Łączniki wysokiego napięcia.doc

1. Wprowadzenie, poj

ęcia podstawowe

Łącznik elektroenergetyczny to aparat elektryczny przeznaczony do przewodzenia,

w stanie zamkni

ęcia

[3] okre

ślonych prądów oraz do wykonywania określonych czynności

łączeniowych w obwodach energoelektrycznych (wg PN/E–01000, „Łączniki elektroener-
getyczne. Nazwy i okre

ślenia”).

Łączniki wysokiego napięcia stanowią bogatą rodzinę aparatury pracującej w obwo-

dach pr

ądu przemiennego o napięciach wyższych od 1000 V i prądu stałego dla napięć wy-

ższych niż 1200 V. Czasami wprowadza się pojęcie łącznika uniwersalnego, zdolnego do
pracy w obydwu uk

ładach jednocześnie [2]. Podobnie, jak łączniki niskiego napięcia można

dokona

ć ich podziału ze względu na zdolność łączeniową, funkcję w obwodzie, czy różno-

rodno

ść rozwiązań konstrukcyjnych [1]. Postępując w ten sposób możemy wyróżnić:

A) wy

łączniki,

B) roz

łączniki,

C) bezpieczniki,
D) od

łączniki,

E) uziemniki,
F) zwierniki.

2. Wy

łączniki

Najcz

ęstszym kryterium podziału wyłączników wysokiego napięcia na grupy funkcy-

jne jest obecno

ść w nich różnego typu medium gaszenia łuku. Z tego względu wyłączniki

dzielimy na:

a)  olejowe,
b)  pneumatyczne,
c)  z sze

ściofluorkiem siarki, tzw. SF

d) magnetytowydmuchowe,
e) pró

żniowe.

Wybór wy

łącznika ze względu na sposób gaszenia łuku elektrycznego jest zazwy-

czaj zagadnieniem z

łożonym, zwłaszcza, że poza własnościami typowo technicznymi

znaczenie w dzisiejszych czasach odgrywa cena urz

ądzenia [4]. Poniżej opisano posz-

czególne rodzaje wy

łączników, lecz ze względu na ograniczoną zawartość opracowania

żdą z grup przedstawiono skrótowo, wymieniając tylko ich najistotniejsze cechy cha-

rakterystyczne oraz zakres stosowalno

ści w stacjach elektroenergetycznych [4].

2.1. WY

ŁĄCZNIKI PEŁNOOLEJOWE

łączniki pełnoolejowe cechuje w miarę prosta budowa. Obecnie, aparaty te nie

ą stosowane w rozdzielnicach wnętrzowych, ze względu na niebezpieczeństwo ich

wybuchu. Rzadko te

ż spotyka się rozdzielnice napowietrzne z tego typu wyłącznikami.

Aparaty te znajduj

ą zastosowania w terenowych stacjach rozdzielczych średnich napięć

(15

20) kV [4]. Nale

ży zwrócić uwagę na nazwę wyłącznika (pełnoolejowy), która określa

funkcj

ę, jaką pełni w aparacie olej elektroizolacyjny. Służy on do zapewnienia pełnej izola-

cyjno

ści elementów łącznika, a także jako medium gaszące łuk elektryczny, przy wyłącza-

niu pr

ądu przez aparat.

Terminy stan zamkni

ęcia i otwarcia stosuje się tylko dla łączników zestykowych [3].

2.2. WY

ŁĄCZNIKI MAŁOOLEJOWE

Aparaty te przez ca

łe dziesięciolecia należały do grupy najbardziej rozpowszech-

nionych. Stosowano je w stacjach

średnich napięć miejskich i przemysłowych [4]. W roz-

ązaniach tych łączników udało się radykalnie zmniejszyć ilość oleju, zastępując go ma-

teria

łami elektroizolacyjnymi stałymi (papier, porcelana, żywicą epoksydową). Masa oleju

w wy

łączniku na napięcie znamionowe pracy 245 kV nie przekracza kilkuset kilogramów

i stanowi zaledwie niewielki procent oleju zawartego w odpowiednikach, czyli wy

łącznikach

łnoolejowych [3]. Zaletą takich rozwiązań była stosunkowo niska cena oraz prosta kon-

strukcja. Wy

łączniki tej grupy odznaczają się niezbyt dużą zdolnością łączeniową. Nie jest

wskazane stosowanie ich w obwodach o do

ść znacznej częstości łączeń. W wyłącznikach

łoolejowych stosuje się następujące rodzaje komór gaszeniowych:

•

pod

łużnostrumieniowe (rys. 2a),

•

poprzecznostrumieniowe (rys. 2b) [1].

