- 1 -
1. Warunki napięciowe doboru urządzeń
Jednym z podstawowych warunków poprawnej pracy urządzeń elektroenergetycznych jest dobry stan
izolacji . Powinna ona wytrzymywać przez czas przewidywanej eksploatacji długotrwałe obciążenie napięciem
roboczym oraz określoną wartość i liczbę przepięć powstających w sieci podczas czynności łączeniowych i przy
zakłóceniach (zwarcia z udziałem ziemi , zwarcia z udziałem łuku elektrycznego ) oraz przepięć pochodzących
od wyładowań piorunowych .
Napięcie robocze sieci U
r
może być trwale wyższe od napięcia znamionowego sieci U
n
. Jest to
spowodowane koniecznością zapewnienia odpowiednio wysokiego napięcia w różnych miejscach sieci oraz
spowodowanie określonego przepływu energii . Najwyższe dopuszczalne napięcie robocze U
r m
= k
r m
U
n
.
Wartość współczynnika k
r m
wynosi odpowiednio 1,2 dla napięć 6 - 30 kV ; 1,12 i 1,11 dla 110 i 220 kV ;
oraz 1,05 dla 400 kV i wyższych .
Wytrzymałość izolacji jest zależna od czasu doprowadzenia napięcia i maleje z czasem . Izolacja
urządzeń powinna być również wytrzymała na przepięcia piorunowe , których wartość jest ograniczana przez
urządzenia ochrony odgromowej (odgromniki , iskierniki , przewody odgromowe ) .
2. Przepięcia o częstotliwości sieciowej .
Podczas zakłóceń ustalonych warunków pracy układu napięcie może przekroczyć wartość napięcia
roboczego . Rozróżnia się przepięcia :
- dynamiczne ; powstają podczas włączania dużych odbiorów ; są one spowodowane bezwładnością regulacji
napięcia ; wartość i czas trwania przepięcia zależą od szybkości regulacji ; napięcie znamionowe może
wzrastać do 20 - 30 % napięcia sieci ; czas trwania przepięć jest stosunkowo krótki
- ruchowe ; są spowodowane różnicami parametrów poszczególnych faz , fazy obciążone niesymetrycznie ;
największa dopuszczalna różnica napięć fazowych wynosi 10 %
- zwarciowe ; przepięcia przy zwarciach doziemnych osiągają różne wartości , zależne od impedancji dla
składowej zerowej prądu obwodu zwarciowego i oporu w miejscu zwarcia
3. Interpretacja współczynników przepięciowych
Przepięcia mają częstotliwość równą lub większą od częstotliwości znamionowej układu albo mogą
mieć charakter udarowy . Charakteryzuje się je między innymi współczynnikiem przepięć :
k =
u
2 U
u
2 U
p
m
ro
m
r m
⋅
=
⋅
⋅
3
gdzie :
u
m
- szczytowa (chwilowa) wartość przepięcia
U
r m
- największe dopuszczalne długotrwale napięcie robocze
Ze względu , że prawdopodobieństwo wystąpienia przepięcia o określonej wartości maleje przy jej
powiększaniu , izolację urządzeń elektroenergetycznych wymiaruje się przy uwzględnieniu tzw. obliczeniowych
wartości przepięć ( k
po
- obliczeniowy współczynnik przepięć ), przekroczenie których jest mało prawdopodobne.
4. Przepięcia atmosferyczne
Przepięcia atmosferyczne występują w postaci przepięć bezpośrednich w następstwie wyładowania
piorunowego do linii lub stacji oraz przepięć indukowanych (pośrednich) podczas wyładowania chmura-ziemia
lub między chmurami .
Fale piorunowe w miarę oddalania się od miejsca uderzenia zmniejszają szybko swoją amplitudę i
stromość narastania . Przepięcia indukowane charakteryzują się mniejszymi amplitudymi .
W przypadku sieci napowietrznych niskich i średniowysokich napięć oraz wyżej co najmniej do
poziomu napięć roboczych równego 123 kV , przepięcia atmosferyczne stanowią główne zagrożenie dla izolacji
zainstalowanych w tych sieciach urządzeń elektroenergetycznych , w szczególności dla transformatorów .
5. Napi
ęcia probiercze
- 2 -
Napięcia probiercze o częstotliwości znamionowej . Próby badania wyrobu .
Próby napięciowe długotrwałe
Izolacja urządzeń względem ziemi oraz izolacja międzyprzewodowa powinna wytrzymać ,
w temperaturze katalogowej , napięcie długotrwałe wyższe o 10 % od napięcia sieci . Czas próby długotrwałej
nie powinien być krótszy niż czas ustalania się tangensa kąta stratności izolacji.
Dla urządzeń pracujących w sieciach gwiazdowych bez uziemionego punktu , napięcie długotrwałe
probiercze wynosi :
U
dp
= 1,1⋅ U
r m
= 1,1⋅k
r
U
ni
a sieć ze skutecznie uziemionym punktem zerowym
U = 1,1
U
3
1,1 k
U
3
dp
r m
r
n i
⋅ = ⋅
Napięcie probiercze izolacji międzyprzewodowej wszystkich urządzeń pracujących w sieci , niezależnie od
punktu gwiazdowego , nie powinno być niższe od wartości 1,1⋅k
r
U
ni
Próby napięciowe krótkotrwałe napięciem przemiennym
Próby krótkotrwałe (1 min) maja na celu sprawdzenie odporności izolacji na naprężenia występujące
przy przepięciach łączeniowych . Próby prowadzi się w znormalizowanych warunkach .
- Układy o izolowanym punkcie zerowym i skompensowane
Napięcie U
pk1
probiercze krótkotrwałe izolacji względem ziemi i izolacji międzyprzewodowej powinno być
U k U
k k U
3
pk 1 p r p
r po n i
≥ ⋅ =
⋅ ⋅
Natomiast bezpieczne przerwy izolacyjne w urządzeniach powinny wytrzymywać przepięcia łączeniowe na
jednym styku i przy występowaniu doziemienia na innym styku , wynoszące
U U + U U +1,1 U
pk 2 pk 1 r o pk 1 n i
≥ ⋅ ≈ ⋅3
Przerwa musi być taka aby wytrzymała napięcie probiercze wynikające z izolacji międzyprzewodowej oraz 1,1
napięcia wynikającego z izolacji pracującej w sieci .
- Układy o uziemionym punkcie zerowym
Napięcia probiercze mogą być 7 - 20 % niższe od napięć ustalonych w sieciach o izolowanym punkcie zerowym.
- Urządzenia elektroenergetyczne o napięciu znamionowym do 1 kV
Badanie tych urządzeń przeprowadza się jedynie napięciami o częstotliwości znamionowej . Nie wyróżnia się
przy tym przerw izolacyjnych .Napięcie probiercze torów głównych i połączonych z nimi torów pomocniczych
nie powinno być niższe od obliczonego według wzoru
U
pb
= 2⋅ U
n i
+ 1500
Napięcie probiercze izolacji torów pomocniczych nie połączonych z torami głównymi ( obwody sterowania)
może być niższe
U
pb
= 2⋅ U
n i
+ 1000
P
P
y
y
t
t
.
.
6
6
.
.
W
W
p
p
ł
ł
y
y
w
w
s
s
p
p
o
o
s
s
o
o
b
b
u
u
p
p
r
r
a
a
c
c
y
y
s
s
i
i
e
e
c
c
i
i
n
n
a
a
p
p
a
a
r
r
a
a
m
m
e
e
t
t
r
r
y
y
d
d
o
o
b
b
o
o
r
r
u
u
u
u
r
r
z
z
ą
ą
d
d
z
z
e
e
ń
ń
Wyróżnia się dwa sposoby pracy sieci:
1. Z uziemionym punktem gwiazdowym
2. Z izolowanym punktem gwiazdowym
Sposób pracy sieci ma wpływ na dobór urządzeń ze względu na różne zachowanie się tych sieci w warunkach
zakłóceniowych. Urządzenia dobiera się uwzględniając tzw. współczynnik przepięć (k). Jest to stosunek wartości
szczytowej napięcia względem ziemi (u
max
) do amplitudy wartości fazowej napięcia od strony źródła (U
mf
) przed
powstaniem zakłócenia.
mf
max
U
u
k =
Aby otrzymać największą wartość przepięcia (u
max
), która może wystąpić w jakimś punkcie systemu, należy
pomnożyć największą szczytową wartość fazową napięcia roboczego (U
r max
) przez współczynnik k.
kU
3
2
u
maxrmax
⋅⋅=
- 3 -
Różne wartości przepięć dla dwóch sposobów pracy sieci występują przy następujących rodzajach
zakłóceń:
- doziemienia niesymetryczne
- wyłączanie i załączanie linii długich
Duże znaczenie ma również czas trwania zakłócenia.
Jedno z najniebezpieczniejszych zakłóceń to doziemienie jednej fazy w sieci z izolowanym punktem zerowym (k
=
3
). Napięcie na zdrowych fazach podnosi się wtedy do wartości napięcia przewodowego. Ze względu na
małe wartości prądów zwarciowych mogą one być utrzymywane przez czas dłuższy, przynajmniej w przypadku
sieci napowietrznej. Stan ten stanowi bardzo istotny czynnik przy doborze współczesnych odgromników
beziskiernikowych.
P
P
y
y
t
t
.
.
7
7
.
.
W
W
y
y
t
t
r
r
z
z
y
y
m
m
a
a
ł
ł
o
o
ś
ś
ć
ć
i
i
z
z
o
o
l
l
a
a
c
c
j
j
i
i
1.Wytzymałość izolacji urządzeń wysokonapięciowych.
Rozróżnia się trzy rodzaje wytrzymałości izolacji urządzeń wysokonapięciowych:
a) Wytrzymałość izolacji na długotrwałą obciążalność napięciową.
b) Wytrzymałość izolacji na przepięcia wewnętrzne.
c) Wytrzymałość udarowa izolacji.
Wytrzymałość izolacji na długotrwałą obciążalność napięciową.
Sprawdzana jest długotrwałym napięciem probierczym, o 10 % większym od najwyższego napięcia roboczego
występującego długotrwale. Napięcie doprowadzane jest tak długo aż ustali się wartość tangensa kąta stratności
izolacji:
- dla urządzeń przeznaczonych do pracy w sieci o izolowanym punkcie zerowym:
(
)
nirnwpr
U1,21,11,1U1,1U ⋅÷⋅=⋅=
∞
- dla urządzeń przeznaczonych do pracy w sieci o uziemionym punkcie zerowym:
( )
nirnwpr
U1,21,1
3
1,1
U
3
1,1
U ⋅÷⋅=⋅=
- napięcie probiercze dla izolacji między biegunami łącznika:
(
)
nirnwpr
U1,21,11,1U1,1U ⋅÷⋅=⋅=
Ze względu na długotrwałość próby wykonuje się ją jedynie jako próbę typu. Jeżeli wynik prób jest < 95% to
urządzenie nie spełnia wymogów.
Wytrzymałość izolacji na przepięcia wewnętrzne.
Sprawdzana jest napięciem probierczym U
pr
o częstotliwości znamionowej f
n
= 50 Hz w czasie 1 min. Próby
dokonuje się w celu sprawdzenia izolacji na przepięcia łączeniowe.
Napięcie probiercze krótkotrwałe dla izolacji względem ziemi i izolacji międzyprzewodowej powinno być:
3
Ukk
UkU
nipor
roppk1
⋅
⋅
=⋅≥
Natomiast bezpieczne przerwy izolacyjne w urządzeniach (łącznikach) powinny wytrzymywać przepięcia
łączeniowe na jednym styku przy jednoczesnym doziemieniu na drugim styku o wartości:
nipk1ropk1pk2
U1,1UU3UU ⋅+≈⋅+≥
Napięcia probiercze w sieciach o napięciach > 1 kV o uziemionym punkcie gwiazdowym mogą być
mniejsze niż w sieciach pracujących z izolowanym punktem gwiazdowym o około (7 do 20)%
Wytrzymałość udarowa izolacji.
Ma na celu stwierdzenie wytrzymałości izolacji na przepięcia atmosferyczne. Urządzenia o napięciu
znamionowym mniejszym niż 110 kV są bardziej wrażliwe na przepięcia atmosferyczne od urządzeń na wyższe
napięcia. Badanie przeprowadza się udarem o znormalizowanym kształcie.
2.Wytrzymałość izolacji urządzeń niskonapięciowych.
Badanie tych urządzeń przeprowadza się napięciem o częstotliwości znamionowej.
Dla torów głównych:
1500U2U
nidp
+⋅=
Dla obwodów sterowania:
- 4 -
1000U2U
nidp
+⋅=
P
P
y
y
t
t
.
.
8
8
.
.
W
W
a
a
r
r
u
u
n
n
k
k
i
i
p
p
r
r
ą
ą
d
d
o
o
w
w
e
e
d
d
o
o
b
b
o
o
r
r
u
u
u
u
r
r
z
z
ą
ą
d
d
z
z
e
e
ń
ń
Warunki prądowe doboru urządzeń podzielić można na
- warunki znamionowe
- warunki zwarciowe
1. Prąd znamionowy powinien być co najmniej równy prądowi ciągłemu obciążenia gałęzi, w której pracuje
urządzenie. Przy obciążeniach nieciągłych (dorywczych, przerywanych) wyznacza się zastępczą wartość
obciążenia gałęzi. Wskazane jest unikanie zbytniego zbliżania wartości prądu znamionowego ciągłego
urządzenia i prądu w obwodzie. Stosuje się zapas (20 do 30)% ze względu na niezawodność (szczególnie
pracy zestyków).
2. Prąd znamionowy n – sekundowy I
nn
spełniać musi warunek:
n
T
II
k
thnn
⋅≥
I
th
– prąd zwarciowy cieplny
T
k
– czas trwania zwarcia
3. Prąd znamionowy szczytowy I
dyn
powinien spełniać zależność
I
dyn
≥ i
ud
i
ud
–
–
udarowy prąd zwarciowy
P
P
y
y
t
t
.
.
9
9
.
.
B
B
i
i
l
l
a
a
n
n
s
s
t
t
o
o
r
r
u
u
p
p
r
r
ą
ą
d
d
o
o
w
w
e
e
g
g
o
o
Bilans cieplny przeprowadza się w znamionowych warunkach obciążenia przy następujących założeniach:
1. Urządzenie ma tor jednorodny (stały przekrój, materiał, izolacja, otoczenie itp.)
2. Nie występuje wzdłużne przekazywanie ciepła.
Jeżeli przez przewodnik nie płynie prąd to jego temperatura jest równa temperaturze otoczenia (ϑ
o
). Jeżeli prąd
przez przewodnik przepływa, to wydziela się w nim ciepło, a temperatura wzrasta do pewnej wartości ϑ, przy
czym ϑ > ϑ
o
. Występuje zatem proces nagrzewania. Wskutek przyrostu temperatury przewodnika ∆ϑ = ϑ - ϑ
o
ponad temperaturę otoczenia, część wydzielanego w nim ciepła przechodzi do otoczenia, czyli ma miejsce
zjawisko chłodzenia. A zatem zachodzą tu jednocześnie zjawiska nagrzewania i chłodzenia.
Bilans cieplny przedstawia się następująco:
(
)
dtlSkdclsdtp
ood
ϑϑϑ
−⋅⋅⋅+⋅⋅=
gdzie:
p – moc strat
s – przekrój przewodu
t – czas
S – powierzchnia zewnętrzna
c – ciepło właściwe
k
od
– współczynnik oddawania ciepła
l – długość przewodu
s
l
ρIk
s
l
ρIRIP
2
d
22
⋅⋅⋅=⋅⋅=⋅=
gdzie:
k
d
– współczynnik strat dodatkowych (1 do 1,15)
( )
dtlSkdclsdt
s
l
ρIk
ood
2
d
⋅−⋅⋅⋅+⋅⋅⋅=⋅⋅⋅⋅
ϑϑϑ
Stała T > 0
const.
Sk
sc
T
od
=
⋅
⋅
=
( )
T
t
op
T
t
2
od
d
o
ee1I
sSk
ρk
−−
⋅−+
−⋅⋅
⋅⋅
⋅
=−
ϑϑϑϑ
- 5 -
gdzie:
t – czas od chwili rozpoczęcia obserwacji
ϑ
p
– temperatura przewodu w chwili rozpoczęcia obserwacji
Gdy czas (t) dąży do nieskończoności to temperatura przewodu dąży do temperatury ustalonej
u
t
ϑϑ
→∞→
to
( )
2
od
d
o
t
ou
I
sSk
ρk
lim ⋅
⋅⋅
⋅
=−=−
∞→
ϑϑϑϑ
wprowadzamy oznaczenia:
pop
uou
o
τϑϑ
τϑϑ
τ
ϑ
ϑ
=−
=−
=
−
wtedy:
( )
T
t
p
T
t
u
T
t
puu
eτe1ττ
eττττ
−−
−
⋅+
−⋅=
⋅−=−
W przypadku gdy przewód na początku obserwacji posiadał temperaturę otoczenia to:
−⋅=
==−
−
T
t
u
pop
e1
ττ
0
τ
ϑϑ
P
P
y
y
t
t
.
.
1
1
0
0
.
.
C
C
i
i
e
e
p
p
l
l
n
n
a
a
s
s
t
t
a
a
ł
ł
a
a
c
c
z
z
a
a
s
s
o
o
w
w
a
a
t
t
o
o
r
r
u
u
p
p
r
r
ą
ą
d
d
o
o
w
w
e
e
g
g
o
o
c
c
i
i
e
e
p
p
l
l
n
n
i
i
e
e
i
i
z
z
o
o
l
l
o
o
w
w
a
a
n
n
e
e
g
g
o
o
Tor prądowy cieplnie izolowany to tor który nie oddaje ciepła do otoczenia (ciepło jest w całości
akumulowane).
W takich warunkach bilans cieplny przedstawia się następująco:
(
)
0
=⋅−⋅⋅⋅ dtlSk
ood
ϑϑ
ϑ
dclsdt
s
l
ρIk
2
d
⋅⋅⋅=⋅⋅⋅⋅
dtI
c
s
ρk
d
2
2
d
⋅
⋅
⋅
=
ϑ
po scałkowaniu:
tI
c
s
k
d
o
⋅⋅
⋅
⋅
=−
2
2
ρ
ϑϑ
ouo
ou
od
d
o
od
Ssk
Ik
to
Sk
sc
Ttgdy
ϑϑϑϑ
ϑϑ
ρ
ϑϑ
−=−
−=
⋅⋅
⋅⋅
=−
⋅
⋅
==
2
Cieplna stała czasowa (T) jest równa czasowi, w którym przewód całkowicie cieplnie izolowany osiągnąłby
temperaturę równą temperaturze ustalonej przy zwykłej wymianie ciepła.
