3. ŁUK ELEKTRYCZNY PRĄDU STAŁEGO I PRZEMIENNEGO

Transkrypt

1 3. ŁUK ELEKTRYCZNY PRĄDU STŁEGO I PRZEMIENNEGO 3.1. Cel zakres ćwczena Celem ćwczena jest zapoznane sę z podstawowym właścwoścam łuku elektrycznego palącego sę swobodne, w powetrzu o cśnentmosferycznym. Ćwczene obejmuje: badane łuku w obwodze prądu stałego pomar charakterystyk statycznej łuku, badane łuku w obwodze prądu przemennego, obserwacja przebegów napęca prądu oraz charakterystyk dynamcznej łuku w obwodze o rezystancyjnym ndukcyjnym charakterze obcążena. Znajomość zjawsk zaobserwowanych podczas realzacj ćwczena jest pomocna w zrozumenu procesu gaszena łuku w łącznkach prądu stałego przemennego Informacje wstępne 3.2. Wadomośc podstawowe Łuk elektryczny jest jedną z form wyładowana elektrycznego w środowsku zjonzowanej plazmy. Jonzacja ta może zachodzć w trzech typowych środowskach: w gaze, np. w powetrzu, sześcofluorku sark, w produktach rozkładu ceczy, np. oleju mneralnego, wody, w parach metalu emtowanego z powerzchn elektrod, które przykładowo stanową nośnk prądu w łuku próżnowym. W wększośc aparatów łączenowych nskego napęca łuk pal sę w powetrzu, zwykle w powetrzu o cśnentmosferycznym. Łuk tak, nazywany łukem powetrznym, jest przedmotem badań w opsanym ćwczenu laboratoryjnym. Łuk elektryczny jest złożonym zjawskem fzycznym, na które składają sę zasadnczo trzy rodzaje procesów: termodynamczne, elektryczne, jonzacyjne. Wszystke te zjawska są ze sobą ścśle powązane. Badane w ćwczenu własnośc elektryczne to jedyne stosunkowo wąsk fragment wedzy o łuku elektrycznym.

2 Pozwalają one jednak w znacznej merze wyjaśnć zasady gaszena łuku w łącznkach elektrycznych Warunk palena sę gaszena łuku elektrycznego prądu stałego nalzę przebegów prądu napęca łuku elektrycznego prądu stałego prowadz sę w elementarnym obwodze, którego schemat przedstawono na rys. 3.1a. Zgodne z drugm prawem Krchhoffa można zapsać następującą zależność: d E + dt = R + L, (3.1) (oznaczena wyjaśnono w podpse pod rysunkem 3.1). Parametry elektryczne łuku to jego prąd napęce, których zmany analzuje sę w oparcu o tzw. charakterystykę łuku, czyl zależnośc = f(). W przypadku łuku prądu stałego, czyl przy newelkch zmanach prądu w czase (d/dt ) charakterystyka ta nos nazwę statycznej charakterystyk łuku. Iloraz napęca prądu daje nformację o zmanach rezystancj łuku, natomast ch loczyn nformację o mocy łuku. Przebeg charakterystyk statycznej łuku przedstawono na rys. 3.1b. Rysunek ten jest równeż grafczną lustracją równana (3.1). a) + E R R L L d/dt Ł b) u g u E =f() zakres L d/dt > zakres L d/dt < E - R L d/dt E - R B k Rys Łuk elektryczny w obwodze prądu stałego; a) schemat obwodu, b) charakterystyka statyczna łuku = f(), wraz z grafczną nterpretacją rozwązana równana (3.1); E napęce źródła, R, L rezystancja ndukcyjność obwodu, Ł układ styków (elektrod) na których pal sę łuk, napęce łuku, prąd łuku, u g napęce przy którym gaśne łuk o charakterystyce = f(),, B punkty równowag, odpowedno: chwejnej stablnej, k prąd zwarca w rozpatrywanym obwodze. Charakterystyka łuku = f() posada dwa punkty przecęca sę z charakterystyką obwodu (prosta E R), przy czym punkt nazywany jest punktem równowag chwejnej, natomast punkt B punktem równowag stablnej. Punkty te dzelą obszar wykresu na dodatn zakres napęca występującego na ndukcyjnośc obwodu L d/dt oraz zakres ujemny, jak to lustruje rys Ujemny bądź dodatn zakres L d/dt