Rys. 1. Konstrukcja bieguna wy

łącznika

łoolejowego SN budowy tornistorowej

[8]

Rys. 2. Komory gaszeniowe wy

łączników małoolejowych: a) podłużnostrumieniowe, b) poprzecz-

nostrumieniowe: 1– styk nieruchomy i zacisk dolny, 2– zewn

ętrzna część komory (materiał izolacy-

jny), 3–

łuk elektryczny, 4– bańka gazowa, 5– olej, 6– styk ruchomy [3]

Materia

ły używane do budowy komór (rys. 2.) odznaczają się zwykle dużą wytrzymałością

mechaniczn

ą. Taki warunek spełnia kompozyt z żywicy epoksydowej wzmocnionej włók-

nem szklanym, tzw. szk

ło–epoksyd [1]. Wyłączniki małoolejowe stanowią podstawowy typ

aparatów

średnich napięć. Rozwój techniki łączeniowej, konstrukcji aparatury, a także no-

wych nap

ędów zasobnikowych sprawił, że łączniki te charakteryzują się wysoką trwałością

łączeniową mechaniczną, rzędu 10

cykli przestawie

ń [5]. W przedziale najwyższych na-

ęć wyłączniki małoolejowe występują w dwóch odmianach:

a) jednoprzerwowe kolumnowe, s

łużące głównie do łączenia transformatorów,

budowane na napi

ęcia do 170 kV oraz prądy wyłączalne rzędu 28 kA i moce

łączalne do 3400 MV

b) wieloprzerwowe uniwersalne, budowane w pe

łnym zakresie napięć, o prądach

łączalnych od 60 kA do 70) kA [5].

2.3. WY

ŁĄCZNIKI PNEUMATYCZNE

W rozwi

ązaniu łącznika łuk elektryczny, przy wyłączaniu gaszony jest pod wpły-

wem spr

ężonego powietrza, które wydobywa się ze specjalnego zbiornika (6), w którym

panuje ci

śnienie od 1 MPa do 3 MPa. Gaz przepływając z prędkością dźwięku przez me-

talow

ą dyszę aktywnie oddziaływuje na palący się w niej łuk elektryczny [3]. Wyłączniki te-

go typu charakteryzuj

ą się dużą niezawodnością działania i trwałością łączeniową i me-

chaniczn

ą. Można je stosować w obwodach o znacznej częstości łączeń. Z racji swoich

parametrów technicznych mo

żna je wykorzystywać, jako aparaty zabezpieczające w waż-

nych i du

żych stacjach elektroenergetycznych [4].

łączniki pneumatyczne budowane są dla przedziału napięć najwyższych. Apara-

ty pracuj

ące przy średnich napięciach noszą nazwę wyłączników generatorowych, tzw.

ężkich [5]. Prądy znamionowe łączników tej grupy sięgają od 12 kA do 36 kA, przy zna-

mionowych napi

ęciach pracy rzędu 20 kV. Prądy wyłączalne są na poziomie 140 kA. Wed-

ług danych firmy Brown Boveri, w przypadku prądów znamionowych ciągłych większych
od 12 kA nale

ży stosować chłodzenie wodne.

łączniki pneumatyczne NN budowane są jako wieloprzerwowe, ze zbiornikami

spr

ężonego powietrza i zaworami głównymi umieszczonymi w pobliżu komór gaszenio-

wych (rys. 3.). Cz

ęsto wyposaża się je w rezystory bocznikujące. Ograniczają stromość

narastania napi

ęcia powrotnego przy wyłączaniu. W rozwiązaniach aparatów na napięcia

znamionowe 400 kV rezystancje potrzebne s

ą także do ograniczania przepięć przy załą-

czaniu [5]. Przyk

ład wyłącznika pneumatycznego średniego napięcia firmy Brown Boveri

pokazano na rys. 3.

