 1 ms 1; 3 ms ; 4 ms 3; 6 ms 4; 7 ms i 9 ms 6 przy zadanych czasach własnych w wyłącznika: ms; ms; c) ms i d) 1 ms. d) Rys. 4. Przebiegi napięć łuku (1b 6 zmieniających się według funkcji skokowej i odpowiadających im prądów (1a 6 dla zadanych czasów łukowych: 1 ms 1; 3 ms ; 4 ms 3; 6 ms 4; 7 ms i 9 ms 6 przy zadanych czasach własnych w wyłącznika: ms; ms; c) ms i d) 1 ms. Dla wyłączników charakeryzujących się czasami własnymi do ms i czasami łukowymi do 4 ms jes możliwe uzyskanie ograniczenia prądu zwarciowego poniżej połowy prądu spodziewanego (rys. 3a i 3. Z eoreycznych przebiegów prądów i napięć pokazanych na rysunkach ( 4) wynika, że na warość współczynnika ograniczenia prądu najsilniej wpływają dwie wielkości charakeryzujące wyłącznik, a mianowicie czas 19 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Elecrical Review), ISSN 33-97, R. 87 NR /11
własny przy owieraniu oraz przebieg napięcia łuku wyłączeniowego. Wielkości e opisano poniżej, przy analizie oscylogramów z prób łączeniowych. Przebiegi łączeniowe w obwodach wyłączanych wyłącznikiem magneowydmuchowym Na rysunku pokazano jeden z oscylogramów napięcia i prądu zarejesrowanych w czasie realizacji cyklu probierczego O 1s CO 1s CO 6s CO wyłącznika magneowydmuchowego w obwodzie o paramerach: napięcie probiercze U r = 39 V, spodziewany prąd zwarciowy I ss = 44 k, sała czasowa obwodu = 7, ms oraz prąd nasawczy wyzwalacza I d = 48 [7]. Całkowiy czas rwania zwarcia równy 17 ms można podzielić na rzy charakerysyczne przedziały, a mianowicie: T r = ( r ) = 4,4 ms czas od chwili wysąpienia zwarcia i pojawienia się prądu zwarciowego do chwili r owarcia syków wyłącznika i zapłonu łuku elekrycznego będący sumą czasów: wzrosu prądu do warości I d nasawy wyzwalacza, czasu własnego wyzwalacza oraz czasu własnego wyłącznika, T = ( r ) = 7, ms czas łukowy zesykowy, od chwili r owarcia syków wyłącznika do chwili ograniczenia prądu zwarciowego, T g = ( g ) =,4 ms czas od chwili ograniczenia prądu zwarciowego do chwili g zgaszenia łuku i wyłączenia prądu zwarciowego. Po upływie czasu T r prąd zwarciowy osiąga warość 19 k, czyli około 43% spodziewanego prądu zwarciowego I ss. Na ak dużą warość ego prądu głównie wpływają czasy własne wyłącznika i wyzwalacza nadprądowego wynoszące łącznie około 3,6 ms, gdyż czas wzrosu prądu zwarciowego do warości I d = 48 wynosi około,8 ms. Pomimo owarcia się syków wyłącznika i wysąpienia łuku elekrycznego zesykowego, w czasie kolejnych 6 ms prąd zwarciowy nadal wzrasa prakycznie według krzywej wykładniczej. Napięcie łuku w ym czasie wzrasa zaledwie do około V (4% napięcia probierczego U r ). wynosi około 1,6 ms. Jak zauważono wyżej, przez blisko połowę ego czasu pali się łuk zesykowy, nie wpływając na przebieg prądu. Również przy wyłączaniu prądu roboczego łuk elekryczny urzymuje się na sykach sosunkowo długo. Jes o widoczne na rysunku 6, na kórym pokazano przebiegi prądu i napięcia przy wyłączaniu prądu około 14. Wówczas czas palenia się łuku na sykach wynosi prawie 1 ms, zaś całkowiy czas łukowy blisko 4 ms. Wynika o z łagodnego wzrosu napięcia łuku, kóre osiąga warość napięcia sieci dopiero po ok. 3 ms od chwili owarcia się syków wyłącznika. Czas en jes blisko czerdziesokronie dłuższy od czasu wzrosu napięcia łuku przy wyłączaniu prądu zwarciowego (rys..). Jednak nawe uzyskany bardzo szybki wzros napięcia łuku po jego zejściu ze syków ma nikły wpływ na obniżenie warości współczynnika ograniczenia prądu zwarciowego. Dopiero sworzenie w układzie gaszeniowym wyłącznika warunków pozwalających na uzyskanie ak inensywnego wzrosu napięcia łuku po czasie około 6 ms po chwili wysąpienia prądu zwarciowego zamias po czasie T r + T = 11,6 ms pozwoliłoby na ograniczenie spodziewanego prądu zwarciowego na poziomie około, I ss. zaem, należy dążyć do skrócenia sumarycznej warości czasu własnego i czasu łukowego zesykowego. Mało realne jes