Przełączanie obwodów wysokonapięciowych

Poniedziałek, 24 września 2007 | Technika

Przełączanie napięć osiągających wartości rzędu kilowoltów jest, wbrew pozorom, zadaniem często spotykanym w praktyce. Urządzenia zasilane takimi napięciami spotkać można w różnych sektorach przemysłu, energetyce, ale też wielu innych dziedzinach – np. w lotnictwie czy wojsku. Wykorzystywane są tam przekaźniki i przełączniki wysokonapięciowe, których technologie opisano w artykule.

Przekaźników wysokonapięciowych używa się, oprócz wymienionych zastosowań, również w pojazdach elektrycznych, urządzeniach pomiarowych i medycznych, wyposażeniu do produkcji i szeregu innych aplikacji. Przełączanie odbywa się w próżniowej komorze przekaźnika albo komorze wypełnionej gazem. Niektóre przekaźniki dostosowane są do pracy z dużymi prądami, inne zaś służą do przełączania wysokich napięć przy prawie zerowych prądach. Oddzielną grupą są przekaźniki wielkiej częstotliwości. We wszystkich tych rozwiązaniach stosowane są specyficzne materiały oraz rozwiązania techniczne, co uwarunkowane jest wartościami przełączanych napięć.

Obrażenia spowodowane łukiem elektrycznym

O ile najczęstsze są poparzenia spowodowane wysoką temperaturą, niemniej szkodliwy jest huk, którego natężenie dochodzi do 140dB, a towarzyszy temu bardzo wysokie ciśnienie. Siła ta może powodować nie tylko zniszczenie narządów słuchu, ale i uszkodzenie narządów wewnętrznych, takich jak płuca lub wątroba, nie mówiąc już o fakcie rzucenia poszkodowanego o ziemię. Płuca mogą zostać uszkodzone także poprzez gazy powstające z ciał stałych, które odparowały (sublimowały) z powodu wysokiej temperatury. Wystarczy kilka centymetrów przewodu miedzianego, aby wytworzyć chmurę o objętości 2m3 złożoną z toksycznej i silnie korozyjnej plazmy. Niszczy ona także skórę i oczy oraz błony śluzowe człowieka.

Dużo trudniejsze do oszacowania są skutki promieniowania, jakie powstaje w momencie wybuchu. Zawiera ono składowe w paśmie radiowym, mikrofalowym, podczerwonym, widzialnym, ultrafioletowym i rentgenowskim. Statystycznie najwięcej energii przenoszonej jest w postaci promieniowania UV, IR i widzialnego. Niszczyć ona może głównie narządy wzroku i skórę, a zjonizowane elektrony wpływają negatywnie na DNA, przyczyniając się do zmian nowotworowych.

Ostatnim ze szkodliwych elementów towarzyszących wybuchowi są niestopione ciała stałe, które odrzucane mogą być z dużymi prędkościami, powodując zagrożenie osób. Często są one tym groźniejsze, że siła wybuchu ograniczona jest przez np. wytrzymałą obudowę i przez to skierowana w jedną stronę.

Trudności z wysokimi napięciami

Rys. 1. Przekrój przez jeden z prostszych przełączników wypełnionych sześciofluorkiem siarki

Do ochrony styków przekaźników niskonapięciowych używa się zazwyczaj tłumików, ale tak proste rozwiązanie nie wystarcza w przypadku wysokich napięć. Wraz ze wzrostem wartości przełączanych potencjałów pojawiają się bowiem trudności w rozłączaniu obwodów konwencjonalnymi przełącznikami i przekaźnikami. W momentach przełączania powstaje łuk elektryczny, który niemal uniemożliwia poprawną komutację. Przy tak dużym napięciu powietrze znajdujące się w przestrzeni powstającej pomiędzy stykami szybko jonizuje się, tworząc ścieżkę przewodzącą. Pomimo więc, że styki oddalają się od siebie, zjonizowany gaz powodować może ciągły przepływ prądu.