Rys. 4. Zasada budowy wy

łącznika pneumatycznego

wieloprzerwowego (symetryczny uk

ład pneumatycz-

ny): 1– rezystory do sterowania rozk

ładem napięcia

na poszczególnych przerwach, 2– roz

łączniki przery-

waj

ące prąd płynący przez rezystory, 3– komory ga-

szeniowe, 4– kana

ły w izolatorach wsporczych, 5–

zawory gaszeniowe, 6 – zbiornik spr

ężonego powiet-

rza [3]

Rys. 3. Wy

łącznik pneumatyczny SN firmy Brown Boveri (24 kV, 5200 A, prąd wyłączalny 48,2 kA,

moc zwarciowa 2000 MV

A) [3]

2.4. WY

ŁĄCZNIKI Z SZEŚCIOFLUORKIEM SIARKI SF

Łączniki te pracują w układzie zamkniętym z SF

. Stwarza to trudno

ści z zachowa-

niem odpowiedniej szczelno

ści, a także doborem określonych materiałów, odpornych na

agresywne oddzia

ływanie toksycznych produktów rozpadu gazu, takich jak: SF

i SF

[5].

Aparaty budowane s

ą w dwóch odmianach – układach funkcjonalnych:

a) jednoci

śnieniowym,

b) dwuci

śnieniowym.

2.5. WY

ŁĄCZNIKI MAGNETOWYDMUCHOWE

W komorach gaszeniowych wy

łączników magnetowydmuchowych SN gaszenie łu-

ku elektrycznego odbywa si

ę w powietrzu o ciśnieniu atmosferycznym, wskutek:

•

przemieszczania si

ę kanału łukowego, połączonego z jednoczesnym jego wy-

łużaniem,

•

dodatkowego oddzia

ływania na kanał łukowy poprzez wprowadzenie go w wą-

skie szczeliny mi

ędzy łukoodporne płytki w komorze gaszeniowej, wykonane

np. z tlenku cyrkonu.

Ze wzgl

ędów izolacyjnych wyłączniki tej kategorii wykonuje się dla napięć do 17,5 kV. Łuk

elektryczny, powstaj

ący na stykach łącznika w procesie wyłączania prądów musi być roz-

ągany na duże odległości, dlatego magnetowydmuchowe komory gaszeniowe mają spo-

re wymiary (dziesi

ątki centymetrów i więcej), co w połączeniu z koniecznością stosowania

odpornych na

łuk elektryczny materiałów komory sprawia, że są to wyłączniki kosztowne.

Stosowane s

ą wszędzie tam, gdzie wymagana jest duża wytrzymałość mechaniczna i łą-

czeniowa wy

łącznika. Na rys. 5. pokazano przykładowy wyłącznik magnetowydmuchowy

SN, z wyra

źnie widocznymi komorami gaszeniowymi.

Rys. 5. Wy

łącznik magnetowydmuchowy firmy Merlin Gerin [3]

W obydwu wymienionych przypadkach do przemieszczania i wyd

łużania kanału łu-

kowego wykorzystuje si

ę efekt jego cieplnego unoszenia, jak również oddziaływanie ele-

ktrodynamiczne, pochodz

ące od specjalnie formowanego pola magnetycznego. W niektó-

rych rozwi

ązaniach technicznych komór stosuje się dodatkowo podmuch autopneumaty-

czny. Umo

żliwia on poprawne wyłączanie prądów krytycznych, o wartościach od kilku do

kilkunastu amperów [8].

W komorach gaszeniowych wy

łączników magnetowydmuchowych stosowane są

nast

ępujące układy do wydłużania łuku:

•

łuku dzielonym i wydłużaniu pętlowym wielokrotnym,

•

łuku ciągłym (falistym). Przekrój przez komorę magnetowymuchową, w której

zastosowano ten sposób wyd

łużania łuku elektrycznego pokazano na rys. 6.

Rys. 6. Schemat budowy w

ąskoszczelinowej, magnetowyd-

muchowej komory gaszeniowej, o

łuku ciągłym falistym:

a) ceramiczna p

łytka gaszeniowa, b) przekroje fragmentów

komory w ró

żnych jej wysokościach [8]

2.6. WY

ŁĄCZNIKI PRÓŻNIOWE

łączniki próżniowe stanowią jedną z podstawowych grup funkcyjnych aparatury

średnich napięć. Po okresie zastoju, począwszy od lat osiemdziesiątych i dziewięćdziesią-
tych nast

ąpił ich znaczny rozwój. Wiele firm światowych podjęło produkcję tego typu wyłą-

czników i styczników [8]. Na rys. 7 przedstawiano przyk

ładowy wyłącznik SN produkcji kra-

jowej z komor

ą próżniową. Przekrój przez typową komorę próżniową SN zamieszczono na

rys. 8.