- 6 -
T
t
u
e
−
−= 1
τ
τ
Charakterystyka nagrzewania:
WPROWADZENIE DO PYTAŃ 11 ,12 ,13,14,
Obciążalnością prądową długotrwałą Idd przewodów elektroenergetycznych nazywamy skuteczną wartość
prądu o niezmiennym natężeniu , który płynąc w przewodzie w określonych warunkach ułożenia i przy
określonej temperaturze otoczenia w czasie nieograniczenie długim powoduje podwyższenie się temperatury
przewodu (żyły) do wartości granicznej dopuszczalnej długotrwale.
Obciążalność długotrwałą przewodów wyznacza się dla normalnych obliczeniowych temperatur otoczenia .
ρ
τ
⋅
⋅⋅⋅
=
d
oddd
dd
k
Sks
I
gdzie :
ddu
dd
i
II
τϑϑ
=−
=
0
ϑ
o - temperatura otoczenia , °C.
k
od - współczynnik oddawania ciepła ,
W
cm
K
⋅
⋅
− −2 1
s
- przekrój przewodu ,
cm
2
S
- powierzchnia zewnętrzna jednostki długości przewodu ,
cm
cm
2 1
⋅
−
k
d
-
współczynnik strat dodatkowych wywołanych wpływem zmiennych pól magnetycznych (1<
k
d
<1.15);
ρ
- rezystywność materiału przewodowego Ω⋅cm.
ϑ
u - wartość ustalona temperatury
τ
dd
−
długotrwały dopuszczalny przyrost temperatury.
OBCIĄŻALNOŚĆ PRĄDOWA PRZEWODÓW PRZY OBCIĄŻENIACH ZMIENNYCH.
Prąd o natężeniu zmiennym (zmiennej wartości skutecznej) powoduje zmiany temperatury przewodu.
W pewnej chwili zależnej od przebiegu obciążenia , temperatura osiągnie wartość najwyższą lub wystąpi
najwyższy przyrost temperatury przewodu
τ
ττ
τ
m. . Tę najwyższą wartość temperatury nagrzania ( lub przyrostu
temperatury ) może przewód osiągnąć także pod wpływem długotrwale przepływającego prądu o niezmiennej
wartości skutecznej . Taką wartość prądu nazywa się prądem zastępczym długotrwałym .Jeśli znamy najwyższy
przyrost temperatury przewodu
τ
ττ
τ
m. pod wpływem prądu o dowolnym przebiegu i obciążalność prądową
długotrwała
I
dd przy znanym przyroście temperatury
τ
dd
, to możemy z wystarczającą dla praktyki
dokładnością wyznaczyć długotrwały prąd zastępczy
I
zd.
1
0,
2
0,4
0,6
0,8
0,632
u
τ
τ
=
0,865
0,95
T 2T
3T
- 7 -
Ponieważ
τ
ττ
τ
m. traktujemy jako ustalony przyrost temperatury przy długotrwałym prądzie zastępczym , możemy
napisać :
ρ
τ
⋅
⋅⋅⋅
=
d
odm
zd
k
Sks
I
po podzieleniu stronami z równaniem na
I
dd , po przekształceniu otrzymamy
dd
m
ddzd
II
τ
τ
=
Pyt.11. OBCIĄŻENIE PRZERYWANE
jest obciążeniem zmiennym o powtarzających się na
przemian okresach obciążenia i przerwach bezprądowych .W okresach bezprądowych przewód nie stygnie do
temperatury otoczenia , gdyż są one krótkie .Największą dopuszczalną wartość prądu
I
pr przy pracy
przerywanej normalnej o równych cyklach pracy i stałych wartościach prądu można wyznaczyć na podstawie
rozważań analogicznych do poprzednich .
Otrzymuje się zależność następującą :
T
t
T
t
ddpr
p
p
p
e
e
II
−
⋅
−
−
−
=
1
1
α
gdzie :
t
p -czas pracy (przepływu prądu),
t
l - czas postoju (bezprądowy)
α
αα
α
p. - względny czas pracy:
lp
p
p
tt
t
+
=
α
Pyt.12 .OBCIĄŻENIA DORYWCZE
charakteryzują się tym , że przepływ prądu rozpoczyna się przy
początkowej temperaturze przewodu równej temperaturze otoczenia i trwa przez czas nie wystarczający do
ustalenia się przyrostu temperatury. Ponieważ w czasie bezprądowym temperatura przewodu osiąga temperaturę
otoczenia , najwyższą dopuszczalną wartość prądu
I
dor , który w okresie pracy
t
dor spowoduje przyrost
temperatury dopuszczalny długotrwale
τ
dd
, możemy obliczyć w sposób następujący :
Przyrost temperatury przy prądzie
I
dor przebiega według zależności:
−=
−
T
t
u
e1
ττ
wobec tego :
−=
−
T
tdor
udorm
e1
ττ
przy czym :
τ
udor
- ustalona wartość przyrostu temperatury przy prądzie
I
dor.
Ponieważ zakładamy
τ
τ
m dd
=
możemy obliczyć :
- 8 -
T
t
e
dor
dd
udor
−
−
=
1
τ
τ
i na podstawie zależności
dd
m
ddzd
II
τ
τ
=
obliczyć szukaną wartość prądu :
T
t
e
III
dor
dd
dd
udor
dddor
−
−
⋅==
1
1
τ
τ
Pyt.13 .Dobór przewodów na warunki zwarciowe przy znanych
ϑϑ
ρ
c
,
Względnie wielkie wartości i krótki czas trwania prądów zwarciowych pozwalają w obliczeniach cieplnych
pomijać ciepło oddawane do otoczenia przez nagrzewający się przewód ; jeżeli czas tego procesu jest krótszy od
jednej dziesiątej cieplnej stałej czasowej , uproszczenie takie doprowadza do wyników obarczonych błędami nie
mającymi praktycznego znaczenia .
Celem obliczeń skutków cieplnych prądów zwarciowych jest zwykle :
a. dobranie takiego przewodu , który przy danych parametrach zwarciowych nie nagrzewa się do temperatury
wyższej od dopuszczalnej (
ϑ
k
) lub
b. ustalenie temperatury
ϑ
k
danego przewodu w końcu trwania zwarcia .
Ponieważ temperatura przewodów przy przepływie prądów zwarciowych osiąga duże wartości , nie pomija się
jej wpływu na rezystywność i ciepło właściwe przewodników . Wystarczy przy tym przyjąć następujące
zależności:
)1(
)1(
00
0
ϑβ
ϑ
α
ρ
ρ
ϑ
ϑ
⋅+=
⋅
+
=
cc
o
w których :
ρ
0 0,
c
- rezystywność (
Ω
⋅
⋅
−
m m
m
2 1
) i ciepło właściwe (
J
cm
K
⋅
⋅
− −3 1
) przewodu w
temperaturze 0°C ;
α
β
0 0
,
- temperaturowe współczynniki zmian wartości
ρ
υ υ
,
c
dla temperatury odniesienia
0°C . Przyjmując ,w celu uproszczenia obliczeń
k
d
=
1
, uzyskujemy na podstawie następującego wzoru
dtSlkslcddt
s
Ik
odd
)(
1
0
2
ϑϑϑρ
−+=⋅⋅⋅⋅
zależność:
ϑϑβϑαρ
dslcdt
s
i )1(
1
)1(
0000
2
+=+
które można sprowadzić do postaci:
ϑ
ϑαρ
ϑ
β
d
c
dti
s )1(
)1(1
00
00
2
2
+
+
=
dla czasu
t
z
przepływu prądu mamy :
ϑ
ϑα
ϑβ
ρ
ϑ
ϑ
d
c
dti
s
kz
t
0
0
0
0
2
0
2
1
11
0
+
+
=
∫∫
Lewa strona powyższego równania może być wyrażona w postaci:
z
t
tI
s
z
⋅
⋅
2
1
gdzie
dti
t
I
tz
z
tz
∫
=
0
2
1
- 9 -
jest zastępczym tz - sekundowym prądem zwarciowym (o niezmiennej wartości skutecznej).
Wartość
I
tz
w obwodach prądu przemiennego oblicza się w praktyce według wzoru
1
ImkI
c
tz
=
w którym : m. - współczynnik rodzaju zwarcia , kc - współczynnik cieplny uwzględniający zmienność w czasie
skutecznej wartości prądu zwarciowego , I
1
- składowa zgodna prądu początkowego (składowej okresowej prądu
zwarciowego w chwili t=0 ).
Wartości współczynnika cieplnego
k
c przedstawia się jako funkcję ilorazu I
1
/In dla różnych czasów zwarcia .
In oznacza tu , przeliczony na napięcie znamionowe urządzeń w miejscu zwarcia , prąd znamionowy źródła
prądu (prądnicy) lub sumę przeliczonych prądów znamionowych źródeł prądu .
W dokładniejszych obliczeniach wyznacza się udziały I
1i
poszczególnych k źródeł prądu (i=1÷k) w prądzie
zwarciowym I
1
.Na podstawie tych wartości oraz prądów znamionowych źródeł Ini znajduje się wartości
współczynników
k
ci
a następnie zastępczy prąd tz - sekundowy
∑
=
=
k
i
icitz
IkmI
1
1
Jeżeli stosuje się samoczynne ponowne załączanie (SPZ) , przy którym następują po sobie krótkie okresy
przepływu prądu i bezprądowe , wypadkowy zastępczy prąd zwarciowy oblicza się pomijając stygnięcie
urządzeń w okresiach bezprądowych
∑
=
=
k
i
ziicitz
tIkmI
1
2
1
)(
Indeks i oznacza w tym wzorze kolejny przebieg prądu zwarciowego , zwykle k
≤
3.
Prawą stronę równania
ϑ
ϑα
ϑβ
ρ
ϑ
ϑ
d
c
dti
s
kz
t
0
0
0
0
2
0
2
1
11
0
+
+
=
∫∫
przedstawia się w postaci
0
0
0
0
0
1
1
0
AAd
c
k
k
−=
+
+
∫
ϑ
ϑα
ϑβ
ρ
ϑ
ϑ
gdzie :
++
−
=
kkk
c
A
ϑ
α
β
ϑα
α
βα
ρ
0
0
0
2
0
00
0
0
)1ln(
++
−
=
0
0
0
00
2
00
0
0
0
)1ln(
ϑ
α
β
ϑα
α
βα
ρ
n
c
A
Ustalenie wartości funkcji A=f(ϑ) nie nastręcza trudności , gdyż posługujemy się w praktyce gotowymi
wykresami.
Zależność :
ϑ
ϑα
ϑβ
ρ
ϑ
ϑ
d
c
dti
s
kz
t
0
0
0
0
2
0
2
1
11
0
+
+
=
∫∫
przedstawia się ostatecznie w postaci
0
2
2
1
AAtI
s
kztz
−=
z której obliczamy wymagany przekrój przewodu
0
AA
t
Is
k
z
tz
−
=
Zadanie a . sprowadza się więc do :
obliczenia pradu zastępczego z wzoru
1
ImkI
c
tz
=
- 10 -
wyznaczenia na podstawie funkcji ϑ=f(A) wartości A
0
i A
k
odpowiednio do przyjętych temperatur przewodu
przed zwarciem i w końcu trwania zwarcia ,
obliczenia według
0
AA
t
Is
k
z
tz
−
=
najmniejszego dopuszczalnego przekroju przewodu ,
przyjęcia znormalizowanego przekroju przewodu (s
n
≥
S)
Zwykle przyjmuje się temperaturę przewodu przed zwarciem równą wartości największej dopuszczalnej
długotrwale , jeżeli brak wiarygodnych danych , że będzie ona rzeczywiście niższa .
Zadanie a . można rozwiązać również na podstawie podanych w normach i poradnikach tablic największych
dopuszczalnych jednosekundowychgęstości prądu zwarciowego . Korzystanie z tych tablic zaleca się w
przypadkach
t s
z
≤
3
.
Na podstawie równania
0
2
2
1
AAtI
s
kztz
−=
jest
z
k
tz
t
AA
sI
0
−
=
Jeżeli dla
t s
z
=
1
obliczy się
według tego wzoru
I
c1
, to dla dowolnego
t
z
i tego samego przewodu mamy
z
ctz
t
II
1
1
=
po wstawieniu do tej zależności
sJI
cc 11
=
gdzie
1c
J
- jest jednosekundową gęstością prądu , otrzymamy
rozwiązanie
1c
ztz
J
tI
s =
Pyt.14 .Określenie Smin z warunków zwarciowych
s - przekrój przewodu wyliczony ze wzoru .
s
m
- przekrój minimalny przewodu .
ss
m
≥
Pyt.15 .Obliczanie impedancji elementów układu elektrycznego
Maszyny synchroniczne .
Rezystancje generatorów i silników synchronicznych są z reguły wielokrotnie mniejsze od ich reaktancji i
dlatego w obliczeniach prądów zwarciowych są pomijane .Reaktancje indukcyjne tych maszyn nie mają wartości
stałych i rosną wraz z upływem czasu trwania zwarcia. Do obliczeń początkowego prądu zwarcia przyjmuje się
jako reaktancję dla składowej symetrycznej zgodnej reaktancje przejściową wstępną X
’’
d
dla maszyn z biegunami
utajonymi (turbogeneratory) i maszyn z biegunami jawnymi mającymi uzwojenia tłumiące oraz reaktancję
przejściową główną X
’
d
dla maszyn z biegunami jawnymi bez uzwojeń tłumiących .
Generatory.
Rezystancja generatoranie jest większa niż 10 % , a przeważnie jest równa 5 % reaktancji generatora.
n
nd
g
S
UX
X
2"
100
⋅=
n
n
g
g
S
U
R
R
2
"
100
⋅=
22
ggg
XRz +=
Z reguły wartość R
g
pomija się ponieważ jest niewielka . W przypadku braku danych przyjmuje się , że:
R
g
=0.03X
g
Silniki synchroniczne:
n
nd
s
S
UX
X
2"
100
⋅=
n
n
g
s
S
U
R
R
2
"
100
⋅=
22
SSS
XRz +=
Transformatory:
dwuuzwojeniowe:
- 11 -
Impedancje transformatorów dwuuzwojeniowych dla składowej symetrycznej zgodnej i przeciwnej są jednakowe
.
n
nz
T
S
UU
z
2
%
100
⋅
∆
=
gdzie : ∆U
z%
- napięcie zwarcia transformatora w procentach , S
n
- moc transformatora w
MVA ,U
n
- napięcie znamionowe w kV , po tej stronie uzwojeń transformatora , do której ma być odniesina
impedancja Z.
Reaktancję indukcyjną transformatora w Ω oblicza się według wzoru
n
nx
T
S
UU
X
2
%
100
⋅
∆
=
, w którym
2
%
2
%%
PUU
zx
∆−∆=∆
gdzie :
1
%
10
−
⋅
∆
=∆
n
S
P
P
przy czym: ∆U
X%
- napięcie rozproszenia transformatora w procenrach , ∆P. - strata mocy czynnej w
uzwojeniach transformatora w kW.Napięcia zwarcia transformatorów wysokiego napięcia dużych mocy są rzędu
10% i więcej , natomiast straty obciążeniowe nie przekraczają 1.5% i w tych przypadkach można przyjmować
∆U
z
≈∆U
X
oraz Z
T
≈X
T
.
Rezystancję transformatorów określa się ze strat mocy czynnej ∆P.
%
według wzoru :
n
n
T
S
UP
R
2
%
100
⋅
∆
=
Impedancja transformatora dla składowej zerowej zależy głównie od sposobu uziemienia uzwojenia
transformatora po stronie zwarcia . Impedancje transformatorów o izolowanym punkcie zerowym po stronie
zwarcia są nieskończenie duże .
trójuzwojeniowe:
Reaktancje i rezystancje transformatorów trójuzwojeniowych oblicza się podobnie jak transformatorów
dwuuzwojeniowych , na podstawie napięcia rozproszenia (∆U
X
) oraz strat obciążeniowych (∆P
R
) .Są one
podawane dla poszczególnych par uzwojeń transformatora i odniesione do mocy znamionowej , największej
mocy jednego z trzech uzwojen transformatora albo do mocy każdej pary uzwojeń , czyli mniejszej mocy
jednego z dwu uzwojeń.
U
g
U
zgs
U
zgd
U
zsd
U
S
U
d
n
n
zgs
gs
S
U
U
X
2
100
⋅=
;
n
n
zgd
gd
S
U
U
X
2
100
⋅=
;
n
nzsd
sd
S
UU
X
2
100
⋅=
(
)
sdgdgsg
XXXX −+=
2
1
;
(
)
gssdgdd
XXXX −+=
2
1
;
(
)
gdsdgss
XXXX −+=
2
1
- 12 -
z uzwojeniami dzielonymi :
U
g
U
zdg
U
zgd
U
zd1d2
U
d2
U
d1
U
g
X
g
=X
gd
-0.5X
dd
U
d
U
d
X
d
=0.5X
dd
Dolne napięcia transformatora są takie same .
Transf. z odzcepami czyli (U
d1
=U
d2
=U
d
) czyli wartość rezystancji jest to wartość równoległa i wynosi 0.5 X
dd
Autotransformatory:
Impedancje uzwojeń autotransformatorów dla składowej symetrycznej zgonej i przeciwnej są jednakowe .
Obliczamy korzystając z tych samych wzorów co dla transformatora dwuuzwojeniowego .
Dławiki zwarciowe:
Impedancje dławików dla składowej symetrycznej zgonej i przeciwnej i zerowej są jednakowe .
Obliczamy się je korzystając z wzorów :
n
nd
d
I
UX
X
⋅
⋅=
3
100
"
n
d
d
I
P
R
⋅
∆
=
3
Dławiki zwarciowe dwuuzwojeniowe:
schemat zastępczy dławika dwuuzwojeniowego. m
sp
- współczynik sprzężenia obu sekcji
a
X
a
X
b
X
c
b c
sp
nd
a
m
I
UX
X ⋅
⋅
⋅
−
=
3
100
)1(
3
100
sp
n
nd
cb
m
I
UX
XX +
⋅
⋅==
Linie napowietrzne i kablowe:
Impedancje wzdłużne linii napowietrznych i kablowych dla składowych symetrycznych zgodnych i przeciwnych
są jednakowe . Rezystancje jednostkową lini oblicza się wg. Wzoru:
s
R
γ
1000
1
=
X
l
=x
’
⋅l gdzie: x
’
- reaktancja jednostkowa (mΩ/km) ; l - długość lini .
- 13 -
Pyt.16. Charakterystyczne wielkości zwarciowe wg PN–74/E... ?
W urządzeniach i instalacjach elektroenergetycznych stosuje się przede wszystkim układy trójfazowe o
różnych wartościach napięcia znamionowego i różnych sposobach ewentualnego uziemienia punktu
gwiazdowego.
