technika

technika
20
Marek Bartosik, Ryszard Lasota, Franciszek Wójcik
Ultraszybkie
wy³¹czanie zwaræ
w trakcyjnych
obwodach
pr¹du sta³ego
G³ównym u¿ytkownikiem pr¹du sta³ego s¹ wszelkie
rodzaje elektrycznej trakcji kolejowej, miejskiej, górniczej etc. Warunki zwarciowe w poszczególnych
sieciach s¹ bardzo zró¿nicowane, odmienne dla wy³¹czników podstacyjnych i taborowych. Niniejsza publikacja dotyczy wy³¹czników taborowych. Wzrastaj¹ce potrzeby transportowe stwarzaj¹ tendencjê do
wzrostu przyspieszeñ i prêdkoœci pojazdów trakcyjnych, a wiêc i mocy trakcyjnych pojazdów silnikowych. Wymaga to wzrostu mocy podstacji zasilaj¹cych i stosowania uk³adów wzmacniania sieci dla
ograniczania spadków napiêæ. Wystêpuje tak¿e tendencja do przechodzenia po stronie pr¹du przemiennego na coraz wy¿sze napiêcia zasilania systemów
trakcyjnych.
Te czynniki powoduj¹ zwiêkszenie mocy zwarciowych i stromoœci wzrostu pr¹dów zwarciowych po stronie pr¹du sta³ego. W zwarciowych obwodach trakcyjnych, pomijaj¹c
metro, za typowe mo¿na uznaæ wartoœci sta³ej czasowej τ
w zakresie 10÷30 ms, spodziewanego zwarciowego pr¹du ustalonego Ispu w zakresie 10÷60 kA, pocz¹tkowej stromoœci wzrostu pr¹du zwarciowego si w zakresie 0,5÷5 A/µs.
Energie magnetyczne EM obwodu bardzo silnie zale¿¹ od
sposobu wy³¹czania zwaræ. Z drugiej strony wzglêdy techniczne i ekonomiczne stwarzaj¹ siln¹ tendencjê do rozwoju
nowych systemów napêdowych z rozruchem impulsowym
oraz hamowaniem z odzyskiem energii. Oprócz tego znane
s¹ napêdy trakcyjne z silnikami pr¹du przemiennego, przy
zasilaniu z sieci pr¹du sta³ego za pomoc¹ przekszta³tników.
Bardzo szybki rozwój technik pó³przewodnikowych umo¿liwia
realizacjê takich uk³adów, ale powszechnie stosowane tradycyjne wy³¹czniki magnetowydmuchowe nie stanowi¹ skutecznego zabezpieczenia elementów pó³przewodnikowych.
Dzia³aj¹ one zbyt wolno, za ma³o skutecznie ograniczaj¹ pr¹dy zwarciowe, maj¹ za du¿e wartoœci ca³ki Joule’a I2t. Dlatego podjêto prace nad nowymi, bardziej skutecznymi, ultraszybkimi metodami wy³¹czania zwarciowych pr¹dów
sta³ych.
Nowy podzia³ wy³¹czników pr¹du sta³ego
Wprowadzenie nowej techniki ultraszybkiego wy³¹czania
zwaræ stworzy³o koniecznoœæ usystematyzowania zagadnienia i sprecyzowania niektórych parametrów charakteryzuj¹cych proces wy³¹czania zwarcia. US WPS dzia³aj¹ bowiem
na zasadzie komutacji wymuszonej, odmiennej ni¿ zasada
dzia³ania tradycyjnych wy³¹czników magnetowydmuchowych,
dotychczas stosowanych jako klasyczne (K WPS) – nieograniczaj¹ce pr¹du, lub szybkie (S WPS) – o umiarkowanej
zdolnoœci do ograniczania pr¹du. Wy³¹czanie pr¹dów przez
K WPS i S WPS nastêpuje wskutek wzrostu napiêcia ³uku
w komorze gaszeniowej, poch³aniaj¹cej energiê Ÿród³a zasilania i energiê magnetyczn¹ obwodu.
Interakcja wy³¹cznika i obwodu w wymienionych przypadkach przebiega odmiennie. Mo¿liwoœci ograniczania pr¹du zwarciowego zale¿¹ zawsze od wartoœci spodziewanego zwarciowego pr¹du ustalonego Ispu oraz od parametrów
R, L, C obwodu zwarciowego, determinuj¹cych pocz¹tkow¹
stromoœæ wzrostu pr¹du zwarciowego si = di/dt ≈ Ispu/τ.
Skutecznoœæ ograniczania pr¹du zwarciowego przez S WPS
zale¿y od szybkoœci jego zadzia³ania i szybkoœci wzrostu
napiêcia ³uku, determinuj¹cej stromoœæ dojœcia pr¹du do
zera. Skutecznoœæ ograniczania pr¹du zwarciowego przez
US WPS zale¿y od szybkoœci jego zadzia³ania i wymuszonej
szybkoœci komutacji pr¹du, determinuj¹cej stromoœæ jego
dojœcia do zera. Wielkoœci te s¹ dla US WPS znacznie wiêksze ni¿ dla S WPS. Miar¹ szybkoœci dzia³ania wy³¹cznika jest
czas wy³¹czania tw od chwili powstania zwarcia do chwili
dojœcia do zera pr¹du w uk³adzie wy³¹czaj¹cym. Miar¹ skutecznoœci ograniczania pr¹du jest pr¹d ograniczony Io, wyra¿any wspó³czynnikiem ograniczania pr¹du C = Io /Ispu.
Wartoœci wspó³czynnika C oraz wartoœci czasu tw wzglêdem
sta³ej czasowej τ przyjêto jako umowne kryteria podstawowego podzia³u WPS. Zasady tego podzia³u pokazano w tablicy 1.