Rys. 7. Wy

łącznik próżniowy SN typu VD4

Rys. 8. Przekrój przyk

ładowej komory próżniowej: 1– styk nierucho-

my, 2– styk ruchomy, 3– ekran kondensacyjny, 4– izolator cerami-
czny, 5–

łącznik sprężysty układu napędowego (spełnia też funkcję

uszczelnienia), 6– popychacz styku ruchomego, 7– metalowa os

łona

komory [8]

W obecnym stanie techniki

łączeniowej szczególnie istotny wydaje się podział wyłą-

czników wysokiego napi

ęcia na:

a) rozdzielcze, czyli pracuj

ące w układach przesyłu i rozdziału energii elektrycz-

nej,

b) odbiornikowe, s

łużące do łączenia wysokonapięciowych odbiorników energii

elektrycznej (silniki, piece elektryczne i inne) [5].

ądy wyłączalne wyłączników próżniowych dochodzą do 25 kA, przy napięciach odpowie-

dnio 12 kV i 24 kV. Zalet

ą tej grupy wyłączników jest ich duża wytrzymałość mechaniczna

łączeniowa. Ponadto odznaczają się szybkim wzrostem wytrzymałości powrotnej [3],

dlatego nadaj

ą się do wyłączania prądów w obwodach z bateriami kondensatorów.

3. Bezpieczniki

Bezpieczniki

średnich i wysokich napięć znalazły zastosowania, jako aparaty zabez-

pieczaj

ące transformatory, silniki, przekładniki, czy baterie kondensatorów [1] wyłącznie od

skutków zwar

ć. Budowane dla napięć znamionowych do 30 kV, w wykonaniu wnętrzowym

lub napowietrznym. Rozró

żnia się trzy rodzaje bezpieczników w zależności od rodzaju za-

stosowanego gasiwa:

a)  piaskowe topikowe,
b)  cieczowe (olejowe),
c)  gazowydmuchowe [8].

3.1. BEZPIECZNIKI PIASKOWE

Bezpieczniki topikowe z piaskiem kwarcowym lub sproszkowanym marmurem, o

odpowiednim granulacie [5] dzia

łają przy wyłączaniu prądów zwarciowych tak szybko [8],

że nie dopuszczają do wystąpienia w chronionym obwodzie prądu szczytowego. Mają
wówczas tzw. zdolno

ść ograniczania prądu zwarciowego. Należy zaznaczyć, że nie wszy-

stkie bezpieczniki topikowe posiadaj

ą w/w zaletę. Spełnienie odpowiedniego warunku

przez bezpiecznik topikowy umo

żliwia ograniczanie prądu. Aparaty takie nazywamy wów-

czas bezpiecznikami piaskowymi ograniczaj

ącymi lub niekiedy energetycznymi wielkich

mocy [3]. Na rys. 9. i rys. 10. przedstawiono przyk

ładowe wykonania bezpieczników śred-

nich napi

ęć z gasiwem piaskowym.

Rys. 9. Bezpieczniki SN typu CEF

Rys. 10. Bezpieczniki SN typu WBWMNII

Bezpieczniki topikowe piaskowe buduje si

ę na napięcia znamionowe do 30 kV oraz

ądy znamionowe do 200 A. Znamionowe prądy wyłączalne aparatów wynoszą średnio

50 kA [8].

3.2. BEZPIECZNIKI GAZOWYDMUCHOWE

Bezpieczniki

średniego napięcia, w których medium gaszącym łuk elektryczny, przy

łączaniu prądu jest materiał gazujący nazywamy bezpiecznikami gazowydmuchowymi.

Element topikowy umieszczono wewn

ątrz obudowy (np. OWBGN 6/17,5) z wkładką

gazuj

ącą, wykonaną najczęściej z fibry lub innego materiału kompozytowego [8].