3 oznacza odpowedno ujemny bądź dodatn znak pochodnej prądu d/dt. Warunkem zgaszena łuku prądu stałego jest przesunęce punktu pracy w ujemny zakres pochodnej prądu (d/dt < ), dzęk czemu prąd będze sę systematyczne zmnejszał, aż osągne wartość zbyt małą do podtrzymana wyładowana łuk gaśne. Przesunęce punktu pracy w ujemny zakres pochodnej prądu d/dt oznacza take wzajemne ułożene charakterystyk: łuku ( = f()) obwodu (E R), aby ne mały one punktów wspólnych. Istneją dwa podstawowe sposoby realzacj tego zadana: a) wydłużene łuku, a tym samym przesunęce jego charakterystyk w zakres wyższych wartośc napęca (krzywe 1 2, rys. 3.2), b) zwększene rezystancj obwodu obnżene charakterystyk E R, (prosta 3, rys. 3.2). u g3 u u g2 u g1 E (2) (1) =f(), l 3 >l 2 =f(), l 2 >l 1 E-R 1 E-R 2, (R 2 >R 1 ) (3) B =f(), l 1 K2 K1 Rys Ilustracja wzajemnego przesunęca statycznej charakterystyk łuku = f() względem charakterystyk obwodu E R w celu uzyskana ujemnej wartośc pochodnej prądu d/dt; l 1, l 2, l 3 długośc łuku, pozostałe oznaczena jak na rys 3.1; charakterystyka = f() dla najmnejszej długośc łuku l 1 jest charakterystyką wyjścową. Znaczne łatwejszym do praktycznej realzacj jest perwszy z wymenonych sposobów. Zwększene długośc łuku l w łącznkach realzuje sę na klka różnych sposobów, z których najczęścej spotykane to: a) rozwarce styków na odpowedną odległość, b) odpowedne ukształtowane styków (np. rożkowy kształt styków), c) wydmuch łuku.

4 Należy jednak zwrócć uwagę na to, że wraz ze wzrostem długośc łuku l rośne wartość napęca u g (rys. 3.2), przy którym łuk gaśne, a tym samym rośne przepęce łączenowe zwązane z procesem wyłączana prądu. Przepęce to charakteryzowane jest współczynnkem przepęca k p zgodne z zależnoścą (3.2): ug k p = E. (3.2) Istneje szereg różnych sposobów ogranczana przepęć łączenowych w łącznkach prądu stałego. Nektóre z nch opsano w lteraturze [3.1] Łuk elektryczny w obwodach prądu przemennego W gaszenu łuku prądu przemennego wykorzystuje sę naturalne przejśce prądu przez wartość zerową. Zapłon łuku w danym półokrese po przejścu prądu przez zero następuje wówczas, gdy napęce pomędzy elektrodam osąga wartość napęca zapłonu u z (rys. 3.3) gaśne, gdy napęce łuku zmnejsza sę ponżej napęca gaszena u g podczas zblżana sę prądu do kolejnego przejśca przez zero. Odcnek czasu t b (rys. 3.3) upływający od chwl zgaszena łuku t g do chwl jego ponownego zapłonu t z nos nazwę przerwy bezprądowej. u z u g 4 4 t b t g t z 5 ms Rys Oscylogramy napęca prądu łuku prądu przemennego w obwodze o charakterze rezystancyjnym; u z, u g napęca odpowedno: zapłonu gaszena łuku w danym półokrese prądu, t b czas trwana przerwy bezprądowej, t g, t z początek konec przerwy bezprądowej.