Powyższemu zjawisku można przeciwdziałać usuwając gaz z przestrzeni międzystykowej, w związku z czym przełączanie wysokich napięć najlepiej realizować jest w próżni. Na przykład przy ciśnieniu 10-6mmHg wytrzymałość dielektryczna między stykami może osiągnąć 80kV/mm. Oprócz tego próżnia zapewnia stykom przekaźnika środowisko doskonale obojętne, nie dopuszczające do ich utleniania się i korozji. Łuk elektryczny w próżni nie może wywołać dysocjacji gazu i uwolnić korodujących cząstek. Co więcej – następuje w niej efekt getteringu, czyli pochłaniania przez metalowe powierzchnie pozostałych wolnych resztek gazowych niedoskonałej próżni, co poprawia jej jakość.

Nawet w doskonałej próżni może jednak powstać przebicie pomiędzy stykami. Wywoływane jest ono przez pole elektryczne o bardzo dużym natężeniu, które wyrywa z metalu styków elektrony, a następnie także i jony. Zjawisko to zależy od wartości pracy wyjścia elektronu w przypadku danych metali. Z tego powodu jako materiału na styki w próżni używa się w razie potrzeby wolframu lub molibdenu, a więc metali charakteryzujących się dużą pracą wyjścia, gdyż od niej zależy maksymalne dopuszczalne natężenie pola elektrycznego pomiędzy stykami. W czasie łączenia z obciążeniem w miarę zmniejszania się odstępu styków, a zatem wzrostu natężenia pola pomiędzy nim,i na krótko przed ich połączeniem się i tak powstaje łuk elektryczny. Jeśli nie jest on bardzo intensywny, ma tendencję do gaśnięcia. Przyczyną jest wielka różnica ciśnień pomiędzy obszarem jonów i elektronów w samym łuku a otaczającą go próżnią. Pomimo bardzo krótkiej żywotności łuk powoduje korozję styków, co jednak nie zwiększa ich rezystancji, ponieważ metal pozostaje czysty.

Dielektryki gazowe

Fot. 1. Przykład przełączników wysokonapięciowych stosowanych w energetyce

Nie wszystkie przekaźniki wysokonapięciowe są budowane jako próżniowe – w niektórych stosuje się obojętne dielektryki gazowe. Ich wytrzymałość na przebicie elektryczne może być kontrolowana składem mieszanki gazowej i jej ciśnieniem. Duża szybkość gaszenia łuku w sprężonym gazie jest dodatkową zaletą – gaśnie on w ciągu kilku mikrosekund.

Przekaźniki z wypełnieniem gazowym są używane w układach wysokiego napięcia do włączania obciążenia stykami spoczynkowo rozwartymi. Skład i ciśnienie gazu są tak dobierane, aby łuk powstawał tuż przed zwieraniem się styków. Ponadto, gdy napięcie jest wyższe od 3-4kV, łuk jest na tyle stabilny, że podtrzymuje przepływ prądu nawet przez czas chwilowego rozwierania się styków powodowanego ich odskakiwaniem. Wykorzystanie takich właściwości gazu przyczynia się do przedłużenia żywotności przekaźników np. w obwodach rozładowywania kondensatorów. Ponieważ występująca jonizacja przedłuża czas występowania łuku i zwiększa korozję styków, do odłączania obciążenia lepiej nadają się z kolei przekaźniki próżniowe, ponieważ ograniczają one podtrzymywanie łuku. Szybkie jego gaśnięcie zmniejsza erozję styków i zwiększa ich żywotność.

Dokonując dalszych porównań można stwierdzić, że w zwykłych przekaźnikach rezystancja styków zmienia się w czasie, a w przekaźnikach próżniowych jest ona stabilna i niska przez cały czas ich użytkowania - wynosi typowo kilkanaście mΩ. Materiałem styków jest bowiem niezanieczyszczony metal, a ich powierzchnia nie jest utleniona. Odizolowanie styków od atmosfery umożliwia używanie takich przekaźników w środowisku korodującym oraz zagrożonym wybuchem lub pożarem. W przekaźnikach z wypełnieniem gazowym rezystancja styków jest z kolei także niska, ale nie tak mała i stabilna jak w próżniowych. Wyniki pomiaru rezystancji styków zależą w pewnym stopniu od zastosowanej metody badania. Są one zazwyczaj niższe dla pomiarów przy większym natężeniu prądu. Ponadto złocenie styków przekaźnika z wypełnieniem gazowym zwiększa stabilność ich rezystancji, a także przyczynia się do jej obniżenia.

