dr inż. Łukasz Kolimas Politechnika Warszawska, Instytut Elektroenergetyki

Transkrypt

1 dr inż. Łukasz Kolimas Politechnika Warszawska, Instytut Elektroenergetyki równoległych torów wielkoprądowych i szynoprzewodów Streszczenie. Zestyki aparatów elektrycznych należą do najbardziej obciążonych elementów torów prądowych. Powinny zatem być tak zaprojektowane, wykonane i eksploatowane, aby dopuszczalne ograniczenia na ich parametry techniczne, wynikające z odpowiednich przepisów i norm, nie były przekraczane. 1. Wstęp Ze względu na kształt powierzchni stykowych, zestyki dzielimy na punktowe, liniowe i powierzchniowe. W rzeczywistości styczność dwóch styków nigdy nie następuje w punkcie czy wzdłuż linii lub powierzchni wynikającej z obrysu geometrycznego styków. Zestyk punktowy jest to zestyk, w którym styczność rzeczywista (przez którą przepływa prąd) ma miejsce na powierzchni o bardzo małym promieniu. Styczność rzeczywista w zestyku liniowym odbywa się na kilku małych powierzchniach ułożonych w przybliżeniu wzdłuż pewnej linii prostej. Zestyk powierzchniowy charakteryzuje się stosunkowo dużą powierzchnią pozorną (nominalną) styczności, natomiast rzeczywista powierzchnia styczności takiego zestyku stanowi kilkanaście procent powierzchni pozornej. Zestyki aparatów elektrycznych należą do najbardziej obciążonych elementów torów prądowych. Powinny zatem być tak zaprojektowane, wykonane i eksploatowane, aby dopuszczalne ograniczenia na ich parametry techniczne, wynikające z odpowiednich przepisów i norm, nie były przekraczane. 2. Struktura analizowanych materiałów Analizowane tory prądowe są to przewody elektryczne w postaci sztywnych szyn na ogół zamkniętych we wspólnej obudowie, o odpowiednio zaprojektowanej długości, kształcie i przekroju łączonych w ciągi zestawianych modułów, montowanych wzdłuż wytyczonych tras od rozdzielnicy (łączników elektrycznych) do odbiorników (rys. 1). Do wyznaczenia rozpływu prądu w torach wielkoprądowych wykorzystano metody polowe. W stosunku do metod analitycznych pozwalają one m.in. na wyznaczenie lokalizacji obszarów, o największej koncentracji ładunków i rozkładu temperatury. Oprogramowaniem wykorzystującym tę metodę i dającym duże możliwości badania zjawiska wypierania prądu jest program ANSYS. Rysunek 2 przedstawia strukturę analizowanego toru prądowego i jego implementację w programie. Nr 161 3

2 Rys. 1. Przykładowe układy torów wielkoprądowych: a) nieosłoniętych, b) osłoniętych Rys. 2. Układ równoległych torów prądowych: a) struktura a, b przekrój poprzeczny, d odległość między torami, b) analiza rozpływu ładunku elektrycznego w równoległych torach prądowych a = 4 mm, b = 30 mm, długość l = 1000 mm, d = 10 mm, przy przepływie prądu obciążenia 5 ka (Rys. 2b patrz III strona okładki) Na podstawie rozkładu ładunku elektrycznego w torach prądowych (rys. 2) wyznaczono poprzez całkowanie wartość średnią prądu, w poszczególnych szynach (rys. 3). Przy przepływie prądu o wartości 5 ka przez układ równoległych torów prądowych zaobserwowano nierównomierny w nim rozpływ prądu (rys. 3). W stosunku do środkowego toru prądowego (tor 3) zewnętrzne tory prądowe (tory 1 i 5) są obciążone o około 30% większą wartością prądu. Nierównomierność rozpływu prądu jest zależnością nieliniową. Zdecydowanie większe różnice wartości prądu w poszczególnych szynach są przy obciążeniu ka. Przeanalizowano rozkład gęstości ładunku elektrycznego z tego zakresu (rys. 4). 4

3 Rys. 3. Analiza wartości średniej prądu w poszczególnych torach prądowych, przy przepływie prądu o natężeniu 5 ka c) d) Rys. 4. Analiza rozkładu ładunku elektrycznego w równoległych torach prądowych a = 4mm, b = 30 mm, długość l = 1000 mm, d = 10 mm przy przepływie 20 ka: a) rozkład gęstości ładunku elektrycznego, b) analiza wartości średniej prądu w poszczególnych torach prądowych przy przepływie 20 ka, c) analiza rozpływu ładunku elektrycznego w równoległych torach prądowych a = 4 mm, b = 30 mm, długość l = 1000 mm, d = 10 mm przy przepływie 100 ka, d) analiza wartości średniej prądu w poszczególnych torach prądowych przy przepływie prądu o natężeniu 100 ka (Rys. 4a i 4c patrz III strona okładki) Nr 161 5