Przyczyny powstawania zwarcia tj. zbocznikowania lub zniszczenia izolacji pod napięciem mogą być:
− zjawiska przebicia elektrycznego (przeskoku) spowodowanego przez przepięcie
(atmosferyczne lub zewnętrzne),
− zjawisko nadmiernego obniżenia wytrzymałości dielektrycznej izolacji w następstwie
różnorodnych zjawisk starzeniowych, formowania się szkodliwych warstw nalotowych itp.,
− zjawiska mechaniczne, jak pozostawienie uziemiacza, uszkodzenie kabla, otwarcie odłącznika
w obwodzie z prądem itp.,
Dlatego do doboru urządzeń o określonych własnościach wytrzymałości zwarciowej należy określić
podstawowe obliczeniowe parametry charakteryzujące zwarcie:
1) prąd początkowy I
P
,
2) prąd wyłączeniowy symetryczny w chwili rozdzielenia styków łącznika I
WS
(prąd zwarciowy
okresowy I
ok
).
3) prąd wyłączeniowy niesymetryczny w chwili rozdzielenia styków łącznika I
WNS
,
4) udarowy prąd zwarciowy i
u
,
5) czas trwania zwarcia t
Z
,
6) zastępczy t
Z
sekundowy prąd zwarciowy,
7) charakterystyczne cechy napięcia powrotnego:
− współczynnik szczytu,
− stromość
− współczynnik biegunowy,
Obliczenia zwarciowe dokonuje oraz dobór aparatów, ze względu na cieplne i elektrodynamiczne
działanie prądu zwarciowego, należy wykonać zgodnie z normą
PN–74/E-05002.
Zgodnie z normą PN–74/E-05002, z przebiegiem prądu zwarciowego związane są następujące pojęcia
Rys. 1. Przedstawiający przykładowy przebieg prądu zwarcia.
- 14 -
( Rys. 1.):
− prąd początkowy I
P
; jest to skuteczna wartość składowa okresowej w początkowej chwili
zwarcia ( t = 0
+
);
− udarowy prąd zwarciowy i
u
; jest to największa możliwa wartość chwilowa prądu
zwarciowego;
− prąd zwarciowy symetryczny; jest to prąd zwarciowy zawierający jedynie składową okresową;
prąd symetryczny wyznaczony dla chwili utraty styczności
styków nazywany jest prądem wyłączeniowym symetrycznym
I
WS
;
− prąd zwarciowy niesymetryczny; jest to prąd zwarciowy zawierający obie składowe tj.
okresową i nieokresową; prąd niesymetryczny wyznaczony dla
chwili utraty styczności styków nazywany jest prądem
wyłączeniowym niesymetrycznym I
wn
.
Zwarcia które w tych układach występują, można podzielić z uwagi na liczbę zwartych ze sobą i / lub z
ziemią przewodów fazowych następująco.
− zwarcia trójfazowe (bez doziemienia bądź z doziemieniem),
− zwarcia dwufazowe bez udziału ziemi,
− zwarcia dwufazowe z doziemieniem,
− zwarcia jednofazowe z udziałem ziemi (zwarcie doziemne),
− podwójne zwarcie doziemne,
Ponadto dla określenia natężenia cieplnego torów prądowych przy zwarciu określa się tzw. prąd cieplny
zastępczy t
z
– sekundowy ( I
tz
), który spełnia zależność:
dt
z
t
0
2
z
I
z
t
1
tz
I
∫
=
gdzie:
I
z
– skuteczna wartość prądu zwarciowego,
t
z
– czas trwania zwarcia.
Powyższa zależność uwzględnia fakt, że skuteczna wartość prądu zwarciowego zmienia się w funkcji
czasu, głównie z uwagi na zmianę składowej okresowej prądu zwarciowego.
Punktem wyjścia od obliczeń charakterystycznych parametrów prądu zwarciowego jest obliczenie prądu
początkowego I
p
.
Dla porównania wartości prądów przy poszczególnych rodzajach zwarć jednoczesnych w układach
trójfazowych jako wartości odniesienia posłuży składowa zgodna prądu początkowego.
−
+
−
⋅
⋅
=
Z∆
1
Z
1
3
n
Uk
1
I
gdzie:
U
n
– napięcie znamionowe (międzyprzewodowe) układu, sieci w miejscu zwarcia
występujące przed nastąpieniem zwarcia,
k – współczynnik przedstawiający stosunek napięcia w miejscu zwarcia przed powstaniem
zwarcia do napięcia znamionowego sieci U
N
przyjmuje się:
k = 1,1 z wyjątkiem zwarć w pobliżu prądnic synchronicznych z biegunami
wydatnymi bez obwodów tłumiących, wówczas k = 1,2;
0Z∆ =
−
– dla zwarć trójfazowych;
2
Z
−
– dla zwarć dwufazowych bez doziemienia;
2
Z
0
Z
2
Z
0
Z
−
+
−
−
⋅
−
– dla zwarć dwufazowych z doziemieniem;
0
Z
2
Z
−
+
−
– dla zwarć jednofazowych;
- 15 -
gdzie:
Z
1
, Z
2
, Z
0
– impedancja obwodu zwarciowego dla składowej zgodnej, przeciwnej i zerowej.
Wzór na obliczanie prądu początkowego w miejscu zwarcia, tj. wartość skuteczna składowej okresowej
prądu zwarciowego w chwili powstania zwarcia jest równa:
I
P
= m · I
1
gdzie:
m jest zależne od rodzaju zwarcia i przyjmuje się:
− m = 1 – dla zwarć trójfazowych;
−
3m =
– dla zwarć dwufazowych;
− m = 3 – dla zwarć jednofazowych;
−
2
0
Z
2
Z
0
Z
2
Z
13m
−
+
−
−
⋅
−
−⋅=
– dla zwarć dwufazowych z doziemieniem.
Stosując powyższe zależności, można porównać poszczególne rodzaje zwarć.
W wielu praktycznych przypadkach można przyjąć Z
1
≈ X
2
, Z
2
≈ X
2
i Z
0
≈ X
0
.
Jako zwarcie tzw. obliczeniowe, dla którego oblicza się charakterystyczne parametry prądu
zwarciowego przyjmuje się zazwyczaj w praktyce polskiej zwarcie trójfazowe, gdyż przy tym zwarciu
występują największe prądy.
W przypadku zwarć dwufazowych bez doziemienia prąd zwarciowy wynosi
2
3
prądu zwarcia
trójfazowego, jeśli spełniony jest warunek że Z
1
≈ Z
2
1)
, to prąd początkowy zwarcia dwufazowego
można wyrazić wzorem:
p
I
2
3
1
X2
n
U1,1
p
I ⋅=
⋅
⋅
=
i jest to prąd mniejszy od prądu zwarcia trójfazowego.
Dla sieci z izolowanym punktem gwiazdowym praktycznie zawsze spełniony jest warunek
5
1
Z
0
Z
〉
−
−
,
wtedy za najgroźniejsze należy przyjmować zwarcie trójfazowe, ponieważ dla sieci średnich napięć, w
których punkt zerowy jest izolowany, wartość X
0
jest bardzo duża, a zatem prądy zwarć jednofazowych
są bardzo małe. W sieci z punktem gwiazdowym uziemionym przez indukcyjność sytuacja jest
analogiczna jak dla sieci w których punkt gwiazdowy został izolowany.
W sieci z punktem gwiazdowym bez pośrednio uziemionym,
1
Z
0
Z
−
−
sięga wartości 0,5, a kąt między
impedancjami
1
Z
−
i
0
Z
−
zbliża się do 90º (φ
1
– φ
0
≤ 90º), mogą przy zwarciu jednofazowym wystąpić
prądy większe o ok. 30% od prądu zwarcia trójfazowego, ponieważ
dla napięć najwyższych punkt zerowy układu jest uziemiony, ale jednocześnie spełniony jest zazwyczaj
warunek, że X
0
> X
1
. Oznacza to, że i w tym przypadku prąd zwarcia jednofazowego jest większy niż
prąd zwarcia trójfazowego
1)
.
Prąd zwarciowy udarowy wyznacza się ze wzoru:
p
I2
u
k
u
i ⋅⋅=
gdzie:
k
u
– współczynnik udaru.
1)
Warunek ten jest zazwyczaj spełniony dla podstawowych elementów układu zwarciowego.
1)
Można jednocześnie przyjąć, że Z
1
= Z
2
.
- 16 -
Pyt.17. Zwarcie 3–fazowe symetryczne w dowolnym układzie ?
Zwarcia dzielą się na symetryczne i niesymetryczne. Zwarciami symetrycznymi nazywamy zwarcia, w
przypadku których układy wektorowe prądów przewodowych i napięć fazowych są symetryczne, a więc fazy są
obciążone symetrycznie. Niesymetrycznymi nazywamy zwarcia, w przypadku których układy wektorowe prądów
przewodowych i napięć są niesymetryczne, a więc fazy są obciążone niesymetrycznie.
Jeżeli przyjąć za 100% liczbę wszystkich zwarć, to średnie udziały poszczególnych zwarć są mniej
więcej następujące:
a) zwarcie jedno fazowe 65%
b) podwójne zwarcie z ziemią i zwarcia dwufazowe z ziemią 20%
c) zwarcia dwufazowe 10%
d) zwarcia trójfazowe 5%
W poszczególnych regionach sieciowych częstość występowania różnych rodzajów zwarć może się
znacznie różnić od wartości średnich. Udziały rodzajów zwarć wahają się w następujących zakresach:
a) zwarcia jednofazowe od 30% do 97%
b) podwójne zwarcia z ziemią i zwarcia dwufazowe z ziemią od 0% do 45%
c) zwarcia dwufazowe od 0% do 55%
d) zwarcia trójfazowe od 0% do 35%
Jeżeli zwarcie nastąpiło w jednym punkcie układu elektroenergetycznego, to zwarcie takie nazywamy
pojedynczym, jeżeli natomiast wystąpiło w kilku punktach, np. w kilku punktach linii, to zwarcie takie nazywamy
wielokrotnym, np. podwójnym, potrójnym, itp.
Zwarcia symetryczne dzielą się na:
a) trójfazowe – występujące w przypadku połączenia ze sobą trzech różnych faz obwodu
trójfazowego,
b) trójfazowe z ziemią (lub przewodem zerowym) – występujące w przypadku połączenia z ziemią
(lub przewodem zerowym) trzech różnych faz obwodu trójfazowego.
1
Z3
N
Uk
1
I
−
⋅
⋅
=
Pyt.18. Analiza wielkości zwarcia w układzie 1–fazowym ?
Zwarcia niesymetryczne dzielą się na:
a) dwufazowe – występujące w przypadku połączenia ze sobą dwóch różnych faz obwodu
trójfazowego,
−
+
−
⋅
⋅
=
2
Z
1
Z3
N
Uk
1
I
3m =
b) dwufazowe z ziemią (lub przewodem zerowym) – występujące w przypadku połączenia z
ziemią (lub przewodem zerowym) dwóch różnych faz obwodu trójfazowego w układzie o
skutecznie uziemionym punkcie zerowym,
−
+
−
−
⋅
−
+
−
⋅
⋅
=
2
Z
0
Z
2
Z
0
Z
1
Z3
n
Uk
1
I
2
X
0
X
2
X
0
X
13m
+
⋅
−⋅=
c) jednofazowe – występujące w przypadku połączenia jednej fazy obwodu trójfazowego z ziemią
(lub przewodem zerowym) w układzie o skutecznie uziemionym punkcie zerowym lub
występujące w przypadku połączenia jednej fazy obwodu trójfazowego z ziemią w układzie z
izolowanym punktem zerowym, bądź w układzie z uziemionym punktem zerowym przez
rezystancję lub reaktancją indukcyjną.
−
+
−
+
−
⋅=
0
Z
2
Z
1
Z3
1
I
- 17 -
Pyt.19. Przebiegi czasowe prądu zwarcia ?
Przykładowe przebiegi prądu zwarcia:
Na przykładowych rysunkach (Rys. 2. , Rys. 3. , Rys. 4. ) umieszczonych w tym punkcie przedstawiono przebieg
prądu zwarciowego,
Rys. 2. – zawierający obie składowe,
Rys. 3. – przebiegi prądu zwarciowego:
a) bez składowej nieokresowej,
b) z największą składową nieokresową
Rys. 4. przebiegi składowej okresowej prądu zwarciowego w stanie przejściowym:
a) składowa przejściowa wstępna prądu zwarciowego,
b) składowa przejściowa główna prądu zwarciowego,
c) składowa ustalona prądu zwarciowego,
d) wypadkowy prąd zwarciowy.
Rys. 3. Przebiegi prądu zwarciowego:
a) bez składowej nieokresowej,
b) z największą składową nieokresową.
Rys. 2. Przykładowy przebieg prądu zwarciowego:
i
ok
– składowa okresowa,
i
no
– składowa nieokresowa,
i – wypadkowy prąd zwarciowy.
- 18 -
Pyt.20. Obliczanie prądu początkowego ?
Pyt.21. Rodzaj zwarcia a dobór urządzeń ?
Pyt.22. Wybór miejsca zwarcia ?
Miejsce zwarcia powinno być tak dobrane, aby w urządzeniu występowały największe
możliwe wartości prądów zwarciowych, przy czym należy uwzględnić zastrzeżenie dotyczące
stanów krótkotrwałych podane w. W przypadku zainstalowania dławików zwarciowych
w polach liniowych rozdzielni, należy przy wyborze urządzeń umieszczonych między dławikiem, a
szynami zbiorczymi brać pod uwagę zwarcie za dławikiem.
Rys. 4. Przebiegi składowej okresowej prądu zwarciowego w stanie przejściowym:
a) składowa przejściowa wstępna prądu zwarciowego,
b) składowa przejściowa główna prądu zwarciowego,
c) składowa ustalona prądu zwarciowego,
d) wypadkowy prąd zwarciowy.
- 19 -
W sieci z nieskutecznie uziemionym punktem neutralnym należy przyjmować do obliczeń:
a) działanie cieplne prądu zwarciowego – zwarcie trójfazowe lub dwufazowe,
b) działanie elektrodynamiczne – zwarcie trójfazowe,
c) zdolność łączeniowa – zwarcie trójfazowe.
W sieci ze skutecznie uziemionym punktem neutralnym należy przyjmować do obliczeń:
a) działanie cieplne – zwarcie trójfazowe, dwufazowe, doziemne lub jednofazowe,
b) działanie elektrodynamiczne – zwarcie trójfazowe lub jednofazowe,
c) zdolność łączeniowa - zwarcie trójfazowe lub jednofazowe
Pyt.23. Określenie czasu przebiegu zwarcia ?
Pyt.24. Udarowy prąd zwarciowy wraz z poprawkami ?
Prąd zwarciowy udarowy ip jest to największa możliwa wartość prądu zwarciowego, występująca przy
najbardziej niekorzystnym kącie fazowym powstania zwarcia. Służy do doboru wytrzymałości zwarciowej
elektrodynamicznej urządzenie tzn. odporności na siły elektrodynamiczne wywołane przez prąd zwarciowy. Nie
mniejsze od obliczonego prądu udarowego powinny być następujące parametry zastosowanych aparatów i
urządzeń: prąd znamionowy szczytowy łączników, przekładników prądowych, dławików przeciwzwarciowych;
prąd znamionowy załączalny wyłączników; obciążalność elektrodynamiczna szyn.
Prąd zwarciowy udarowy występuje w ciągu pierwszych 10ms czasu trwania zwarcia.
Prąd udarowy występuje, jeśli zwarcie zdarzy się przy określonym kącie fazowym przebiegu napięcia albo
spodziewanego prądu zwarciowego okresowego.
Niestety, przy zwarciu trójfazowym -niezależnie od kąta fazowego powstania zwarcia -co najmniej w jednej z faz
występuje prąd równy bądź prawie równy prądowi udarowemu. Przy tej samej wartości prądu zwarciowego
początkowego Ik prąd udarowy jest tym większy, im wolniej zanika prąd nieokresowy, a więc -im większa jest
elektromagnetyczna stała czasowa obwodu zwarciowego L/R.
Pyt.25. Prąd udarowy przy zwarciach niejednoczesnych ?
Pyt. 26. Prąd zwarciowy niesymetryczny
Zawiera składową okresową i nie okresową.
I
wns
=√I
ws
2
+i
nok
2
i
nok
- największa możliwa wartość składowej nieokresowej prądu zwarciowego w chwili rozdzielenia się styków
łącznika.
i
nok
=√2 *k
a
* I
p
gdzie k
a
wsp. uwzględniający zanikanie składowej nieokresowej i jest funkcją k
a
= f (R/ X, t
r
) √2 uwzględnia
max. wartość chwilową prądu I
p
.Przyjmujemy k
a
= 0,8 dla zwarć z dławikami (brak danych o stosunku R/X ) i
jeżeli zwarcie występuje na szynach elektrowni . Jeżeli R/X >0,3 wówczas prądu I
wns
należy natomiast posłużyć
się prądem I
ws
.
I
p
składowa okresowa początkowa prądu zwarcia .
Pyt. 27. Prąd wyłączeniowy symetryczny I
ws
I
ws
= k
ws
* I
p
k
ws
= f(I
p1
/I
n
,t
r
)-odczytywany z wykresu
t
r
- czas od chwili wystąpienia zwarcia do chwili utraty styczności styków wyłącznika lub czas przedłukowy
bezpiecznika .
I
n
- suma prądów znamionowych wszystkich żródeł pracujących na zwarcie , sprowadzonych do napięcia sieci ,
w której jest wyznaczony I
p1
, przy zwarciu odległym I
p1
/I
n
=1
Jeżeli miejsce zwarcia zasilane jest z kilku żródeł , należy wyznaczyć udział poszczególnych żródeł w prądzie
zwarciowym i oddzielnie wyznaczyć współczynnik k
ws
dla poszczególnych żródel.
Pyt. 28. Prąd cieplny
- 20 -
Prąd I
c
jest prądem zastępczym o stałej wartości skutecznej , który wydzieliłby w elemencie toru prądowego tą
samą ilość ciepła co rzeczywiście płynący zmienny w czasie prąd zwarciowy
I
c
= k
c
* I
p
k
c
= f(I
p1
/I
n
,t
z
)
I
n
- suma prądów znamionowych generatorów zasilających zwarcie przeliczone do poziomu napięcia na którym
obliczono I
p
,
t
z
- czas przepływu prądu zwarciowego ,(czas trwania zwarcia )
k
c
- współczynnik uwzględniający zmienność prądu zwarciowego w czasie trwania zwarcia ,
Pyt. 29. Wpływ odbiorników na wartość prądu zwarciowego .