Tablica 1
Klasy wy³¹czników pr¹du sta³ego WPS ze wzglêdu na szybk
oœæ wy³¹czania zwaræ: HS – hiperszybkie, US – ultraszybkoœæ
szybkie, S – szybkie, K – klasyczne (nieograniczaj¹ce)
Klasa WPS
HS WPS
US WPS
S WPS
K WPS
Zakres twX
0 ≤ twHS < tmr
tmr ≤ twUS < ~0,5τ
~0,5τ ≤ twS < ~3τ
~3τ ≤twK ≤4
Zakres CX
~0,005 ≤ CHS < ~0,01
~0,01 ≤ CUS< ~0,4
~0,4 ≤ CS < ~0,95
~0,95 ≤CK ≤1
gdzie:
– indeksy odpowiadaj¹ce rodzajowi wy³¹cznika, CX = IoX/Ispu – wspó³czynnik ograniczania pr¹du; twX – czas wy³¹czaX = HS; US; S; K
nia, tmr – minimalny czas reakcji mechanicznej.
5 / 1999
21
Osi¹gniêcie ultraszybkiego dzia³ania wymaga zastosowania bardzo
du¿ych przyspieszeñ i prêdkoœci elementów ruchomych wy³¹czników.
Przy wystêpuj¹cych w praktyce masach tych elementów powstaj¹
w nich wielkie udarowe naprê¿enia
mechaniczne, czêsto o falowym charakterze. Przekroczenie dopuszczalnych wartoœci tych naprê¿eñ powoduje bardzo szybkie zmniejszanie siê
trwa³oœci mechanicznej wy³¹cznika
lub nawet jego natychmiastowe
uszkodzenie. Mo¿liwoœci zmniejszania
Rys. 1. a) Podzia³ wy³¹czników pr¹du sta³ego WPS ze wzglêdu na szybkoœæ wy³¹czania zwaræ, b) powiêkczasu w³asnego s¹ wiêc ograniczoszony i uzupe³niony fragment b z rys. a)
ne najmniejsz¹ dopuszczaln¹ warKlasy WPS: K - klasyczne, S - szybkie, US - ultraszybkie, HS - hiperszybkie; Isp - przyk³adowy przetoœci¹ czasu w³asnego organu ruchobieg spodziewanego pr¹du zwarciowego, I spu - jego wartoœæ ustalona; IX - przebiegi rzeczywistego
mego tmr, wytrzymywan¹ bez ogranipr¹du zwarciowego, IoX - pr¹dy ograniczone, CX = IoX/Ispu - wspó³czynniki ograniczania pr¹du,
twX - czasy wy³¹czania, uwX - przebiegi napiêcia na wy³¹czniku, umX - przepiêcia ³¹czeniowe, gdzie:
czenia trwa³oœci mechanicznej wyX = K, S, US, HS - indeksy odpowiadaj¹ce klasie wy³¹cznika (tzn. IK, IoK, CK, twK, uwK, umK - dla
³¹cznika. Jest on indywidualn¹ cech¹
K WPS....itd; t - czas, tmr - minimalny czas reakcji mechanicznej, τ - sta³a czasowa obwodu zwarciocharakterystyczn¹ wy³¹cznika. Mo¿na
wego, si = di/dt = Ispu/τ - pocz¹tkowa stromoœæ wzrostu pr¹du zwarciowego, E - napiêcie sieci.
przyj¹æ, ¿e czasy tmr wynosz¹ od 150
Przebiegi napiêæ powrotnych dla HS WPS i US WPS pominiêto (patrz rys. 3).
do 200 µs.
Na rysunku 1 pokazano przyk³adowe, stylizowane przebiegi ³¹czeniowe pr¹dów i napiêæ
podczas wy³¹czania zwaræ przez wy³¹czniki poszczególnych
klas opisanych w tablicy 1.
Przebiegi pokazane na rysunku 1 sporz¹dzono na podstawie danych dla wybranych wy³¹czników przyporz¹dkowanych do ka¿dej z klas [6, 7, 9, 10]. Zró¿nicowanie typów
wy³¹czników magnetowydmuchowych w klasach S WPS
i K WPS jest znaczne, wiêc w tym zakresie wystêpuje znaczny rozrzut parametrów ³¹czeniowych. W zakresie US WPS
i HS WPS zjawiska ³¹czeniowe s¹ natomiast wysoce powtarzalne. Dla jasnoœci rysunku wymienione rozrzuty pominiêto, co nie ma znaczenia dla uogólnionych wniosków z dalszych rozwa¿añ.
Analiza porównawcza pokazanych na rysunku 1 sposobów wy³¹czania zwaræ przez wy³¹czniki poszczególnych klas
pozwala na oszacowanie ogromnych korzyœci eksploatacyjnych, jakie niesie ze sob¹ zastosowanie ultraszybkich metod wy³¹czania zwarciowych pr¹dów sta³ych. Do analizy
wziêto pod uwagê kilka charakterystycznych wielkoœci, powszechnie uwa¿anych za determinuj¹ce podstawowe w³aœciwoœci eksploatacyjne wy³¹czników. Do nich nale¿¹: pr¹d
ograniczony Io, ca³ka Joule’a I2t, maksymalna wartoœæ energii magnetycznej obwodu EM podczas wy³¹czania zwarcia,
energia Ew wydzielona w g³ównym elemencie wy³¹czaj¹cym Rys. 2. Przyk³adowe, szacunkowe wartoœci maksymalnej2 energii magnetycznej obwodu zwarciowego EM, ca³ki Joule’a I t oraz energii Ew
pr¹d zwarciowy. Parametry te oszacowano dla przyk³adowo
wydzielanej w g³ównym elemencie wy³¹czaj¹cym, podczas wy³¹wybranych granicznych warunków zwarciowych charakteryczania pr¹du zwarciowego przez WPS klasy HS, US, S i K westycznych dla wy³¹czników taborowych w trakcji kolejowej,
d³ug tablicy 1; warunki zwarciowe wed³ug opisu na rysunku.
z uwzglêdnieniem podzia³u wed³ug rysunku 1 i danych zaWewn¹trz bia³ych prostok¹tów podano orientacyjne krotnoœci poczerpniêtych z literarury dla wybranych wy³¹czników [6, 7,
szczególnych parametrów wzglêdem parametrów dla US WPS,
9]. Wyniki analizy pokazano na rysunku 2.
przyjêtych za podstawowe (tj. EM S / EM US > 15......itd).