Wielkie częstotliwości

Podstawowymi zaletami wysokonapięciowych przekaźników próżniowych, które kwalifikują je do stosowania przy dużych częstotliwościach, są dobra izolacja i stabilna rezystancja styków. Jednakże używanie ich w tym zakresie częstotliwości utrudniają ograniczenia prądowe i napięciowe. Efekt naskórkowości, którego wpływ rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości, zwiększa efektywną rezystancję przewodnika i powoduje nagrzewanie się jego powierzchni. Z kolei wysoka temperatura styków może doprowadzić do rozszczelnienia się komory przekaźnika.

W stanie rozwarcia styków przekaźnik jest dla napięcia wysokiej częstotliwości izolatorem, zarówno pomiędzy samymi stykami, jak i pomiędzy nimi a masą. Między elektrodami występują też rozproszone pojemności przekaźnika, zwykle o wartościach rzędu jednego do dwóch pikofaradów. Są one ograniczeniem dla napięć wielkiej częstotliwości, jak też obniżają maksymalny prąd do przekaźnika.

Zastosowania przełączania obciążeń

Fot. 2. Problem przy rozłączaniu obwodu spowodował powstanie dużego łuku elektrycznego

Określenia „przełączanie obciążeń” i „przełączanie na gorąco” odnoszą się do włączania i wyłączania obciążenia przez uaktywnienie przekaźnika. Powstający podczas przełączania łuk może być także przyczyną zgrzewania się styków, a w efekcie ich uszkodzeń. Twarde metale, takie jak wolfram lub molibden, mają wysoką temperaturę topnienia, co przeciwdziała szkodliwym skutkom występowania iskrzenia. W niektórych przekaźnikach do przełączania prądów miliamperowych stosuje się styki miedziane, ale tylko w obwodach podtrzymujących. Ważnym czynnikiem wyboru przekaźnika jest rodzaj przełączanego obciążenia – rezystancyjny lub reaktancyjny.

W trakcie rozłączania obwodu o obciążeniu rezystancyjnym powstawać może łuk, który jest przerywany w momencie osiągnięcia przez styki pewnej odległości. Przy określonym napięciu i natężeniu prądu czas istnienia łuku zależy od szybkości rozdzielania się styków, szybkości chłodzenia i dejonizacji. Obwód prądu przemiennego jest przy tym samym napięciu przerywany łatwiej niż obwód prądu stałego, ponieważ łuk w ciągu okresu dwukrotnie gaśnie samoistnie. Oprócz tego zmiany polaryzacji zapobiegają jednokierunkowemu transferowi metalu pomiędzy stykami, który jest częstą przyczyną wczesnego niszczenia się styków przekaźników w obwodach prądu stałego.

W przypadku obciążenia reaktancyjnego (np. indukcyjnego) rozłączanie obwodu prądu stałego jest trudniejsze niż dla obciążenia rezystancyjnego. Zmagazynowana w indukcyjności energia wzbudza siłę elektromotoryczną, które podtrzymuje przepływ prądu. Jeżeli w konstrukcji przekaźnika nie zastosowano specjalnych, szybkorozwierających się zestyków, czas istnienia łuku zależy jedynie od stałej czasowej obciążenia (L/R). Indukcyjne obciążenia w przypadku obwodów prądu przemiennego nie stwarzają takich problemów, ponieważ ponownie w ciągu okresie następuje dwukrotne przejście przez zero. Poza tym prąd nie jest w fazie z napięciem, co powoduje, że napięcie zasilające jest w części okresu w przeciwfazie do napięcia samoindukcji.

A w praktyce...

Rzeczywiste aplikacje charakteryzują się obciążeniem o trzech składowych. Istnieją też obwody z dużym udziałem składowych biernych, które są trudniejsze przełączania. Dodatkową komplikacją jest w niektórych przypadkach duże natężenie udaru prądowego, który przepływa przez styki w trakcie ich odbijania. Skutkuje to powstawaniem silnego łuku, przy czym zjawisko to jest poważniejsze w przypadku sinusoidalnego prądu przemiennego, którego wartości w szczycie są większe od odpowiadającego mu prądu stałego.

