Wyłączniki szybkie prądu stałego w układach zasilania trakcji elektrycznej

Wstęp

W systemach zasilania trakcji elektrycznej prądu stałego jako podstawowe zabezpieczenie przed przepływem prądów zwarciowych i przeciążeniowych w obwodach prądu stałego stosuje wyłączniki szybkie. Bez względu na napięcie znamionowe systemu (600 V – tramwaje i trolejbusy, 750 V – metro, 1500 V – metro i kolej, 3000 V – kolej) w prawie wszystkich rozwiązaniach stosuje się wyłączniki magnetowydmuchowe, w których gaszenie łuku odbywa się w powietrzu. Specyfika i zjawiska występujące w czasie zwarć w obwodach prądu stałego trakcji elektrycznej opisano w licznych publikach, w tym w [7], [8], [6] i [18]. Wyłączniki szybkie poszczególnych producentów różnią się między sobą konstrukcją komory łukowej, metodą wyzwalania i napędu. Niemniej jednak wyłączniki określonego producenta mają zbliżoną budowę, a jedynymi różnicami są przekroje elementów toru głównego oraz wytrzymałość dielektryczna.

Idea konstrukcja wyłączników szybkich prądu stałego stosowanych w podstacjach trakcyjnych nie zmieniła się znacząco od prawie stu lat, kiedy to firma AEG w 1924 roku przedstawiła pierwszy wyłącznik szybki prądu stałego. Prąd znamionowy tego wyłącznika wynosił od 1000 do 2500 A, zaś napięcie znamionowe 600 lub 1650 V. W 1932 roku firma British Thomson-Houston opatentowała wyłącznik szybki typu RJR [1], który stał się podstawą konstrukcji wielu rozwiązań stosowanych do dziś. Podstawą patentu brytyjskiego były amerykańskie patenty wyłączników szybkich, zgłoszone prze pracowników firmy General Electric w latach 1919 [4], 1923 [3] i 1934 [2].

Bez względu na rozwiązania konstrukcyjne wyłącznika szybkiego oraz jego znamionowe napięcie i prąd, aparat ten musi charakteryzować się określonymi parametrami, gdyż mają one znaczący wpływ na poziom zabezpieczeń, ochronę urządzeń i ludzi oraz trwałość i niezawodność pracy samych wyłączników.

Budowa wyłączników szybkich

Wyłączniki magnetowydmuchowe, ze względu na ich otwartą konstrukcję (IP00), są wykonywane jako aparaty wnętrzowe. Są to wyłączniki samoczynne – wyposażone w wyzwalacz pierwotny, dzięki czemu wyłączenie następuje po przekroczeniu nastwionej wartości prądu wyzwalania w wyniku przepływu prądu zwarciowego lub przeciążeniowego. Dodatkowo każdy z typów eksploatowanych obecnie wyłączników może również zostać wyzwolony sygnałem zewnętrznym.

Uproszczony rysunek magnetowydmuchowego wyłącznika szybkiego pokazano na rysunku 1. Zasadniczą częścią magnetowydmuchowych wyłączników szybkich prądu stałego jest komora łukowa 5, zwana również komorą gaszeniową, której zadaniem jest ograniczenie przestrzeni palenia się łuku oraz jego szybkie chłodzenie i dejonizacja. Po otwarciu styków wyłącznika 1 i 2 zapala się łuk, który pod wpływem pola magnetycznego wytwarzanego przez cewkę wydmuchową 3 jest kierowany na rożki łukowe 6 i 7 w komorze. Styki wyłącznika 1 i 2 rozwierane są przez mechanizm 12 po zwolnieniu mechanizmu utrzymującego styki 11. Zamykanie wyłącznika następuje po załączeniu jego napędu i mechanizmu 11, co powoduje uzbrojenie mechanizmu rozdzielającego styki 12 i zablokowanie przez mechanizm 11dźwigni styku ruchomego 13 w stanie zamkniętym.

Wyzwalanie i otwarcie wyłącznika ściśle wiąże się z konstrukcją wyłącznika. Wyróżnia się trzy podstawowe typy konstrukcji: zapadkowy, z przychwytem magnetycznym i przerwnikowy. Od zastosowanego rozwiązania zależy czy wyłącznik jest spolaryzowany – jego wyzwalanie samoczynne jest możliwe przy przepływie prądu jednym, określonym kierunku. Szczegółowe opisy konstrukcji wyłączników szybkich można znaleźć w materiałach producentów oraz w monografii [6].