Oznaczenia: / n - dzielnik, × n - mno¿nik; pozosta³e oznaczenia
Problemy eksploatacyjne i mo¿liwoœci rozwojowe wyjak na rysunku 1.
³¹czników magnetowydmuchowych by³y wielokrotnie opisywane w dostêpnej literaturze, wiêc zosta³y tutaj pominiête.
5 / 1999
22
Wy³¹czniki te mog¹ dzia³aæ jako K WPS lub S WPS. W dalszych rozwa¿aniach K WPS pominiêto, gdy¿ wiêkszoœæ trakcyjnych wy³¹czników magnetowydmuchowych odpowiada
klasie S WPS. W szczególnych przypadkach lekkie i szybkie
konstrukcje S WPS, pracuj¹ce przy relatywnie ma³ych wartoœciach pocz¹tkowej stromoœci wzrostu pr¹du zwarciowego si, mog¹ nawet wkraczaæ w zakres US WPS, ale wydaje siê, ¿e osi¹gnê³y one kres mo¿liwoœci technicznych
wynikaj¹cych z zasady ich dzia³ania.
Wy³¹czniki klasy HS WPS w praktyce mog¹ byæ budowane tylko przy wykorzystaniu pó³przewodnikowych elementów mocy, poniewa¿ ¿adne sensowne technicznie uk³ady
mechaniczne nie wytrzymuj¹ pracy z wymaganymi w tym
zakresie przyspieszeniami. Znana jest w tej klasie tylko jedna konstrukcja hybrydowa z uk³adem zestykowym wymiennym jednorazowego u¿ytku (do celów specjalnych) [10]. Do
budowy HS WPS w praktyce przydatne s¹ tranzystory IGBT
i tyrystory GTO, przy czym szybki postêp w dziedzinie tyrystorów elektrostatycznych wydaje siê ostatnio zagra¿aæ
popularnoœci GTO. W³asnoœci tych elementów pozwalaj¹
budowaæ wy³¹czniki pó³przewodnikowe w ca³ym zakresie
napiêæ trakcyjnych. Wady elementów pó³przewodnikowych,
takie jak du¿e straty mocy przy przewodzeniu pr¹du, ma³a
odpornoœæ na przepiêcia i przeci¹¿enia, brak galwanicznego
odcinania obwodu oraz wysoki koszt, s¹ istotnymi ograniczeniami praktycznych zastosowañ HS WPS. Zagadnienia te
stanowi¹ odrêbny problem, s¹ dobrze znane z obszernej
literatury i zosta³y tutaj pominiête. W analizowanych zastosowaniach HS WPS maj¹ znaczenie pomocnicze i dalej je
pominiêto. Celowe jest jedynie porównanie US WPS
i S WPS. Szacunkowe dane przedstawione na rysunkach 1
i 2 upowa¿niaj¹ do stwierdzenia, ¿e w stosunku do magnetowydmuchowych S WPS, nowe wy³¹czniki klasy US WPS
maj¹: pr¹dy ograniczone Io kilkakrotnie mniejsze, maksymalne
wartoœci energii magnetycznej obwodu EM kilkunastokrotnie
mniejsze, wartoœci ca³ki Joule’a I2t kilkudziesiêciokrotnie
mniejsze, a energie Ew wydzielane w g³ównym elemencie
wy³¹czaj¹cym pr¹d zwarciowy kilka tysiêcy razy mniejsze.
Daje to ogromne korzyœci eksploatacyjne. Do uzyskania takich wartoœci analizowanych parametrów konieczne by³o
opracowanie nowych zasad dzia³ania i budowy US WPS.
Nowe zasady dzia³ania i budowy US WPS
Metoda komutacji wymuszonej umo¿liwiaj¹ca budowê
US WPS mo¿e byæ realizowana w praktyce przy wykorzystaniu kilku mo¿liwych zasad wy³¹czania pr¹du sta³ego [10],
z których najwiêksz¹ przydatnoœæ praktyczn¹ maj¹ dwie: wy³¹czanie za pomoc¹ impulsu przeciwpr¹du (WPP) oraz wy³¹czanie za pomoc¹ aktywnego elementu pó³przewodnikowego (AEP).
Zasada WPP polega na wymuszonym sprowadzeniu pr¹du sta³ego do zera przez impuls pr¹du o kierunku przeciwnym, zwany przeciwpr¹dem, wytwarzany przez dodatkowe
Ÿród³o pr¹du. Mo¿e ona byæ wykorzystywana do budowy US
WPS pró¿niowych (USV), tyrystorowych (UST) lub hybrydowych (USH) pró¿niowo-tyrystorowych [1, 2, 6, 7, 9].
Zasada AEP polega na wymuszonym sprowadzeniu pr¹du sta³ego do zera przez w pe³ni sterowalny element pó³przewodnikowy mocy. Mo¿e ona byæ wykorzystywana do
budowy US WPS hybrydowych (USH) lub pó³przewodnikowych (USP) z tranzystorami IGBT (USI) lub tyrystorami GTO
(USG) [5, 8, 10].
Wobec opisanych wad wy³¹czników pó³przewodnikowych oraz innych uwarunkowañ opisanych we wczeœniejszych pracach autorów [1, 2, 5÷9], dla potrzeb trakcji kolejowej o napiêciu 3 kV najlepiej nadaje siê zasada WPP
wykorzystana w wy³¹czniku pró¿niowym USV, a dla potrzeb
trakcji niskonapiêciowej o napiêciu do 800 V zasada AEP
wykorzystana w wy³¹czniku hybrydowym USH pró¿niowo-tranzystorowym. Dla tych dwóch przypadków zasady dzia³ania i budowy US WPS pokazano na rysunku 3.
Zasada dzia³ania wy³¹cznika pró¿niowego USV wykorzystuj¹cego metodê WPP jest przedstawiona na rysunku 3a.