Za żródła prądu zwarciowego uważa się ;
silniki asynchroniczne o U
N
>1kV przyłączone bezpośrednio do sieci , w której oblicza się zwarcie
silniki asynchroniczne o napięciu U
N
>1kV przyłączone do sieci , w której oblicza się zwarcie przez
transformatory , jeżeli spełniony jest warunek
P
N
= S
n
/ (120*S
n
/S
z
-0,4)
P
N
- suma mocy silników
S
n
- suma mocy transformatorów zasilających silniki
S
z
- moc zwarciowa wyznaczona bez udziału silników
silniki o napięciu U
N
<1kV , jeżeli suma ich mocy znamionowych spełnia powyższą nierówność .
Podstawową wielkością do obliczania poprawek wartości prądu zwarciowego jest prąd I
n
równy sumie
prądów znamionowych silników asynchronicznych przyłączonych jednocześnie do sieci . Wylicza się
poprawki ; ∆ i
u
,∆I
ws
,∆i
nok
,∆I
c
;
i
um
= i
u
+ ∆i
u
; I
wsm
= I
ws
+ ∆I
ws
;
I
wnsm
= √ (I
ws
+ ∆ I
ws
)
2
+ (i
nok
+ i
nok
)
2
; I
cm
= I
c
+ ∆I
c
:
Pyt. 30. Dobór łączników .
Łączniki elektroenergetyczne są to aparaty przeznaczone do przewodzenia określonych prądów oraz do
wykonywania określonych czynności łączeniowych w obwodach urządzeń elektroenergetycznych .Klasyfikacja
łączników może być dokonana na podstawie ;
-funkcji w układzie elektroenergetycznym
-przeznaczenia do pracy w określonej sieci elektrycznej
-środowiska pracy
-budowy członu łączeniowego głównego
Podział ze względu na funkcję w układzie elektroenergetycznym ;
- połączniki , przełączniki , łączniki ;izolacyjne ,manewrowe ,zabezpieczeniowe ;
Wyłącznik służy do załączania i wyłączania prądów roboczych i zwarciowych.
napięcie znamionowe izolacji
U
ni
≥ U
ns
U
ns
- napięcie znamionowe sieci
prąd znamionowy ciągły
I
n
≥ I
obl
I
obl
- prąd obliczeniowy
-prąd szczytowy znamionowy
i
ns
≥ i
u
i
u
- prąd udarowy
prąd znamionowy ciągły n - sekundowy ( najczęściej n = 3 )
I
cn
≥ I
tz
√t
z
/ n
I
tz
- zastępczy t
z
sekundowy prąd zwarciowy
n - czas dla którego określono wytrzymałość cieplną wyłącznika1
1, 5, 10, sek.
t
z
- czas trwania zwarcia
I
cn
≥ I
tz
gdy t
z
<3 sek.
- 21 -
prąd wyłączalny symetryczny
I
ws
≥ I
ok
I
ok
- składowa okresowa prądu zwarciowego
prąd załączalny wyłącznika
i
zał
≥ i
u
i
u
- prąd udarowy zwarciowy
Odłączniki służą do wyłączania obwodów elektrycznych w stanie bezprądowym .
U
ni
≥ U
ns
I
n
≥ I
obl
i
ns
≥ i
u
I
cn
≥ I
tz
= I
tz
√t
z
/ n
Rozłącznik ( odłącznik mocy ) - załącza i rozłącza obwód w normalnych warunkach pracy prądy
robocze , jeśli jest z bezpiecznikiem może wyłączać jednokrotnie moc zwarciową.
U
ni
≥ U
ns
I
n
≥ I
obl
i
ns
≥ i
u
I
cn
≥ I
tz
- znamionowy prąd wyłączalny rozłącznika I
nwr.
≥ I
r max
Podział łączników ze względu na przeznaczenie do pracy w określonej sieci elektroenergetycznej ;
łączniki prądu stałego
łączniki prądu przemiennego
łączniki uniwersalne
łączniki niskonapięciowe
łączniki wysokonapięciowe
łączniki główne
łączniki pomocnicze
łączniki instalacyjne
łączniki przemysłowe
łączniki ogólnego przeznaczenia
Podział łączników mechanizmowych ze względu na rodzaj środowiska i czynniki decydujące o warunkach
gaszenia łuku ;
próżniowe
gazowe
cieczowe( olejowe ; małoolejowe ,pełnoolejowe )
Dobór urządzeń (pyt. 31-35)
1) Bezpieczniki – służą do jednokrotnego wyłączania prądów przeciążeniowych i zwarciowych.
a) dobór podstawy bezpiecznika
- napięcie znamionowe izolacji: U
ni
≥
≥≥
≥ U
r
- prąd znamionowy: I
n
≥
≥≥
≥ I
r
- prąd szczytowy: I
mn
≥
≥≥
≥ i
u
b) dobór wkładki bezpiecznikowej
- napięcie znamionowe izolacji: U
ni
≥
≥≥
≥ U
r
- prąd znamionowy: I
n
≥
≥≥
≥ I
r
- prąd szczytowy: I
mn
≥
≥≥
≥ i
u
- prąd wyłączeniowy symetryczny: I
ws
≥
≥≥
≥ I
p
(I
p
- składowa początkowa prądu zwarcia)
- moc zwarciowa: S
zw
≥
≥≥
≥S
z
2) Dławiki zwarciowe – to reaktancje dodatkowo włączone szeregowo w tor prądowy w celu ograniczenia
prądów zwarciowych.
- 22 -
- napięcie znamionowe izolacji: U
n
≥
≥≥
≥ U
r
- prąd znamionowy: I
n
≥
≥≥
≥ I
r
- prąd szczytowy: I
mn
≥
≥≥
≥ i
u
- prąd cieplny: I
cn
≥
≥≥
≥ i
tz
- strata napięcia: U
d%
= 1,1
.
S
n
.
(1/ S
z2
– 1/ S
z1
)
.
100%
3) Przekładniki – urządzenia elektryczne służące do odizolowania obwodu pierwotnego i wtórnego oraz do
przetransformowania wartości prądu i napięcia na określoną wartość prądów wtórnych. Stosowane w
układach rozliczeniowych i w układach automatyki zabezpieczeniowej.
a) przekładnik napięciowy (żywiczne, porcelanowe) – można rozpatrywać jako transformator napięcia o
górnym i dolnym napięciu znamionowym U
ng
i U
nd
.
U
n1
= U
ng
= U
r
, U
n2
= U
nd
= 100V ( lub 100V/√3 )
- klasy przekładników napięciowych, zależnie od zadania:
- 0,1; 0,2; 0,5; - stosowane do rozliczeń energii (dokładniejsze i droższe)
- 1; 2; 5; 10; - duże błędy (klasa 10 – błąd nawet na poziomie 50%)
- prąd dynamiczny: I
dyn
≥
≥≥
≥ i
u
- moc przekładnika w układzie wtórnym (strony wtórnej) – od 50 do 100 kilku W (sprawdzanie jej
nie ma sensu)
- prąd 1-sekundowy cieplny (katalog.): I
1s
≥
≥≥
≥ i
ws
b) przekładnik prądowy (powietrzne, ceramiczne, żywiczne)
- klasa przekładnika prądowego:
- 0,2; 0,5; 0,1 (niekiedy); - do układów rozliczenia energii
- 1; 2; 3; 5; 10; - do elementów automatyki zabezpieczeniowej
- obciążenie strony wtórnej: kilka do kilkudziesięciu W
- napięcie znamionowe izolacji: U
ni
≥
≥≥
≥ U
r
- znamionowy prąd strony pierwotnej: I
n1
≥
≥≥
≥ I
obl
I
n2
= 5A lub 1A (by zmniejszyć straty)
- przekroje przewodów strony wtórnej: uzwojenia strony wtórnej wykonane z Al lub Cu, uzwojenia
strony pierwotnej – szyny itp. Najniższy dopuszczalny przekrój przewodu strony wtórnej:
S
min
= I
w2
.
(t
z
/k) I
w2
= I
p
/ν
νν
ν (ν - przekładnia) dla Cu k=126, dla Al k=158
- liczba przetężeniowa (rzeczywista): L
p
= L
pn
.
(S
n
/S
p
) (L
pn
– liczba znamionowa)
- warunki cieplne i dynamiczne (nie podane na tabliczce znamionowej):
(na tabliczce np.: I
n
= 5A/10p; 5A – uzw. Pierwotne; 10p – uzwojenie spełniające wymogi liczby
przetężeniowej 10 (błąd tego przekładnika nie przekracza 10%)).
- I
dyn
= 240
.
I
n1
≥
≥≥
≥ i
u
- I
c1
= 80
.
I
n1
≥
≥≥
≥ i
ws
(prąd cieplny 1 – sekundowy)
4) Izolatory - urządzenia elektryczne służące do odizolowania układów czynnych między sobą lub układów
czynnych od biernych.
Jest dostępnych 5 grup izolatorów wsporczych: 0, A, B, C, D. Różnią się one parametrami
wytrzymałościowymi: siły łamiące, zginanie, ściskanie, rozciąganie. Np.:
Rodzaj siły Grupa 0: Grupa D:
łamiąca do 200 kg 2 t
ściskająca 160 kg 1,6 t
rozciągająca 160 kg 1,6 t
zginająca 120 kg 1,2 t
Izolator wsporczy: szyna
h
s1
h
s1
- 23 -
Zwarcie 2 – fazowe:
Gdy szyna jest ułożona na żebro – siła oddziaływania elektrodynamicznego jest większa.
5) Szyny zbiorcze – służą do powiązania urządzeń rozdzielczych (rozdzielni). Stosowane są w rozdzielniach
głównych jako połączenia przyrządów rozdzielczych, połączenia transformatorów z rozdzielniami,
generatorów z transformatorami blokowymi. Przewody szynowe mogą być układami dzielonymi i
niedzielonymi (np. ceowniki); nie mają wypełnień wewnętrznych.
Oznaczenia: np. AP 100x10 (100 – szerokość, 10 – grubość szyny).
Parametry doboru układów szynowych:
- dobór na obciążenia długotrwałe,
- oddziaływanie dynamiczne prądu zwarciowego,
- oddziaływanie cieplne prądu zwarciowego,
- spadki napięcia (przy znacznych długościach).
a) Określenie przekroju (dobór) szyn ze względu na długotrwały prąd obciążeniowy
1. Malowanie – zapobiega utlenianiu powierzchni (lepsze oddawanie ciepła)
2. Sposób ułożenia szyn
- na płask (kumulowanie ciepła pod szyną)
- na żebro (omywanie bocznej powierzchni przez ciepło)
3. Temperatura otoczenia – gdy jest wyższa, to przyrost dopuszczalny ∆ν
dp
jest większy.
ν
ν
dop
ν
dp
ν
d
4. Ilość szyn w pakiecie (szyny oddziałują na siebie)
I
dd
≠
≠≠
≠ 3I
dd
3I
dd
I I
dd
szyny obciążalność [A]
pojedyncza
2 w pakiecie
3 w pakiecie malowane
4 w pakiecie
1840
3050
3900
5250
Pojedyncza
2 w pakiecie
3 w pakiecie niemalowane
4 w pakiecie
1450
2450
3250
4500
k – współczynnik uwzględniający sposób ułożenia szyn i przyrost temperatury
k
1
- współczynnik uwzględniający rozkład temperatury otoczenia
][107,1
2
2
kGi
d
l
F
nSz
−
⋅⋅⋅=
][1004,2
2
2
kGi
d
l
F
nSz
−
⋅⋅⋅=
SzSii
FhhF
⋅
=
⋅
2
Sz
S
S
i
F
h
h
F ⋅=
1
2
τ
dopi
FF ≤
ττ
FF
dop
8,0
=
obldd
II ≥
∏
=
=
3
1k
kddndd
kII
ddn
dd
k
υ
υ
∆
∆
=
1
- 24 -
Współczynniki k dla szyn pojedynczych:
szerokość [mm] Grubość [mm] malowane niemalowane
do 50 do 5 k
m
= 0,95 k
n
= 0,9
50 – 100 5 – 10 k
m
= 0,9 k
n
= 0,9
100 - 120 5 - 10 k
m
= 0,8 k
n
= 0,8
∆
∆∆
∆ν
νν
ν
dd
= ν
νν
ν
dd
- ν
νν
ν
o
∆
∆∆
∆ν
νν
ν
ddn
= ν
νν
ν
dn
- ν
νν
ν
od (n)
Szyny aluminiowe łączone przez docisk (śruby): ν
dd
= 70°C
Szyny aluminiowe łączone przez spawanie: ν
dd
= 100°C
Np. szyna AP 100x10, I
dd
= 1840A, ν
dd
= 100°C, ν
p
= 40°C, malowana, układ pionowy, k = 0,9.
I
dd
= 1840
.
0,77
.
0,9
.
0,9 = 1150A
b) Sprawdzenie szyn na działanie prądu zwarciowego
Obciążenia dynamiczne mogą pochodzić od prądów płynących w torach, oddziaływania wzajemnego
faz i od oddziaływania w pakiecie (spowodowane asymetrią obciążenia poszczególnych elementów
pakietu).
Siły w przewodzie szynowym (naprężenia):
Korzysta się z wartości przybliżonych.
Założenia:
- obciążenie elektrodynamiczne określa się jak dla przewodów szynowych nieskończenie długich
(przęsła środkowe),
- obciążenie elektrodynamiczne jest prostopadłe do osi szyn i wywołuje tylko moment gnący,
- obciążenie elektrodynamiczne wylicza się z maksymalnej wartości prądu,
- obciążenie jest równo rozłożone,
- naprężenia mechaniczne wylicza się przyjmując występowanie obciążeń elektrodynamicznych,
- uwzględnia się możliwość plastycznego odkształcenia szyn.
Przy tych założeniach tok obliczeń powinien zawierać:
1. Obliczenie obciążeń elektrodynamicznych (sił) między fazami i w obrębie tych faz.
2. Wyznaczenie wartości momentów zginających.
3. Obliczenie częstotliwości drgań własnych przewodu szynowego (oraz jego elementów, przekładek i
pakietu – całego układu).
4. Obliczenie naprężeń mechanicznych w materiale przewodów:
- przy założeniu statycznego charakteru obciążenia i odkształceń sprężystych w tym układzie
(obciążenie równomierne rozłożone na całej powierzchni lub w jednym punkcie, ale stale – układ
powraca do stanu pierwotnego).
- przy uwzględnieniu zmienności obciążenia, z tym że potraktowanie układu szynowego jako układ
drgający (odkształcenia układu są sprężyste).
- przy dopuszczeniu odkształceń plastycznych przewodu szynowego przy obciążeniach statycznych
(w sposób ciągły).
- przy uwzględnieniu zmienności obciążenia z założeniem odkształcenia plastycznego.
Jednostkowe obciążenie elektrodynamiczne:
77,06,0
100
60
1
===k
dopft
σσσσ
≤+=
- 25 -
zwarcie 1 lub 2 – fazowe:
a – odległość między przewodami szynowymi w osi
k
p
– współczynnik Dighta uwzględniający wpływ wymiarów (dla WN k
p
= 1)
i
u
– prąd udarowy
1,6
1,0
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
układ 3 – fazowy:
dla szyn skrajnych:
PAKIET 3 szyn
Obciążenie elektrodynamiczne z sąsiedniego płaskownika:
- dla pakietu z 2 płaskowników
a
p
– grubość pakietu
- dla pakietu z 3 płaskowników
f
12
- obciążenie elektrodynamiczne płaskownika 2 z płaskownika 1
f
12
- obciążenie elektrodynamiczne płaskownika 3 z płaskownika 1
c) Rozkład wartości prądów w pakietach
a
12
i
1
= i
3
= 2i
2
i
1
= 0,4i
i
3
= 0,4i
i
2
=0,2i
i
1
i
2
i
3
Przy tym ułożeniu szyn zachodzi zależność:
a
13
= 2a
12
= 2a
23
2
10
2
upf
ik
a
f ⋅⋅=
∞→
h
b
1=
h
b
5,0=
h
b
0=
h
b
hb
ba
+
−
2
10
3
npf
ik
a
f ⋅⋅=
2
10
62,1
npf
ik
a
f ⋅⋅=
22
20
1
)
2
(
10
2
np
p
n
p
p
p
ik
a
i
k
a
f ⋅⋅=⋅⋅=
31
13
13
21
12
12
1312
10
2
10
2
ii
a
k
ii
a
k
fff
pp
p
⋅⋅+⋅⋅=+=
p
u
ppp
a
i
kkf
2
13121
)(016,0 ⋅+⋅=
- 26 -
Dla 4 elementów:
2 pakiety (2 szyny):
d) Obliczenia momentów gnących szyn od sił międzyfazowych
Moment gnący:
l – długość szyny między podparciami
Rodzaj połączenia zależy od wartości przepływającego prądu.
1200mm
izolator
Naprężenia liczy się w belkach środkowych.
szynoprzewód
Przy wyznaczaniu momentu gnącego pochodzącego od oddziaływania pomiędzy poszczególnymi
elementami pakietu:
l
p
– odległość w świetle między przekładkami
l
p
i
zolator przekładki
Przy obliczaniu momentów gnących (szyny z 2 płaskowników), należy obliczyć odległość krytyczną. Jest
to odległość między przekładkami, przy której pod działaniem siły f
p
nastąpi zetknięcie się ze sobą
płaskowników (rys).
L
p
(l
kr
)
Odległość krytyczną można obliczyć z wytrzymałości materiałów, z zależności między strzałką ugięcia a
obciążeniem jednostkowym w belce.
E – moduł Younga
I – moment bezwładności płaskownika
p
u
pppp
a
i
kkkf
2
141312
)222,0286,0(0115,0 ⋅++⋅=
2
20
1
up
p
p
ik
a
f ⋅⋅=
8
2
lf
M
t
g
⋅
=
12
2
pt
g
lf
M
⋅
=
I
E
lf
Y
pp
m
⋅
⋅
⋅=
4
384
1
2
l
Y
m
=
12
3
hb
I
⋅
=
- 27 -
Moment wytrzymałościowy jest funkcją wyboczenia.
λ - z katalogu, np. dla szyn miedzianych (2 płaskowniki):
Cu x 2 λ=1150
Cu x3 λ=1360
Al x 2 λ=1000
Al x 3 λ=1200
Gdy z wyliczeń wynika że odległość krytyczna jest mniejsza od odległości między przekładkami, to do
obliczeń momentu zginającego M
g
należy uwzględnić odległość krytyczną:
l
kr
< l
p
⇒
⇒⇒
⇒ l
kr
e) Obliczenia naprężeń mechanicznych w obrębie odkształceń sprężystych materiałów
Metody: Maxwella, Biota Savarta.