Parametry i badania wyłączników szybkich

Wymagania i zakres badań wyłączników prądu stałego do zastosowań w układach zasilania trakcji elektrycznej zawarte są w normach PN-EN 50123-1 [10] i PN-EN-50123-2 [11]. Dodatkowe wymagania dotyczące zdolności łączeniowej prądów zwarciowych wyłączników szybkich narzuca norma PN-EN 50388 [16].

Ogólnie rzecz ujmując, wyłączniki szybkie stosowane w układach zasilania trakcji elektrycznej powinny w jak najwyższym stopniu ograniczać wartość prądu i wyłączać go w jak najkrótszym czasie przy jak najniższych wartościach przepięć łączeniowych. Zgodnie z normą PN-EN 50388 [16] zdolność łączeniowa wyłączników stosowanych w systemach kolejowych powinna wynosić:

• 50 kA w systemie 3000 V DC,
• 100 kA w systemie 1500 V DC,
• 125 kA w systemie 750 V DC.

Zakres badań wyłączników szybkich do układu zasilania trakcji jest następujący:

1. Oględziny i sprawdzenie zgodności z dokumentacją techniczną.
2. Pomiary rezystancji izolacji.
3. Sprawdzenie działania mechanicznego.
4. Sprawdzenie wytrzymałości dielektrycznej izolacji.
5. Próba nagrzewania.
6. Sprawdzenie nastaw wyzwalaczy.
7. Badanie wytrzymałości elektrycznej.
8. Badanie wytrzymałości mechanicznej.
9. Badanie łączalności prądów zwarciowych.
10. Sprawdzenie charakterystyki zwarciowej.
11. Wyznaczenie wartości prądów krytycznych.
12. Wyznaczenie czasu wyłączania prądów krytycznych.

Sposób przeprowadzania większości sprawdzeń i prób oraz interpretacja ich wyników nie sprawia trudności. Uzyskane wyniki odzwierciedlają parametry badanego wyłącznika.

Obecnie wszystkie wyłączniki podstacyjne są badane jako wyłączniki liniowe. Dlatego badania wytrzymałości mechanicznej przeprowadzane są poprzez wykonanie bez przepływu prądu 20 000 cykli zamknij–otwórz. W czasie badań wytrzymałości elektrycznej przeprowadza się 200 cykli zamknij–otwórz przy napięciu znamionowym i przepływie prądu znamionowego.
Badaniem laboratoryjnym, którego wyniki mogą być dyskusyjne jest sprawdzenie zdolności łączeniowej prądów zwarciowych i wyznaczenie charakterystyki wyłącznika.

Wykonuje się je w cyklu łączeniowym:
O – t1 – CO – t1 – CO – t2 – CO
gdzie:

• O – wyłącz;
• CO – załącz–wyłącz;
• t1 – 15 s;
• t2 – 60 s.
• Cykl łączeniowy wykonuje się dla trzech warunków pracy:
  • f – maksymalny prąd zwarcia;
  • e – maksimum energii (prąd zwarcia 50 % maksymalnego);
  • d – zwarcie odległe (prąd zwarcia 200 % prądu znamionowego).

Wartość stałej czasowej obwodu badawczego ustala się zgodnie z deklaracją producenta. Na podstawie wyników zwarcia dla warunków f określa się typ wyłącznika – H, V lub S. Obecnie zalecane jest, aby w podstacjach trakcyjnych stosować wyłączniki typu H – wyłączniki szybkie ograniczające prąd, o czasie własnym ti ≤ 5 ms i całkowitym czasie wyłączania tb ≤ 20 ms, przy stromości narastania prądu di/dt ≥ 5 kA/ms. Przykładowy przebieg zarejestrowany podczas prób zwarciowych przedstawiono na rysunku 2, a zagadnienie tego typu badań szczerzej opisano w [12], [15], [17].

W czasie badań laboratoryjnych warunki prób nie zawsze odpowiadają rzeczywistym warunkom pracy wyłączników. Zagadnienia te zostały opisane między innymi w publikacjach [7], [12], [18] i [15]. W warunkach rzeczywistych wartość indukcyjności w obwodzie zwarciowym jest większa niż dla warunków laboratoryjnych, czego konsekwencją jest mniejsza stromość narastania prądu, dłuższe czasy wyłączeń oraz wyższe wartości napięcia łuku. Na rysunku 3 przedstawiono przebiegi prądu i napięcia na wyłączniku tego samego typu, którego wyniki badań laboratoryjnych ilustruje rysunek 2. Należy tu zaznaczyć, że di/dt w obydwu przypadkach jest większe od 5 kA/ms, zgodnie z normą PN-EN 50123-1 [10].

