MIĘDZYNARODOW A K O N FEREN CJA N A UK O W O -TEC H NICZN A
ZESZYTY NAUKOW E POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ 1999 POJAZDY SZY N O W E N O W EJ GENERACJI '99 TRA N SPO RT z.35, nr kol. 1415
Marek BARTOSIK Ryszard LASOTA Franciszek W Ó JC IK
Instytut A paratów Elektrycznych, Politechnika Łódzka
ULTRASZYBKIE WYŁĄCZANIE ZWARĆ
W TRAKCYJNYCH OBWODACH PRĄDU STAŁEGO
S treszczenie. W artykule opisano nowe typy ultraszybkich wyłączników ograniczających (US W PS), przeznaczonych dla trakcji kolejow ej, m iejskiej, a także górniczej etc. (do 3000 V=), w szczególności dla lokomotyw, e. z. t., tram wajów i trolejbusów. Opisano zasady działania i budowy układów wyłączających prądy. US W PS m ają bardzo m ałe wartości prądów ograniczonych i całek Joule’a. M ogą zabezpieczać półprzew odnikow e układy stosowane w napędach pojazdów trakcyjnych.
Porów nano skuteczność działania US WPS z tradycyjnymi wyłącznikam i magneto- w ydm uchowym i. W ykazano techniczną i ekonom iczną przew agę US W PS nad w yłącznikam i dotychczas stosowanymi.
ULTRA-HIGH-SPEED SHORT-CIRCUIT CURRENT BREAKING IN D. C. TRACTION CIRCUITS
S u m m a ry . The article describes new types of ultra-high-speed current-lim iting circuit-breakers (US W PS), intended for the rail, urban and also mine traction etc. (up to 3000V =), especially for trains, tramways and trolley-buses. The structure and principles o f o perationof the current breaking systems are presented. US WPS have very low values o f both cut-off current and Joule integral. They can protect sem iconductor pow er devices used in drive systems o f traction vehicles. Short-circuit breaking processes with the use of the US WPS and traditional magnetic blow-out circuit breakers are com pared. US W PS will create technical and econom ical com petition to the existing circuit breakers.
40 M. Bartosik, R. Lasota, F. W ójcik
1. W STĘP
G łównym użytkow nikiem prądu stałego są w szelkie rodzaje elektrycznej trakcji kolejowej, miejskiej, górniczej etc. W arunki zwarciowe w poszczególnych sieciach są bardzo zróżnicowane, odm ienne dla w yłączników podstacyjnych i taborowych. N iniejsza publikacja dotyczy wyłączników taborowych, podstacyjne będą przedmiotem przyszłych prac. W zrastające potrzeby transportow e stw arzają tendencję do wzrostu przyspieszeń i prędkości pojazdów trakcyjnych, a w ięc i mocy trakcyjnych pojazdów silnikowych. W ymaga to wzrostu mocy podstacji zasilających i stosowania układów w zm acniania sieci dla ograniczania spadków napięć. W ystępuje także tendencja do przechodzenia po stronie prądu przemiennego na coraz w yższe napięcia zasilania systemów trakcyjnych. Te czynniki pow odują zw iększenie m ocy zw arciow ych i stromości wzrostu prądów zw arciowych po stronie prądu stałego. W zwarciowych obwodach trakcyjnych, pom ijając m etro, za typowe m ożna uznać wartości stałej czasowej t w zakresie 10+30 m s ,
spodziewanego zw arciow ego prądu ustalonego Ispu w zakresie 10+60 kA, początkowej stromości wzrostu prądu zw arciowego s, w zakresie 0,5+5 A/ps. Energie magnetyczne Em obwodu bardzo silnie zależą od sposobu w yłączania zwarć. Z drugiej strony w zględy techniczne i ekonom iczne stwarzają silną tendencję do rozwoju nowych systemów napędowych z rozruchem impulsowym oraz ham owaniem z odzyskiem energii. Prócz tego znane są napędy trakcyjne z silnikam i prądu przemiennego, przy zasilaniu z sieci prądu stałego za pom ocą przekształtników. Bardzo szybki rozwój technik półprzew odnikow ych um ożliw ia realizację takich układów , ale powszechnie stosowane tradycyjne wyłączniki magnetowydmuchowe nie stanowią skutecznego zabezpieczenia elementów półprzewodnikowych. Działają one zbyt wolno, za mało skutecznie ograniczają prądy zwarciowe, m ają za duże wartości całki Joule’a I2t. Dlatego podjęto prace nad nowymi, bardziej skutecznymi, ultraszybkim i m etodam i w yłączania zwarciowych prądów stałych.
2. NOW Y PODZIAŁ W Y ŁĄ C ZN IK Ó W PRĄDU STAŁEGO (W PS)
W prow adzenie now ej techniki ultraszybkiego w yłączania zw arć stw orzyło konieczność usystem atyzowania zagadnienia i sprecyzowania niektórych param etrów charakteryzujących proces w yłączania zw arcia. US W PS działają bow iem na zasadzie kom utacji wym uszonej, odmiennej niż zasada działania tradycyjnych wyłączników magnetowydmuchowych, dotychczas stosowanych ja k o klasyczne (K W PS) - nie ograniczające prądu, lub szybkie (S W PS) - o um iarkowanej zdolności do ograniczania prądu. W yłączanie prądów przez K W PS i S WPS następuje wskutek w zrostu napięcia łuku w komorze gaszeniowej, pochłaniającej energię źródła zasilania i energię m agnetyczną obwodu.
Interakcja w yłącznika i obwodu przebiega w powyższych przypadkach odmiennie. Możliwości ograniczania prądu zwarciow ego zależą zawsze od wartości spodziewanego zwarciowego prądu ustalonego Ispu oraz od param etrów R, L, C obw odu zwarciowego, determinujących początkową strom ość w zrostu prądu zw arciow ego Sj = di/dt = Ispu/x. Skuteczność ograniczania prądu zwarciowego przez S W PS zależy od szybkości jego zadziałania i szybkości w zrostu napięcia łuku, determ inującej strom ość dojścia prądu do zera. Skuteczność ograniczania prądu zwarciow ego przez US W PS zależy od szybkości jego zadziałania i w ym uszonej szybkości komutacji prądu, determ inującej strom ość jego dojścia do zera. W ielkości te są dla US WPS znacznie w iększe niż dla S W PS. M iarą szybkości działania wyłącznika je st czas w yłączania t„
od chwili pow stania zw arcia do chwili dojścia do zera prądu w układzie wyłączającym . M iarą
Ultraszybkie w yłączanie zw arć... 41
skuteczności ograniczania prądu je st prąd ograniczony Io, wyrażany współczynnikiem ograniczania prądu C = Io/Ispu. W artości współczynnika C oraz wartości czasu tw względem stałej czasowej x przyjęto ja k o um ow ne kryteria podstawowego podziału W PS. Zasady tego podziału pokazano w tablicy 1.
