Badanie energii łuku prądu stałego w zależności od biegunowości

prof. dr hab. inż. PAWEŁ ŻUKOWSKI
dr inż. CZESŁAW KOZAK
Politechnika Lubelska
Katedra Urządzeń Elektrycznych i TWN
Badanie energii łuku prądu stałego w zależności
od biegunowości podłączenia styków łącznika
W artykule przedstawiono wyniki badań dotyczących wpływu biegunowości napięcia
stałego na wartość energii łuku palącego się w przerwie międzystykowej łącznika
W10.Badania zostały przeprowadzone w zależności od rozwiązań konstrukcyjnych
i rodzaju materiału styków łącznika.
1. WSTĘP
W praktycznych urządzeniach różnego rodzaju
aparatury łączeniowej dąży się do minimalizacji
kosztów jej produkcji przy utrzymaniu lub nawet
zwiększeniu niezawodności pracy. W tym celu
oprócz zmiany konstrukcji wprowadza się różne
modyfikacje dotyczące tak rodzaju jak i grubości
materiału stykowego. Może to wpływać w istotny
sposób na czas trwania wyładowania łukowego
w szczelinie międzystykowej jak i wartość energii
łukowej. Pociągać to może za sobą w efekcie istotne
zmniejszenie się tak zdolności jak i trwałości łączeniowej, zwłaszcza łączników prądu stałego.
W artykule przedstawiono i omówiono wyniki
pomiarów wartości energii łuku elektrycznego prądu stałego palącego się w szczelinie międzystykowej łączników W 10 w zależności od biegunowości
napięcia. Sformułowano odpowiednie wnioski praktyczne.
2. SPOSÓB PRZEPROWADZENIA BADAŃ
Pomiary przeprowadzono na stanowisku badawczym
[1] składającym się z następujących elementów:
 układu mechanicznego pozwalającego na sterowanie cyklicznym załączaniem i wyłączaniem
łącznika,
 układu sterowania składającego się z mikroprocesorowych sterowników czasowych,
 multimetru Metrahit 29S połączonego z komputerem i rejestrującego temperaturę styku nieruchomego rozłącznego badanego łącznika,
 układu pomiaru spadku napięcia na zestykach łącznika przy pomocy multimetru Keithley 2000 połączonego z komputerem,
 cyfrowego oscyloskopu Tektronix TDS 3034B
współpracującego z sondami:
 napięciową Tektronix P6139A,
 prądową Hameg HZ 56 wykorzystującą szerokopasmowy czujnik hallotronowy,
 układ obciążenia pozwalał na regulację wartości
prądu w zakresie 2 – 15 A,
 obwód badawczy stanowiska był zasilany z regulowanego zasilacza napięcia stałego.
Komputerowe stanowisko badawcze umożliwiało
równoczesną rejestrację wartości temperatury łącznika, spadku napięcia na zestykach oraz pomiar energii
łuku w każdym cyklu łączeniowym.
Pomiar energii łuku polegał na rejestracji oscylogramów prądu i napięcia podczas palenia się łuku,
a następnie po ich wymnożeniu następowało odpowiednie całkowanie w czasie.
Rejestracja przebiegów i ich obróbka matematyczna odbywała się w czasie rzeczywistym, wyniki zaś,
po wykonaniu działań matematycznych, były zapisywane w pamięci komputera.
Obiektem badań były łączniki W10 produkcji
polskiej ze stykami wykonanymi z miedzi, sre-
138
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
brzonymi galwanicznie oraz dla porównania łączniki tego samego typu, produkcji angielskiej, ze
srebrnymi nakładkami stykowymi (rys. 1). W każdym kolejnym badaniu używany był fabrycznie
nowy łącznik.
Parametry znamionowe badanych łączników były następujące: napięcie znamionowe Un = 230 V,
prąd znamionowy In = 10 A, obciążenie rezystancyjne.
3. WYNIKI POMIARÓW
Rys.1. Budowa łącznika W 10
1 – przycisk, 2 – sprężyna, 3 – kulka, 4 – styk nieruchomy nierozłączny, 5 – styk ruchomy rozłączny,
6 – obudowa łącznika, 7 – styk nieruchomy rozłączny
Przeprowadzone badania wykazały, że dla wartości
napięcia łączeniowego powyżej 140 V (dla łącznika
produkcji angielskiej) i 135 V (dla łącznika produkcji
polskiej) występowało zjawisko ciągłego palenia się
łuku elektrycznego, co prowadziło do trwałego
uszkodzenia badanego łącznika.
W celu więc zapewnienia możliwości pracy cyklicznej
łącznika napięcie obniżono do wartości 120 V, przy zapewnieniu natężenia prądu łączeniowego o wartości 3,7 A.
Proces pomiarowy polegał na zarejestrowaniu wartości energii łuku w każdym cyklu łączeniowym dla
łącznika fabrycznie nowego, następnie po wymianie
łącznika pomiary powtarzano dla innej biegunowości
napięcia zasilającego.
Wartość energii łuku odczytaną z oscyloskopu
mnożono  10 ze względu na stałą sondy prądowej
wynoszącą 100 mV/A.
Przykładowy przebieg napięcia, prądu i mocy łuku
przedstawiono na rys. 2.
Na podstawie zmierzonych wartości zostały sporządzone wykresy zmiany wartości energii łuku elektrycznego w szczelinie międzystykowej w zależności
od liczby cykli łączeniowych dla badanych rodzajów
materiałów styków łącznika oraz biegunowości napięcia zasilającego.