W podstacjach trakcyjnych zainstalowane są różnego rodzaju filtry, w skład których wchodzą kondensatory, często na znacznych pojemnościach. Udziału pojemności w obwodzie nie odwzorowuje się podczas badań laboratoryjnych, a pojemności te mają duży wpływ na przebieg prądu zwarciowego i proces jego wyłączania. Na rysunku 4 przedstawiono przebieg zarejestrowany w podstacji trakcyjnej wyposażonej w filtr aperiodyczny. Na przebiegu, bezpośrednio po wystąpieniu zwarcia widoczny jest gwałtowny wzrost prądu zwarciowego (kolor czerwony). Jest on spowodowany szybkim rozładowaniem pojemności w obwodzie, co pokazuje przebieg prądu kondensatora (kolor czarny). W czasie wyłączania prądu przez wyłącznik szybki wzrost napięcia na wyłączniku (napięcia łuku) przedstawionego kolorem niebieskim powoduje ładowanie się kondensatora. Prąd ładowania zakłóca przebieg prądu płynącego przez wyłącznik, co wpływa na napięcie łuku. Konsekwencją tego jest znaczne wydłużenie czasu wyłączania oraz naładowania się kondensatora do napięcia odpowiadającego napięciu na wyłączniku w chwili przerwania prądu, które to napięcie jest wyższe od napięcia źródła, wynoszącego w opisywanym przypadki 3600 V.

Wyłączniki szybkie powinny sprawnie wyłączać prąd niezależnie od jego wartości. O ile wyłączanie prądów zwarciowych i przeciążeniowych o wartości mierzonej w kiloamperach nie nastręcza trudności, o tyle wyłącznie małych prądów może być problematyczne – długotrwałe. Wiąże się to wydajnością układów wydmuchowych, które w dużej mierze zależne są od poziomu przepływającego prądu. Przy niskich wartościach prądu cewka wydmuchowa oraz łuk elektryczny wytwarzają pola o niskiej wartości, co przekłada się na dłuższy czas przemieszczania się łuku do komory łukowej i w samej komorze. Dla każdego typu wyłącznika szybkiego istnieje wartość lub przedział wartości prądu, którego wyłączanie – czas łukowy jest najdłuższy. Wartość tą lub zakres nazywa się prądami krytycznymi.

W zakresie określania wartości prądów krytycznych norma PN-EN 50123-1 [10] mówi o badaniach czasów wyłączania prądów o wartościach 25, 50, 100, 200 i 400 A. Badania powinny być wykonane przy zasilaniu napięciem znamionowym wyłącznika, a stała czasowa układu nie powinna być mniejsza niż 10 ms. Norma ta nie określa maksymalnego czasu wyłączania prądów krytycznych, czego konsekwencją może być wyłączanie prądu i palenie się łyku przez nawet kilka sekund. Taki przypadek przedstawiono na rysunku 5. Długotrwałe palenie się łuku znacznie ogranicza żywotność wyłącznika i może spowodować zagrożenie dla obsługi podstacji. Ponadto, im większa stała czasowa obwodu, tym czas łukowy jest dłuższy.
Lepsze zapisy pod tym względem były w normie PN-E-06121. Zgodnie z tą normą łączalność prądów krytycznych przez wyłączniki powinna być wykonywana się przy stałej czasowej 20 ms i napięciu 1,25 wartości napięcia znamionowego wyłącznika. Jako wartość prądu krytycznego przyjmuje się wartość prądu, który jest wyłączany w czasie poniżej 500 ms przy każdej z 20 prób. Badania przeprowadza się dla wartości prądów od znamionowego do 0, przy indukcyjności obwodu nie większej niż 500 mH.
Temu zagadnieniu poświęcono między innymi publikacje [13] i [14].

Wyłączniki szybkie eksploatowane w kolejowych podstacjach w Polsce

Wyłączniki szybkie prądu stałego przeznaczone do podstacji trakcyjnych i kabin sekcyjnych są dopuszczane do eksploatacji na podstawie zapisów ustawy o transporcie kolejowym [19]. Artykuł 22f ustawy stanowi, że warunkiem dopuszczenia do eksploatacji typów budowli i typów urządzeń mających wpływ na poziom bezpieczeństwa ruchu kolejowego (do których został zakwalifikowany wyłącznik szybki) jest uzyskanie świadectwa dopuszczenia do eksploatacji typu dla pierwszego ich egzemplarza. Świadectwo dopuszczenia do eksploatacji typu jest wydawane przez Prezesa UTK.