Osiągnięcie ultraszybkiego działania wym aga zastosow ania bardzo dużych przyspieszeń i prędkości elem entów ruchom ych w yłączników. Przy występujących w praktyce m asach tych elementów pow stają w nich w ielkie udarow e naprężenia m echaniczne, często o falowym charakterze. P rzekroczenie dopuszczalnych w artości tych naprężeń pow oduje bardzo szybkie zmniejszanie się trw ałości m echanicznej w yłącznika lub nawet jego natychm iastow e uszkodzenie. M ożliw ości zm niejszania czasu w łasnego są w ięc ograniczone najm niejszą dopuszczalną w artością czasu własnego organu ruchomego tmr, wytrzymywaną bez ograniczenia trwałości m echanicznej w yłącznika. Jest on indyw idualną cechą charakterystyczną wyłącznika.
Można przyjąć, że czasy tmr są rzędu 150 + 200 ps.
Tablica 1
Klasy w yłączników prądu stałego W PS ze w zględu na szybkość w yłączania zwarć:
HS - hiperszybkie, US - ultraszybkie, S - szybkie, K - klasyczne (nie ograniczające)
Klasa W PS H S W P S US W PS S W PS K W PS
Zakres twX 0— IwHS^ ^mr tmr — twUS<t~łl-ÓT ~0.5t < tws<~3r ~3t < twK < 4 Zakres C \ ~0.005< C Hs < -0 . 0 1 ~ 0 .0 1 < C us< -0 .4 ~0.4<Cs< -0 .9 5 -0 .9 5 < C k<!
gdzie: x = hs: us-, s; k - indeks odpowiadaj ący rodzajowi wyłącznika, Cx = I0x / kpu - współczynnik ograniczania prądu; twX - czas w yłączania, tmr - m inim alny czas reakcji mechanicznej.
Na rys. 1 pokazano przykładowe, stylizowane przebiegi łączeniowe prądów i napięć podczas wyłączania zw arć przez w yłą czn ik i poszczególnych klas opisanych w tablicy 1.
Przebiegi pokazane na rys. 1 sporządzono na podstawie danych dla wybranych w yłączników przyporządkowanych do każdej z klas [6;7;9;10]. Zróżnicow anie typów w yłączników magnetowydmuchowych w klasach S W PS i K W PS jest duże, w ięc w tym zakresie występuje znaczny rozrzut parametrów łączeniowych. W zakresie US W PS i HS W PS zjaw iska łączeniowe są natomiast w ysoce powtarzalne. D la jasności rysunku rozrzuty te pominięto, co nie ma znaczenia dla uogólnionych w nio sków z dalszych rozważań.
42 M- Bartosik. R. Lasota, F. W ójcik
R y s . 1. a ) P o d z ia ł w y łą c z n ik ó w p r ą d u s ta ł e g o W P S z e w z g lę d u n a s z y b k o ś ć w y łą c z a n ia z w a r ć , b ) p o w ię k s z o n y i u z u p e łn io n y f r a g m e n t b z r y s . a ). K la s y W P S : K - k la s y c z n e , S - s z y b k ie , U S - u lt r a s z y b k ie , ,H S - h ip e r s z y b k ie : I sp - p r z y k ł a d o w y p r z e b i e g s p o d z ie w a n e g o p r ą d u z w a r c i o w e g o . I , pu - j e g o w a r to ś ć u s ta lo n a : I \ - p r z e b i e g i r z e c z y w is te g o p r ą d u z w a r c i o w e g o , loX - p r ą d y o g r a n i c z o n e , C x = I „ x/ I lpu - w s p ó łc z y n n ik i o g r a n i c z a n i a p r ą d u , t „ x - c z a s y w y łą c z a n ia , u wX - p r z e b i e g i n a p i ę c ia n a w y łą c z n ik u , u mX - p r z e p i ę c i a łą c z e n i o w e , g d z i e : x . k. s. u s. hs - in d e k s y o d p o w ia d a ją c e k la s ie w y łą c z n ik a ( tz n . 1K. I„k. C k , t„K. u„k. u mK - d l a K W P S . . . . i t d ; t - c z a s , tTO - m in im a ln y c z a s r e a k c ji m e c h a n ic z n e j , x - s ta ł a c z a s o w a o b w o d u z w a r c i o w e g o , S j= d i/d t= I lpu/x - p o c z ą tk o w a s tr o m o ś ć w z r o s tu p r ą d u z w a r c i o w e g o , E - n a p i ę c ie s ie c i.
P r z e b i e g i n a p i ę ć p o w r o tn y c h d l a H S W P S i U S W P S p o m i n ię t o ( p a t r z r y s . 3 ).
F ig . 1. a ) D . C . c i r c u i t b r e a k e r s ( W P S ) c l a s s i f ic a t io n w ith r e g a r d to s p e e d o f s h o r t - c i r c u i t c u r r e n t b r e a k in g , b ) m a g n if ie d f r a g m e n t b f r o m F ig . a ). C a te g o r ie s o f W P S : K - c la s s ic , S - h ig h - s p e e d , U S - u ltr a - h ig h - s p e e d , H S - h y p e r - h i g h - s p e e d ; I sp - s im p l if ie d tr a n s ie n t o f p r o s p e c t iv e c u r r e n t , I >pu - s te a d y p r o s p e c t iv e c u r r e n t ; l x - s h o r t- c i r c u it c u r r e n t tr a n s i e n ts , I„x - c u t - o f f c u r r e n t s , C x= I oX/ I , pu - c u r r e n t li m it a ti o n c o e f f i c ie n ts , l„ x - b r e a k - t im e s , u wX - W P S v o lt a g e tr a n s i e n ts , u mX - s w i tc h i n g o v e r v o l ta g e s , w h e r e : x , k.s. us. its - in d e x e s c o r r e s p o n d in g to W P S c a t e g o r y ( e . i. I K, loK, C K, t« x . u « k . u mK - f o r K W P S ....e tc .) ; I - tim e , t™ - m in im u m m e c h a n ic a l r e a c tio n tim e , x - tim e c o n s ta n t o f s h o r t- c ir c u it, s i= d i/d t = I spl/ x - in itia l r a te o f s h o r t- c i r c u it c u rre n t r is e , E - s u p p ly v o lta g e . T r a n s i e n ts o f r e c o v e r y v o lta g e fo r H S W P S a n d U S W P S a r c o m i tte d ( s e e F ig . 3).