5 Charakterystyka łuku = f() w obwodze prądu przemennego nos nazwę charakterystyk dynamcznej. Jest ona wykreślona dla dodatnej ujemnej częśc okresu napęca prądu, czyl meśc sę w I III ćwartce na płaszczyźne u- (rys. 3.4). Cechą charakterystyk dynamcznej jest to, że jej część w faze narostu prądu (d/dt >) odpowada wyższym bezwzględnym wartoścom napęca nż część w faze zmnejszana sę prądu do zera (d/dt <). Wynka stąd, że zarówno rezystancja łuku jak jego energa jest wyższa w faze narostu prądu nż w faze jego zmnejszana sę. Zjawsko to jest zwązane z procesam energetycznym jonzacyjnym zachodzącym w plazme łuku prądu przemennego [3.1, 3.2]. W zależnośc od tego, czy obwód ma charakter rezystancyjny (rys. 3.3, 3.4) czy ndukcyjny (rys. 3.5) różny jest czas trwana przerw bezprądowych t b. W obwodze o charakterze rezystancyjnym napęce źródła zaslana jest w faze z napęcem łuku w chwl wystąpena przerwy bezprądowej wartość napęca źródła jest w poblżu zera. Stromość narostu napęca powrotnego jest węc stosunkowo neduża zgodna z snusodalnym przebegem napęca zaslana. W obwodze o charakterze ndukcyjnym w chwl przejśca prądu przez zero wartość sły elektromotorycznej źródła jest blska jej ampltudy. Napęce powrotne na stykach cechuje węc znaczne wększa stromość narostu, gdyż po dojścu prądu do zera (chwla t g, rys. 3.5) zmerza ono natychmast do wartośc blskej ampltudze napęca zaslającego. Na przykładowym oscylograme przebegu prądu w obwodze ndukcyjnym z rys. 3.5 przerwa bezprądowa jest tak krótka, że jest praktyczne newdoczna. Gaszene łuku w łącznkach prądu przemennego polega na nedopuszczenu do ponownego zapłonu łuku po kolejnym przejścu prądu przez zero (rys.3.6). Łuk gaśne, jeśl krzywa wzrostu napęca powrotnego u p, (rys 3.6) pojawającego sę na rozchodzących sę stykach, ne przetne sę z krzywą wzrostu wytrzymałośc połukowej u w (rys. 3.6b). Jeśl natomast dojdze do przecęca sę tych krzywych, łuk zapala sę ponowne następuje kontynuacja wyładowana w cągu następnego półokresu (rys. 3.6a). Na przebeg wytrzymałośc połukowej u w = f(t) ma wpływ czas trwana przerwy bezprądowej t g. Proces gaszena łuku jest węc łatwejszy w obwodach o charakterze rezystancyjnym (rys. 3.3, 3.4), gdze przerwa ta jest dłuższa nż w obwodach o charakterze ndukcyjnym (rys. 3.5).

6 d/dt> a) u z1 u g1 4 max1 u z2 4 u g2 t b1 t b2 b) max2 2 ms u z1 u g1 4 d/dt< max1 d/dt< max2 u g2 d/dt> u z2 4 Rys Przykładowy oscylogram jednego okresu prądu napęca łuku w obwodze prądu przemennego o charakterze rezystancyjnym (a) odpowadająca mu charakterystyka dynamczna (b); max1, max2 - ampltuda prądu łuku, pozostałe oznaczena jak na rys. 3.3.

7 a) u z1 u g1 4 max1 4 u g2 t b1 t b2 u z2 max2 b) 2 ms u z1 4 u g1 d/dt< d/dt> d/dt< max1 max2 u g2 d/dt> u z2 4 Rys Przykładowy oscylogram jednego okresu prądu napęca łuku w obwodze prądu przemennego o charakterze ndukcyjnym (a) odpowadająca mu charakterystyka dynamczna (b); oznaczena jak na rys