I
1
ds
1
s
1
F = f (B)
I
2
ds
2
s
2
f) Naprężenia statyczne pod wpływem obciążenia elektrodynamicznego
w – wskaźnik wytrzymałości materiału:
na żebro: na płask:
2 ceowniki:
g) Naprężenia z uwzględnieniem czasowego obciążenia
- przy obciążeniu stałym (rzeczywistym),
- przy wystąpieniu zwarcia (siły dynamiczne – duże składowe prądu zwarciowego).
Stałe oscylacyjne: f = 50Hz; f = 2
.
50Hz.
W układzie 3 – fazowym na fazę środkową działa siła równa 0 (siły znoszą się), jest to faza nieruchoma.
Przewód poddany siłom stałym ulega wychyleniu. Zależy ono od przebiegu czasowego siły, masy szyny,
sprężystości i współczynnika tłumienia.
Siła działająca na podporę przewodu szynowego w obszarze sprężystości:
mf – współczynnik korekcyjny, przy zwarciu 3 – fazowym zależy od częstotliwości drgań własnych
l1 – długość przęsła szyny (odległość z lewej strony podpory)
l2 – długość przęsła szyny (odległość z prawej strony podpory)
M = f (F, l)
Naprężenie:
44
384
pp
m
kr
f
h
b
f
YIE
l ⋅⋅=
⋅⋅⋅
=
λ
∫
⋅=
1
2
2121
S
S
dsdsiiB
w
M
tat
=
σ
6
2
hb
w
⋅
=
6
2
hb
w
⋅
=
12
3
h
w =
2
21
ll
fmF
ff
+
⋅⋅=
)(
w
M
f=
σ
w
M
mm
stat
⋅=⋅=
σσ
σσ
- 28 -
Dla szyn zbiorczych bierze się pod uwagę przęsła środkowe pracujące jako belka utwierdzona.
Częstotliwość drgań własnych belki w takim układzie:
k – współczynnik zależny od sposobu podparcia belki
k = 112 - belka utwierdzona obustronnie
k = 94 - belka utwierdzona jednostronnie
l – długość przęsła
E – moduł Younga
I – moment bezwładności
m – masa jednostkowa szyny
b
h
b
h
d
D
d
Cu
3,62
.
(b/l
2
)
.
10
5
3,62
.
(h/l
2
)
.
10
5
3,13
.
(d/l
2
)
.
10
5
3,13
.
(√(D
2
-d
2
)/l
2
)
.
10
5
Al
5,17
.
(b/l
2
)
.
10
5
5,17
.
(h/l
2
)
.
10
5
4,48
.
(d/l
2
)
.
10
5
4,48
.
(
.
(√(D
2
-d
2
)/l
2
)
.
10
5
Fe
5,4
.
(b/l
2
)
.
10
5
5,4
.
(h/l
2
)
.
10
5
4,68
.
(d/l
2
)
.
10
5
4,68
.
(
.
(√(D
2
-d
2
)/l
2
)
.
10
5
Częstotliwość drgań własnych przewodu musi być różna od następujących wartości:
ν ≠ (185 ÷ 120) Hz
h) Obliczenia naprężeń mechanicznych szynoprzewodu:
Naprężenia mechaniczne ze zmiennością obciążeń i odkształceniami plastycznymi nie mogą przekroczyć
wartości dopuszczalnych.
W obrębie pakietu:
j
dop
– gęstość prądowa w warunkach zwarciowych (95 ÷ 120 A/mm
2
)
Pyt. 37. Podstawy fizyczne palenia się luku .
W chwili poprzedzającej rozchodzenie się styków gwałtownie maleje siła docisku powierzchni styków w wyniku
czego wzrasta rezystancja przejścia. Przepływający prąd powoduje silne miejscowe nagrzanie powierzchni
styków miejscach wzajemnej styczności. Pod wpływem wysokiej temperatury wydzielają się pary metalu oraz
zachodzi jonizacja termiczna elektrod. W chwili utraty metalicznej styczności między stykami pojawia się bardzo
silne pole elektryczne, które zapoczątkowuje jonizację zderzeniową. Elektrony poddane działaniu silnego pola
elektrycznego osiągają energię wystarczającą do zjonizowania, mających niewielki potencjał jonizacyjny, par
metali znajdujących się w przestrzeni między stykowej. W bardzo krótkim czasie zachodzi lawinowa jonizacja
cząsteczek gazu znajdujących się między stykami zapalenie się łuku elektrycznego. Jest to początkowo łuk krótki
(kilka mm). W miarę rozchodzenia się styków Luk się wydłuża przechodząc w łuk długi, charakteryzujący się
wysokimi temperaturami kolumny łukowej wynoszącej (6-20)*10
3
K w zależności od warunków chłodzenia.
Przerwaniu obwodów elektrycznych towarzyszy wyładowanie elektryczne między rozdzielającymi się stykami ,
jeżeli prąd i napięcie wyłączanego obwodu przekroczą pewne określone wartości graniczne , zależne od
materiału styków . Przy przerywaniu obwodów o niewielkich prądach lecz o znacznym napięciu mogą zachodzić
tzw. wyładowania świetlące .
W
M
km
f
⋅⋅=
σ
σ
p
p
p
W
M
k ⋅=
σ
σ
doppf
σσσ
≤+
7,14,2 <<
f
υ
dop
ztz
j
tI
SS =≥
min
m
IE
l
k ⋅
⋅=
2
υ
- 29 -
Charakterystyczną cechą wyładowań świetlących jest niska temperatura gazu i elektrod . Przy wyładowaniach
łukowych , zachodzących przy dużych gęstościach prądu , gazy i elektrody nagrzewają się do bardzo wysokich
temperatur . Wyładowania elektryczne opóźniają przerwanie prądu oraz powodują niszczenie powierzchni
styków . Jedynie niewielkie prądy , przy niskich napięciach mogą być przerwane w sposób beziskrowy .
Przepływ prądu elektrycznego w gazie jest możliwy wskutek jego zjonizowania i utraty własności izolacyjnych .
Rozróżnia się następujące rodzaje jonizacji :
a) zderzeniowa , wywołana polem elektrycznym
b) termiczna gazu , zachodząca pod wpływem bardzo wysokiej temperatury
c) termiczna elektrod , wywołana podgrzaniem elektrod
d) fotojonizacja , związana ze zjawiskiem promieniowania
Jonizacja zderzeniowa .
Warunkiem zapoczątkowania zderzeniowej jonizacji gazu jest istnienie wolnych elektronów poddanych
działaniu pola elektrycznego . W każdym gazie znajdują się wolne elektrony , co jest wynikiem działania
promieni kosmicznych i świetlnych lub zderzeń cząstek gazu o różnicy prędkości wystarczającej do wytrącenia
elektronu . Prędkość przeciętna cząstek gazu może być wielokrotnie mniejsza .
Na wolne elektrony znajdujące się w polu elektrycznym o natężeniu K działa siła
F=Ke ; e – ładunek elektronu
Pod wpływem tej siły elektrony poruszają się ruchem jednostajnie przyspieszonym , przeciwnie do kierunku pola
. Jeżeli elektron porusza się bez przeszkód , to po przebyciu drogi dx uzyska dodatkową energię dA . Energia na
drodze l , między punktami 1 i 2
A=
∫
=
2
1
21
eUKedx U
21
– różnica potencjałów między 1 i 2
Energia ta w całości zostaje zamieniona na energię kinetyczną
ee
mvm
2
1
2
1
2
2
=
v
1
2
+eU
21
, v
2
=
2
1
21
2
v
m
eU
e
+
; v
1
,v
2
–prędkości elektronu w punktach 1i2.
Po przebyciu drogi o różnicy potencjałów 1V elektron porusza się z prędkością 593 km/h .
Elektron w gazie porusza się ruchem jednostajnie przyspieszonym do chwili zderzenia z cząsteczką gazu .
Prawdopodobieństwo takiego zderzenia jest tym większe im gęstość rozmieszczenia cząsteczek w gazie jest
większa . Drogę elektronu przebytą do chwili zderzenia nazywamy drogą swobodną elektronu d . Na drodze
swobodnej elektron , pozostający uprzednio w spoczynku osiąga prędkość
V=
e
m
Ked2
Wytrącenie kolejnego elektronu przy zderzeniu z cząsteczką gazu nastąpi , jeżeli energia kinetyczna
uderzającego elektronu jest większa od energii jonizacji . Dla osiągnięcia tej energii elektron musi przebyć drogę
o różnicy potencjałów U
j
, zwanej potencjałem jonizującym . Warunkiem wytrącenia elektronu jest więc
następujący
jjee
eUvmvm =≥
22
2
1
2
1
Nierówność może być spełnione również wtedy , gdy elektron przebył drogą o różnicy potencjałów U mniejszej
od U
j
. Występuje to w przypadkach , gdy elektron w chwili poddania go działaniu pola elektrycznego miał już
prędkość v
1
i przemieszczał się w kierunku działania siły F . Energia jonizacji nie zależy od temperatury ani
ciśnienia gazu .
Jonizacja termiczna gazu .
Gaz jest mieszaniną cząsteczek i atomów elektrycznie obojętnych oraz jonów i elektronów decydujących o jego
przewodności elektrycznej . Cząsteczki gazu w stanie równowagi cieplnej pozostają w ciągłym ruchu w różnych
kierunkach (ruchy Browna ) . Prędkości poszczególnych cząsteczek gazu są różne , a rozkłady gęstości
prawdopodobieństwa występowania cząsteczek o określonej prędkości są rozkładami statystycznymi . Dla gazów
elektrycznie obojętnych oraz gazów , w których jony i elektrony stanowią jedynie kilka procent ogólnej liczby
cząsteczek obojętnych , rozkład prędkości cząsteczek odpowiada rozkładowi Maxwella . Na podstawie tego
rozkładu można wyznaczyć względną liczbę cząsteczek o prędkościach zawartych w określonych przedziale
prędkości v
1
—v
2
, lub o energiach kinetycznych odpowiadających tym prędkościom . Prędkość najbardziej
prawdopodobna
V
p
=
M
k
ϑ
2
,
ϑ
-- temperatura , M – masa cząsteczki .
- 30 -
a prędkość średnia kwadratowa , odpowiadająca średniej energii kinetycznej cząstek
v
k
=
M
k
ϑ
3
Średnia energia kinetyczna ruchu postępowego cząsteczki
A
k
=
ϑ
kMv
k
2
3
2
1
2
=
Energia A
k
nie zależy od rodzaju gazu , lecz jedynie od temperatury
ϑ
. Energia kinetyczna cząsteczek gazu w
temperaturze kilkudziesięciu stopni Celsjusza jest znacznie mniejsza od energii jonizacji (ok.14eV) . Zderzenia
cząsteczek gazu są sprężyste , prowadzą jedynie do zmian energii kinetycznej cząsteczek biorących udział w
zderzeniach . Ze wzrostem temperatury wzrasta prędkość cząsteczek i ich energia kinetyczna . Cząsteczki
osiągają energie wystarczającą do zjonizowania innych cząsteczek dopiero w temperaturze (8—10)*10
3
K.
Jonizacja termiczna elektrod .
W metalach znajduje się pewna liczba elektronów pozostających w ciągłym ruchu podobnym do ruchu
cząsteczek gazu . Im wyższa jest temperatura metalu , tym więcej jest swobodnych elektronów i tym większa jest
ich prędkość . Elektrony poruszają się z prędkością
V=
e
m
k
ϑ
3
Elektrony są utrzymywane w metalu pod wpływem sił wypadkowych , skierowanych do wewnątrz metalu i
tworzących tzw. barierę potencjału . Elektron jest w stanie opuścić metal , jeżeli składowa normalna jego
prędkości do powierzchni metalu v
n
spełnia zależność
wwne
eVAvm =≥
2
2
1
, w której A
w
=A
c
-A
F
, A
w
,V
w
—praca i potencjał wyjścia elektronu , A
c
całkowita praca wyjścia , A
F
– energia poziomu Fermiego .
Prawdopodobieństwo wyjścia elektronu z metalu o danej temperaturze zależy od kształtu bariery potencjału ,
zależnej od natężenia zewnętrznego pola elektrycznego . Nierówność powierzchni elektrod powodują miejscowe
zwiększenie natężenia pola , co może powodować wyjście z metalu elektronów o energiach mniejszych od A
w
.
Liczba elektronów zdolnych do opuszczenia metalu zależy od ich energii kinetycznej (prędkości ) , zależnej od
temperatury . Znaczne gęstości , powstającego pod wpływem emisji cieplnej , prądu elektronów występują w
temperaturach (4—5)*10
3
K . Mogą one zatem zachodzić w materiałach o wysokich temperaturach parowania .
Stosowane na styki w przyrządach rozdzielczych metale odznaczają się stosunkowo niską temperaturą parowania
i emisja cieplna elektronów , w tych przypadkach , nie odgrywa większej roli .
Fotojonizacja .
Do zjonizowania gazu lub par metali przez foton (kwant energii promienistej ) potrzeba , by jego energia była co
najmniej równa hv
≥
A
j
, h – stała Planka , v – częstotliwość drgań emitowanego promieniowania ,
Długość fali promieniowania powinna być mniejsza od długości granicznej
λ
q
6
10
23,1
−
⋅=
j
q
A
λ
Energia fotonu w zakresie promieniowania widzialnego jest mniejsza od A
j
. Bezpośrednia jonizacja pod
wpływem tych promieni jest mało prawdopodobna . Energia ta może być jednak wystarczająca do tzw.
wzbudzenia atomu (przesunięcia jednego z elektronów na orbitę bardziej odległą od jądra) . Energia potrzebna
do zjonizowania wzbudzonego atomu jest mniejsza od energii jonizacji nie wzbudzonego atomu , co ułatwia
jonizację na innej drodze .
Pyt.38 PODSTAWY FIZYCZNE GASZENIA ŁUKU.
To pytanie pokrywa się z moim (Zuchu) pytaniem nr 42 oraz 43.
Pyt.39 Uproszczony obraz łuku.
ZAPALENIE SIĘ ŁUKU ELEKTRYCZNEGO POMIĘDZY ROZCHODZĄCYMI SIĘ STYKAMI
ŁĄCZNIKÓW.
W chwili poprzedzającej rozchodzenie się styków gwałtownie maleje siła docisku powierzchni styków w wyniku
czego wzrasta rezystancja przejścia . Przepływający prąd powoduje silne miejscowe nagrzanie powierzchni
styków w miejscach wzajemnej styczności . Pod wpływem wysokiej temperatury wydzielają się pary metalu oraz
zachodzi jonizacja termiczna elektrod . W chwili utraty metalicznej styczności między stykami pojawia się
- 31 -
bardzo silne pole elektryczne , zapoczątkowuje jonizację zderzeniową . Elektrony poddane działaniu silnego pola
elektrycznego osiągają energię wystarczającą do zjonizowania , mających niewielki potencjał jonizacyjny , par
metali znajdujących się w przestrzeni międzystykowej. W bardzo krótkim czasie zachodzi lawinowa jonizacja
cząsteczek gazu znajdujących się między stykami i zapalenie się łuku elektrycznego .
Jest to początkowo łuk krótki (kilka milimetrów). W miarę rozchodzenia się styków łuk się wydłuża przechodząc
w łuk długi , charakteryzujący się wysokimi temperaturami kolumny łukowej wynoszącymi (6÷20)•10
3
K w
zależności od warunków chłodzenia .
CHARAKTERYSTYKA PRĄDOWO-NAPIĘCIOWA ŁUKU .
W łuku elektrycznym palącym się między elektrodami K-A można wyróżnić następujące charakterystyczne
obszary (rys.) . W pobliżu katody występuje strefa katodowego spadku napięcia (U
k
=8÷20 V)wywołana
ładunkiem przestrzennym jonów dodatnich napływających z kolumny łukowej oraz zjonizowanych w tej
przestrzeni . Grubość strefy katodowej wynosi 10
-5
÷10
-4
cm .Przestrzeń przy anodzie zajmuje strefa anodowego
spadku napięcia (U
A
=2÷6 V) o znacznej przewadze elektronów nad jonami. Grubość tej strefy wynosi
10
-3
÷10
-4
cm . Główną część łuku stanowi kolumna łukowa , łącząca się ze strefą katodową i anodową przez tzw.
strefy przejściowe . Kolumna łukowa odznacza się równomierną koncentracją jonów dodatnich i elektronów oraz
stałym natężeniem pola (ok. 50V/cm) i wysoką temperaturą (6÷12)•10
3
K . W łuku intensywnie chłodzonym
temperatura dochodzi do (10÷15)•10
3
K , a natężenie pola do 200V/cm . Wysoka temperatura łuku jest
spowodowana tym , że energia pobrana przez elektrony przechodzące w polu elektrycznym przekształca się w
energię kinematyczną elektronów , które przy zderzeniach sprężystych z cząsteczkami obojętnymi i jonami
dodatnimi oddają im część swej energii . Dostarczona do kolumny łukowej energia elektryczna za
pośrednictwem elektronów zamienia się w energię kinetyczną wszystkich cząstek biorących udział w
wyładowaniu . Moc elektryczna łuku pokrywa straty energii cieplnej wskutek chłodzenia .
Rys.5.14. Uproszczony obraz
łuku prądu stałego palącego się
w powietrzu o ciśnieniu
atmosferycznym:
a) oznaczenia stref,
b) rozkład napięcia,
c) rozkład temperatury
ϑ
,
U
K
, U
A
– spadek napięcia
na katodzie i anodzie,
U
ł
– napięcie łuku
W zależności od długości kolumny łukowej można wyróżnić :
- łuk długi , w którym decydujące znaczenie mają zjawiska zachodzące w kolumnie ;
- łuk krótki , w którym zjawiska przyelektrodowe mogą odgrywać istotne znaczenie w procesie zapłonu i
gaśnięcia łuku ;
Zależność napięcia łuku od natężenia prądu nazywamy charakterystyką łuku . Rozróżnia się charakterystykę
statyczną i dynamiczną łuku .
- 32 -
Rys.5.15. Statyczna (1)i dynamiczne (2
÷
5) charakterystyki prądowo-
napięciowe łuku: 1 - di
ł
/dt
≈
0, 2 - di
ł
/dt>0, 3;4 - di
ł
/dt<0,
5 - di
ł
/dt
→∞
, u
z
, u
g
– napięcie zapłonu, gaszenia łuku, i
ł
– prąd łuku,
U
ł
– napięcie łuku
W łuku elektrycznym prądu przemiennego , niezależnie od stopnia zjonizowania przestrzeni między elektrodami
prąd co pół okresu ma wartość równą zeru i zmienia kierunek przepływu . łuk zapala się , gdy napięcie osiąga
wartość napięcia zapłonu u
z
i gaśnie , gdy napięcie łuku jest mniejsze od napięcia gaszenia łuku u
g
.