A n a l i z a p o r ó w n a w c z a p o k a z a n y c h n a r y s . 1 s p o s o b ó w w y ł ą c z a n i a z w a r ć p r z e z w y ł ą c z n i k i p o s z c z e g ó l n y c h k l a s p o z w a l a n a o s z a c o w a n i e o g r o m n y c h k o r z y ś c i e k s p l o a t a c y j n y c h , j a k i e n i e s i e z e s o b ą z a s t o s o w a n i e u l t r a s z y b k i c h m e t o d w y ł ą c z a n i a z w a r c i o w y c h p r ą d ó w s t a ł y c h . D o a n a l i z y w z i ę t o p o d u w a g ę k i l k a c h a r a k t e r y s t y c z n y c h w i e l k o ś c i , p o w s z e c h n i e u w a ż a n y c h z a d e t e r m i n u j ą c e p o d s t a w o w e w ł a ś c i w o ś c i e k s p l o a t a c y j n e w y ł ą c z n i k ó w . D o n i c h n a l e ż ą ; p r ą d o g r a n i c z o n y Io , c a ł k a J o u l e ’ a I ' t , m a k s y m a l n a w a r t o ś ć e n e r g i i m a g n e t y c z n e j o b w o d u E m p o d c z a s w y ł ą c z a n i a z w a r c i a , e n e r g i a E w w y d z i e l o n a w g ł ó w n y m e l e m e n c i e w y ł ą c z a j ą c y m p r ą d z w a r c i o w y . P a r a m e t r y t e o s z a c o w a n o d l a p r z y k ł a d o w o w y b r a n y c h g r a n i c z n y c h w a r u n - k ó w z w a r c i o w y c h c h a r a k t e r y s t y c z n y c h d l a w y ł ą c z n i k ó w t a b o r o w y c h w t r a k c j i k o l e j o w e j , z u w z g l ę d n i e n i e m p o d z i a ł u w g r y s . 1 i l i t e r a t u r o w y c h d a n y c h d l a w y b r a n y c h w y ł ą c z n i k ó w [ 6 ; 7 ; 9 ] . W y n i k i a n a l i z y p o k a z a n o n a r y s . 2.
Ultraszybkie w yłączanie zwarć... 43
I:t i E oszacow ano dla:
3kV, 40kA , 20ms, 2A/fiS,. o U . U . u»K * wg rys. I O
-(2
X
H S W PS U S W P S S W P S K W PS
Rys. 2 . P r z y k ła d o w e , s z a c u n k o w e w a r to ś c i m a k s y m a ln e j e n e r g i i m a g n e ty c z n e j o b w o d u z w a r c i o w e g o E M, c a łk i J o u l e ’a l" l o r a z e n e r g i i E w w y d z ie la n e j w g łó w n y m e le m e n c ie w y łą c z a ją c y m , p o d c z a s w y łą c z a n ia p r ą d u z w a r c i o w e g o p r z e z W P S k la s y H S , U S , S i K w g ta b lic y 1;. w a r u n k i z w a r c i o w e w g o p is u n a r y s u n k u . W e w n ą t r z b ia ły c h p r o s t o k ą t ó w p o d a n o o r ie n ta c y j n e k r o tn o ś c i p o s z c z e g ó ln y c h p a r a m e tr ó w ' w z g lę d e m p a r a m e tr ó w d la U S W P S , p r z y j ę ty c h z a p o d s ta w o w e ( tj. E M s / Emus > 1 5 ild ).
/ n - d z i e ln i k , * n - m n o ż n ik ; p o z o s ta łe o z n a c z e n i a j a k n a ry s . 1.
Fig. 2. E x e m p la r y , e s t i m a t e d v a l u e s o f m a x im u m m a g n e ti c e n e r g y o f s h o r t- c i r c u it E M, J o u le in te g r a l P t a n d e n e r g y E „ d is s ip a t e d in th e m a in s w itc h in g e le m e n t, d u r in g s h o r t- c ir c u it c u r r e n t b r e a k in g b y W P S o f H S , U S , S an d K c a te g o r y , a c c o r d i n g to t a b le 1: s h o r t- c i r c u it c o n d i tio n s a c c o r d in g to d e s c r i p tio n in th is f ig u r e . E s tim a te d p r o d u c t s o f p a r t i c u l a r p a r a m e te r s to p a r a m e te r s f o r U S W P S . a s s u m e d a s b a s ic , a r c g iv e n in s id e o f w h ite r e c t a n g le s ( c . i. E m s / E m u s > 1 5 e tc ) .
/ n - d i v i d e r , n n - m u l tip l ie r ; o th e r d e n o t a ti o n s a s in F ig . 1.
Problemy eksploatacyjne i możliwości rozwojowe w yłączników magnetowydmuchowych były wielokrotnie opisywane w dostępnej literaturze, więc zostały tutaj pominięte.W yłączniki te m ogą działać jako K W PS lub S W PS. W dalszych rozważaniach K W PS pom inięto, gdyż w iększość trakcyjnych w yłączników m agnetow ydm uchow ych odpow iada klasie S W PS. W szczególnych przypadkach lekkie i szybkie konstrukcje S W PS, pracujące przy relatywnie małych wartościach początkowej strom ości wzrostu prądu zwarciowego S;, m ogą nawet wkraczać w zakres US WPS, ale wydaje się, że osiągnęły one kres m ożliw ości technicznych wynikających z zasady ich działania.
Wyłączniki klasy HS W PS w praktyce m ogą być budow ane tylko przy wykorzystaniu półprzewodnikowych elem entów mocy, ponieważ żadne sensow ne technicznie układy mechaniczne nie w ytrzym ują pracy z wymaganymi w tym zakresie przyspieszeniam i. Znana jest w tej klasie tylko jed n a konstrukcja hybrydowa z układem zestykow ym wymiennym jednorazowego użytku (do celów specjalnych) [10]. Do budow y HS W PS w praktyce przydatne są tranzystory IG B T i tyrystory GTO, przy czym szybki postęp w dziedzinie tyrystorów elektrostatycznych w ydaje się ostatnio zagrażać popularności GTO. W łasności tych elementów pozwalają budow ać w yłączniki półprzew odnikow e w całym zakresie napięć trakcyjnych. W ady elementów półprzew odnikow ych, takie ja k duże straty m ocy przy przew odzeniu prądu, mala odporność na przepięcia i przeciążenia, brak galwanicznego odcinania obwodu oraz wysoki koszt, są istotnymi ograniczeniam i praktycznych zastosowań HS W PS. Zagadnienia te stanow ią odrębny problem, są dobrze znane z obszernej literatury i zostały tutaj pom inięte. W analizowanych zastosowaniach HS W PS m ają znaczenie pom ocnicze i dalej je pom inięto. C elow e je st jedynie porównanie US W P S i S W PS. Szacunkow e dane przedstaw ione na rys. 1 i 2 upow ażniają do stwierdzenia, że w stosunku do m agnetow ydm uchow ych S W PS, now e w yłączniki klasy US
44 M. Bartosik. R. Lasota, F. Wójcik
W PS mają: prądy ograniczone Io kilkakrotnie m niejsze, m aksym alne wartości energii magnetycznej obw odu Em kilkunastokrotnie m niejsze, wartości całki Jo u le’a I2t kilkudziesięciokrotnie m niejsze, a energie E w wydzielane w głównym elem encie wyłączającym prąd zw arciow y kilka tysięcy razy mniejsze. Daje to ogrom ne korzyści eksploatacyjne, przedstaw ione w p.4. Dla uzyskania takich wartości analizowanych param etrów konieczne było opracowanie nowych zasad działania i budow y US WPS.