skrócenie czasu własnego T r, ze względu na już uzyskany bardzo króki czas własny wyłącznika i wyzwalacza nadprądowego wynoszący około 3,6 ms (wyliczenia powyżej) w porównaniu do podanej w kaalogu warości wynoszącej ms [7]. Pozosaje więc czas łukowy zesykowy T, całkowicie zależny od zejścia łuku ze syków i jego wejścia do komory łukowej. Te procesy częściowo opisane w [8] są bardzo skomplikowane. Uzyskanie znacznego skrócenia czasu T wymagałoby przebudowy zarówno układu napędowego jak również układu wydmuchu elekromagneycznego wraz z komorą łukową. Taka przebudowa układów wyłącznika byłaby pracochłonna oraz wymagałaby dużych nakładów finansowych. Saje się więc prakycznie nierealna. Rys.. Przebiegi prądu zwarciowego i napięcia łuku w obwodzie probierczym o paramerach opisanych w ekście []. Łuk elekryczny ciągle pali się na sykach wyłącznika. Dopiero w siódmej milisekundzie od chwili owarcia się syków wyłącznika nasępuje szybkie zejście łuku ze syków, jego wydłużenie i inensywne chłodzenie w komorze gaszeniowej. Ten proces powoduje wzros napięcia łuku do około 6 V w czasie poniżej 1 ms i odbywa się przy prądzie probierczym o warości bliskiej 37 k. Zwarciowy prąd spodziewany zosaje ograniczony na poziomie około,8 I ss. Pod wpływem urzymującego się na prawie sałym poziomie około 6 V napięcia łuku w czasie T g =,4 ms, prąd zwarciowy w chwili g maleje do zera i nasępuje zgaszenie łuku. Całkowiy czas łukowy Rys.6. Przebiegi prądu i napięcia łuku w obwodzie o paramerach: napięcie zasilające 3 V, wyłączany prąd roboczy 1,4 k, sała czasowa obwodu zwarciowego 8, ms. Powyższe rozważania powierdzają zasadność spoykanych w publikacjach [9,] sformułowań mówiących o ym, że wyłączniki magneowydmuchowe prądu sałego osiągnęły kres swoich możliwości. Bardziej opłacalne i echniczne uzasadnione było opracowanie nowej generacji ulraszybkich wyłączników prądu sałego wykorzysujących odmienny sposób działania od wyłączników magneowydmuchowych [1,13]. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Elecrical Review), ISSN 33-97, R. 87 NR /11 191
Podsumowanie 1. Z przeprowadzonej wyżej analizy wynika, że uzyskanie współczynnika ograniczenia prądu o warości k, wiąże się z wysąpieniem na wyłączniku napięcia łuku o warości u ł, E s w czasie do,7 τ sałej czasowej obwodu po chwili wysąpienia zwarcia. W obwodach rakcji kolejowej, w kórych sałe czasowe są rzędu ( 1) ms o wymaganie nie jes możliwe do spełnienia przez wyłączniki magneowydmuchowe.. Symulacja wyłączeniowych przebiegów prądów I napięć pokazuje znaczny wpływ czasów własnych oraz czasów łukowych wyłączników na warość przepięć łączeniowych. Ze wzrosem czasów własnych przepięcia e wzrasają dla wszyskich analizowanych przypadków zmian napięcia łuku, naomias maleją wraz z wydłużaniem czasów łukowych. 3. Z symulacji wynika, że w przypadku wzrosu napięcia łuku wg funkcji parabolicznej warości przepięć łączeniowych są większe niż w przypadku napięcia łuku zmieniającego się liniowo, co wynika z wymuszania w końcowej fazie procesu wyłączania większej szybkości zmian prądu. Dlaego liniowa zmiana napięcia łuku, wymuszająca w czasie łukowym sałą szybkość zmian prądu prowadzi zarazem do uzyskania mniejszych warości współczynnika ograniczenia prądu. 4. Najlepsze efeky ograniczenia prądu zwarciowego przy najmniejszych przepięciach uzyskuje się przy skokowej zmianie napięcia łuku, przekraczającej napięcie zasilania, jednak pod warunkiem jego wysąpienia w czasie krószym od sałej czasowej obwodu.. Z analizy przebiegu wyłączania zwarcia w obwodzie probierczym wynika, że na małą skueczność ograniczania prądu zwarciowego isony wpływ ma nie ylko podawany w kaalogach przez wszyskich producenów wyłączników magneowydmuchowych prądu sałego czas własny wyłącznika przy owieraniu [7], ale również czas łukowy zesykowy. Jego warość może znacznie przewyższać czas własny wyłącznika. 