8 a) b) e, e e, u z u w e u w u p u p t b t t u g u g Rys Przebeg prądu napęca podczas gaszena łuku prądu przemennego: a) przy ponownym zapłone łuku, b) przy skutecznym wyłączenu obwodu; e przebeg sły elektromotorycznej źródła, u w przebeg wzrostu wytrzymałośc przerwy połukowej, u p przebeg napęca powrotnego na stykach; pozostałe oznaczena jak na rys Nezbędne przygotowane studenta Studentów obowązuje znajomość materału z zakresu łuku elektrycznego zawarta w [3.1], rozdzały Ops stanowska laboratoryjnego Stanowsko laboratoryjne składa sę z dwóch częśc, pozwalających na badane odpowedno łuku prądu stałego łuku prądu przemennego Stanowsko do badana łuku prądu stałego Łuk prądu stałego jest badany w układze, którego schemat przedstawono na rys Komora łukowa wyposażona jest w układ dwóch płaskch styków medzanych poruszanych napędem elektromagnetycznym, które w stane wyjścowym są zwarte. Zanstalowana w dolnej częśc komory śruba mkrometryczna umożlwa nastawane

9 odległośc na którą rozwerane są styk. Zakres nastaw tej odległośc to,5 5 mm. Zadanem układu sterującego ST jest załączene prądu (chwla t 1, rys. 3.8), który wyprostowany w układze prostującym płyne w obwodze B-KŁ-L-R. Bezpośredno po załączenu prądu układ ST rozwera styk komory łukowej (chwla t 2, rys. 3.8), ncjując zapłon łuku. Styk rozwerają sę na nastawoną wcześnej odległość. ST Sterowane napędem styków KŁ Osc L Tr Tr W L1 B DN KŁ N L2 R L Rys Schemat układu pomarowego do badana łuku prądu stałego; Tr autotransformator, Tr transformator separacyjny, W łącznk, ST sterownk, B bocznk prądowy, DN dzelnk napęcowy, KŁ komora łukowa, Osc oscyloskop, R, L rezystor dławk. śr 2 śr 1 t 1 t 2 5 ms Rys Przykładowy oscylogram przebegów napęca prądu łuku w obwodze prądu stałego (rys. 3.7);, śr przebeg napęca łuku jego uśrednona wartość,, śr przebeg prądu łuku jego uśrednona wartość, t 1 chwla załączena prądu przez sterownk ST (rys. 3.7), t 2 chwla rozwarca styków zapłon łuku.

10 Czas palena sę łuku jest nastawany na sterownku ST w zakrese od 1 do 1 sekund. Po wyłączenu prądu łuku przez sterownk ST styk nadal pozostają rozwarte w celu ostygnęca. Czas rozwarca styków jest nastawany równeż na sterownku ST w zakrese od 1 do 12 sekund. Czas palena sę łuku, nastawony zwykle na ok. 1 s jest wystarczający do zarejestrowana przebegu prądu napęca łuku na oscyloskope (rys. 3.8). Znając rezystancję bocznka prądowego B =,1 Ω przekładnę dzelnka napęcowego ϑ = 1:1, można określć uśrednone wartośc prądu ( śr ) napęca (śr ), jak to zlustrowano na rys Tętnący przebeg prądu jest wynkem zaslana układu poprzez prostownk. Tak odczytane napęce prąd to jeden punkt na charakterystyce statycznej dla danej odległośc styków. Zmenając prąd obwodu poprzez zmanę nastaw rezystora R można odczytać nne punkty charakterystyk powtarzając opsany cykl pomarowy Stanowsko do badana łuku prądu przemennego Łuk prądu przemennego jest badany w układze, którego schemat przedstawono na rys Po załączenu obwodu łącznkem W nastawenu odpowednej wartośc napęca zaslającego przy pomocy autotransformatora tr, kręcąc pokrętłem komory łukowej KŁ należy zewrzeć jej elektrody węglowe. Z chwlą gdy amperomerz wskaże wartość płynącego prądu należy powol rozsunąć elektrody węglowe, ncjując zapłon łuku. Na oscyloskope Osc można prowadzć obserwację przebegów prądu napęca łuku oraz jego charakterystyk dynamcznych jak to zlustrowano na rys. 3.3, Rezystancyjny bądź ndukcyjny charakter obcążena ustala sę nastawając odpowedne wartośc rezystancj R ndukcyjnośc L. L Tr Tr W L1 R Osc L DN KŁ N L2 B Rys Schemat układu do badana łuku prądu przemennego; KŁ komora łukowa wyposażona w elektrody węglowe; pozostałe oznaczena jak na rys. 3.7.