3. N OW E ZA SA D Y D ZIA ŁANIA I BUDOW Y US WPS
M etoda kom utacji wym uszonej um ożliw iająca budow ę US W PS m oże być realizow ana w praktyce przy w ykorzystaniu kilku możliwych zasad w yłączania prądu stałego [1 0], z których najw iększą przydatność praktyczną m ają dwie: wyłączanie za pom ocą im pulsu przeciwprądu (W PP) oraz w yłączanie za pom ocą aktywnego elementu półprzew odnikow ego (AEP).
Zasada W PP polega na wymuszonym sprowadzeniu prądu stałego do zera przez impuls prądu 0 kierunku przeciw nym , zwany przeciwprądem , wytwarzany przez dodatkow e źródło prądu.
M oże ona być wykorzystywana do budowy US WPS próżniowych (USV), tyrystorowych (UST) lub hybrydowych (U SH ) próżniow o - tyrystorowych [1;2;6;7;9J.
Zasada AEP polega na wymuszonym sprow adzeniu prądu stałego do zera przez w pełni sterow alny elem ent półprzew odnikow y mocy. M oże ona być w ykorzystyw ana do budow y US W PS hybrydowych (USH ) lub półprzew odnikow ych (USP) z tranzystoram i IGBT (USI) lub tyrystorami G TO (USG ) [5:8; 10].
W obec opisanych w p. 2 w ad wyłączników półprzewodnikowych oraz innych uwarunkowań opisanych we w cześniejszych pracach autorów [1;2;5,9], na potrzeby trakcji kolejowej o napięciu 3 kV najlepiej nadaje się zasada W PP wykorzystana w wyłączniku próżniow ym USV, a na potrzeby trakcji niskonapięciowej o napięciu do 800 V zasada AEP wykorzystana w wyłączniku hybrydowym USH próżniow o - tranzystorowym. Dla tych dwóch przypadków zasady działania 1 budowy US W PS pokazano na rys. 3.
Zasada działania w yłącznika próżniowego USV wykorzystującego m etodę W PP jest przedstaw iona na rys. 3a. K ondensator komutacyjny generatora przeciw prądu 3 jest wstępnie naładow any i ma polaryzację ja k na rysunku. Prąd zwarciowy i - i / płynący przez komorę głów ną 1 w zrasta i osiąga w artość prądu zadziałania pow odując uruchom ienie wyłącznika.
Po krótkim czasie własnym w chwili tr komora 1 się otwiera powodując zapłon luku, a następnie w chwili tzp kom ora 2 się zam yka załączając przeciwprąd ij płynący w obw odzie 3-1-2. W kom orze 1 przeciw prąd i
3
odejm uje się od prądu t/, gw ałtownie sprow adzając go do zera (pierwsza kom utacja prądu w czasie tzp)tw), ponieważ stromość wzrostu przeciwprądu jest o rząd wielkości w iększa od strom ości w zrostu prądu zwarciowego. Po wyłączeniu prądu ¡/ w chwili tw konfiguracja obw odu ulega zmianie, napięcie na kondensatorze ulega odw róceniu ze względu na szeregowe połączenie kondensatora z siecią, napięcie między zaciskami +E i P przeciwdziała wzrostow i prądu. Prąd zw arciow y intensywnie maleje pod wpływ em w zrastającego napięcia na kondensatorze. Gdy przepięcie łączeniow e osiągnie w chwili tzo próg zadziałania ogranicznika przepięć w system ie 4, zaczyna płynąć prąd iop powodujący drugą kom utację prądu w czasie tzoHpo i prąd głów ny zostaje przejęty przez ogranicznik rozładow ujący energię m agnetyczną obw odu i ograniczający przepięcie do wymaganej wartości u m.Ultraszybkie w yłączanie zw arć. 45
i E ¿ i«. T+Up a )
t. «,
Rys. 3. S c h e m a ty b l o k o w e i p r z e b i e g i łą c z e n i o w e p r ą d ó w i n a p ię ć il u s tr u ją c e z a s a d y d z i a ła n i a U S W P S : a ) z a s a d a W P P w y łą c z a n ia p r z e c i w p r ą d e m , b ) z a s a d a A S E w y łą c z a n ia z a p o m o c ą a k t y w n e g o e le m e n tu p ó ł p r z e w o d n i k o w e g o . K o m o r y p r ó ż n i o w e : 1 - g łó w n e , 2 - p o m o c n ic z e ; z e s p o ł y w y łą c z a ją c e : a ) 3 - g e n e r a to r p r z e c iw p r a d u , b ) 3 - tr a n z y s to r I G B T ; 4 - s y s te m y s te r o w a n i a i z a b e z p ie c z e ń ; 5 - z a łą c z n ik p r ó ż n i o w y ; p r z y ł ą c z a : + E - s ie c io w e . P - p o ja z d o w e , Z - u z io m o w e , + U p - n a p i ę c io w e ; s y g n a ły s te r u ją c e : O - o tw ie - r a ją c y , I - z a m y k a ją c y ; n a p ię c ia : E - sie c i, U p ■ p o m o c n ic z e , u - n a w y łą c z n ik u , u„, - o g r a n ic z o n e , U c - k o n - d e n s a t o r a k o m u t a c y j n e g o , - k x U c - w s te c z n e ( k < 1 ); p r ą d y : i - z w a r c i o w y , i„„ - z a d z ia ł a n ia w y z w a la c z a n a d p r ą d o w e g o , i, - k o m o r y 1, ij - z e s p o łu 3, /„ - o g r a n i c z o n y , - o g r a n i c z n i k a p r z e p i ę ć ; c h w ile : to - p o c z ą tk o w a . t! - z a łą c z e n ia p r ą d u , tlw - z w a r c ia , t„„ - z a d z ia ł a n ia w y z w a la c z a , t, - r o z d z i e le n ia s ty k ó w k o m o r y 1, llp - z a ł ą c z e n i a p r z e c iw p r ą d u , t„ - z a łą c z e n ia tr a n z y s to r a , tw - w y łą c z e n ia z w a r c i a , t*,, - z a d z ia ł a n ia o g r a n i c z n i k a p r z e p i ę ć , tp„ - p r z e j ę c i a p r ą d u p r z e z o g r a n i c z n ik , u » - c a łk o w ite g o w y łą c z e n ia o b w o d u ; t - c z a s , k t - z m ia n a s k a li c z a s u ( k » 1).