Kondensator komutacyjny generatora przeciwpr¹du 3 jest
wstêpnie na³adowany i ma polaryzacjê jak na rysunku. Pr¹d
zwarciowy i = i1 p³yn¹cy przez komorê g³ówn¹ 1 wzrasta
i osi¹ga wartoœæ pr¹du zadzia³ania iwn, powoduj¹c uruchomienie wy³¹cznika. Po krótkim czasie w³asnym w chwili tr
komora 1 siê otwiera powoduj¹c zap³on ³uku, a nastêpnie
w chwili tzp komora 2 siê zamyka za³¹czaj¹c przeciwpr¹d i3
p³yn¹cy w obwodzie 3-1-2. W komorze 1 przeciwpr¹d i3
odejmuje siê od pr¹du i1, gwa³townie sprowadzaj¹c go do
zera (pierwsza komutacja pr¹du w czasie tzp÷tw), poniewa¿
stromoœæ wzrostu przeciwpr¹du jest o rz¹d wielkoœci wiêksza od stromoœci wzrostu pr¹du zwarciowego. Po wy³¹czeniu pr¹du i1 w chwili tw konfiguracja obwodu ulega zmianie, napiêcie na kondensatorze ulega odwróceniu ze
wzglêdu na szeregowe po³¹czenie kondensatora z sieci¹, napiêcie miêdzy zaciskami +E i P przeciwdzia³a wzrostowi
pr¹du. Pr¹d zwarciowy intensywnie maleje pod wp³ywem
wzrastaj¹cego napiêcia na kondensatorze. Gdy przepiêcie ³¹czeniowe osi¹gnie w chwili tzo próg zadzia³ania ogranicznika przepiêæ w systemie 4, zaczyna p³yn¹æ pr¹d iop powoduj¹cy drug¹ komutacjê pr¹du w czasie tzo÷tpo i pr¹d g³ówny
zostaje przejêty przez ogranicznik roz³adowuj¹cy energiê magnetyczn¹ obwodu i ograniczaj¹cy przepiêcie do wymaganej wartoœci um.
Zasada dzia³ania pró¿niowo-tranzystorowego wy³¹cznika
hybrydowego USH wykorzystuj¹cego metodê ASE jest
przedstawiona na rysunku 3b. Hybrydowy uk³ad wy³¹czaj¹cy z³o¿ony jest z cz³onu zestykowego wspó³pracuj¹cego
z cz³onem pó³przewodnikowym. Cz³on zestykowy stanowi¹
dwie jednoczeœnie otwierane komory pró¿niowe 1 i 2 po³¹czone szeregowo. Cz³on pó³przewodnikowy stanowi tranzystor IGBT. Wspó³praca tych cz³onów odbywa siê w uk³adzie
tzw. hybrydy szeregowo-równoleg³ej, w którym komora 1
(wy³¹czaj¹ca) jest zbocznikowana tranzystorem 3 tworz¹cym
uk³ad przejmowania i wy³¹czania pr¹du, a komora 2 (odcinaj¹ca) umo¿liwia galwaniczne odciêcie odbiornika od Ÿród³a zasilania. Przebieg wy³¹czania zwarcia jest podobny do
opisanego dla WPP, choæ inny jest sposób sprowadzania
pr¹du i1 do zera. Tranzystor 3 jest za³¹czany impulsowo na
5 / 1999
23
Rys. 3. Schematy blokowe i przebiegi ³¹czeniowe pr¹dów oraz napiêæ ilustuj¹ce zasady dzia³ania US WPS
a) zasada WPP wy³¹czania przeciwpr¹dem, b) zasada ASE wy³¹czania za pomoc¹ aktywnego elementu pó³przewodnikowego. Komory
pró¿niowe: 1 - g³ówne, 2 - pomocnicze; zasoby wy³¹czaj¹ce: a) 3 - generator przeciwpr¹du, b) 3 - tranzystor IGBT; 4 - systemy sterowania i zabezpieczeñ; 5 - za³¹cznik pró¿niowy; przy³¹cza: +E - sieciowe, P - pojazdowe, Z - uziomowe, +U p - napiêciowe; sygna³y
steruj¹ce: O - otwieraj¹cy, I - zamykaj¹cy; napiêcia: E - sieci, Up - pomocnicze, u - na wy³¹czniku, um - ograniczone, Uc - kondensatora
komutacyjnego, –k · Uc - wsteczne (k<1); pr¹dy: i - zwarciowy, iwn - zadzia³ania wyzwalacza nadpr¹dowego, i1 - komory 1, i3 - zespo³u 3, io - ograniczony, iop - ogranicznika przepiêæ; chwile: t0 - pocz¹tkowa, tz - za³¹czenia pr¹du, tzw - zwarcia, twn - zadzia³ania wyzwalacza, tr - rozdzielenia styków komory 1, tzp - za³¹czenia przeciwpr¹du, tzt - za³¹czenia tranzystora, tw - wy³¹czenia zwarcia, tzo - zadzia³ania ogranicznika przepiêæ, tpo - przejêcia pr¹du przez ogranicznik, t cw - ca³kowitego wy³¹czenia obwodu; t - czas, k · t - zmiana skali
czasu k ≥ 1)
bardzo krótki czas w chwili tzt, gdy przerwa zestykowa
w obydwu komorach pró¿niowych osi¹gnie wartoœæ niezbêdn¹ do wy³¹czenia pr¹du. Poniewa¿ napiêcie ³uku w komorze 1 jest znacznie wiêksze od napiêcia przewodzenia tranzystora 3, nastêpuje pierwsza komutacja pr¹du w czasie
tzp÷tw i ca³kowite przejêcie pr¹du przez tranzystor równoznaczne z wy³¹czeniem pr¹du i1. Wy³¹czenie tranzystora
powoduje drug¹ komutacjê pr¹du, ze skutkami jak w przypadku WPP. W opisanym uk³adzie nastêpuje po³¹czenie zalet oraz eliminacja znanych wad ³¹czników zestykowych
i pó³przewodnikowych, tj. przede wszystkim galwaniczne odcinanie odbiorników od zasilania po wy³¹czeniu pr¹du niemo¿liwe do uzyskania w ³¹cznikach pó³przewodnikowych,
wyeliminowanie du¿ego spadku napiêcia na elementach
pó³przewodnikowych wystêpuj¹cego przy ich pracy przepustowej, a tak¿e praktyczne wyeliminowanie lub znaczne
ograniczenie ³uku wy³¹czeniowego powstaj¹cego przy pracy wy³¹czeniowej ³¹czników zestykowych.