6. We wszyskich przypadkach symulowanych przebiegów wyłączeniowych warości przepięć łączeniowych mieszczą się w dopuszczalnych granicach określonych przez karę UIC [11], określającą warość dopuszczalnych przepięć w zależności od czasu ich rwania. 7. Z przyczyn podanych powyżej, pomimo uzyskania po zejściu łuku ze syków wzrosu napięcia łuku o średniej warości około 6 V w czasie poniżej 1 ms,, współczynnik ograniczenia prądu jes wysoki i wynosi ponad,8, pojawiło się ono zby późno względem przebiegu prądu zwarciowego. 8. Wszyskie powyższe sposrzeżenia wynikające zarówno z kompuerowej symulacji przebiegów wyłączeniowych jak również z analizy przebiegów probierczych dają podsawę do swierdzenia, że relaywnie niewielka poprawa dynamiki działania wyłącznika magneowydmuchowego jes możliwa poprzez wielokierunkowe oddziaływanie na konsrukcję napędu, układu sykowego, układu wydmuchu elekromagneycznego oraz komory gaszeniowej, dla uzyskania minimalizacji sumy czasu własnego owierania wyłącznika oraz czasu łukowego zesykowego, maksymalizacji szybkości wzrosu napięcia łuku do warości ponad,e s, w czasie do,τ, a nasępnie dalszy wzros ego napięcia do ok. (1, 1,) E s, w czasie (, 1) τ, Spełnienie przez konsrukcję wyłącznika niekórych wymagań dla uzyskania współczynnika ograniczenia prądu, lub mniejszego jes mało realne. 9. Jak wspomniano wyżej, aka przebudowa układów wyłączników magneowydmuchowych byłaby rudna, pracochłonna oraz droga, a cena wyłączników wysoka, wydaje się więc o prakycznie nierealne i producenci wyłączników raczej nie idą ą drogą. Bardziej opłacalne i echniczne uzasadnione było opracowanie nowej generacji ulraszybkich wyłączników prądu sałego wykorzysujących odmienny sposób działania od wyłączników magneowydmuchowych. LITERTUR [1] N a siłowski J., Wyłączniki i syczniki prądu sałego. Pańswowe Wydawnicwo Techniczne. Warszawa, 196 [] Fronczak F., Podsacje rakcyjne i ich zasilanie. Kolejowa Oficyna Wydawnicza. Warszawa, 1994 [3] R o j ek., Badanie przeężeń i przepięć wewnęrznych w układzie filra do zespołu prosownikowego z jednosopniową ransformacją napięcia 1/3 kv. Praca dokorska. Lublin, 1999 [4] T u liński K., naliza możliwości poprawy procesu wyłączania zwarć przez klasyczne wyłączniki szybkie w podsacjach prądu sałego. Praca dokorska, Warszawa 3 [] Królikowski Cz., Borua Z., Kamińska-Pranke., Technika łączenia obwodów elekroenergeycznych. Przykłady obliczeń. Pańswowe Wydawnicwo Naukowe, W-wa 199 [6] Królikowski Cz., Technika łączenia obwodów elekroenergeycznych, Pańswowe Wydawnicwo Naukowe, W-wa 199 [7] GE P o wer C o n rols., Wyłączniki szybkie prądu sałego. Bielsko Biała. Kaalog [8] B a ros zews ki Z., Prąd kryyczny łączników prądu sałego, Praca dokorska, Łódź, 1974 [9] Barosik M., Bolanowski B.,Lasoa R., Wójcik F., Zagadnienia rozwoju aparaury łączeniowej prądu sałego dla rakcji elekrycznej. Maeriały Konferencji Naukowej kualne problemy ransporu szynowego, Kraków-Muszyna, 198 [] B a rosik M., Progress In D.C. breaking. Proceedings of he VIIIh Inernaional Conference on Swiching rc Phenomena. SP-97, Łódź, Poland, 1977 [11] K a r a UIC ; Power Supply Insallaions For Passenger Sock, 1997 [1] K a r a UIC ; Power Supply Insallaions For Passenger Sock, 1997 [1] Barosik M., Lasoa R., Wójcik F., Direc currenlimiing vacuum circui breaker. Maeriały Xii Sympozjum Zjawiska elekryczne w próżni ZEP-91, Zeszyy Naukowe Poliechniki Poznańskiej Elekryka, nr 39, Poznań, 1991 [13] B a rosik M., L a s o a R., W ójcik F., Rodzina ulraszybkich wyłączników próżniowych prądu sałego ypu DCV dla rakcji kolejowej. Maeriały VI Ogólnopolskiej Konferencji Naukowej z Zakresu Trakcji Elekrycznej SEMTRK 94, Kraków, 1994 uor: dr inż. Franciszek Wójcik, Poliechnika Łódzka, Kaedra paraów Elekrycznych, ul. Sefanowskiego 18/, 9-94 Łódź, e-mail:fkwojcik@p.lodz.pl. 19 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Elecrical Review), ISSN 33-97, R. 87 NR /11