Ponieważ przy prądzie przemiennym di/dt≠0 charakterystyka łuku jest charakterystyką dynamiczną . Napięcie
gaszenia jest mniejsze od napięcia zapłonu łuku (u
g
<u
z
) .
Rys.5.16. Prąd i
ł
) i napięcie łuku (u
ł
) w obwodzie prądu przemiennego: a) schemat obwodu, b) przebiegi przy
R=0, L
≠
0, e- przebieg napięcia zasilającego; u
z
, u
g
– napięcie zapłonu i gaszenia łuku; t
p
- czas przerwy
bezprądowej; Os - oscyloskop
W obwodzie zawierającym tylko rezystancję (rys.a) w chwili przejścia prądu przez zero napięcie zasilające ma
również wartość zerową . Uzyskuje się korzystne warunki gaszenia łuku . W obwodach o przewadze reaktancji
(rys.b) wchwili przejścia prądu przez zero napięcie zasilające ma wartość bliską maksymalnej . O ponownym
zapłonie decyduje nie tylko jonizacja termiczna lecz także jonizacja zderzeniowa . Warunki gaszenia łuku w
obwodach zawierających indukcyjność są gorsze niż w obwodach zawierających tylko rezystancję . Czas
przerwy bez prądowej jest też krótszy .
Pyt.41. Kryteria doboru szyn.
W zasadzie to pytanie zostało już opracowane (bardzo dobrze) przez Lecha (pyt. 35).
Z obowiązku powtórzę tylko najważniejsze rzeczy.
Dobór układów szynowych ze względu na :
- obciążenie długotrwałe prądem
- 33 -
- oddziaływanie dynamiczne i cieplne prądu zwarciowego
- spadki napięć (w przypadku długich szyn)
Dobór szyn ze względu na obciążenie długotrwałe prądem :
Prąd ten jest długotrwały jeżeli wywoła pewne skutki nagrzania przewodu do temperatury granicznej
długotrwałej. Aby nie nastąpiło przekroczenie tej temperatury I
dd
≥ I
obl
.
Na nagrzewanie się szyny wpływ ma:
- malowanie (zapobiega utlenianiu się materiału co powoduje lepsze oddawanie ciepła przez szynę)
- ułożenie na płask lub żebro (lepsze oddawanie ciepła jest przy ułożeniu na żebro)
- sposób ułożenia szyn (lepsze oddawanie ciepła przy poziomym ułożeniu szyny)
- temperatura otoczenia (im temp. wyższa tym ∆ϑ
dop
niższa)
- ilość szyn w pakiecie (im więcej szyn w pakiecie tym prąd dopuszczalny długotrwale jest niższy
Dobór szyn ze względu na działanie prądu zwarciowego :
Wytrzymałość dynamiczną określa norma.
W wyniku przepływu prądu zwarciowego przez szyny występują obciążenia dynamiczne. Oddziaływanie
dynamiczne pochodzi od wzajemnego oddziaływania faz między sobą oraz w pakiecie (od asymetrii obciążenia
szyn). Siły występujące w przewodzie szynowym : σ = σ
f
+ σ
p
≤ σ
dop
Dokładne obliczenie sił oddziaływania jest niemożliwe ponieważ układ jest dynamiczny (obciążenie przewodu w
czasie jest zmienne). W praktyce korzysta się z metod przybliżonych, które polegają na układaniu tzw.
przewodów sztywnych.
Ta metoda wymaga pewnych założeń:
- obciążenie elektrodynamiczne określa się tak jak dla torów szynowych nieskończenie długich (przęsła
końcowe mają mniejszy moment przy skończonej długości szyny)
- obciążenie przęseł środkowych jest równe obciążeniu dynamicznemu
- obciążenie elektrodynamiczne jest prostopadłe do osi szyny i wywołuje tylko moment gnący
- obciążenie elektrodynamiczne oblicza się biorąc pod uwagę I
max
- naprężenia mechaniczne oblicza się przyjmując, że przewód szynowy stanowi belkę z obciążeniem
elektrodynamicznym
- uwzględnia się możliwość plastycznego odkształcenia szyn
Tok obliczeń wytrzymałości dynamicznych powinien zawierać :
a) obliczenie obciążeń elektrodynamicznych pomiędzy fazami i pakietami
b) wyznaczenie wartości momentów zginających
c) obliczenie częstotliwości drgań własnych przewodu szynowego (wraz z przekładkami i pakietami)
d) obliczenie naprężeń mechanicznych w materiale przewodu (4 metody)
- przy założeniu statycznego charakteru obciążenia i odkształceń sprężystych
- przy uwzględnieniu zmienności obciążenia (potraktowanie układu szynowego jak układu drgającego
mechanicznie; odkształcenia tego typu są odkształceniami sprężystymi)
- przy dopuszczeniu odkształceń plastycznych przewodu szynowego przy obciążeniu statycznym
- przy uwzględnieniu zmienności obciążenia z założeniem odkształcenia plastycznego
(błędy każdej metody są różne)
Pyt. 42. Gaszenie łuku prądu stałego.
Łuk elektryczny w obwodzie prądu stałego zgaśnie,
jeżeli energia odbierana z łuku jest większa od
energii, którą obwód może dostarczyć do łuku
(gaszenie wymuszone). Skuteczność gaszenia
można zwiększyć przez zwiększenie intensywności
odbierania ciepła z łuku. W zamkniętym obwodzie
(rys. 5.17a) płynie prąd
R
E
I
0
0
=
.
W przypadku rozejścia się styków łącznika, przy
spełnieniu warunków palenia się łuku, popłynie
prąd i mniejszy od prądu I
0
musi być spełnione
równanie (5.52)
l
u
dt
di
LRiE ++=
0
w którym u
ł
-
napięcie łuku.
- 34 -
Rys. 5.17. Łuk elektryczny w obwodzie prądu stałego :
a) schemat obwodu,
b) graficzna interpretacja równania (5.22):
1,3 – charakterystyki łuku,
2 – charakterystyka obwodu (E
0
– Ri).
Rozwiązanie graficzne równania (5.52) przedstawiono na rys. 5.17b. Prąd łuku ma ustaloną wartość i
ł2
odpowiadającą punktowi przecięcia się charakterystyki łuku z charakterystyką obwodu (E
0
-Ri). Dla tego punktu
jest spełniony warunek Ldi/dt=0. Przy prądzie łuku o wartości większej od i
ł2
wyrażenie Ldi/dt przyjmuje
wartość ujemną i prąd będzie malał aż do wartości i
ł2
. Przy wartościach prądu mniejszych od i
ł2
, lecz większych
od i
ł1
wyrażenie Ldi/dt ma wartość dodatnią prąd będzie wzrastał aż osiągnie wartość i
ł2
.
Warunki trwałego palenia się łuku, przy ustalonej wartości prądu, są spełnione również dla prądu o wartości i
ł1
.
Jest to punkt tzw. chwiejnego palenia się łuku. Niewielki wzrost prądu ponad i
ł1
spowoduje samoczynny wzrost
prądu aż do wartości i
ł2
, gdyż wyrażenie Ldi/dt w obszarze prądów i
ł1
-i
ł2
ma wartość dodatnią. Zmniejszenie
prądu poniżej i
ł1
prowadzi do zgaśnięcia tuku (Ldi/dt <0).
W analizowanym przypadku prąd łuku nie osiąga wartości i
ł1
, gdyż po otwarciu zestyków łącznika z wartości i
0
zmaleje do i
ł2
i przy danej charakterystyce łuku (krzywa 1) będzie utrzymywał się trwale. Gdyby jednak zestyki
rozchodziły się na coraz większą odległość, charakterystyki łuku będą przebiegały coraz wyżej i prąd i
ł2
będzie
malał. Łuk gaśnie, jeżeli charakterystyka łuku (krzywa 3) nie ma punktów wspólnych z charakterystyką obwodu.
Warunek ten można uzyskać w dwojaki sposób:
1. Podniesienie charakterystyki luku przez zwiększenie długości kolumny łukowej lub zwiększenie intensywności
chłodzenia.
2. Większe nachylenie prostej 2 przez zwiększenie rezystancji obwodu, sposób ten jest trudny do realizacji.
W obwodach rezystancyjnych do zgaśnięcia łuku wystarczy, by charakterystyka łuku nie miała punktów
wspólnych z charakterystyką obwodu. W chwili zgaśnięcia łuku napięcie łuku osiąga wartość napięcia gaszenia
u
g
(rys. 5.17b). Wzrost napięcia ponad, wartość E
0
nazywamy przepięciem łączeniowym. Może ono nawet
kilkakrotnie przewyższać wartość E
0
. Dla uniknięcia przepięcia w wyłącznikach prądu stałego należy dążyć do
jak najniższego przebiegu charakterystyki łuku, takiego jednak, by zgaszenie łuku było możliwe.
Przyspieszenie procesu gaszenia łuku oraz ograniczenie przepięć występujących przy przerywaniu łuku prądu
stałego można uzyskać przez zastosowanie rezystancji bocznikujących zestyki łącznika. Bocznikowanie łuku
rezystancją ułatwia zgaszenie łuku, jednak komplikuje konstrukcję łącznika. Z tego względu podobne
konstrukcje
łączników nie są rozpowszechnione. W układach o niewielkich prądach wyłączeniowych stosuje się
bocznikowanie łuku rezystancją i pojemnością, która spełnia rolę wyłącznika pomocniczego.
Pyt.43. Gaszenie łuku prądu zmiennego.
W obwodach prądu przemiennego, niezależnie od parametrów R, L, C, jeżeli są spełnione warunki palenia się
łuku, łuk zapala się i gaśnie dwukrotnie w ciągu okresu.
Gaszenie łuku polega przede wszystkim na niedopuszczeniu do ponownego zapłonu łuku po przejściu prądu
przez zero. Przed ostatecznym zgaśnięciem łuk może wielokrotnie zapalić się i gasnąć.
Zgaszenie wymuszone luku prądu przemiennego jest możliwe, jeżeli proces gaszenia będzie przebiegał w czasie
krótszym niż pół okresu przed naturalną zmianą kierunku przepływu prądu. Zdarza się to w wyłącznikach
powietrznych przy wyłączeniu prądów o niewielkich natężeniach (prądów roboczych). Ilość powietrza w
zbiornikach .jest przystosowana do przerywania prądów zwarciowych. Prądy o niewielkim natężeniu mogą być
przerywane w sposób wymuszony, przed przejściem prądu przez zero.
Rys. 5.20. Przebiegi prądu i napięcia przy
gaszeniu łuku prądu przemiennego:
a) przy ponownym zapłonie łuku,
b) przy zgaszeniu łuku:
1 – napięcie źródłowe,
2 – natężenie prądu,
3 – krzywe wzrostu wytrzymałości
elektrycznej przerwy,
4 – napięcie powrotne (napięcie łuku)
- 35 -
W czasie przerwy bezprądowej (rys. 5.20) dejonizacja przestrzeni łukowej wpływa na wzrost wytrzymałości
elektrycznej przerwy, natomiast napięcie między stykami łącznika wzrasta od napięcia zgaszenia do chwilowej
wartości napięcia źródłowego. Jeżeli wzrost wytrzymałości elektrycznej przerwy przebiega zbyt wolno (rys.
5.20a), to po czasie t
p
od zaniku prądu następuje ponowny zapłon łuku. Wzrasta prąd a napięcie maleje. Jeżeli
natomiast wytrzymałość elektryczna przerwy zostaje szybko odbudowana (rys. 5.20b), tak że prosta 3 nie
przecina się z krzywą napięcia pojawiającego się na stykach łącznika (napięcia powrotnego), to przeskok nie
powstaje i łuk się nie zapali. Napięcie na elektrodach osiąga wartość napięcia źródła zasilania.
Ze względu jednak na istnienie w obwodzie pojemności C powstają silnie tłumione drgania nakładające się na
napięcie źródła zasilania: Częstotliwość drgań
LC
f
π
2
1
0
≈
W obwodzie nie zawierającym rezystancji amplituda napięcia powrotnego może osiągać wartość 2U
m
,
praktycznie waha się w granicach (1,2÷1,6)U
m
. Zgaszenie łuku następuje tym szybciej, im wolniej wzrasta
napięcie powrotne i im szybciej wzrasta wytrzymałość elektryczna przerwy połukowej.
Pyt. 44. Komory gaszeniowe stosowane w wyłącznikach wysokiego napięcia.
Zgaszenie łuku następuje w chwili, gdy wytrzymałość elektryczna przerwy jest większa. od maksymalnej
wartości napięcia powrotnego. Intensywność procesu gaszenia można zwiększyć przez:
- zwiększenie szybkości narastania wytrzymałości elektrycznej przerwy,
- zmniejszenie szybkości narastania napięcia powrotnego.
Urządzenia gaszące wyłączników wysokonapięciowych mają na celu przede wszystkim przyspieszenie wzrostu
wytrzymałości elektrycznej przerwy. Stosowane w niektórych rozwiązaniach wyłączników układy sterujące
szybkość narastania napięcia powrotnego są uzupełnieniem podstawowych urządzeń gaszących. W praktycznych
rozwiązaniach konstrukcyjnych komór gaszeniowych wyzyskuje się jedno lub kilka zjawisk powodujących
dejonizację kolumny połukowej i wzrost wytrzymałości elektrycznej przerwy:
a) umieszczenie łuku w cieczy (olej, woda) lub w pobliżu niektórych ciał stałych (żywice, pewne gatunki fibry),
wydzielających pod wpływem wysokiej temperatury łuku, duże ilości gazów i par;
b) nagłe obniżenie ciśnienia przestrzeni gazowej, w której płonie łuk;
c) omywanie łuku i kolumny połukowej strumieniem oleju, 1ub par oleju i gazów będących produktem rozkładu
oleju pod wpływem wysokiej temperatury łuku;
d) omywanie łuku i kolumny połukowej strumieniem sprężonego chłodnego powietrza;
e) umieszczenie łuku w atmosferze gazów silnie elektroujemnych, głównie sześciofluorku siarki (SF
6
);
f) zmuszenie łuku do palenia się w wąskich szczelinach między ściankami materiału niegazującego, odpornego
na wysokie temperatury łuku;
g) podział łuku na wiele łuków krótkich palących się między metalowymi płytkami;
h) przemieszczanie łuku w .obszar chłodnych niezjonizowanych gazów (wydmuch elektromagnetyczny);
i) umieszczenie zestyków łącznika w wysokiej próżni.
Procesy przyspieszające wzrost wytrzymałości elektrycznej przerwy odbywają się w specjalnych komorach
gaszeniowych, stanowiących podstawowy element wyłączników wysokonapięciowych. W zależności od tego
jakie zjawisko dominuje w procesie odbudowy wytrzymałości elektrycznej przerwy, rozróżnia się wiele
konstrukcji wyłączników.
7.1.2. Łuk elektryczny w oleju izolacyjnym
Rys. 7.1. Bańka gazowa wytworzona przez łuk elektryczny płonący w oleju:
1 - rdzeń łuku c temperaturze (8
÷
12) 10
3
K,
2 - powłoka gazowa o temperaturze 500
÷
800 K,
3 - silnie nagrzane pary oleju,
4 - warstwa oleju o temperaturze wrzenia,
5 - olej o temperaturze otoczenia
W powstającej przerwie, między stykami łącznika zanurzonego w oleju zapala się łuk. Łuk pali się jednak nie
bezpośrednio w oleju, lecz w przestrzeni gazowej (rys. 7.1) wypełnionej produktami rozkładu i parami oleju,
wywołanymi wysoką temperaturą łuku. Przy przeciętnym składzie oleju wytwarzające się gary zawierają ok. 70%
- 36 -
wodoru, 20% acetylenu i 10% metanu. Ilość innych gazów (tlen, pary metali) jest bardzo mała [poniżej 0,1%).
Pary oleju stanowią ok. 40% objętości bańki gazowej. Ilość rozkładającego się oleju jest nieduża, lecz z 1 g oleju
wytwarza się ok. 1500 cm3 gazu w przeliczeniu na 20°C i 0,1 MPa (1 at). Skład oleju, jego zawilgocenie i
zanieczyszczenie wpływają w bardzo niewielkim stopniu na proces palenia się i gaszenia łuku.
Jeżeli prąd łuku jest niewielki, to powstaje stosunkowo niewielka ilość gazu. Objętość bańki gazowej i jej
ciśnienie zwiększają się powoli. intensywność chłodzenia. łuku zależy od powierzchni chłodzonej (objętości
bańki gazowej) stykającej się z chłodnym olejem oraz od przewodnictwa cieplnego gazów wypełniających
przestrzeń. Ponieważ przewodnictwo cieplne wodoru, stanowiącego główny składnik gazu w przestrzeni
gazowej, jest bardzo dobre (15 razy większe niż powietrza) skuteczność chłodzenia powierzchniowego i
odbieranie energii z przestrzeni łukowej jest znaczna. Łuk gaśnie, gdy zostanie rozciągnięty na długość, przy
której nie nastąpi kolejny zapłon.
Proces gaszenia łuku prądu o dużym natężeniu przebiega odmiennie. Duża energia łuku powoduje wytworzenie
dużej ilości gazów, które jednak ze względu na bezwładność oleju nie mogą dostatecznie szybko powiększać
swojej objętości, co wywołuje wzrost ciśnienia gazu do I MPa i większego. W bańce gazowej (rys. 7.1)
występują obszary o bardzo różniących się temperaturach i różnym stopniu jonizacji gazów. Od chwili
naturalnego zgaśnięcia łuku zachodzą burzliwe ruchy par i gazów oleju, prowadzące do szybkiego wyrównania
się temperatury i ciśnienia. Następuje obniżenie temperatury i ciśnienia oraz intensywna dejonizacja przerwy
międzystykowej. Warstwy oleju na powierzchni bańki gazowej, nagrzane do temperatury wrzenia, przy
obniżonym ciśnieniu gwałtownie parują zwiększając jeszcze bardziej intensywność procesu dejonizacji.
Zjawisko obniżenia ciśnienia i gwałtownego parowania oleju podczas przerwy bezprądowej jest wzmocnione
wskutek powiększania się objętości bańki po naturalnym zaniku prądu. Podczas palenia się łuku i powiększania
się objętości gazu cząsteczki oleju otaczające bańkę nabierają pewnej prędkości i energii kinetycznej
prowadzącej do dalszego wzrostu objętości gazów pomimo zaniku energii dostarczanej do łuku, Wzrost
objętości i spadek ciśnienia są tym szybsze, im szybciej powiększała się objętość przestrzeni gazowej przed
zgaśnięciem łuku.