Fig. 3. B l o c k - s c h e m e s w ith c u r r e n t a n d v o lt a g e tr a n s i e n ts , s h o w in g U S W P S p r in c ip le s o f o p e r a t io n : a ) W P P p r in c ip le s o f D . C . b r e a k i n g b y c o u n t e r c u r r e n t , b ) A S E p r in c ip le s o f D . C . b r e a k i n g b y a c tiv e s e m i c o n d u c t o r p o w e r d e v i c e . V a c u u m c h a m b e r s : 1 - m a in , 2 - a u x i lia r y ; b r e a k i n g s y s te m s : a ) 3 - c o u n t e r c u r r e n t g e n e r a t o r , b ) 3 - I G B T tr a n s is to r ; 4 - c o n t r o l s y s t e m s ; 5 - v a c u u m m a k in g s w itc h : te r m in a ls : + E - n e t w o r k t„ P - v e h i c le t „ Z - e a r t h t „ + U P - v o lta g e t.; c o n t r o l s ig n a l s : 0 - o p e n i n g s ., I - c lo s in g s.; v o lta g e s : E - n e t w o r k v ., U p - a u x ilia r y v „ u - c ir c u it b r e a k e r v „ u„, - lim ite d v „ U c - c o m m u ta tio n c a p a c it o r v „ -k x U c - r e v e r s e v . (k < I ) ; c u r r e n t s : i- s h o r t- c i r c u it c ., iwn- tr i p p in g c ., i,- v a c u u m c h a m b e r I
c ., i j - b lo c k 3 c ., /„ - li m it e d c ., t„;l - o v e r v o l ta g e lim ite r c .; m o m e n ts : to - in itia l m „ t, - c u r r e n t s w itc h in g on m „ tiw - s h o r t- c i r c u it a p p e a r a n c e m „ lwn - o v c r c u r r e n t tr ip o p e r a tio n m ., tr - c o n t a c t s e p a r a t io n m . in v a c u u m c h a m b e r 1, tIp - c o u n t e r c u r r e n t s w i tc h i n g o n in., t „ - tr a n s i s t o r s w i tc h i n g o n m ., t„ - s h o r t - c i r c u i t c u r r e n t b r e a k in g m ., t„ , - o v e r v o l t a g e l i m it e r o p e r a t io n m „ t,» - c u r r e n t ta k in g o v e r m . b y o v e r v o l ta g e lim ite r , tc„. - s h o r t- c i r c u it to ta l b r e a k i n g m .; t - tim e , k -t - c h a n g e d tim e s c a le (k » 1 ).
Zasada działania próżniow o-tranzystorow ego w yłącznika hybrydowego U SH wykorzy
stującego metodę A SE je st przedstaw iona na rys. 3b. Hybrydowy układ wyłączający złożony jest z członu zestykow ego w spółpracującego z członem półprzew odnikow ym . Człon zestykowy stanowią dw ie jednocześnie otw ierane komory' próżniowe 1 i 2 połączone szeregow o. Człon półprzewodnikowy stanowi tranzystor IGBT. W spółpraca tych członów odbyw a się w układzie tzw, hybrydy szeregow o-rów noległej, w którym kom ora 1 (w yłączająca) je st zbocznikow ana tranzystorem 3 tw orzącym układ przejm ow ania i w yłączania prądu, a kom ora 2 (odcinająca) umożliwia galwaniczne odcięcie odbiornika od źródła zasilania. Przebieg wyłączania zwarcia jest podobny do opisanego dla W PP, choć inny je st sposób sprow adzania prądu (/ do zera.
Tranzystor 3 je st załączany im pulsow o na bardzo krótki czas w chwili ta, gdy przerw a zestykowa w obydwu kom orach próżniow ych osiągnie w artość niezbędną do w yłączenia prądu. Poniew aż napięcie łuku w kom orze 1 je st znacznie w iększe od napięcia przew odzenia tranzystora 3,
46 M. Bartosik, R. Lasota. F. Wójcik
następuje pierw sza kom utacja prądu w czasie tzp-Hw i całkowite przejęcie prądu przez tranzystor równoznaczne z wyłączeniem prądu i/. Wyłączenie tranzystora powoduje drugą kom utację prądu, ze skutkami jak w przypadku W PP. W opisanym układzie następuje połączenie zalet i eliminacja znanych w ad łączników zestykowych i półprzewodnikowych, tj. przede wszystkim galwaniczne odcinanie odbiorników od zasilania po wyłączeniu prądu niemożliwe do uzyskania w łącznikach półprzew odnikow ych, w yelim inow anie dużego spadku napięcia na elementach półprzew odnikow ych w ystępującego przy ich pracy przepustow ej, a także' praktyczne w yelim inowanie lub znaczne ograniczenie łuku w yłączeniowego pow stającego przy pracy wyłączeniowej łączników zestykowych.
R y s . 4 . P o d s t a w o w a s tr u k tu r a U S W P S . U S U W - u lt r a s z y b k i u k ła d w y łą c z a ją c y ( w g r y s . 3 a lu b 3 b ) ; o g r a n i c z n ik i p r z e p i ę ć : O P Z - z e w n ę t r z n y c h , O P W - w e w n ę tr z n y c h ; P T - p o ja z d t r a k c y jn y , U S B - u k ta d s tc r o w h n ia i b lo k a d , D - d y s k r y m i- n a to r y p r ą d u ; p o z o s t a ł e o z n a c z e n i a j a k n a r y s . 3.
F ig . 4 . B a s i c s tr u c t u r e o f U S W P S . U S U W - u lt r a - h ig h - s p e e d c u r r e n t b r e a k i n g s y s t e m ( a c c o r d in g to F ig . 3 a o r 3 b ) ; o v e r v o l ta g e li m ite r s : O P Z - e x t e r n a l, O P W - in t e r n a l; P T - tr a c ti o n v e h ic le ( r e c e iv e r s ) , U S B - c o n tr o l s y s te m , D - o v e r c u r r c n t r e la y s ( tr ip s ) ; o t h e r d e n o t a t i o n s a s in F ig . 3 .
Przy ultraszybkim przeryw aniu obwodu istotnym problem em staje się rozładow anie energii magnetycznej zaw artej zarów no w indukcyjnościach sieci, ja k i odbiorników pojazdowych, głównie silników , niezbędne dla uniknięcia niebezpiecznych przepięć łączeniow ych. M imo iż maksymalna energia Em jest w przypadku US WPS kilkunastokrotnie m niejsza niż w przypadku S W PS, to praktycznie cała je st zużyw ana na generowanie przepięć łączeniow ych, podczas gdy w wyłącznikach magnetowydmuchowych je st w przeważającej części w ytracana w postaci ciepła wydzielanego z łuku w kom orze gaszeniowej wyłącznika. K onieczne je s t zatem stosow anie w przypadku US W PS niezależnych środków ochrony przeciw przepięciow ej, m. in. warystorów tlenkowych [4] o dużej energochłonności oraz o najw iększym napięciu w yładow czym dostoso
wanym do poziom u zadziałania przeciw przepięciow ej ochrony sieciow ej, przy czym odpowiednio skoordynow ane układy przeciwprzepięciow e m ogą być w ykorzystane zarówno od strony sieci, jak i odbiorników trakcyjnych. N iezależnie od tego konieczne je st stosowanie odpowiednich środków ochrony przeciwprzepięciowej półprzew odnikow ych elem entów mocy.