11 3.5. Program ćwczena Badane łuku prądu stałego Badane łuku prądu stałego prowadz sę w układze z rys W trakce ćwczena należy zmerzyć porównać charakterystyk statyczne łuku dla różnych jego długośc, zmenanych poprzez odpowedne nastawene końcowej odległośc styków komory łukowej KŁ. Dla podanych przez prowadzącego trzech różnych odległośc mędzystykowych w zakrese od,5 do 5 mm, należy dokonać pomaru charakterystyk, powtarzając klkakrotne cykle pomarowe opsane w punkce Po załączenu łącznka W (rys. 3.7) należy nastawć napęce zaslające układ, około 15. Wartość prądu łuku, a tym samym jego napęce, dla danej odległośc mędzystykowej zmena sę nastawając odpowedne wartośc rezystancj na rezystorze R. Prąd łuku należy nastawać wstępne na sterownku ST (rys. 3.7) w zakrese od 1 do 1. Po załączenu danego cyklu pomarowego przy pomocy sterownka ST, na oscyloskope zostaną zarejestrowane przebeg napęca prądu łuku (rys. 3.8). Przebeg te pozwalają na odczytane uśrednonych wartośc prądu śr oraz napęca śr (rys. 3.8), które są współrzędnym jednego punktu charakterystyk statycznej. Pomary należy powtórzyć dla klku wartośc prądu przy danej odległośc mędzystykowej tak, aby uzyskać ok. 6-7 punktów charakterystyk statycznej = f(), co pozwala na jej wykreślene. Podobne pomary należy wykonać dla pozostałych zadanych przez prowadzącego odległośc mędzystykowych Badane łuku prądu przemennego Badane to polega na obserwacj przebegów prądu napęca oraz charakterystyk dynamcznej łuku w układze przedstawonym na rys. 3.9, dla dwóch różnych charakterów obcążena: rezystancyjnego oraz ndukcyjnego. Po załączenu łącznka W należy nastawć napęce zaslające przy pomocy autotransformatora Tr na około 2. Następne dla określonego charakteru obcążena (rezystancyjne bądź ndukcyjne) należy dokonać zapłonu łuku jak to opsano w punkce zarejestrować na oscyloskope przebeg: = f(t) oraz = f(t), zblżone do przedstawonych na rysunkach 3.3, Podobne należy dokonać obserwacj charakterystyk dynamcznej łuku = f() Opracowane wynków badań Wynk pomarów charakterystyk statycznych łuku należy zestawć w tabel dla wszystkch trzech odległośc mędzystykowych. Na tej podstawe należy wykreślć

12 charakterystyk = f() na wspólnej płaszczyźne porównać ch wzajemne położene. Należy krótko opsać zaobserwowane prawdłowośc. Na podstawe zarejestrowanych oscylogramów przebegów = f(t), = f(t) oraz = f() dla łuku prądu przemennego należy dokonać analzy krótkego opsu zaobserwowanych zjawsk, ze szczególnym uwzględnenem czasów trwana przerw bezprądowych t b (rys. 3.3, ) oraz wzajemnego położena ramon charakterystyk dynamcznej w zależnośc od wartośc pochodnej d/dt. Zależne od wskazań prowadzącego, oscylogramy należy naszkcować w oparcu o obraz zapamętany na ekrane oscyloskopu lub wydrukować. Sprawozdane pownno zawerać wnosk końcowe stanowące podsumowane przeprowadzonych badań Lteratura [3.1] Markewcz H.: Urządzena elektroenergetyczne, WNT, Warszawa 21. [3.2] Cok Z. Procesy łączenowe w układach elektroenergetycznych, WNT, Warszawa 1976.