Rys. 7.2. Zależność czasu łukowego od prądu łuku w
wyłącznikach cieczowych :
I
kr
– prąd krytyczny, przy którym czas łukowy jest najdłuższy
Opisane zjawiska powodują, że przy wzroście natężenia prądu poprawiają się warunki gaszenia łuku w oleju,
gdyż wzrasta intensywność procesów dejonizacyjnych. Przy dużych prądach łuku decydujące znaczenie ma
wnętrzowe chłodzenie kolumny łukowej i połukowej. Czas palenia się łuku zależy od wartości wyłączanego
prądu (rys. 7.2).
Wyłączniki pełnoolejowe zwykłe
Wyłączniki pełnoolejowe buduje się obecnie przeważnie jako jednozbiornikowe, dwuprzerwowe .
W chwili rozdzielania się styków łącznika między stykami zapala się łuk, wokół którego tworzą się bańki gazowe
zawierające produkty rozkładu oleju. W czasie przerwy bezprądowej zachodzą opisane w p. 7.1.2 procesy
dejonizacyjne prowadzące do wzrostu wytrzymałości elektrycznej przerwy. Siły dynamiczne między
poszczególnymi łukami oraz między łukiem a stalowymi ściankami zbiornika przyspieszają proces gaszenia łuku,
gdyż powodują przesunięcie łuku ze strefy środkowej w obszar gazów o niższej temperaturze. Oddziaływania
elektrodynamiczne są większe w wyłącznikach jednozbiornikowych, gdyż większe jest oddziaływanie pola
magnetycznego blisko położonych biegunów sąsiednich faz.
Ilość rozkładanego oleju, a zatem ilość gazów i par oleju zależy od natężenia przerywanego prądu. Ponieważ olej
praktycznie jest nieściśliwy, bańki gazowe mogą powiększać swoją objętość sprężając powietrze zawarte w
"poduszce powietrznej".
Ze względu na bezwładność oleju powiększanie objętości strefy gazowej nie zachodzi dostatecznie szybko i w
strefie gazowej powstaje ciśnienie przenoszone na ścianki zbiornika. Przy dostatecznie dużym prądzie, ciśnienie
to-może wzrosnąć powyżej wytrzymałości zbiornika powodując jego rozerwanie. Podczas procesu wyłączania
szybkość poruszania się oleju wzrasta i w końcowym stadium olej silnie uderza o pokrywę. Warstwa powietrza
- 37 -
nad olejem łagodzi uderzenia, a do odprowadzenia gazów przy podnoszeniu. się poziomu oleju, służą otwory w
pokrywie zbiornika przepuszczające swobodnie gaz, lecz przedstawiające dla przepływu cieczy znaczne opory.
Jeżeli powietrze z górnej przestrzeni. wyłącznika zostanie wyłączone przed zgaśnięciem łuku, to ciśnienie w
zbiorniku gwałtownie rośnie, gdyż ilość oleju jaka może być wyrzucona otworem jest niewielka.
W wyłącznikach pełnoolejowych możliwy jest jeszcze inny mechanizm powstawania zagrożenia wybuchu i
rozerwania zbiornika. Gaz że strefy gazowej wydobywa się ponad poziom oleju i miesza się z powietrzem pod
pokrywą wyłącznika. Przy określonym stosunku powietrza i wodoru tworzy się mieszanina wybuchowa, która
pod wpływem wysokiej temperatury wybucha. Prawdopodobieństwo takiego zdarzenia jest bardzo małe ze
względu na wymaganą proporcję wodoru i powietrza w mieszaninie jak również to, że już kilkucentymetrowa
warstwa oleju ochładza wydobywające się gazy do temperatury nie wywołującej samozapalenia się mieszaniny
wybuchowej, jeżeli ta pod pokrywą się wytworzyła.
Wybuch wyłącznika pełnoolejowego prowadzi nie tylko do zniszczenia samego wyłącznika, lecz także może
wywołać pożar i zniszczenie pomieszczenia, w którym się znajdował. Gazy zjonizowane i sadza z płonącego
oleju mogą być przyczyną uszkodzeń w innych, nawet odległych obwodach rozdzielni. Wybuch wyłącznika
pociąga za sobą zawsze długotrwałą przerwę w ruchu.
Wyłączniki pełnoolejowe z komorami gaszeniowymi.
Olej zawarty w zbiorniku wyłącznika pełnoolejowego spełnia przede wszystkim funkcję izolatora. W procesie
gaszenia bierze udział tylko niewielka ilość oleju pozostająca najbliżej rozdzielających się styków łącznik 2.
Zastosowanie specjalnych komór gaszeniowych (przymocowanych do izolatorów przepustowych), obejmujących
styki łącznika, pozwoliło na zwiększenie mocy wyłączalnej wyłączników przy zmniejszeniu ich gabarytów i
ilości oleju. W komorze gaszeniowej można stworzyć lepsze warunki gaszenia łuku niż przy swobodnym
gaszeniu łuku bezpośrednio w zbiorniku. Bieguny poszczególnych faz mogą być położone bliżej ścianek
zbiornika ze względu na osłonięcie łuku. Opracowano wiele konstrukcji komór gaszeniowych wyłączników
pełnoolejowych (podłużnostrumieniowe , poprzecznostrumieniowe,o szczelinach dejonizacyjnych,
wieloprzerwowe i in.). Konstrukcje komór gaszeniowych opracowane do wyłączników pełnoolejowych są
stosowane w innych typach wyłączników, przede wszystkim małoolejowych .
Wyłączniki małoolejowe
llość oleju potrzebna do prawidłowego procesu gaszenia łuku jest niewielka. Zastąpienie izolacji olejowej
materiałami izolacyjnymi stałymi (porcelana, papier, płótno bakelizowanie, żywice} umożliwiło konstrukcję
wyłączników o małej zawartości oleju - wyłączników małoolejowych. Masa oleju zawarta w trzech biegunach
wyłącznika matoolejowego zależy od konstrukcji oraz parametrów łącznika i wynosi od kilku kilogramów w
wyłącznikach na napięcia znamionowe 10 kV do ok. 220 kg w wyłącznikach na napięcie, 110 kV. Stanowi to
jedynie kilka procent masy oleju zawartego w wyłącznikach pełnoolejowych o podobnych parametrach.
Najczęściej spotykane konstrukcje komór gaszeniowych wyłączników małoolejowych to komory (rys..7.7)
podłużno i poprzecznostrumieniowe baz łuku pomocniczego oraz komory różnicowa (z tłokiem różnicowym),
Komory gaszeniowe o podanej lub podobnej konstrukcji są budowane z materiałów o bardzo dużej
wytrzymałości mechanicznej (żywice epoksydowe z włóknem szklanym jako wypełniaczem).Gazy i pary
powstające W procesie wyłączania mają początkowo bardzo utrudnioną drogę wydostania się na zewnątrz, w
wyniku czego ciśnienie w komorze przy wyłączaniu dużych prądów może dochodzić do kilkudziesięciu
megapaskali. W celu ograniczenia ciśnienia są stosowane rozwiązania, w których możliwe jest wydobywanie się
części gazów i par poza obszar
właściwej komory . W komorze tej przy wzroście ciśnienia ponad określoną wartość następuje ściśnięcie
sprężyn i odsłonięcie otworów wylotowych co umożliwia wydobycie się części gazów poza obszar właściwej
komory.
7.1.3. Łuk elektryczny w wodzie
Łuk nie pali się bezpośrednio w wodzie, lecz w bańce gazowej utworzonej z wodoru, tlenu i przegrzanej pary
wodnej, będących produktami rozkładu wody pod wpływem wysokiej temperatury łuku. Proces palenia się i
przebieg zjawisk określających warunki gaszenia łuku są bardzo podobne jak w przypadku palenia się łuku w
oleju. Woda jako gasiwo łuku ma, w porównaniu z olejem, zalety i wady. Do zalet należy zaliczyć:
a) niepalność ,
b) niewydzielanie , pod wpływem wysokiej temperatury, dymów i sadzy;
c) odwracalność w znacznej mierze, procesu rozkładu;
do wad zaś:
a) wysoką temperaturę zamarzania, b) silne własności korozyjne,
c) możliwość powstawania procesów gnilnych,
d) konieczność stosowania dodatkowej przerwy izolacyjnej ze względu na złe własności izolacyjne wody i
możliwość ponownych przeskoków po zgaszeniu łuku. W celu wyeliminowania niektórych wad wody, jako
gasiwo stosuje się
- 38 -
nie wody czystej, lecz z dodatkiem glikolu.
Wyłączniki wodne (ekspansyjne)
Wyłączniki wodne należą do starszych konstrukcji wyłączników i obecnie są już mało rozpowszechnione: Pod
względem konstrukcyjnym są nieco zbliżone do wyłączników małoolejowych.
Najbardziej rozpowszechnioną konstrukcją były wyłączniki z komorami gaszeniowymi elastycznymi, w których
ciśnienie było niezależne od wartości przerywanego prądu i zawierało się w granicach 1÷1,5 MPa (10÷15 at), a
zatem w zakresie ciśnień, w których intensywność ochłodzenia się gazów przy rozprężaniu (ekspansji) jest
największa.
Wyłączniki ekspansyjne o podanych konstrukcjach komór budowano na napięcia do 20 kV i niewielkie moce
wyłączalne. Przy wyższych napięciach stosowano komory wtryskowe i wielokrotne, w których ciecz do górnej
części komory jest wtryskiwana dopiero przy wyłączaniu, a rozprężanie gazów i pary odbywa się nad cieczą.
7.1.4. Łuk elektryczny w strumieniu gazu
Jeżeli łuk jest intensywnie omywany strumieniem chłodnego gazu, to wszystkie cząsteczki gazu: gorące
wypełniające kolumnę łukową i chłodne znajdujące się poza nią, poruszają się zgodnie z ruchem strumienia gazu.
Wpadające do łuku cząsteczki gazu nagrzewają się do temperatury łuku, jonizują się, zmieniają swoje położenie
aż w końcu opuszczają kolumnę łuku. W ten sposób nagrzewają się coraz nowe cząsteczki. gazu a nagrzane i
zjonizowane są usuwane poza obszar wyładowania. Jest to związane z bardzo intensywnym chłodzeniem
kolumny łukowej. Dejonizacja następuje w wyniku chłodzenia haku i mechanicznego usuwania cząsteczek
zjonizowanych. Intensywność chłodzenia i dejonizacji zależy od rodzaju oraz prędkości cząsteczek gazu
omywających kolumnę łukową.
Zjawisko intensywnego chłodzenia i dejonizacji kolumny łukowej w strumieniu sprężonego gazu jest
wyzyskiwane do gaszenia łuku w wyłącznikach pneumatycznych (powietrznych i z sześciofluorkiem siarki) oraz
w wyłącznikach gazowydmuchowych i niektórych magnetowydmuchowych.
7.2.4. Wyłączniki pneumatyczne
Gaszenie łuku następuje pod wpływem sprężonego powietrza o ciśnieniu 1÷2 MPa (10÷20 at), a niekiedy i
wyższym, wydobywającego się ze zbiornika i przepływającego poprzez elementy komory gaszeniowej, między
którymi płonie łuk. Zgaszenie łuku zachodzi w wyniku jego intensywnego .chłodzenia przez zimne powietrze
oraz w wyniku mechanicznego wydmuchiwania zjonizowanych cząsteczek gazów poza obszar łuku.
Ilość powietrza wprowadzona do zgaszenia łuku jest każdorazowo stała i przystosowana do przerywania
największego dla danego wyłącznika prądu. Przy przerywaniu prądów małych zgaszenie łuku może nastąpić
przed naturalnym przejściem prądu przez zero, co może być przyczyną przepięć o przebiegu oscylacyjnym. Dla
wytłumienia drgań oraz zmniejszenia stromości narastania napięcia powrotnego wyłączniki powietrzne są
wyposażone w oporniki tłumiące, przyłączone równolegle do przerwy.
W zależności od kierunku ruchu sprężonego powietrza w stosunku do osi łuku, komory gaszeniowe wyłączników
pneumatycznych dzieli się na:
- podłużnostrumieniowe,
- poprzecmostrumieniowe,
- promieniowostrumieniowe.
Wyłączniki pneumatyczne powietrzne są budowane w bardzo szerokim zakresie napięć. Najwyższe napięcia
znamionowe wynoszą 380 i 500 kV, a moce wyłączalne do kilkudziesięciu tysięcy megawoltoamperów.
W zakresie średnich napięć wyłączniki powietrzne są budowane obecnie przeważnie jako tzw. ciężkie wyłączniki
generatorowe, przeznaczone do współpracy z jednostkami generatorowymi najwyższych mocy. Wyłączniki
charakteryzują się bardzo dużymi prądami znamionowymi (12÷36 kA), dużymi prądami wyłączalnymi
(100=,200kA) przy napięciu 20÷28 kV. Przy dużych prądach znamionowych jest stosowane chłodzenie wodne
najbardziej narażonych termicznie elementów wyłącznika.
7.2.5. Wyłączniki z sześciofluorkiem siarki
Stosowane powszechnie jako gasiwo w wyłącznikach pneumatycznych powietrze jest jednym z najgorszych
gazów pod względem zdolności do gaszenia łuku. Zastosowanie gasiwa o własnościach lepszych od powietrza
stwarza możliwość konstrukcji wyłączników pneumatycznych o bardzo dobrych parametrach. Udaną konstrukcją
ostatnich lat są wyłączniki z sześciofluorkiem siarki (SF
6
).
Sześciofluorek siarki jest gazem bezbarwnym, bezwonnym, niepalnym i nietrującym. Wytrzymałość elektryczna
SF
6
przy ciśnieniu atmosferycznym jest 2÷3 razy większa niż powietrza a przy ciśnieniu ok.: 0,2 MPa (2 at) jest
tego samego rzędu co oleju.
Wybitnie elektroujemne własności sześciofluorku siarki powodują, że w nieruchomym gazie można zgasić łuk
prądu o natężeniu ok. l00 razy większym niż w powietrzu. Wyjaśnia się to wielkim powinowactwem cząsteczek
SF
6
do elektronów. Cząsteczki gazu przyciągają wolne elektrony w strefie łuku i tworzą ujemne jony o dużej
bezwładności. Zachodzi również zjawisko neutralizacji jonów ujemnych i dodatnich, w wyniku którego tworzą
się dwie cząsteczki obojętne nie biorące udziału w przewodzeniu prądu: Dejonizacja kolumny połukowej jest
bardzo intensywna, a wzrost wytrzymałości elektrycznej przerwy bardzo szybki.
- 39 -
W wyłącznikach sześciofluorek siarki spełnia rolę izolacji oraz środka gaszącego łuk. Stosowane są obecnie dwie
techniki gaszenia łuku: dwuciśnieniowa oraz jednociśnieniowa.
Sześciofluorek siaki pracuje w obiegu zamkniętym, ubytek gazu wskutek nieszczelności zbiornika głównego i
rozkładu wskutek wysokiej temperatury łuku jest niewielki, tak że nie zachodzi potrzeba uzupełnienia gazu
między kolejnymi przeglądami rewizyjnymi wyłącznika (co 6÷10 lat). Ciepło. łuku rozkłada się w niewielkim
stopniu SF
6
na silnie toksyczne oraz powodujące niszczenie metali i materiałów izolacyjnych podfluorki siarki
(SF
2
, SF
4
). Produkty rozpadu są łatwo absorbowane przez filtry zawierające aktywne tlenki aluminium (Al
2
0
3
).
Wyłączniki z sześciofluorkiem siarki są powszechnie stosowane w rozdzielnicach hermetycznych
(okapturzonych) 110 kV i wyższych napięć. Przewiduje się rozwój i rozpowszechnienie tego typu wyłączników.
7.2.7. Wyłączniki gazowydmuchowe
W wyłącznikach gazowydmuchowych łuk jest gaszony strumieniem gazu wydzielającego się z tulei otaczającej
styki łącznika i ze ścianek komory gaszeniowej. Dejonizacja kolumny połukowej polega głównie na chłodzeniu
wnętrzowym przez cząsteczki gazu odrywające się od powierzchni materiału gazującego. Jako materiał gazujący
stosuje się żywice, szkło organiczne i pewne gatunki fibry wydzielające pod wpływem wysokiej temperatury
duże ilości gazów, przede wszystkim wodoru i dwutlenku węgla.
Konstrukcja komory gaszeniowej wyłączników gazowydmuchowych zapewnia dobrą styczność łuku,
powstającego w chwili rozdzielania się styków łącznika z materiałem gazującym. Ponieważ ilość gazu
wytwarzającego się w chwili wyłączania zależy od natężenia przerywanego prądu, konstrukcja komory musi być
taka, aby ilość gazu wytwarzanego przy przerywaniu niewielkich prądów była wystarczająca do szybkiego
zgaszenia łuku a jednocześnie nie następowało nadmierne zużycie materiału gazującego i nadmierny wzrost
ciśnienia w komorze przy przerywaniu prądów dużych. Zadanie to rozwiązano przez utworzenie w tulei z
materiału gazującego otworów wylotowych odsłanianych przez styk ruchomy po upływie ok. 0,01 s od chwili
rozpoczęcia procesu wyłączenia i zapłonu łuku.
Przy przerywaniu prądów o dużych średnich natężeniach ciśnienie gazów wytworzonych w tym czasie jest tak
duże, że doprowadza do zgaszenia łuku przy najbliższym przejściu prądu przez zero. Przy małych prądach łuk
gaśnie po dłuższym czasie, gdy styki rozejdą się na większą odległość. Powierzchnia zetknięcia się łuku z
materiałem gazującym jest wtedy duża, a ilość wytworzonego gazu wystarczająca do zgaszenia łuku, które
następuje po 1,5÷2 okresach.
Komory wyłączników gazowydmuchowych są bardzo proste. Wadą ich jest natomiast zużywanie się materiału.
gazującego w procesie wyłączania i konieczność wymiany zużywających się elementów komory. Zużycie
materiału izolacyjnego jest jednak niewielkie i pozwala na co najmniej 5-krotne wyłączenie prądu zwarciowego
odpowiadającego znamionowej wartości mocy wyłączalnej. Przy wyłączaniu mniejszych prądów zużycie jest
odpowiednio mniejsze.
Opisana zasada gaszenia łuku jest obecnie często stosowana w konstrukcji rozłączników.
7.2.8. Wyłączniki magnetowydmuchowe
W wyłącznikach magnetowydmuchowych jest wyzyskane zjawisko przemieszczania się łuku pod wpływem pola
magnetycznego. Rozróżnia się dwa rodzaje komór gaszeniowych wyłączników· magnetowydmuchowych.
- z płytkami metalowymi (komory dejonizacyjne),
- wąskoszczelinowe.