Przy ultraszybkim przerywaniu obwodu istotnym problemem staje siê roz³adowanie energii magnetycznej zawartej
zarówno w indukcyjnoœciach sieci, jak i odbiorników pojazdowych, g³ównie silników, niezbêdne dla unikniêcia niebezpiecznych przepiêæ ³¹czeniowych. Pomimo, ¿e maksymalna
energia EM jest w przypadku US WPS kilkunastokrotnie
mniejsza ni¿ w przypadku S WPS, to praktycznie ca³a jest
zu¿ywana na generowanie przepiêæ ³¹czeniowych, podczas
gdy w wy³¹cznikach magnetowydmuchowych jest w przewa¿aj¹cej czêœci wytracana w postaci ciep³a wydzielanego
z ³uku w komorze gaszeniowej wy³¹cznika. Konieczne jest
zatem stosowanie w przypadku US WPS niezale¿nych œrodków ochrony przeciwprzepiêciowej, m.in. warystorów tlenkowych [4] o du¿ej energoch³onnoœci oraz o najwiêkszym
napiêciu wy³adowczym dostosowanym do poziomu zadzia³ania przeciwprzepiêciowej ochrony sieciowej, przy czym odpowiednio skoordynowane uk³ady przeciwprzepiêciowe
mog¹ byæ wykorzystane zarówno od strony sieci, jak i odbiorników trakcyjnych. Niezale¿nie od tego konieczne jest
stosowanie odpowiednich œrodków ochrony przeciwprzepiêciowej pó³przewodnikowych elementów mocy.
Dlatego ka¿dy uk³ad wy³¹czaj¹cy klasy US WPS, niezale¿nie od zasady jego dzia³ania (WPP lub ASE), powinien
wspó³pracowaæ z podwójnym uk³adem autonomicznych
ograniczników przepiêæ. Ogóln¹ zasadê budowy US WPS,
odpowiadaj¹c¹ wymienionym wymaganiom, pokazano na
schemacie blokowym przedstawionym na rysunku 4. Dziêki
takiej zasadzie budowy US WPS mo¿liwe jest zarówno skuteczne chronienie uk³adu pojazdu trakcyjnego od wszystkich
przepiêæ zewnêtrznych, tj. sieciowych ró¿nego pochodzenia,
jak i od przepiêæ wewnêtrznych, tj. odbiornikowych, generowanych przez urz¹dzenia wchodz¹ce w sk³ad elektrycznego uk³adu pojazdu trakcyjnego w ró¿nych stanach ³¹czeniowych, w tym tak¿e nie zwi¹zanych z dzia³aniem wy³¹cznika
ultraszybkiego. To ostatnie zagadnienie nie jest obecnie nale¿ycie rozpoznane i nie poœwiêca mu siê w praktyce wystarczaj¹cej uwagi, a mo¿e byæ ono powodem nieoczekiwanych awarii. Przyk³adowo, na podstawie badañ w³asnych
5 / 1999
24
Rys. 4. Podstawowa struktura US WPS
US UW - ultraszybki uk³ad wy³¹czaj¹cy (patrz rys. 3a, 3b);
ograniczniki przepiêæ: OPZ - zewnêtrznych, OPW - wewnêtrznych; PT - pojazd trakcyjny, USB - uk³ad sterowania
i blokad, D - dyskryminatory pr¹du; pozosta³e oznaczenia
jak na rysunku 3
zjawisk ³¹czeniowych w uk³adzie elektrycznego zespo³u trakcyjnego o napiêciu 3 kV, autorzy stwierdzili incydentalne wystêpowanie przepiêæ wewnêtrznych przekraczaj¹cych 20 kV.
Jest to powa¿ne zagro¿enie dla izolacji g³ównej wszystkich
podzespo³ów uk³adu, w tym zw³aszcza silników napêdowych.
W Instytucie Aparatów Elektrycznych Politechniki £ódzkiej, przy wspó³pracy z ABB ZWAR w Warszawie i ZAE
WOLTAN w £odzi, opracowano ultraszybkie wy³¹czniki taborowe dla trakcji kolejowej i miejskiej wyposa¿one w mikroprocesorowy, elektryczno-œwiat³owodowy system sterowania [7, 8, 9], wykorzystuj¹ce opisane zasady dzia³ania.
Budowê wy³¹czników przedstawiono za pomoc¹ schematów
ideowo-blokowych (rys. 5). Komory pró¿niowe wspó³pracuj¹ w nich z impulsowym napêdem indukcyjno-dynamicznym
wielkiej mocy [3]. Uzyskane przez te wy³¹czniki paramery
znamionowe, zestawione w tablicy 2 pokazuj¹ mo¿liwoœci
techniczne nowej generacji opracowanych US WPS typu
DCV, DCH i DCL.
Wy³¹czniki w wersji standardowej s¹ przystosowane do
pracy w zakresie temperatur –30°C ÷ +40°C, wilgotnoœci
wzglêdnych ≤ 95% przy +20°C i ≤ 50% przy +40°C oraz
wysokoœci n.p.m. ≤ 1200 m.
Pierwszym wy³¹cznikiem ultraszybkim by³ wy³¹cznik DCV
(3 kV, 400 A), przeznaczony do elektrycznych zespo³ów trakcyjnych. Na podstawie dwuletnich ju¿ doœwiadczeñ z eksploatacji serii informacyjnej tych wy³¹czników stwierdzono
statystycznie znamienne, znaczne ograniczenie liczby awarii silników trakcyjnych. Obecnie przygotowano w ABB
ZWAR i w ZAE WOLTAN produkcjê panelowej wersji wy³¹cznika, przystosowanej do monta¿u wysuwnego w skrzyni podpod³ogowej e.z.t., co radykalnie upraszcza ten monta¿ i redukuje praktycznie do zera mo¿liwoœci pomy³ek.