M.Bartosik, R .L asota, F.W ójcik 47
Dlatego każdy układ w yłączający klasy US W PS, niezależnie od zasady jego działania (WPP lub ASE), pow inien w spółpracow ać z podwójnym układem autonom icznych ograniczników przepięć. O gólną zasadą budow y US WPS, odpowiadającą powyższym wymaganiom, pokazano na schemacie blokow ym przedstaw ionym na rys. 4. Dzięki takiej zasadzie budow y US WPS możliwe je st zarówno skuteczne chronienie układu pojazdu trakcyjnego od w szystkich przepięć zewnętrznych, tj. sieciowych różnego pochodzenia, ja k i od przepięć w ew nętrznych, tj.
Rys. 5. S c h e m a ty id e o w o - b l o k o w e U S W P S : a ) ly p u D C V d l a tr a k c ji k o le jo w e j ( z a s a d a W P P ) , b ) ty p u D C H d la tr a k c ji m ie js k ie j ( z a s a d a A S E ) . 1. 2 , 3, 5 , + E , + U p . P , Z , D , U S B , O P Z . O P W , P T - j a k n a r y s . 3 i 4 ; S T R
- sterownik tranzystora 3 (b), N I - napęd indukcyjno-dynamiczny, N - napęd załącznika; ograniczniki przepięć: O P Z - zewnętrznych (warystor tlenkowy), O P W - wewnętrznych (warystor tlenkowy). O P D - dioda rewersyjna, O P T - filtr ochrony tranzystora; P I - przekaźnik nadprądowy; C P - czujnik położenia organu ruchomego, Z N - zamek, C N - kondensator napędu, C K - kondensator komutacyjny; R N , R K - oporniki do ładowania C N i C K ; L K - dławik komutacyjny, P C N - przetwornica, S N - stabilizator.
T Y N - tyrystor napędu, D Z N - dioda zwrotna napędu, P T - pojazd trakcyjny (odbiorniki); I/O - zewnętrzny
zespolony sygnały sterujący załączająco-wyłączający; — sprzężenia sterujące elektryczne i światłowodowe.
Fig. 5. S im p lif ie d s c h e m a ti c d ia g r a m s o f U S W P S : a ) D C V ty p e f o r ra il tr a c tio n ( W P P p r in c ip le ) , b ) D C H ty p e fo r u rb a n tr a c tio n ( A S E p r in c ip le ) . 1, 2 , 3 , 5 , + E , + U p , P , Z , D , U S B , O P Z , O P W , P T - a s in F ig . 3 a n d 4 ; S T R - c o n t r o lle r o f t r a n s i s t o r 3 ( b ) , N I - in d u c tiv e - d y n a m ic a c tu a ti n g m e c h a n is m , N - m a k in g s w i tc h d r iv e ; o v e r v o lta g e lim ite r s : O P Z - e x t e r n a l ( M O V ty p e ) , O P W - in te rn a l ( M O V ty p e ) , O P D - r e v e r s e d io d e , O P T - tr a n s i s t o r p r o t e c t i v e f il te r ; P I - o v e r c u r r c n t r e la y ; C P - m o v in g c o n t a c t p o s iti o n d e t e c t o r , Z N - lo c k , C N - a c tu a ti n g m e c h a n is m c a p a c i t o r , C K - c o m m u ta tio n c a p a c it o r ; R N , R K - r e s is to r s f o r C N a n d C K c h a r g i n g ; L K - c o m m u ta tio n r e a c to r , P C N - v o lta g e c o n v e r t e r , S N - v o lt a g e s t a b i liz e r . T Y N - th y r i s t o r o f N I, D Z N - r e v e r s e d io d e o f N I , P T - tr a c tio n v e h ic le ( r e c e iv e r s ) ; I/O - e x te r n a l j o i n t c o n t r o l s ig n a l O N /O F F ;
— - c o n t r o l c o n n e c tio n s o f li g h t p ip e a n d e l e c tr i c a l ty p e s .
odbiornikowych, generowanych przez urządzenia w chodzące w skład elektrycznego układu pojazdu trakcyjnego w różnych stanach łączeniowych, w tym także nie związanych z działaniem wyłącznika ultraszybkiego. To ostatnie zagadnienie nie je st obecnie należycie rozpoznane i nie poświęca mu się w praktyce w ystarczającej uwagi, a m oże być ono pow odem nieoczekiwanych awarii. Przykładow o, na podstaw ie badań własnych zjaw isk łączeniow ych w układzie elektrycznego zespołu trakcyjnego o napięciu 3 kV, autorzy stw ierdzili incydentalne występowanie przepięć w ew nętrznych przekraczających 20 kV. Jest to pow ażne zagrożenie dla izolacji głównej w szystkich podzespołów układu, w tym zw łaszcza silników napędowych.
48 M. Bartosik, R. Lasota, F. Wójcik
W Instytucie Aparatów Elektrycznych Politechniki Łódzkiej, przy w spółpracy z ABB ZWAR w W arszawie i ZA E W O LTA N w Łodzi, opracowano ultraszybkie wyłączniki taborow e dla trakcji kolejowej i m iejskiej w yposażone w mikroprocesorowy, elektryczno-św iatlowodow y system sterowania [7;8;9j, wykorzystujące wyżej opisane zasady działania. Budowę wyłączników przedstaw iono za pom ocą schem atów ideowo-blokowych pokazanych na rys. 5. Komory próżniow e w spółpracują w nich z impulsowym napędem indukcyjno-dynam icznym wielkiej mocy [3]. Uzyskane przez te wyłączniki paramery znamionowe, zestawione w tablicy 2, pokazują możliwości techniczne nowej generacji opracowanych US W PS typu DCV, DCH i DCL.
W yłączniki w w ersji standardow ej są przystosowane do pracy w zakresie tem peratur -30 + +40°C, wilgotności w zględnych <95% przy +20°C i <50% przy +40 °C oraz wysokości n.p.m.
<1200 m.
Pierwszym w yłącznikiem ultraszybkim był wyłącznik DCV (3 kV, 400 A), przeznaczony dla elektrycznych zespołów trakcyjnych. Na podstawie dwuletnich ju ż dośw iadczeń z eksploatacji serii informacyjnej tych wyłączników stwierdzono statystycznie znamienne, znaczne ograniczenie liczby awarii silników trakcyjnych. Obecnie przygotowano w ABB ZW A R i w ZA E WOLTAN produkcję panelow ej w ersji w yłącznika, przystosowanej do m ontażu w ysuw nego w skrzyni podpodłogowej e.z.t., co radykalnie upraszcza ten m ontaż i redukuje praktycznie do zera możliwości pomyłek.
W yłączniki D CH dla trakcji m iejskiej są na etapie serii inform acyjnej i eksploatacji doświadczalnej. Ich produkcja seryjna w ZAE W OLTAN planowana je st w połow ie b. r.
W ubiegłym roku rozpoczęto prace badaw cze i w drożeniow e nad w yłącznikam i DCL przeznaczonym i dla lokomotyw. Prototypy tych w yłączników, działających na zasadzie WPP, zostaną skierowane na badania pełne jeszcze w tym roku. W IAE PŁ trw ają prace studialne nad rodziną ultraszybkich w yłączników podstacyjnych, rów nież działających na zasadzie W PP.