Z powyższych powodów dobranie przekaźnika wysokonapięciowego nie jest tak prosty jak niskonapięciowego. Dokonując wyboru projektant musi brać pod uwagę charakter obwodu i specyfikacje elektryczne, mechaniczne i środowiskowe. Jednocześnie powinien on być świadom kompromisów w charakterystykach działania tych podzespołów.

Łuk elektryczny na skalę przemysłową

Oprócz opisywanych w artykule przekaźników i przełączników, w technice wysokonapięciowej i energetyce stosuje się także odłączniki, które służą jako dodatkowe zabezpieczenie przed zamknięciem obwodu. Odłączniki te to najczęściej napowietrzne konstrukcje mechaniczne, które w sposób widoczny zwierają i rozwierają fragmenty obwodu, tak aby obsługa miała pewność, że dany jego odcinek nie jest pod napięciem. Odłączniki przystosowane są do przełączania w czasie gdy obwód nie jest obciążony, czyli nie płynie przez niego prąd. Zwiera się je przed połączeniem obwodu i rozwiera dopiero po rozłączeniu omawianych wcześniej przełączników. Istnieją także konstrukcje napowietrzne, które mogą pracować przy obciążeniu, choć z racji nieuniknionych drgań wprowadzanych przez mechaniczne ruchy ramion łączników, są one bardziej niebezpieczne niż ich olejowe odpowiedniki.

Niebezpieczne przełączenia

Zdarzają się sytuacje, w których powstający łuk elektryczny powoduje wybuch, który może stanowić duże zagrożenie dla pracujących w pobliżu osób. Dotyczy to oczywiście aplikacji większych niż przekaźnikowe, np. związanych z przesyłem energii elektrycznej. Niedawne badania przeprowadzone we Francji wykazały, że wśród wszystkich wypadków związanych z elektrycznością, jakie wydarzyły się na terenie tego kraju w ciągu ostatnich 10 lat, aż 77% spowodowanych było łukiem elektrycznym. Każdy taki wybuch powoduje ogromne straty finansowe i często śmierć znajdujących się w pobliżu osób.

Łuk elektryczny jest jednym z najbardziej niebezpiecznych zjawisk w elektroenergetyce ze względu na ekstremalne warunki, jakie tworzą się w momencie jego występowania. Prąd, który płynie przez zjonizowane powietrze nagrzewa je w ułamkach sekundy do temperatur przekraczających kilka, a nawet kilkanaście stopni Celsjusza. Powstające ciepło to nie jedyny objaw związany z transferem dużej energii w momencie wybuchu. Jednocześnie wytwarzane są silne fale ciśnienia oraz następuje topnienie metalu, co tworzy plazmę zawierającą toksyczne gazy i różnego rodzaju cząsteczki stałe poruszające się z prędkościami setek kilometrów na godzinę. W rezultacie pracownicy znajdujący się w pobliżu takiego wybuchu narażeni są na uszkodzenia ciała spowodowane na wiele sposobów. Wchodzą w to nie tylko poparzenia, ale i przyduszenie dymem, uszkodzenie wzroku i słuchu oraz rany kłute od odłamków. Ci, którzy ocaleją z takiego wypadku mogą doświadczyć trwałych uszczerbków na zdrowiu spowodowanych także promieniowaniem (patrz ramka).

Od lat trwają prace nad specjalnymi kombinezonami, które zabezpieczałyby przed tego typu wypadkami, lecz ze względu na ekstremalne warunki występujące w momencie wybuchu skuteczność takich osłon jest niezadowalająca. Jedynym dobrym rozwiązaniem jest wprowadzanie dodatkowych mechanizmów rozłączających układy, tak by zminimalizować ryzyko niepoprawnego rozłączenia systemu elektrycznego. Ponadto coraz częściej stosuje się zautomatyzowane, bezobsługowe odłączniki, które nawet w przypadku uszkodzenia mogą być zamykane i rozłączane z bezpiecznej odległości.

Krzysztof Pochwalski, Marcin Karbowniczek