Wy³¹czniki DCH dla trakcji miejskiej s¹ na etapie serii
informacyjnej i eksploatacji doœwiadczalnej. Ich produkcja
seryjna w ZAE WOLTAN planowana jest w po³owie br.
W ubieg³ym roku rozpoczêto prace badawcze i wdro¿eniowe nad wy³¹cznikami DCL przeznaczonymi dla lokomotyw. Prototypy tych wy³¹czników, dzia³aj¹cych na zasadzie
WPP, zostan¹ skierowane na badania pe³ne jeszcze w tym
roku. W IAE P£ trwaj¹ prace studialne nad rodzin¹ ultraszybkich wy³¹czników podstacyjnych, równie¿ dzia³aj¹cych na
zasadzie WPP.
Rys. 5. Schematy ideowo-blokowe US WPS: a) typu DCV dla trakcji kolejowej (zasada WPP), b) typu DCH dla trakcji miejskiej (zasada ASE). 1, 2, 3, 5,
+E, +Up, P, Z, D, USB, OPZ, OPW, PT - jak na rys. 3 i 4; STR - sterownik tranzystora 3 (b), NI - napêd indukcyjno-dynamiczny, N - napêd
za³¹cznika; ograniczniki przepiêæ: OPZ - zewnêtrznych (warystor tlenkowy), OPW - wewnêtrznych (warystor tlenkowy), OPD - dioda rewersyjna,
OPT - filtr ochrony tranzystora; PI - przeka¿nik nadpr¹dowy; CP - czujnik po³o¿enia organu ruchomego, ZN - zamek, CN - kondensator napêdu, CK
- kondensator komutacyjny; RN, RK - oporniki do ³adowania CN i CK; LK - d³awik komutacyjny, PCN - przetwornica, SN - stabilizator, TYN tyrystor napêdu, DZN - dioda zwrotna napêdu, PT - pojazd trakcyjny (odbiorniki); I/O - zewnêtrzny zespolony sygna³ steruj¹cy za³¹czaj¹co-wy³¹czaj¹cy; —— sprzê¿enia steruj¹ce elektryczne i œwiat³owodowe
5 / 1999
25
Korzyœci techniczne i ekonomiczne
z eksploatacji US WPS
1. US WPS s¹ wynikiem po³¹czenia nowych
zasad dzia³ania i nowych koncepcji budowy
uk³adów wy³¹czaj¹cych. W szczegó³noœci
szybki postêp w dziedzinie warystorów z tlenków metali, pó³przewodnikowych elementów
mocy oraz impulsowych napêdów wielkiej
mocy, zw³aszcza indukcyjno-dynamicznych
i elektrodynamicznych, stworzy³ nowe mo¿liwoœci budowy ró¿nych wariantów tych wy³¹czników dla poszczególnych rodzajów trakcji elektrycznej.
2. US WPS mog¹ byæ wykorzystywane we
wszystkich dotychczasowych zastosowaniach
wy³¹czników magnetowydmuchowych klas S
oraz K WPS.
3. US WPS maj¹ znacznie wiêkszy zakres
znamionowych pr¹dów wy³¹czalnych zwarciowych, ni¿ typowe S WPS. Pr¹dy te wzrastaj¹ proporcjonalnie do sta³ej czasowej, poniewa¿ graniczne mo¿liwoœci US WPS s¹
determinowane przez pocz¹tkow¹ stromoœæ
wzrostu pr¹du zwarciowego.
4. Dziêki bardzo ma³ej energii wydzielanej
z ³uku w komorach pró¿niowych, kilka tysiêcy razy mniejszej ni¿ w przypadku S WPS,
mo¿liwe jest uzyskanie przez US WPS bardzo du¿ej trwa³oœci ³¹czeniowej, szczególnie
w warunkach zwarciowych. Erozja ³ukowa
pró¿niowego uk³adu wy³¹czaj¹cego przestaje byæ czynnikiem ograniczaj¹cym tê trwa³oœæ
Tablica 2
G³ówne parametry znamionowe ultraszybkich wy³¹czników trakcyjnych
Lp
Parametr
DCV
DCH
DCL**
1
Ui
[V]
3000
250; 800
3000
2
Ue
[V]
3000
250; 800
3000
3
Iu**
[A]
250, 400
250; 400
1000; 1600; 2000
4
Icn/τ
[kA/ms]
40/20, 60/30
60/20
40/20; 60/30
5
si
[A/µs]
≤2
≤3
≤2
6
io
[kA]
≤4
≤ 3,6
≤7
7
C/τ
[-/ms]
≤ 0,1 /20; ≤ 0,07/30
≤ 0,05/20
≤ 0,15/20; ≤ 0,1/30
8
I2 t
[A2s]
≤ 20 H 103
≤10 H 103
≤ 45 H 103
9
um
[kV]
≤8
≤2; ≤3
≤9
10
n³
(³¹czeñ)* [³]
>>1000
>>1000
>>1000
11
nm
(cykli) [c]
>20 000
>20 000
>20 000
12
t0
[ms]
≤ 0,5
≤ 0,5
≤ 0,5
13
tw
[ms]
≤2
≤1
≤3
14
m
[kg]
220
ok. 55
ok. 250
gdzie: Ui - napiêcie znaminowe izolacji, Ue - napiêcie znamionowe ³¹czeniowe, Iu - pr¹d znamionowy ci¹g³y, τ - sta³a czasowa obwodu zwarciowego, Icn - pr¹d znamionowy wy³¹czalny (przy danej τ), si=di/dt - najwiêksza stromoœæ pr¹du zwarciowego, io - pr¹d ograniczony (przy danej si ),
C = io/Icn - wspó³czynnik ograniczenia pr¹du (przy danej τ), I2t - ca³ka Joule’a, um - przepiêcie ³¹czeniowe, n³ - trwa³oœæ ³¹czeniowa, nm - trwa³oœæ mechaniczna, t0 - czas w³asny otwierania (twn)
tr, wg rys. 3), tw - czas wy³¹czania (twn ) tw, wg rys. 3), m - masa wy³¹cznika.