Tablica 2 G łów ne param etry znam ionow e ultraszybkich w yłączników trakcyjnych
Lp P a r a m e tr DCV D CH D C L**
1 U, [V] 3000 250; 800 3000
2 Uo [V] 3000 2 5 0 :8 0 0 3000
3 Iu [A]** 250, 400 250; 400 1000; 1600:2000
4 I o /r [kA/m s] ' ' 40/20, 60/30 ■ 6 0 / 2 0 4 0 / 20; 6 0 / 30
5 Si [A/ps] <2 <3 <2
6 U k A ] <4 <3,6 ¿ 7
7 C/x [-/ms] <0,1 /20; <0,07/30 < 0 ,0 5 /2 0 ¿0,1 5 /2 0 ; <0,1/30 8 I2t [A2s] ¿ 2 0 H 103 ¿ 1 0 H 1 0 3 <45 H I 0 3
9 Um [kV] 1 < 8 : <2; <3 ' ’ <9
10 ni [ł] (łączeń)* < > > 1 0 0 0 » 1 0 0 0 . » 1 0 0 0
11 nm [c] (cykli) >20000 >20000 >20000
12 to [ms] <0.5 <0,5 <0,5
13 tw [ms] • <2 < 1 <3
14 m [kg] 220 ok. 55 ok. 250
Ultraszybkie w yłączanie zwarć... 49
sdzie: Uj - napięcie zn. izolacji, U e - napięcie zn. łączeniowe, Iu - prąd znam ionow y ciągły, t - stała czasowa obw odu zwarciowego, Icn - prąd zn.wyłączalny (przy danej t), si=di/dt - największa stromość prądu zw arciow ego, i0 - prąd ograniczony (przy danej s i ), C=ic/ICn - współczynnik ograniczenia prądu (przy danej t) , I"t - całka Joule'a, um - przepięcie łączeniow e, ni - trw ałość łączeniowa, nm - trw ałość m echaniczna, t0 - czas w łasny otwierania (twn) tr, wg rys. 3) tw - czas wyłączania (tw„) tw, w g rys. 3), m - m asa wyłącznika.
Uwagi do tablicy 2: * - trw ałość łączeniow a w warunkach zw arciow ych (kom entarż niżej),
** - ostateczne w artości niektórych param etrów będą sprecyzowane po badaniach typu wyłączników z serii inform acyjnej, stosow nie do wym agań użytkowników.
4. KORZYŚCI T EC H N IC ZN E I EK ON O M ICZN E Z EKSPLOATACJI US W PS
1. US W PS są w ynikiem połączenia nowych zasad działania i nowych koncepcji budow y układów wyłączających. W szczególności szybki postęp w dziedzinie warystorów z tlenków metali, półprzew odnikow ych elem entów mocy oraz impulsowych napędów wielkiej mocy, zwłaszcza indukcyjno-dynam icznych i elektrodynam icznych, stworzył now e m ożliw ości budowy różnych w ariantów tych w yłączników dla poszczególnych rodzajów trakcji elektrycznej.
2. US W PS m ogą być w ykorzystyw ane we wszystkich dotychczasow ych zastosow aniach wyłączników m agnetow ydm uchow ych klas S oraz K W PS.
3. US WPS m ają znacznie większy zakres znamionowych prądów wyłączalnych zwarciowych, niż typow e S W PS. Prądy te w zrastają proporcjonalnie do stałej czasow ej, poniew aż graniczne m ożliw ości US W PS są determ inow ane przez początkow ą strom ość w zrostu prądu zw arciow ego.
4. Dzięki bardzo małej energii wydzielanej z łuku w komorach próżniowych, kilka tysięcy razy mniejszej niż w przypadku S W PS, m ożliw e je st uzyskanie przez US W PS bardzo dużej trwałości łączeniowej, szczególnie w w arunkach zwarciowych. Erozja lukowa próżniowego układu w yłączającego przestaje być czynnikiem ograniczającym tę trw ałość i m oże ona być zbliżona do trw ałości m echanicznej.
5. Bezkonkurencyjna trw ałość łączeniow a US W PS w warunkach zwarciow ych sprawia, że jeden w yłącznik ultraszybki będzie stanow ił eksploatacyjny rów now ażnik co najmniej dwóch lub więcej w yłączników magnetowydmuchowych. Daje to użytkownikom znaczące korzyści ekonom iczne.
6. Szybkość działania US W PS pow oduje niezwykle skuteczne ograniczanie prądów zwarciowych, które są kilkakrotnie m niejsze niż w przypadku S W PS. W typowych warunkach prądy ograniczone nie przekraczają połow y w artości prądu niszczącego silnki trakcyjne w przypadku np. łuku okrężnego na komutatorze. Tak skuteczna ochrona silników przez US W PS spowoduje bardzo znaczące ograniczenie liczby ich awarii. Daje to znaczące oszczędności finansow e, kum ulujące się u użytkownika.
7. M aksym alne w artości energii m agnetycznej obw odu zw arciow ego w yłączanego przez US WPS, kilkunastokrotnie m niejsze niż w przypadku S W PS, m ogą być bez trudu opanow ywane przez typow e beziskiem ikow e ograniczniki przepięć z tlenków metali (MOV). E nergia ta nie obciąża kom ór próżniowych. Zastosow anie podw ójnego układu autonomicznych ograniczników przepięć zewnętrznych i zwłaszcza wew nętrznych stanowi nową jak o ść ochrony przeciw przepięciow ej w układach trakcyjnych, ograniczając kom pleksow o w szystkie przepięcia, także nie zw iązane z działaniem US W PS. Znacznie zm niejsza to praw dopodobieństw o uszkodzeń izolacji głównej układu, w tym silników trakcyjnych.
8. US W PS, m ając w artości całki Joule'a kilkudziesięciokrotnie m niejsze niż S W PS, m ogą w praktyce skutecznie zabezpieczać półprzew odnikow e elem enty m ocy o znam ionow ych
50 M. Bartosik. R. Lasota, F. Wójcik
prądach ciągłych powyżej 100 A. Jest to równoznaczne z likwidacją bardzo ważnej bariery ograniczającej zastosow ania półprzew odnikow ych układów w napędach trakcyjnych oraz innych układach przem ysłow ych prądu stałego.
9. W yłączniki działające na zasadzie W PP lub AEP nie m ają zakresu prądów krytycznych.
10. Strefa ochronna US W PS nie je st potrzebna. Podczas w yłączania prądu w próżni nie ma kontaktu plazm y łukowej z otoczeniem , brak w ięc zewnętrznych efektów optycznych, radiacyjnych, akustycznych i termicznych, nie w ydzielają się żadne substancje do otoczenia.
11. K onsekw encją przyjętych zasad działania i budow y wyłączników D CL je st ich neutralność środow iskow a. Zastosow ane do budow y wyłączników i ich podzespołów m ateriały nie zaw ierają substancji szkodliw ych dla środowiska.