W komorach dejonizacyjnych jest wyzyskane zjawisko dużej wytrzymałości warstwy przykatodowej przy
przejściu prądu przez zero. Łuk dzieli się na wiele łuków krótkich palących się między płytkami metalowymi,
których liczba powinna być taka, aby napięcie między sąsiednimi płytkami wynosiło ok. 130 V. Ponadto pod
wpływem pola magnetycznego łuk wydłuża się wskutek przemieszczania wzdłuż płytek metalowych, Zwiększa to
intensywność chłodzenia łuku, a zatem szybkość dejonizacji i wzrostu wytrzymałości elektrycznej przerwy.
W komorach wąskoszczelinowych gaszenie łuku polega na znacznym wydłużeniu łuku i zmuszeniu go, w wyniku
oddziaływania pola magnetycznego, do palenia się w wąskich szczelinach, między ściankami materiału
odpornego na wysoką temperaturę łuku. Następuje intensywne odbieranie ciepła z łuku i dejonizacja kolumny
łukowej.
W niektórych konstrukcjach komór wąskoszczelinowych zachodzi jednoczesny podział łuku na wiele łuków
krótkich i zwiększenie w ten sposób szybkości odbudowy wytrzymałości elektrycznej przerwy.
Wyłączniki magnetowydmuchowe odznaczają się dużą trwałością mechaniczną, wobec czego nadają się do
stosowania w obwodach, w których jest wymagana duża częstość łączeń. Ze względu na znaczne trudności
rozwiązania układu izolacyjnego komór gaszeniowych, wyłączniki te są budowane na napięcia nie
przekraczające 20 kV i moce wyłączalne 600÷750 MVA.
7.2.9. Wyłączniki próżniowe
W wyłącznikach próżniowych przerywanie łuku odbywa się w warunkach wysokiej próżni 10
-2
÷10
-4
Pa. Próżnia
charakteryzuje się:
a) dużą wytrzymałością elektryczną - ok. 10-krotnie większą niż powietrze przy ciśnieniu atmosferycznym,
b) szybkim odbudowaniem wytrzymałości elektrycznej przerwy.
- 40 -
Łuk elektryczny pali się między rozchodzącymi się stykami łącznika w zjonizowanych parach metali, powstałych
ze stopienia i odparowania części styków, stanowiących mikropołączenia styków na chwilę przed ostateczną
utratą styczności.
W chwili pierwszego przejścia prądu przez zero zachodzi intensywna dejonizacja przestrzeni łukowej głównie
przez neutralizację ładunków elektrycznych. Jony dodatnie par metalu osiadają na ściankach naczynia łącząc się
z elektronami tworzą cząstki obojętne, nie biorące udziału w przewodzeniu prądu., Proces ten przebiega w próżni
bardzo szybko, tak że po ok. l0µs od przejścia prądu przez zero przerwa uzyskuje pierwotną, bardzo wysoką
wytrzymałość elektryczną. Nie następują zapłony łuku.
Szybki proces odbudowy wytrzymałości elektrycznej przerwy jest jednym z powodów ucinania prądu przed jego
naturalnym przejściem przez zero. Wywołuje to przepięcia przy wyłączaniu obwodów indukcyjnych. W celu
ograniczenia przepięć materiały stykowe powinny charakteryzować się niską temperaturą topnienia.. Pogarsza to
jednak warunki gaszenia łuku wskutek powiększenia masy stopionego i odparowanego a następnie
zjonizowanego metalu. Dobór materiałów stykowych jest jednym z najważniejszych zagadnień konstrukcji
komór gaszeniowych wyłączników próżniowych, przy czym występują tu przeciwstawne wskazania.
Specyficzne własności wysokiej próżni określają własności wyłączników próżniowych.
Ich zaletami są:
a) szybkie działanie,
b) brak powtórnych zapłonów, .
c) niewielkie odległości między stykami (kilka, najwyżej kilkanaście milimetrów),
d) niewielka moc napędów,
e) bezpieczeństwo pracy w środowisku o zagrożeniu wybuchowym,
f) małe wymiary,
g) duża trwałość.
Do wad zalicza się:
a) konieczność utrzymywania wysokiej próżni w komorze gaszeniowej,
b) przepięcia przy przerywaniu obwodów indukcyjnych,
c) stosunkowo wysoką cenę.
Własności łączników próżniowych pozwalają na stosowanie ich tam, gdzie inne konstrukcje nie mogą być lub są
stosowane w ograniczonym zakresie, a więc:
- przy przerywaniu prądów wielkiej częstotliwości,
- przy wymaganej dużej częstości łączeń,
- w trudnych warunkach środowiskowych (duże zapylenie, duża wilgotność, obecność substancji żrących,
zagrożenie wybuchowe),
- do łączenia baterii kondensatorów.
7.1.5. Ograniczenie szybkości narastania napięcia powrotnego.
Intensywność procesu gaszenia łuku w określonych warunkach może być zwiększona. przez zmniejszenie
szybkości narastania napięcia powrotnego. Do tego celu stosuje się zwłaszcza w wyłącznikach pneumatycznych,
oporniki bocznikujące styki (przerwę) wyłącznika. Proces przerywania prądu zachodzi wtedy dwustopniowo
(rys. 7.3). Najpierw otwiera się zestyk 1 i następuje zgaszenie powstałego przy tym łuku. Prąd o niewielkim
natężeniu płynie teraz przez opornik R a ostateczne jego przerwanie odbywa się w znacznie łatwiejszych
warunkach zestykiem 2.
Rys. 7.3. Oscylogramy napięcia powrotnego w
wyłączniku pneumatycznym:
a) bez opornika bocznikującego,
b) z opornikiem bocznikującym styki główne
- 41 -
Szybkość narastania i przebieg napięcia powrotnego w przerwie 1 wyłącznika zależy od rezystancji opornika
bocznikującego (rozdz. 8). Największa wartość rezystancji R
kr
, przy której nie wystąpi przebieg oscylacyjny jest
określona zależnością
C
L
R
kr
2
1
=
w której: L, C - indukcyjność i pojemność sieci.
W praktycznych rozwiązaniach dobiera się oporniki o rezystancji wielokrotnie mniejszej od R
kr
, tak żeby nie
występowały przebiegi oscylacyjne przy największych. spodziewanych pojemnościach sieci. Największe napięcie
nie przekroczy wtedy amplitudy napięcia i nie powstaną przepięcia łączeniowe.
Pyt. 45. Komory gaszeniowe stosowane w łącznikach niskiego napięcia.
W łącznikach niskonapięciowych stosuje się następujące sposoby gaszenia łuku:
a) szybkie rozdzielanie styków,
b) naturalne wydłużenie łuku przez rozchylenie styków,
c) wydłużenie łuku przez wydmuch elektromagnetyczny,
d) zastosowanie kilku przerw międzystykowych na jeden biegun łącznika,
e) podział łuku na kilka krótkich części palących się między metalowymi płytkami (płytki dejonizujące),
f) otoczenie łuku ciałem o dużym cieple dysocjacji i dużej przewodności cieplnej (np. wodorem
pochodzącym z
rozkładu oleju izolacyjnego),
g) przerywanie łuku w próżni.
W zależności od środowiska, w którym pali się łuk elektryczny, łączniki dzieli się na suche (łuk pali się w
powietrzu, w atmosferze innego gazu, lub w próżni) i olejowe. W obu rodzajach łączników mogą być
zastosowane jeden lub więcej z wymienionych sposobów gaszenia łuku.
Naturalne wydłużanie się łuku jest spowodowane zjawiskami elektrodynamicznymi i termodynamicznymi
towarzyszącymi jego paleniu się. Łuk palący się między rozchylającymi się stykami (rys. 6.1) przesuwa się ku
górze, gdyż jest on ruchomym przewodnikiem znajdującym się w polu magnetycznym i w strumieniu
nagrzanego, pod wpływem ciepła łuku, wznoszącego się powietrza.
Rys.6.1. Szkic układu gaszeniowego łącznika z metalowymi płytkami
dejonizacyjnymi (3) wyzyskującego zjawisko naturalnego przemieszczania się
łuku :
1 – styki,
2 – łuk elektryczny
Rys. 6.2. Szkic komory gaszeniowej łącznika z zastosowaniem
wydmuchu magnetycznego:
1 – jarzmo elektromagnesu,
2 – cewka elektromagnesu,
3 – nabiegunniki,
4 – łuk elektryczny,
5 – komora ceramiczna dyszowa
Zastosowanie wydmuchu elektromagnetycznego może znacznie przyspieszyć proces wydłużania się łuku (rys.
6.2). W niektórych nowoczesnych łącznikach przez specjalne ukształtowanie styków uzyskuje się wystarczająco
silne działanie własnego pola łuku i zastosowanie zewnętrznego pola magnetycznego staje się zbędne.
Rys. 6.3. Zasada działania łącznika dwuprzerwowego
1 - styki,
- 42 -
2 - łuk elektryczny
Przerywanie obwodu prądowego w kilku miejscach jednocześnie (rys. 6.3) zmniejsza napięcie na każdym z
zapalających się jednocześnie łuków i pozwala zwiększyć szybkość wydłużania się łuku bez zwiększania
prędkości ruchu ruchomych styków łącznika.
Jeżeli w pobliżu łuku elektrycznego znajdują się części metalowe uziemione lub części metalowe sąsiedniego
bieguna, to może nastąpić zwarcie do podstawy łącznika lub zwarcie międzyfazowe. W zamkniętych
przestrzeniach łączników może nastąpić tak silne zjonizowanie, że nawet. po upływie pewnego czasu od chwili
przerwania prądu może nastąpić zapłon łuku. W celu oddzielenia zjonizowanego powietrza od sąsiednich części
łączników i ustalenia korzystnej drogi poruszania się łuku, styki każdego bieguna łącznika oddzielnie osłania się
ogniotrwałymi ściankami, tworzącymi tzw. komory łukowe. Wykonuje się je z materiałów ceramicznych, z płyt
azbestowo-cementowych, lub jako tzw. komory dejonizacyjne
(z metalowymi płytkami dejonizującymi - rys. 6.l).
Rys. 6.4. Szkic komory łukowej o poprzecznych przegrodach izolacyjnych:
1 - styk nieruchomy,
2 - styk ruchomy
3 - przegrody,
4 - łuk elektryczny
W komorach łukowych o izolacyjnych przegrodach poprzecznych
zwiększa się długość łuku i intensywność jego chłodzenia (rys. 6.4). W komorach dyszowych (rys. 6.2) łuk wraz
z otaczającymi go gazami wydmuchuje się w zwężającą się część komory, wykonanej z łukoodpornego materiału
izolacyjnego. Zmniejszenie przekroju przy jednoczesnym wydłużeniu łuku powoduje jego szybkie chłodzenie,
wzrost. oporu i gaśnięcie. Zahamowanie wypływu gazów w szczelinie powoduje wzrost ciśnienia, sprzyjający
gaszeniu łuku.
Komory łukowe z płytkami dejonizacyjnymi są dziś stosowane w wielu nowoczesnych łącznikach. Metalowe
poprzeczne płytki w komorach powodują rozdzielenie się luku na szeregowo połączone i intensywnie chłodzone
części. Wzrost oporu całego łuku jest w tych komorach spowodowany nie tylko jego wydłużeniem i
chłodzeniem, lecz również znacznym wpływem katodowego spadku napięcia.
Gaszenie łuku w oleju jest obecnie stosowane tylko w niektórych zaliczanych do przestarzałych, typach
łączników prądu przemiennego niskiego napięcia. W łącznikach próżniowych zestyki znajdują się w komorze o
bardzo niskim ciśnieniu, ok. 10
-4
Pa. Dzięki dużej wytrzymałości elektrycznej próżni można stosować bardzo
małe rozwarcie styków w położeniu otwartym.
Rys. 6.5. Komora gaszeniowa łącznika próżniowego:
1 – obudowa szklana,
2 – osłona kondensacyjna,
3 – styk nieruchomy,
4 – styk ruchomy,
5 – mieszek sprężysty
- 43 -
Komora gaszeniowa składa się (rys. 6.5) z obudowy., układów styków, osłony kondensacyjnej .
i mieszka sprężystego. Osłona kondensacyjna chroni obudowę przed bombardowaniem cząsteczkami metalu
dyfundującymi ze strefy łukowej i przed ich osadzaniem się na jej ściankach - przez adsorpcję i kondensację.
Ruch jednego ze styków, przy zachowaniu szczelności komory, umożliwia mieszek z metalu o bardzo dużej
wytrzymałości mechanicznej.
Pyt.46. Zestyki stosowane w urządzeniach elektrycznych.
Zestykiem elektrycznym nazywamy część toru prądowego, w którym przepływ prądu jest możliwy
dzięki styczności dwóch przewodników, zwanych stykami. Ze względu na rodzaj pracy i pełnione funkcje zestyki
dzielimy na nierozłączne nieruchome, nierozłączne ruchome oraz rozłączne.
Styki zestyku nierozłącznego nieruchomego nie zmieniają wzajemnego położenia; do nich zalicza się
wszelkiego rodzaju połączenia śrubowe, szynowe, zaciski przyłączeniowe aparatów itp.
Styki zestyku nierozłącznego ruchomego mogą się względem siebie przemieszczać (ślizgać, toczyć,
obracać); służą do elektrycznego połączenia części ruchomych i nieruchomych urządzeń.
Zestyki rozłączne stosowane w łącznikach, otwieranie i zamykanie łącznika pod działaniem siły napędowej,
umożliwiają więc wyłączanie i załączanie obwodów elektrycznych. Najtrudniejsze warunki pracy występują w
łącznikach przeznaczonych do przerywania prądów zwarciowych. Z tego względu w niektórych konstrukcjach
łączników jest tzw. Zestyk zespolony utworzony z zestyku podstawowego i opalnego. Zestyk podstawowy jest
przeznaczony do przewodzenia prądu w warunkach ustalonych. Przy wyłączaniu prądu otwiera się najpierw
zestyk podstawowy a następnie styki zestyku opalnego, miedzy którymi płonie łuk elektryczny. Zestyki opalne są
budowane w ten sposób, żeby można było uszkodzone elementy łatwo wymieniać.
Pyt.50. Układy zasilania stacji.
Odpowiednio do wartości nap. Stacje budowane są jako wnętrzowe lub napowietrzne. Stacje wnętrzowe
w porównaniu z napowietrznymi mają następujące zalety:
a) zajmują niewielki teren
b) chronią instalację przed czynnikami zewnętrznymi i zabrudzeniami
c) zapewniają dogodną obsługę, konserwację i naprawę urządzeń.
Do wad należą:
a) dłuższy okres budowy
b) trudności rozbudowy i modernizacji
c) większa możliwość rozprzestrzeniania się uszkodzeń
Stacje o napięciu 6-20kV buduje się jako wnętrzowe lub słupowe, natomiast o nap. 30-60kV zarówno jako
wnętrzowe i napowietrzne. Stacje o nap. 110kV i wyższym budowane są jako napowietrzne. Są jednak
wyjątki.
Przy konstrukcji układów zasilania bierze się pod uwagę:
a) moc obliczeniową
b) stopień ważności odbiorców
c) koszty strat w wypadku awarii.
Stacje w układzie miejskim zasila się z układu pierścieniowego, natomiast w układzie osiedlowym lub w
wiejskim z układu promieniowego
1. Układ z pojedynczym systemem szyn zbiorczych
- 44 -
Układ ten odznacza się prostotą, małymi kosztami inwestycji. Nie zapewnia jednak dużej niezawodności
zasilania i elastycznej eksploatacji. Następują stosunkowo częste wyłączenia wszystkich odbiorców.
2. Układ z pojedynczym systemem szyn zbiorczych sekcjonowany odłącznikiem
Układ z pojedynczym systemem szyn zbiorczych sekcjonowany wyłącznikiem.
Przy sekcjonowaniu szyny zbiorcze dzieli się na dwie lub więcej części. Rozdzielnice takie mogą pracować przy
rozłączeniu sekcji. W czasie zwarć układ połączony zachowuje się tak jak nie sekcjonowany. Układ z
pojedynczym systemem szyn zbiorczych sekcjonowany wyłącznikiem stosujemy tylko w przypadku zasilania
stacji. Natomiast wadą pierwszego układu jest konieczność zapewnienia każdej linii 100% zasilania.
PODWÓJNY UKŁAD SZYN ZBIORCZYCH.
Układ z podwójnym układem szyn zbiorczych jest stosowany w układach gdzie wymagana jest duża
niezawodność zasilania. Z reguły jeden system szyn jest systemem roboczym, a drugi rezerwowym. Zalety tego
układu to:
a) możliwość pracy przy użyciu jednego systemu szyn
b) możliwość rozdzielania źródeł zasilania i odbiorców na dwie niezależne grupy( zmniejszenie mocy
zwarciowych na szynach)
c) możliwość szybkiego przywrócenia zasilania odbiorcom
Ponadto sprzęgło pozwala na:
a) przenieść zaś. Z jednego systemu szyn na drugi bez przerwy w zasilaniu odbiorców.
b) Można nim zastąpić dowolny wyłącznik liniowy( na czas naprawy)
c) Połączyć ze sobą obydwa układy szyn
1.
2. Układ z podwójnym systemem szyn zbiorczych o kształcie litery 'U'.
Jest to układ przydatny do zasilania dużych zakładów przemysłowych, gdyż umożliwia zasilenie odbiorców z
sąsiednich pól i różnych sekcji rozdzielnicy bez konieczności krzyżowania linii na przedpolu stacji.
- 45 -
3. BY PASS
Dla zabezpieczenia się przed skutkami awarii w newralgicznych punktach układu stosujemy by pass'y( szyna
obejściowa stacji ). Muszą go posiadać ważniejsze stacje aby w przypadku awarii, ją obejść przez by pass i
zasilić odbiorcę.
4.Układ z podwójnym systemem szyn zbiorczych z dwoma wyłącznikami na jedno pole ( jest to układ bardzo
dobry i bardzo drogi )
5. Układ pół wyłącznika na jedno pole.(bardzo rozbudowany ale niezawodny)
Układy bezszynowe.
Układy bezszynowe mostkowe 'H' są przejrzyste i stosunkowo tanie. Wyłącznik poprzeczny jest zamknięty i
praca odbywa się przy równoległych połączeniach transformatorów i linii zasilających. Układ ten jest bardzo
elastyczny.
Układ po lewej jest korzystny z punktu widzenia zasilania a po prawej z punktu widzenia odbiorcy.
Jako układy zasilania stacji stosuje się również układy zasilania wieloblokowego oraz rozdzielnice
bezodłącznikowe modułowe, zwierniki i uziemniki.
By
pass
- 46 -
Przekładniki pradowe montuje się przed wyłącznikiem, natomiast przekładniki napięciowe montuje się
równolegle (muszą spełniać warunki izolacji i warunki znamionowe).