* Trwa³oœæ ³¹czeniowa w warunkach zwarciowych (komentarz ni¿ej).
** Ostateczne wartoœci niektórych parametrów bêd¹ sprecyzowane po badaniach typu wy³¹czników z serii informacyjnej, stosownie do wymagañ u¿ytkowników.
Fot. 1. Ultraszybki wy³¹cznik hybrydowy pr¹du sta³ego typu DCH
1 - zespó³ ³¹czeniowy, 2 - zespó³ tranzystora IGBT, 3 - zespó³ kondensatorów napêdu, 4 - zespó³ ograniczania przepiêæ,
5 - zespó³ sterowania, blokad i zabezpieczeñ
5 / 1999
26
i mo¿e ona byæ zbli¿ona do trwa³oœci mechanicznej.
5. Bezkonkurencyjna trwa³oœæ ³¹czeniowa US WPS w warunkach zwarciowych sprawia, ¿e jeden wy³¹cznik ultraszybki
bêdzie stanowi³ eksploatacyjny równowa¿nik co najmniej
dwóch lub wiêcej wy³¹czników magnetowydmuchowych.
Daje to u¿ytkownikom znacz¹ce korzyœci ekonomiczne.
6. Szybkoœæ dzia³ania US WPS powoduje niezwykle skuteczne ograniczanie pr¹dów zwarciowych, które s¹ kilkakrotnie
mniejsze ni¿ w przypadku S WPS. W typowych warunkach
pr¹dy ograniczone nie przekraczaj¹ po³owy wartoœci pr¹du
niszcz¹cego silnki trakcyjne w przypadku np. ³uku okrê¿nego na komutatorze. Tak skuteczna ochrona silników przez US
WPS spowoduje bardzo znacz¹ce ograniczenie liczby ich
awarii. Daje to znacz¹ce oszczêdnoœci finansowe, kumuluj¹ce siê u u¿ytkownika.
Fot. 2. Wy³¹cznik typu DCH do zespo³u trakcyjnego – hermetycznie zamkniêty (u góry) i po otwarciu pokrywy czo³owej (na dole)
7. Maksymalne wartoœci energii magnetycznej obwodu
zwarciowego wy³¹czanego przez US WPS, kilkunastokrotnie
mniejsze ni¿ w przypadku S WPS, mog¹ byæ bez trudu opanowywane przez typowe beziskiernikowe ograniczniki przepiêæ z tlenków metali (MOV). Energia ta nie obci¹¿a komór
pró¿niowych. Zastosowanie podwójnego uk³adu autonomicznych ograniczników przepiêæ zewnêtrznych, zw³aszcza wewnêtrznych, stanowi now¹ jakoœæ ochrony przeciwprzepiêciowej w uk³adach trakcyjnych, ograniczaj¹c kompleksowo
wszystkie przepiêcia, tak¿e nie zwi¹zane z dzia³aniem US
WPS. Znacznie zmniejsza to prawdopodobieñstwo uszkodzeñ
izolacji g³ównej uk³adu, w tym silników trakcyjnych.
8. US WPS, maj¹c wartoœci ca³ki Joule’a kilkudziesiêciokrotnie mniejsze ni¿ S WPS, mog¹ w praktyce skutecznie
zabezpieczaæ pó³przewodnikowe elementy mocy o znamionowych pr¹dach ci¹g³ych powy¿ej 100 A. Jest to równoznaczne z likwidacj¹ bardzo wa¿nej bariery ograniczaj¹cej zastosowania pó³przewodnikowych uk³adów w napêdach
trakcyjnych oraz innych uk³adach przemys³owych pr¹du
sta³ego.
9. Wy³¹czniki dzia³aj¹ce na zasadzie WPP lub AEP nie maj¹
zakresu pr¹dów krytycznych.
10. Strefa ochronna US WPS nie jest potrzebna. Podczas
wy³¹czania pr¹du w pró¿ni nie ma kontaktu plazmy ³ukowej
z otoczeniem, brak wiêc zewnêtrznych efektów optycznych,
radiacyjnych, akustycznych i termicznych, nie wydzielaj¹ siê
¿adne substancje do otoczenia.
11. Konsekwencj¹ przyjêtych zasad dzia³ania i budowy wy³¹czników DCL jest ich neutralnoœæ œrodowiskowa. Zastosowane do budowy wy³¹czników i ich podzespo³ów materia³y
nie zawieraj¹ substancji szkodliwych dla œrodowiska.
12. Okresowa konserwacja i obs³uga w zakresie trwa³oœci
³¹czeniowej nie jest wymagana.
13. US WPS bêd¹ spe³niaæ na poziomie œwiatowym niezbêdne wymagania norm polskich i miêdzynarodowych zarówno z zakresu elektrotechniki, jak i ochrony œrodowiska.
14. Konkluduj¹c mo¿na stwierdziæ, ¿e wyposa¿anie taboru
trakcyjnego w US WPS bêdzie bardzo korzystnym rozwi¹zaniem w istniej¹cych i projektowanych typach pojazdów,
a w nowoczesnych napêdach trakcyjnych z pó³przewodnikowymi uk³adami ró¿nych typów bêdzie to jedyne rozwi¹zanie skutecznie zabezpieczaj¹ce te uk³ady. Dziêki wykorzystaniu nowych zasad dzia³ania i budowy opracowane
wy³¹czniki DCV i DCH, a w przysz³oœci DCL, bêd¹ w pe³ni
odpowiada³y potrzebom elektrotrakcji, cechuj¹c siê przy tym
zdecydowan¹ przewag¹ techniczn¹ i konkurencyjnoœci¹ ekonomiczn¹ w stosunku do istniej¹cych wy³¹czników magnetowydmuchowych.