Obudowa w kszta

łcie rury z materiału organicznego jest zamknięta szczelnie od góry, a

otwarta na dole, co umo

żliwia swobodny wypływ gazów w procesie wyłączania prądu.

Wewn

ętrzny tor prądowy bezpiecznika składa się z krótkiego elementu topikowego i

szeregowo z nim w

łączonego połączenia elastycznego [8]. Topik jest utrzymywany w

stanie napi

ętym przez sprężynę, która wydłuża go po zapłonie łuku elektrycznego.

Strumie

ń gazów powstałych z rozkładu materiału obudowy wkładki chłodzi intensywnie

łuk. Bezpieczniki nie posiadają zdolności ograniczania prądu, gdyż wyłączenie następuje
w momencie naturalnego przej

ścia prądu łuku przez zero. Na rys. 11. pokazano typową,

napowietrzn

ą wkładkę bezpiecznikową średniego napięcia.

Rys. 11. Bezpiecznik gazowydmuchowy serii V produkcji ABB Przasnysz

4. Od

łączniki

łączniki to aparaty należące do grupy łączników izolacyjnych. Zapewniają w sta-

nie otwartym widoczn

ą i bezpieczną przerwę izolacyjną pomiędzy otwartymi częściami

bieguna. Czynno

ści łączeniowe mogą być dokonywane odłącznikiem tylko w stanie bez-

ądowym obwodu. Odłączniki Sn budowane są na napięcia znamionowe izolacji w prze-

dziale od 6 kV do 30 kV oraz pr

ądy ciągłe do 4000 A. W tym zakresie parametrów podsta-

wow

ą konstrukcją aparatów stanowią odłączniki sieczne. Przykład takiego rozwiązania, w

wykonaniu wn

ętrzowym przedstawiono na rys. 12 [8].

Rys. 12. Biegun od

łącznika wnętrzowego, z dolnym

żem uziemiającym (20 kV, 630 A, ZWAR):

1– podstawa,
2– izolator wsporczy,
3– ci

ęgno izolacyjne,

4– zestyk roz

łączny,

5– zestyk nieroz

łączny,

6– nó

ż stykowy,

7– nó

ż uziemnika [8]

Wad

ą konstrukcji siecznych odłączników jest ich znaczna głębokość w stanie otwartym a-

paratu. Stwarza to niekiedy trudno

ści zabudowy odłącznika w rozdzielnicy osłoniętej. Ko-

rzysta si

ę wówczas z rozwiązań dwuprzerwowych o stykach ruchomych obrotowych [8].

5. Cel

ćwiczenia

Celem

ćwiczenia jest omówienie problematyki stosowania różnych łączników wyso-

kiego napi

ęcia, pokazania techniki gaszenia łuku wysokonapięciowego.

6. Zadanie

ćwiczenia

Zadanie

ćwiczenia polega na zapoznaniu studentów z budową łączników elektrycz-

nych wysokiego napi

ęcia, na przykładzie aparatury znajdującej się na wyposażeniu labo-

ratorium WN 114. Kompletn

ą budowę omawianego łącznika, jedną wybraną przez stude-

ntów nale

ży dołączyć do sprawozdania z ćwiczenia. Do sprawozdania autor dołącza też

krótki opis jednej (wybranej przez siebie) techniki gaszenia

łuku elektrycznego SN.

7. Przebieg

ćwiczenia

7.1. Prezentacja i omówienie podstawowych grup funkcyjnych

łączników wysokiego

napi

ęcia,

7.2. Metody gaszenia

łuku w łącznikach wysokiego napięcia.

Do gaszenia

łuku elektrycznego w łącznikach wysokiego napięcia wykorzystuje się

jeden z ni

żej podanych czynników:

a) Olej mineralny (wy

łączniki pełno – i małoolejowe)

b) Cia

ła stałe m. in.: fibrę, polimetakrylan metylu, czyli substancje silnie gazujące

(wydzielaj

ące głównie wodór) pod wpływem wysokiej temperatury od łuku ele-

ktrycznego (bezpieczniki gazowydmuchowe),

c) Strumie

ń sprężonego powietrza (wyłączniki pneumatyczne),

d) Sze

ściofluorek siarki SF

(wy

łączniki SF

e) Piasek kwarcowy (bezpieczniki topikowe piaskowe),
f) Pró

żnię (wyłączniki i styczniki próżniowe) [3].