Rys. 2. Przykładowe przebiegi napięcia, prądu i wartość energii łuku dla łącznika produkcji angielskiej
(kolor czerwony – przebieg mocy łuku, kolor niebieski – przebieg zmian wartości prądu łuku,
kolor żółty – przebieg zmian spadku napięcia na łuku)
Nr 7(473) LIPIEC 2010
139
25
Energia łuku w zależności od biegunowości napięcia
dla łącznika produkcji angielskiej
Styk ruchomy rozłaczny +, nieruchomy rozłaczny Styk ruchomy rozłaczny -, nieruchomy rozłaczny +
Energia łuku, J
20
15
10
5
0
0
20
40
60
Liczba cykli łączeniowych
80
100
Rys. 3. Zależność energii łuku od ilości cykli łączeniowych dla łącznika produkcji angielskiej
dla dwóch rodzajów biegunowości napięcia zasilającego
Zmiany wartości energii łuku dla łącznika produkcji angielskiej, w zależności od liczby cykli łączeniowych, pokazano na rys. 3.
Jak widać z rys. 3 wartości energii łuku różnią się
dość znacznie w zależności od biegunowości napięcia zasilającego. Dla biegunowości dodatniej napięcia (+) podłączonego do styku ruchomego rozłącznego, średnia i maksymalna energia łuku osiąga wyższe
wartości niż przy biegunowości przeciwnej.
W obydwu jednak przypadkach, wraz ze wzrostem
liczby cykli łączeniowych, wartość energii wyłado-
wania łukowego wykazuje tendencję rosnącą.
Dla biegunowości ujemnej, styku ruchomego rozłącznego, po wykonaniu 24 cykli łączeniowych energia łuku elektrycznego zaczęła minimalnie wzrastać,
natomiast po zmianie biegunowości na przeciwną
(dodatnia) efekt ten występował tylko w 2 cyklach
w początkowej fazie pomiarów.
Kolejnym badanym łącznikiem był łącznik produkcji polskiej ze stykami srebrzonymi galwanicznie,
którego wykres energii łuku w zależności od liczby
cykli łączeniowych przedstawia rys. 4.
Energia łuku łącznika produkcji polskiej ze stykami
srebrzonymi galwanicznie w zależności
od biegunowości napięcia
25
Styk ruchomy rozłaczny +, nieruchomy rozłaczny Styk ruchomy rozłaczny -, nieruchomy rozłaczny +
Energia łuku, J
20
15
10
5
0
0
20
40
60
Liczba cykli łączeniowych
80
100
Rys. 4. Zależność energii łuku od ilości cykli łączeniowych dla łącznika produkcji polskiej ze stykami srebrzonymi
galwanicznie z zaznaczonymi linią ciągłą wartościami średnimi
140
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
Jak wynika z przebiegów pokazanych na rys. 4, dla
około pierwszych 20 cykli łączeniowych, niższa
wartość energii występuje dla biegunowości dodatniej styku ruchomego rozłącznego. Wraz jednak ze
wzrostem ilości liczby cykli łączeniowych (powyżej
20) obserwuje się wyższą wartość energii łuku.
Maksymalna jednak zarejestrowana wartość energii
stałoprądowego łuku łączeniowego była wyższa niż
w przypadku łącznika produkcji angielskiej.
Ponieważ na wartość energii wyładowania łukowego w szczelinie stykowej łącznika istotny wpływ
mają takie czynniki jak:
 rozwiązanie konstrukcyjne układu zestyków,
 rodzaj i czystość technologiczna materiału użytego
do pokrycia powierzchni stykowych,
 szybkość rozchodzenia się styków,
 biegunowość napięcia w obwodzie łącznika,
 obecność warstw nalotowych.
stąd uzyskane różnice w przebiegach zmian energii
łuku w funkcji liczby łączeń mogą wynikać z różnic
konstrukcyjnych obu badanych typów łączników.
Należy zaznaczyć, że zestyk łącznika krajowego
typu W10 składa się ze styków o następującej konfiguracji:
 nieruchomego rozłącznego o płaskiej powierzchni
stykowej,
 ruchomego rozłącznego o kulistej powierzchni
stykowej.
4. WNIOSKI
Dla łączników produkcji polskiej ze stykami srebrzonymi i angielskiej ze srebrnymi nakładkami stykowymi wyższe wartości energii łuku zaobserwowano dla dodatniej biegunowości styku ruchomego
rozłącznego. Łącznik produkcji polskiej w początkowej fazie badań, dla pierwszych 20 cykli łączeniowych, wykazywał mniejszą wartość energii dla
biegunowości dodatniej styku ruchomego rozłącznego, następnie wraz ze wzrostem liczby cykli łączeniowych niższa wartość energii łuku została zaobserwowana dla biegunowości ujemnej styku ruchomego rozłącznego.
Literatura
1.
Żukowski P., Kozak C.: Symulacja komputerowa zjawisk cieplnych w szczelinie międzystykowej łącznika spowodowanych łukiem elektrycznym Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa
2008, nr 7 – 8, s. 96 – 100, ISSN 0208 – 7448.
Recenzent: prof. dr hab. inż. Bodgan Miedziński
TESTING DC ARC ENERGY DEPENDING ON THE POLARITY
OF CONTACTS CONNECTION
Testing DC arc energy depending on the polarity of contacts connection. The article features the results of tests concerning the influence of dc voltage on the energy value of an arc burning in the gap between the contacts of a W10
connector. The tests were carried out with respect to different structure solutions and different kinds of contact materials.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ДУГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПОЛЯРНОСТИ
ПОДКЛЮЧЕНИЯ СТЫКОВ РАЗЪЕМА
Исследование энергии дуги постоянного тока в зависимости от полярности подключения стыков разъема.
В статье представлены результаты исследований, касающихся влияния полярности постоянного напряжения на
энергию дуги, топящейся в перерыве между стыками разъема W10. Исследования были проведены
в зависимости от конструктивных решений и вида материала стыков разъема.