Technika ultraszybkiego wy³¹czania zwarciowych pr¹dów
sta³ych znajduje siê u progu swego rozwoju. Opisane metody ultraszybkiego wy³¹czania zwarciowych pr¹dów sta³ych
i wy³¹czniki DCV, DCH oraz opracowywany DCL s¹ rozwi¹zaniami nowymi w skali œwiatowej.
5 / 1999
27
*
* *
W listopadzie 1996 r. w Brukseli na 45 Œwiatowych Targach
Wynalazczoœci, Badañ i Nowatorstwa Przemys³owego BRUSSELS EUREKA ’1996, miêdzynarodowe jury wyró¿ni³o wy³¹cznik DCV 3/400 Z£OTYM MEDALEM w kategorii „Elektrotechnika”.
W listopadzie 1998 r. w Brukseli na 47 Œwiatowych Targach
Wynalazczoœci, Badañ Naukowych i Nowych Technik BRUSSELS EUREKA ’1998 miêdzynarodowe jury wyró¿ni³o wy³¹cznik DCH 0.8/400: Z£OTYM MEDALEM w kategorii „Elektrotechnika i Elektronika”, NAGROD¥ SPECJALN¥ Ministra
Gospodarki oraz NAGROD¥ SPECJALN¥ Polskiego Zwi¹zku
Stowarzyszeñ Wynalazców i Racjonalizatorów.
Literatura:
[1] Bartosik M.: Theoretical and practical aspects of fault direct
current switching off by countercurrent. Proceedings of the
International Conference on ECAAA, XI’an, P. R. China, 1989.
[2] Bartosik M.: Direct current switching off in vacuum. Proceedings of the VIth International Conference on Switching Arc
Phenomena SAP-89, Postconference materials, £ódŸ, Poland
1989.
[3] Bartosik M., Wójcik F.: Napêdy impulsowe pró¿niowych wy³¹czników trakcyjnych. Materia³y Konferencji Naukowej „Rozwój systemów i œrodków w transporcie” TRANSSYSTEM-89,
Warszawa 1989.
[4] Bartosik M., Lasota R., Wójcik F.: Warystory tlenkowe jako
wysokoenergetyczne ograniczniki przepiêæ ³¹czeniowych
w trakcji kolejowej. Materialy Konferencji Naukowej TRANSSYSTEM-89, Warszawa 1989.
[5] Bartosik M., Lasota R., Wójcik F.: Hybrydowe wy³¹czniki szybkie dla trakcji miejskiej. Materia³y Konferencji Naukowej
„SEMTRAK’96”, Kraków-Zakopane 1996.
[6] Bartosik M., Lasota R., Wójcik F.: DCV 3/400;250. Ultraszybkie wy³¹czniki pró¿niowe pr¹du sta³ego. Technika Transportu
Szynowego nr 11, 1996.
[7] Bartosik M., Lasota R., Wójcik F.: New generation of D.C. circuit breakers. Proceedings of the IVth International Conference
ECAAA/97, XI’an, China 1997.
[8] Bartosik M., Lasota R., Wójcik F.: Niskonapiêciowe wy³¹czniki hybrydowe typu DCH. Technika Transportu Szynowego nr 2
1997.
[9] Bartosik M., Lasota R., Wójcik F.: Ultraszybkie pró¿niowe wy³¹czniki ograniczaj¹ce typu DCL dla lokomotyw. Materia³y Konferencji Naukowej „SEMTRAK’98”, Kraków-Zakopane 1998.
[10] Bartosik M.: Progress in D. C. breaking. Proceedings of the
VIIIth International Conference on Switching Arc Phenomena
SAP-97, Part II, Postconference Materials £ódŸ, Poland 1998.
ULTRA-HIGH-SPEED SHORT-CIRCUIT CURRENT
BREAKING IN D. C. TRACTION CIRCUITS
Summary: The article describes new types of ultra-high-speed current-limiting circuitbreakers (US WPS), intended
for the rail, urban and also mine traction etc. (up to
3000 V=), especially for trains, tramways and trolley-buses.
The structure and principles of operation of the current breaking systems are presented. US WPS have very low values of both cut-off current and Joule integral. They can protect semiconductor power devices used in drive systems
of traction vehicles. Short-circuit breaking processes with
the use of the US WPS and traditional magnetic blow-out
circuit breakers are compared. US WPS will create technical and economical competition to the existing circuit
breakers.
Autorzy:
Prof
rof.. nadzw
nadzw.. PPolitechniki
olitechniki £ódzkiej,
dr hab. nauk technicznych in¿. M
AREK BART
OSIK
MAREK
BARTOSIK
jest dyrektorem Instytutu Aparatów Elektrycznych Politechniki £ódzkiej i kierownikiem Zespo³u Naukowego £¹czników Pró¿niowych
i Energoelektronicznych. Jest cz³onkiem Sekcji Wielkich Mocy Komitetu Elektrotechniki PAN.
LASOTTA
Dr nauk technicznych in¿. RYSZARD LASO
jest adiunktem w Instytucie Aparatów Elektrycznych Politechniki
£ódzkiej oraz cz³onkiem Zespo³u Naukowego £¹czników Pró¿niowych i Energoelektronicznych.
Dr nauk technicznych in¿. FRANCISZEK WÓJCIK
jest adiunktem w Instytucie Aparatów Elektrycznych Politechniki
£ódzkiej i zastêpc¹ dyrektora Instytutu oraz cz³onkiem Zespo³u Naukowego £¹czników Pró¿niowych i Energoelektronicznych.
Referat przygotowany na konferencjê
EURO-TRANSPORT ’99, Katowice, 21–22.05.1999 r.
IV Międzynarodowa Konferencja poświęcona problemom trakcji elektrycznej
Drives and supply systems for modern electric traction in integrated XXIst Europe
Warszawa, 22–24 wrzesnia 1999 r.
Organizator:
Zakład Trakcji Elektrycznej – Instytut Maszyn Elektrycznych Politechniki Warszawskiej
tel. (0-22) 660 73 59, fax (0-22) 660 75 52
5 / 1999