8. Opracowanie wyników, sprawozdanie

Sprawozdanie z

ćwiczenia powinno mieć postać protokołu z badań, zredagowane-

go tak, aby na jego podstawie mo

żna było odtworzyć przeprowadzone eksperymenty.

Sprawozdanie powinno zawiera

ć:

1. Stron

ę tytułową wg wzoru.

2. Opis przebiegu

ćwiczenia.

•

opis obiektów bada

ń (szkice, rysunki),

•

opis przygotowa

ń poprzedzających badania,

•

warunki badania,

•

sposób bada

ń,

•

wyniki bada

ń (odpowiednie tablice, wykresy).

3. Analiz

ę wyników badań.

4. Zagadnienia opracowane na podstawie literatury.

Sprawozdanie musi by

ć napisane odręcznie, zwięzłym, technicznym językiem. Stro-

ny opracowania nale

ży ponumerować i całość spiąć. Wykresy muszą być czytelne, z wy-

źnie zaznaczonymi punktami będącymi wynikiem pomiarów. Do sprawozdania należy

łączyć notatki sporządzone podczas ćwiczenia.

9. Literatura

[1]

H. Markiewicz, "Urz

ądzenia elektroenergetyczne", WN – T, Warszawa 2001

[2]

Praca zbiorowa pod kierunkiem B. Konorskiego, „Poradnik in

żyniera elektryka”,

WN – T, Warszawa 1968

[3]

St. Dzierzbicki, „Aparatura elektroenergetyczna”, WN – T, Warszawa 1980

[4]

T. Be

łdowski, „Stacje elektroenergetyczne”, WN – T, Warszawa 1980

[5]

Praca zbiorowa pod kierunkiem A. Au, „Poradnik in

żyniera elektryka”, tom III,

WN – T, Warszawa 1974

[6]

Materia

ły konferencyjne, „Stacje transformatorowo – rozdzielcze SN/nn, Semina-

rium Naukowo – Techniczne, Pozna

ń 2004

[7]

A. Au, Zb. Ciok, „Aparaty elektryczne”, cz

ęść II, Wydawnictwa Politechniki Warsza-

wskiej, Warszawa 1976

[8]

A. Au, Zb. Ciok, J. Maksymiuk, „

Łączniki energoelektryczne średnich napięć. Stan

istniej

ący i tendencje rozwojowe”, WN – T, Warszawa 1984

W nawiasach podano przyk

łady łączników, w których wykorzystano opisywane medium

Wszystkie pozycje literatury s

ą do dostępne u prowadzącego zajęcia

10. Pytania kontrolne

10.1. Na jakie grupy funkcyjne mo

żna podzielić łączniki wysokiego napięcia?

10.2. Jakie sposoby gaszenia

łuku elektrycznego stosujemy w technice WN?

10.3. Czym ró

żnią się wyłączniki pełno i małoolejowe?

10.4. Jakie s

ą typowe materiały gazujące i w jakich aparatach znalazły swoje zastosowa-

nia?

10.5. Dlaczego w bezpiecznikach gazowydmuchowych stosowane s

ą dodatkowe otuliny

z materia

łu gazującego?

10.6. Które z opisanych

łączników wysokiego napięcia posiadają zdolność ograniczania

ądu zwarciowego? Spełnienie, jakiego warunku odpowiada za tę zdolność?

10.7. Jakie g

łówne problemy występują w eksploatacji wyłączników najwyższych napięć

z sze

ściofluorkiem siarki SF

10.8. Na jakie grupy funkcyjne mo

żna podzielić bezpieczniki SN? Ze względu, na jaki

czynnik mo

żna dokonać takiego podziału?

11. Za

łącznik

Tabela 1. Wzór tabliczki strony tytu

łowej sprawozdania z laboratorium AE

Politechnika Gda

ńska

Laboratorium Aparatów
Elektrycznych

Studium Dzienne, Elektrotechnika, (mgr)
Semestr VI
Rok akademicki: 2004 / 2005

Ćwiczenie nr:

Temat:

Data wykonania

ćwiczenia:

Data oddania sprawozdania:

Ocena:

Imi

ę i nazwisko studenta

Grupa laboratoryjna …………........

Autor sprawozdania …………………………….
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.

Podpis prowadz

ącego: