Wyłączniki prądu stałego podobnie jak wyłączniki prądu przemiennego mają za zadanie wyłączać prądy zwarcia i przeciążenia. Wyłączniki prądu stałego dzielą się ze względu na szybkość działania na szybkie i nieszybkie a ze względu na sposób działania na spolaryzowane, nie spolaryzowane i częściowo spolaryzowane.
Wyłączniki nieszybkie mają czas działania około 0,3 s i wyłączają prądy zwarcia zwykle gdy osiągną one wartość ustaloną co w obwodach wysokich napięć może być szkodliwe. Z tego względu tego typu wyłączniki nie są stosowane w obwodach gdzie mogą płynąć duże prądy zwarcia. Wyłączniki szybkie natomiast wyłączają prądy zwarcia jeszcze zanim osiągną one wartość ustaloną, czas działania zwykle nie przekracza 0,06 s.
Wyłączniki typu spolaryzowanego działają tylko na określony kierunek przepływu prądu. W przypadku niezgodnego kierunku prądu nawet o bardzo dużej wartości wyłącznik nie zadziała. Wyłączniki nie spolaryzowane działają niezależnie od kierunku przepływu prądu, a wyłączniki częściowo spolaryzowane działają przy różnych wartościach dla każdego z kierunków.
Na poniższym wykresie porównane są przebiegi prądu wyłączanego przez wyłączniki - szybki (1) i nieszybki (2).
Zadziałanie wyzwalacza In następuje w czasie t1. Czas t2 to chwila otwarcia styków przez wyłącznik szybki. Zaraz po tym następuje zapalenie się łuku co trwa chwilę i jego zgaszenie, po czym prąd ten maleje i całkowicie zostaje przerwany w czasie t3. Wyłącznik nieszybki otwiera swoje styki dopiero w czasie t4, po czym zapala się łuk, gaśnie i prąd maleje i w chwili t5 obwód zostaje przerwany.
Wyłącznik szybki przerywa prąd zwarcia jeszcze przed osiągnięciem przez niego wartości ustalonej, natomiast wyłącznik nieszybki po ustaleniu się wartości prądu zwarcia. Z tego względu w obwodach wysokiego napięcia raczej nie powinno się stosować wyłączników nieszybkich.
W rozdzielniach trakcyjnych na podstacjach trakcyjnych, w kabinach sekcyjnych oraz w lokomotywach elektrycznych stosuje się wyłączniki szybkie. Na podstacji i w kabinie wyłączniki mają za zadanie wyłączać prądy zwarcia i przeciążenia płynące w sieci trakcyjnej, parametry tych wyłączników są większe od tych stosowanych w lokomotywach elektrycznych. Z kolei wyłączniki szybkie stosowane w lokomotywach elektrycznych mają za zadanie wyłączać prądy zwarcia i przeciążenia płynące przez obwód główny lokomotywy (trakcyjny). Jednostki elektryczne i lokomotywy spalinowe z przekładnią elektryczną zwykle nie posiadają wyłączników szybkich. Zastępują je styczniki połączone z przekaźnikami zabezpieczającymi. W lokomotywach elektrycznych wyłącznik szybki znajduje się na samym początku obwodu głównego, w szafie wysokiego napięcia.
Działanie wyłącznika może być samoczynne bezpośrednie w wyniku zadziałania samego wyzwalacza wyłącznika lub samoczynne pośrednie przez działanie niektórych przekaźników zabezpieczeniowych. W niektórych rozwiązaniach przekaźniki różnicowy oraz zanikowo-napięciowy działają na wyłącznik szybki, a nadmiarowo-prądowe silników trakcyjnych na styczniki liniowe. Otwarcie samoczynne pośrednie wyłącznika szybkiego może nastąpić również w przypadku spadku ciśnienia w przewodzie głównym oraz w wyniku zadziałania przekaźnika nadmiarowego przetwornicy głównej lub przekaźnika nadmiarowego ogrzewania pociągu. Otwarcie zamierzone wystąpi w wyniku przerwania obwodu cewki trzymającej przez maszynistę z pulpitu w kabinie, lub poprzez zasilenie cewki wyłączającej - zależy od konstrukcji wyłącznika.
Wyłączniki prądu stałego mają nieco inną konstrukcję od wyłączników prądu przemiennego. Warunki wyłączania prądu stałego są trudniejsze od tych jakie panują podczas wyłączania prądu przemiennego. Podczas zwarcia prąd zwarcia narasta bardzo szybko i osiąga bardzo duże wartości. Jego wartość zależy od napięcia zasilania i rezystancji pętli zwarcia. Zwykle rezystancja jest bardzo mała, więc prąd zwarcia jest bardzo duży. W czasie otwierania się styków zapala się łuk elektryczny. Zjawisku temu towarzyszy wzrost napięcia (przepięcie), którego wartość zależna jest od indukcyjności obwodu oraz prędkości gaszenia łuku. Im większa jest indukcyjność obwodu i im krótszy jest czas otwarcia obwodu, tym przepięcie ma wartość większą, co może doprowadzić do uszkodzenia izolacji. Największe przepięcie wystąpi w chwili gaszenia łuku. Wprawdzie łuk elektryczny jest głównie zjawiskiem szkodliwym, jednak jego występowanie zapobiega natychmiastowemu przerwaniu przepływu prądu co zapobiega powstawaniu gwałtownych przepięć.
Przy prądzie stałym zgaszenie łuku jest trudniejsze niż przy prądzie przemiennym. Wynika to z tego, że prąd stały nie zmienia swojego kierunku ani wartości na malejącą, a więc wartość chwilowa nigdy nie wynosi zero. Przy prądzie przemiennym, nawet w czasie narastania prądu zwarcia prąd ma przez chwilę wartość równą zeru. Moment ten sprzyja gaszeniu łuku.
Budowa i działanie wyłączników szybkich
Na czas przerwania obwodu składa się czas zadziałania wyzwalacza, czas otwarcia styków przez wyłącznik oraz czas zgaszenia łuku. Pierwsze dwa czynniki zależą od konstrukcji wyłącznika, trzeci od konstrukcji komory gaszeniowej. Zwykle wyzwalacz w wyłączniku bezpośrednio oddziaływuje na mechanizm uruchamiający styki. W normalnym stanie wyłącznik pracuje ze stykami zwartymi, których mechanizm może być podtrzymywany przez mechanizm zapadkowy (wyłączniki zapadkowe), siły magnetyczne (wyłączniki z przychwytem magnetycznym), lub za pomocą sprężyny (wyłączniki przerwnikowe).
Dość popularne są wyłączniki szybkie z przychwytem magnetycznym. Poniżej przedstawiona jest budowa wyłącznika szybkiego typu BWP-1G z przychwytem magnetycznym i napędem pneumatycznym.
Włączenie wyłącznika (zamknięcie styków głównych)
Przez obwód niskiego napięcia 110 V zasilana jest cewka trzymająca (3), która osadzona jest na rdzeniu (1). Cewka ta wytwarza pole magnetyczne. Zamknięcie wyłącznika (15) cewki zasilającej (14) zawór elektropneumatyczny (13) spowoduje otwarcie się zaworu elektropneumatycznego. Sprężone powietrze dostanie się do siłownika (12). Tłok siłownika zostanie wypchnięty i poprzez trzon dociskowy (11) spowoduje popchnięcie dźwigni styku ruchomego. Jednocześnie powoduje to napięcie sprężyn (10) i sprężyny powrotnej (9). Zwora dźwigni styku ruchomego (18) zostanie przyciągnięta do rdzenia (1) przez pole magnetyczne wytwarzane przez cewkę trzymającą (3). W tym czasie wyłącznik (15) się otwiera i zostaje odcięte zasilanie cewki zaworu elektropneumatycznego (14) i zawór elektropneumatyczny (13) się zamyka. Sprężone powietrze znajdujące się w siłowniku (12) zostanie wypuszczone przez otwory wylotowe w zaworze. Sprężyny powrotne (10) ściągają siłownik (12) do położenia zasadniczego. Sprężyna zwrotna (9) powoduje napięcie się dźwigni styku ruchomego, która ma giętkie ramię (17). Zwora (18) jest trzymana przez rdzeń (1), a sprężyna zwrotna (9) ciągnie dźwignię w drugą stronę. Giętkie ramię dźwigni (17) się wygina w taki sposób, że styk ruchomy (5) dotyka styk stały (6). Prąd trakcyjny płynie przez cewki wydmuchowe (19), styki: stały (6) i ruchomy (5), dźwignię styku ruchomego, giętkie ramię (17) oraz cewkę wyzwalającą (2). Prąd ten powoduje wytwarzanie się na cewce wyzwalającej (2) strumienia magnetycznego przeciwnego do strumienia wytwarzanego przez cewkę trzymającą (3), to powoduje osłabianie strumienia wytwarzanego przez cewkę trzymającą (3).
Wyłączenie wyłącznika (otwarcie styków głównych)
Wyłącznik może zadziałać, gdy zadziała wyzwalacz nadmiarowo-prądowy wyłącznika, zadziałają przekaźniki zabezpieczeniowe (nadmiarowo-prądowe silników trakcyjnych i przetwornicy, podnapięciowe, nadnapięciowe, różnicowe oraz ogrzewania elektrycznego), których styki pomocnicze (20) i (21) stanowią część obwodu cewki trzymającej (3).
W pierwszym przypadku wyłącznik zadziała jeśli w obwodzie trakcyjnym popłynie prąd zwarcia lub przeciążenia, który spowoduje, że strumień magnetyczny wytwarzany przez cewkę wyzwalającą (2) będzie na tyle duży, że osłabi strumień wytwarzany przez cewkę trzymającą i rdzeń nie będzie w stanie już utrzymać zwory (18) odciąganej przez sprężynę zwrotną (9) w drugą stronę. Wówczas dźwignia styku ruchomego (5) wróci do położenia, w którym znajdowała się przed włączeniem wyłącznika. Styki się otworzą i powstanie łuk elektryczny, który przez rożki styków (8) zostanie skierowany do komory gaszeniowej (7). Pod wpływem działania cewek wydmuchowych (19) i komory gaszeniowej (7) zostanie rozciągnięty i zgaszony.
W drugim przypadku wyłącznik zadziała ponieważ w obwodzie cewki trzymającej (3) znajdują się styki pomocnicze przekaźników zabezpieczeniowych i zadziałanie przekaźników powoduje otwarcie się styków pomocniczych przekaźników (20 - nadmiarowych silników trakcyjnych lub 21 - różnicowego) i przerwanie zasilania cewki trzymającej (3). Spowoduje to, że sprężyna zwrotna (9) przyciągnie zworę (18) i styki zostaną otwarte.
Rdzeń wyzwalacza posiada pokrętła regulacyjne (4), którymi reguluje się nastawienia prądowe. Fizycznie dokonuje się to przez zmianę naciągu sprężyn lub zmianę własności magnetycznych rdzenia poprzez zmianę szczeliny w obwodzie magnetycznym, zastosowanie bocznika w szczelinie lub zmianę przekroju rdzenia.
Napędy wyłączników
Wyłączniki napędzane mogą być za pomocą silnika elektrycznego, solenoidu lub za pomocą sprężonego powietrza. Poza tym każdy wyłącznik ma napęd ręczny, który może uruchomić człowiek. Czas włączenia wyłącznika przez silnik jest dość długi, napęd za pomocą solenoidu jest prosty i niezawodny jednak pobiera sporą moc. Wyłączniki napędzane przez sprężone powietrze stosuje się tam, gdzie jest instalacja sprężonego powietrza. W lokomotywach elektrycznych zazwyczaj trzeci sposób znajduje zastosowanie.
Komory gaszeniowe
Komora gaszeniowa (łukowa) z pozoru wygląda na najprostszy element wyłącznika szybkiego. W praktyce wykonanie dobrej komory gaszeniowej wymaga badań przeprowadzanych w labolatoriach i opieraniu się na doświadczeniu. Kształt komory i jej wewnętrznych przegród ma duże znaczenie, gdyż ma to wpływ na szybkość gaszenia łuku. Od komory gaszeniowej w dużym stopniu zależy w jakim czasie zostanie zgaszony łuk. Należy pamiętać, że samo rozwarcie styków przy palącym się łuku elektrycznym nie przerywa obwodu. Przy dużych prądach zwarcia ułamek sekundy może spowodować, że urządzenie, przez które płynie prąd zwarcia może ulec zniszczeniu, a przy wysokich napięciach ten ułamek może decydować o życiu rażonego prądem człowieka.
Przerywanie dużych prądów zwarcia w czasie krótkim powoduje indukowanie się siły elektromotorycznej samoindukcji, której wartość może być bardzo duża, nawet większa od napięcia zasilania. W takiej sytuacji może dojść do przebicia izolacji lub ponownego zapalenia się łuku. Aby nie dopuścić do tego, w czasie otwierania się styków w obwód główny włącza się dodatkową rezystancję zmniejszające stromość narastania prądu.
W chwili rozwarcia styków powstaje łuk elektryczny, który przenoszony jest na rożki styków i dzięki temu nadpaleniu nie ulegają styki główne. Rożki te umieszczone są częściowo w komorze łukowej. Dodatkowo w obwód główny włączona jest cewka wydmuchowa, która indukuje w chwili zapalenia się łuku zmienny strumień magnetyczny, który wymusza ruch łuku w kierunku komory. Cewka ta znajdować się może w komorze lub poza komorą.
Komora łukowa wykonana jest z materiałów odpornych na wysoką temperaturę. Wewnątrz komory znajdują się przegrody, w zależności od konstrukcji mogą to być przegrody szeregowe, równoległe lub mieszane. Konstrukcje niektórych komór wykorzystują zjawiska chemiczne zachodzące podczas topienia się różnych metali. Na przykład w niektórych rozwiązaniach elementy prowadzące łuk wykonane są z mosiądzu, który w wysokiej temperaturze powoduje wydzielanie się par metalu. Zwiększa to ciśnienie w komorze i ułatwia zgaszenie łuku. Nadmiar gazów w komorze wylatuje przez otwory znajdujące się górnej części komory. W innych rozwiązaniach stosuje się komory, w których łuk jest dzielony i gaszony niezależnie w kilku częściach komory.
Bardzo ważne jest utrzymanie komory w stanie bardzo czystym. Łuk elektryczny powoduje wydzielanie się różnych tlenków, które mogą osadzać się wewnątrz komory. Zanieczyszczenia ta mogą mieć znaczny wpływ na zjawiska zachodzące podczas gaszenia łuku i utrudniać jego gaszenie. Tak więc należy konserwować komorę łukową co pewien okres i nie dopuszczać do nadmiernego jej zanieczyszczenia.
Od wyłączników szybkich niekiedy wymaga się, żeby pracowały jako spolaryzowane. Polega to na tym, że wyłącznik nie tylko reaguje na nadmiar prądu w obwodzie, ale także reaguje na kierunek przepływu prądu. Sama konstrukcja wyłącznika z przychwytem magnetycznym powoduje, że jest on spolaryzowany, natomiast w wyłącznikach przerwnikowych można to osiągnąć stosując dodatkowe uzwojenie polaryzujące na elektromagnesie. W wyłącznikach zapadkowych polaryzuje się wyzwalacz.
Zdarza się, że w tym samym czasie rozruch przeprowadza kilka lokomotyw. W takim przypadku z podstacji trakcyjnej pobierany jest dość spory prąd, jednak sytuacja ta trwa tylko chwilę. Wyzwalacz wyłącznika szybkiego może zareagować w takiej sytuacji traktując prąd obciążenia jako przeciążeniowy lub nawet zwarcia. W takiej sytuacji stosuje się wyłączanie selektywne nadmiernych prądów stosując bocznik magnetyczny włączony równolegle z wyzwalaczem wyłącznika. Dla szybko narastającego prądu zwarcia bocznik magnetyczny stanowi dużą impedancję i dlatego przez uzwojenie wyzwalacza popłynie duży prąd powodujący zadziałanie wyłącznika. W przypadku prądu obciążenia bocznik i pętla wyzwalająca stanowią dla prądu podobne rezystancje. Prąd więc się rozgałęzi i nie spowoduje zadziałania wyłącznika.
Zastosowanie wyłączników szybkich
Wyłączniki szybkie stosuje się w rozdzielniach trakcyjnych podstacji trakcyjnych prądu stałego oraz w kabinach sekcyjnych w celu wyłączania prądów zwarcia i przeciążenia pochodzących od obwodu trakcyjnego. W lokomotywach elektrycznych wyłączniki szybkie stanowią główne zabezpieczenie obwodu głównego i pomocniczego wysokiego napięcia. Wyłącznik szybki w lokomotywie współpracuje z przekaźnikami zabezpieczeniowymi, tj. różnicowym, zanikowo-napięciowym, nadprądowym przetwornicy oraz niekiedy z nadmiarowymi silników.
Główne parametry wyłączników szybkich
- napięcie znamionowe [V];
- prąd znamionowy [A];
- rodzaj napędu;
- znamionowa zdolność wyłączania zwarcia [kA];
- prąd krytyczny [A];
- czas przedłukowy [ms];
- czas łukowy [ms];
- napięcie sterownicze [V];
- pobór mocy cewki trzymającej [W];
- pobór mocy cewki zaworu elektropneumatycznego [W];
- znamionowe ciśnienie powietrza do napędu [MPa], dawniej [kg/cm2];
- docisk styków głównych [kg];
- rozwarcie styków głównych [mm];
- nastawienie wyzwalacza [A].
O rodzajach wyłączników prądu przemiennego dużej mocy można poczytać tutaj.
![[Rozmiar: 12823 bajtów]](tla i obrazki/wykresws.jpg)
![[Rozmiar: 21306 bajtów]](tla i obrazki/wylacznik szybki.gif)