4 Przy częstotliwości prądu 50 Hz projektowanie i wykonywanie torów wielkoprądowych i szynoprzewodów, w układach pasków równoległych, o tym samym przekroju nie jest uzasadnione. Wyniki obliczeń jednoznacznie wskazują, że torami środkowymi płynie prąd o mniejszej wartości. Potwierdzeniem uzyskanych wyników jest również analiza rozkładu temperatury dla szyn równoległych, oddalonych od siebie o odległość d = 5 mm (rys. 5). Rys. 5. Analiza rozpływu temperatury w równoległych torach prądowych a = 4 mm, b = 30 mm, długość l = 1000 mm, d = 5 mm przy przepływie prądu o natężeniu 5 ka (rysunek umieszczony jest również na IV stronie okładki) Rozkład temperatury wskazuje na nierównomierny rozkład gęstości prądu. Im większa gęstość prądu tym większa temperatura (rys. 5), przy czym przyrost temperatury w poszczególnych torach prądowych tak jak rozkład ładunku elektrycznego nie jest liniowy. Rozkład gęstości prądu w przekroju elementu toru prądowego zależy nie tylko od efektu zbliżenia wywołanego wpływem zmiennych pól magnetycznych od prądów w sąsiednich torach prądowych, ale również od zjawiska naskórkowości. Największa gęstość ładunku elektrycznego jest przy zewnętrznej krawędzi zewnętrznych torów prądowych. Na rysunku 6 przestawiono rozkład temperatury przy przepływie prądu o natężeniu 100 ka przez układ równoległych szynoprzewodów. Rys. 6. Rozkład temperatury w równoległych torach prądowych a = 4 mm, b = 30 mm, długość l = 1000 mm, przy przepływie prądu o natężeniu 100 ka i odległości d między torami 50 mm: a) analiza w ANSYSIE, b) rozkład temperatury między punktami A i B (Rys. 6a patrz IV strona okładki) 6

5 Wykonano szereg usystematyzowanych badań mających na celu określenie odległości między torami wielkoprądowymi, dla których rozkład prądu jest równomierny (rys. 7). Rys. 7. Zależność odległości między torami wielkoprądowymi, dla których rozkład prądu jest równomierny, od wartości przepływającego prądu Odległość d [mm] Miniaturyzacja urządzeń i aparatury elektroenergetycznej, w szczególności rozdzielnic, często uniemożliwia zapewnienie wymaganych odległości. W przemyśle ciężkim, lotnictwie często wykorzystuje się wyższe częstotliwości. Na rysunku 8 pokazano analizę rozkładu ładunku elektrycznego w torach wielkoprądowych równoległych. Rys. 8. Analiza rozkładu ładunku elektrycznego w równoległych torach prądowych a = 4 mm, b = 30 mm, długość l = 1000mm, d = 20 mm przy przepływie prądu o wartości 50 ka i częstotliwości prądu 400 Hz (rysunek umieszczony jest również na IV stronie okładki) Wraz ze wzrostem częstotliwości prądu wzrasta nierównomierność rozpływu prądu w torach prądowych równoległych. 3. Podsumowanie Na podstawie obliczeń należałoby rozważyć ewentualność wykonania środkowych torów (tych mniej obciążonych), o mniejszym przekroju niż pozostałych. Na Nr 161 7

6 etapie projektowym można uwzględnić różne kształty szynoprzewodów przy tym samym przekroju. Na etapie produkcji dałoby to stosunkowo duże oszczędności materiałowe. 4. Literatura 1. Maksymiuk J.: Aparaty elektryczne w pytaniach i odpowiedziach, WNT, Warszawa, Ciok Z.: Procesy łączeniowe w układach elektroenergetycznych, WNT, Warszawa, Kuffel J., Zaengel W.: Hight voltage engineering, Bytter worth-heinemann, Oxford Slade P.: Electrical contacts, Manel Dekker Inc., New York Ballat J., Konig D.: Insulation characteristics and welding behaviour of butt contacts made of CuCr different processes, 15th Int. Symp. On DEIV, Darmstadt Dolinskiej M., Poljakowa S.: Issljiedowanje silnotocznych kontaktow pri skwoznych tokach korotkogo zamykania, Elektriczeskije kontakty i elektrody, Kijew Kulas S., Kolimas Ł.: Badania symulacyjne wielkoprądowego układu stykowego załącznika zwarciowego; Przegląd Elektrotechniczny, nr 3, 2007, str