Obecnie świadectwo dopuszczenia do eksploatacji typu wystawiono na wyłączniki typu IR6040, Gerapid 2607 i 4207, UR40-64S i BWSe 2500 A, które pokazano na rysunkach 6 – 9. Dane techniczne tych wyłączników szybkich zestawiono w tabeli 1.

Artur Rojek, Marek Skrzyniarz
Instytut Kolejnictwa,

Zakład Elektroenergetyki

Literatura

[1] Improvements in and relating to Electric Circuit Breaker. The British Thomson-Houston Co. Ltd. Patent GB434114, 1935.

[2] Mcnairy J.W.: Circuit breaker and method of calibrating the same. Patent US 1971196 A, 1934.

[3] Mcnairy J.W., Tritle J. F.: Electromagnetic device. Patent US1837977 A, 1931.

[4] Tritle J.F.: Circuit interrupter. Patent US1323798 A, 1919.

[5] Dzikowski J., Kruciński K.: Zasilanie trakcji elektrycznej. Nakładem Politechniki Łódzkiej – PWN, Łódź 1960.

[6] Rojek A.: Wyłączniki szybkie prądu stałego w transporcie szynowym. Instytut Kolejnictwa, Warszawa 2016

[7 Maciołek T., Mierzejewski L., Szeląg A.: Wyłącznie zwarć w systemie trakcji elektrycznej prądu stałego poprzez wyłączniki szybkie i wyłączniki mocy. Technika Transportu Szynowego nr 3/2001.

[8] Mierzejewski L., Szeląg A.: Badania zwarć i przepięć w obwodach trakcji elektrycznej prądu stałego z transformacją jednostopniową napięcia 110/3 kV. IV Międzynarodowa Konferencja MET’99.

[9] PN-E-06121:1974 Aparatura trakcyjna. Wyłączniki szybkie prądu stałego. Wspólne wymagania i badania.

[10] PN-EN 50123-1:2003 Zastosowania kolejowe – Urządzenia stacjonarne – Aparatura łączeniowa prądu stałego – Wymagania ogólne.

[11] PN-EN 50123-2:2003 Zastosowania kolejowe – Urządzenia stacjonarne – Aparatura łączeniowa prądu stałego – Wyłączniki prądu stałego.

[12] Rojek A.: Badania wyłączników szybkich prądu stałego na zgodność z normami. Przegląd Elektrotechniczny, R. 89 NR 7/2013.

[13] Rojek A.: Wyznaczanie prądów krytycznych wyłączników szybkich prądu stałego. Prace IK nr 148, Warszawa 2015.

[14] Rojek A.: Zdolność łączeniowa prądów krytycznych wyłączników szybkich 3 kV DC. XV Ogólnopolska Konferencja Naukowa Trakcji Elektrycznej SEMTRAK 2012, Zakopane 2012.

[15] Rojek A., Sidorowicz M.: Researches and tests of high-speed circuit breakers for rolling stock and substations in 3 kV DC traction power system. Problemy Kolejnictwa, zeszyt 159, Warszawa 2013.

[16] PN-EN 50388:2012. Zastosowania kolejowe – System zasilania i tabor – Warunki techniczne koordynacji pomiędzy systemem zasilania (podstacja) i taborem w celu osiągnięcia interoperacyjności (oryg.).

[17] Rojek A.: Parameters of DC high-speed circuit-breakers. MATEC Web of Conferences 180 (2018), 06006.

[18] Rojek A.: Zasilanie trakcji elektrycznej w systemie prądu stałego 3 kV. KOW, Warszawa 2012.

[19] Ustawa z dnia 28 marca 2003 r. o transporcie kolejowym. Dz.U. z 2019 r. poz. 710 z późn. zm.

[20] Dokumentacja Techniczno-Ruchowa. Wyłączniki szybkie prądu stałego BWSe z komorą KBD-3/50b. DTR Nr: APN467946, GE Power Controls Sp. z o.o. Bielsko-Biała 2013.

[21] High Speed DC Circuit Breaker Gerapid 2607, 4207, 6007, 8007 with arc chutes 1X2, 1X4, 2X2, 2X3, 2X4 – User Manual. GE Consumer & Industrial GmbH, Neumünster 2012.

[22] https://pl.geindustrial.com/produkty/wylaczniki-przemyslowe/wylacznik-szybki-pradu-stalego-gerapid (dostęp 20.12.2019 r.)