12. Okresowa konserw acja i obsługa w zakresie trwałości łączeniowej nie je s t wymagana.
13. US W PS będą spełniać na poziom ie światowym niezbędne wymagania norm polskich i międzynarodowych zarówno z zakresu elektrotechniki, jak i z zakresu ochrony środowiska.
14. K onkludując m ożna stw ierdzić, że w yposażanie taboru trakcyjnego w US W PS będzie bardzo korzystnym rozw iązaniem w istniejących i projektowanych typach pojazdów , a w nowoczesnych napędach trakcyjnych z półprzewodnikowym i układam i różnych typów będzie to jedyne rozw iązanie skutecznie zabezpieczające te układy. Dzięki wykorzystaniu nowych zasad działania i budow y opracow ane wyłączniki DCV i D CH , a w przyszłości DCL, będą w pełni odpow iadały potrzebom elektrotrakcji, cechując się przy tym zdecydow aną przew agą techniczną i konkurencyjnością ekonom iczną w stosunku do istniejących w yłączników m agnetow ydm uchow ych.
Technika ultraszybkiego wyłączania zwarciowych prądów stałych znajduje się u progu swego rozwoju. O pisane m etody ultraszybkiego w yłączania zwarciowych prądów stałych i wyłączniki DCV, DCH i opracowyw any D CL są rozw iązaniam i nowymi w skali światow ej.
W listopadzie 1996 r. w Brukseli na 45 Światowych Targach W ynalazczości, Badań i Now atorstw a Przem ysłowego BRUSSELS EU REK A '1996, M iędzynarodow e Jury wyróżniło wyłącznik DCV 3/400 Z Ł O T Y M M E D A L E M w kategorii „Elektrotechnika” .
W listopadzie 1998 r. w Brukseli na 47 Światowych Targach W ynalazczości, Badań Naukowych i Nowych Technik BRUSSELS EUREKA '1998 M iędzynarodowe Jury wyróżniło wyłącznik DCH 0.8/400: Z Ł O T Y M M E D A L E M w kategorii "Elektrotechnika i Elektronika".
N A G R O D Ą S P E C JA L N Ą M inistra Gospodarki oraz N A G R O D Ą S P E C JA L N Ą Polskiego Związku Stow arzyszeń W ynalazców i Racjonalizatorów .
LITERATURA
1. Bartosik M.: Theoretical and practical aspects of fault direct current sw itching off by countercurrent. Proceedings o f the International Conference on ECAAA, Xi'an, P. R. China.
1989.
2. Bartosik M.: Direct current switching off in vacuum. Proceedings o f the Vlth Internationa!
Conference on Sw itching Arc P henom ena SAP-89, Postconference m aterials, Łódź, 1989.
3. Bartosik M ., W ójcik F.: N apędy im pulsowe próżniowych w yłączników trakcyjnych.
M ateriały K onferencji Naukow ej "Rozwój system ów i środków w transporcie"
TR A N SSY STEM -89, W arszaw a 1989.
4. Bartosik M ., Lasota R., W ójcik F.: W arystory tlenkowe ja k o wysokoenergetyczne ograniczniki przepięć łączeniow ych w trakcji kolejowej. M ateriały K onferencji Naukowej T R A N SSY STEM -89, W arszaw a 1989.
Ultraszybkie w yłączanie zwarć, 51
5. Bartosik M ., Lasota R., W ójcik F.: Hybrydowe wyłączniki szybkie dla trakcji miejskiej.
M ateriały K onferencji N aukow ej "SEM TRA K'96", K raków -Zakopane 1996.
6. Bartosik M ., Lasota R., W ójcik F.: DCV 3/400;250. U ltraszybkie w yłączniki próżniow e prądu stałego. Technika T ransportu Szynow ego "tts" nr 11, 1996.
7. Bartosik M., Lasota R., W ójcik F.: New generation of D.C. circuit breakers. Proceedings of the IVth International C onference ECAAA797, Xi'an, China, 1997.
8. Bartosik M ., Lasota R., W ójcik F.: N iskonapięciow e wyłączniki hybrydowe' typu DCH.
Technika Transportu Szynow ego "tts", nr 2, 1997.
9. Bartosik M ., Lasota R., W ójcik F.: U ltraszybkie próżniow e wyłączniki ograniczające typu DCL dla lokomotyw M ateriały Konferencji Naukowej "SEMTRAK'98", Kraków-Zakopane
1998.
10. Bartosik M.: Progress in D. C. breaking. Proceedings of the VUIth International Conference on Sw itching Arc Phenom ena SAP-97, Part H, Postconference M aterials Lódź, 1998.
Recenzent: D rh ab .in ż. E ugeniusz Kałuża Prof. P olitechniki Śląskiej
Abstract
The article describes new types of ultra-high-speed current-limiting circuit-breakers (US WPS), intended for the rail, urban and also mine traction etc. (up to 3000V*), especially for trains, tramways and trolley-buses. In relation to high-speed magnetic blow -out c. b. (S W PS), new circuit breakers o f US W PS category have cut-off currents I0 many times lower, maximum values of magnetic energy o f short-circuit Em several times lower, Joule integral values Tt more than ten times lower, and energies E w dissipated in the main switching elem ent several thousand times lower. It gives significant advantages in exploitation. In order to gain these param eters, new principles o f US W PS operation w ere w orked out. The W PP principle depends on forced reduction of direct current to zero by current impulse o f opposite direction called countercurrent, generated by additional source. This principle can be used for the construction o f US WPS:
vacuum (US V), thyristor (UST) or hybrid (USH) vacuum-thyristor. The AEP principle depends on forced reduction o f direct current to zero by fully controlled sem iconductor pow er device.
This principle can be used for the construction o f US W PS: hybrid (USH) or sem iconductor (USP) with IG B T transistors (USI) or GTO thyristors (USG). The structure and principles of operation o f the current breaking system s are presented. Short-circuit breaking processes with the use of the US W PS and traditional magnetic blow-out circuit breakers are com pared. Due to very low values o f both cut-off current and Joule integral, US W PS can protect sem iconductor power devices used in drive system s o f traction vehicles. Short-circuit breaking processes occurring with the use o f the US W PS circuit breakers and conventional m agnetic blow-out circuit breakers are com pared. US W PS will fully meet the present and future urban traction requirements. Factors decisive for technical and operational predominance o f the US W PS circuit breakers over conventional ones are described. US W PS will create technical and econom ical competition to the existing magnetic blow-out circuit breakers. Described methods o f ultra-high
speed short-circuit current breaking and circuit breakers of D CV, DCH and D C L types are the new solution in the world. At 45th W orld Exhibition of Invention, Research and New Technology
52 M. Bartosik, R. Lasota, F. Wójcik
BRUSSELS E U R EK A ’1996 the D CV circuit breaker was rewarded with the G olden M edal. At 47th BRUSSELS E U R E K A '1998 the DCH circuit breaker was rewarded with the G olden Medal.
Special P riz e o f the M inister o f Econom y and S pecial P rize o f the Polish Union o f Associations of Inventors and Rationalizers.
