SZKOŁA GŁÓWNA SŁUŻBY POŻARNICZEJ KATEDRA TECHNIKI POŻARNICZEJ

Transkrypt

1 SZKOŁA GŁÓWNA SŁUŻBY POŻARNICZEJ KATEDRA TECHNIKI POŻARNICZEJ ZAKŁAD ELEKTROENERGETYKI Ćwicenie: URZĄDZENIA PRZECIWWYBUCHOWE BADANIE TRANSFORMATORA JEDNOFAZOWEGO Opracował: kpt.dr inż. R.Chybowski Warsawa 2000 Wersja 1.0

2 Spis treści 1. CEL ĆWICZENIA WPROWADZENIE TEORETYCZNE URZĄDZENIA Z OSŁONĄ OGNIOSZCZELNĄ EXD URZĄDZENIA ISKROBEZPIECZNE EXI URZĄDZENIA BUDOWY WZMOCNIONEJ EXE URZĄDZENIA Z OSŁONĄ CIECZOWĄ (OLEJOWĄ) EXO URZĄDZENIA Z OSŁONĄ GAZOWĄ Z NADCIŚNIENIEM EXP URZĄDZENIA HERMETYZOWANE MASĄ IZOLACYJNĄ EXM URZĄDZENIA Z OSŁONĄ PIASKOWĄ EXQ URZĄDZENIA BUDOWY SPECJALNEJ EXS POMIARY LABORATORYJNE OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARU ZAGADNIENIA I PYTANIA KONTROLNE LITERATURA

3 1. Cel ćwicenia Celem ćwicenia jest aponanie się budową elektrycnych urądeń preciwwybuchowych ora abepieceniami stosowanymi w tych urądeniach. 2. Wprowadenie teoretycne Elektrycne urądenia preciwwybuchowe są to urądenia prenacone do pracy w strefach agrożonych wybuchem. Musi być ono onacone symbolem Ex. Konstrukcja tych urądeń lub sposób diałania musi wyklucyć lub nacnie ogranicyć możliwość ainicjowania wybuchu pre iskry cy nadmierną temperaturę powstające w casie pracy lub awarii urądenia. Zasady budowy i badań elektrycnych urądeń preciwwybuchowych produkowanych w Polsce określają normy. W ależności od prenacenia dielą się na dwie grupy: I obejmuje urądenia prenacone dla górnictwa II obejmuje urądenia dla innych premysłów. Z uwagi, że grupa II obejmuje bardo dużo urądeń wybuchowych, wyodrębniono podgrupy, tn. IIA, IIB, IIC i seść klas temperaturowych od T1 do T6. Podiał na podgrupy preprowadono na podstawie granicnych doświadcalnych preświtów scelin i wartości stosunku międy minimalnym prądem apalenia badanej miesaniny, a prądem apalenia metanu. Klasa temperaturowa określa maksymalną temperaturę urądenia i określa się ją na podstawie temperatury samoapalenia danej miesaniny wybuchowej. W ależności od astosowanego sposobu ochrony preciwwybuchowej roróżnia się następujące rodaje budowy: osłoną ognioscelną Exd iskrobepiecne (urądenia i obwody) Exi budowie wmocnionej Exe osłoną ciecową (olejowe) Exo osłoną gaową nadciśnieniem Exp hermetyowane masą iolacyjną Exm osłoną piaskową Exq specjalna Exs Podiał na podgrupy dotycy tylko urądeń osłoną ognioscelną i urądeń iskrobepiecnych Urądenia osłoną ognioscelną Exd W urądeniu tego rodaju budowy wsystkie cęści elektrycne mogące spowodować wybuch są umiescone w osłonie ognioscelnej. Zadaniem osłony jest niedopuscenie do preniesienia się płomienia jej wnętra do atmosfery otocenia. Do gasenia płomienia służą sceliny o określonym preświcie W ora długości L usytuowane na połąceniach poscególnych cęści osłony ognioscelnej. Tworą one tw. łąca, które mogą być stałe lub ruchome, np. pomiędy wałem a tarcą łożyskową silnika. Wymiary scelin ależą od parametrów wybuchowości miesaniny, rodaju łąca, ora wolnej osłoniętej prestreni i są określone w normach. Osłony ognioscelne są wykonywane materiałów ogniotrwałych odpornych na uderenia, wilgoć i wpływy chemicne. Osłona ognioscelna może chronić całe urądenie lub tylko jego cęść, które iskrą podcas normalnej pracy, np. pierścienie śligowe, komutator. Poscególne cęści osłony są e sobą łącone śrubami o łbach trójkątnych lub seściokątnych, wpusconymi w gniada, dokręcone odpowiednią siłą. Kable i prewody wprowadone bepośrednio do komory ognioscelnej wymagają głowicy kablowej, dławika ognioscelnego lub wpustu uscelnionego żywicą chemoutwardalną. Urądenia osłoną ognioscelną są najtańse, łatwe w obsłude i są najchętniej stosowane spośród innych rodajów urądeń preciwwybuchowych. Najcęściej stosowanymi urądeniami elektrycnymi w osłonie ognioscelnej są silniki pierścieniowe i komutatorowe, oprawki do żarówek, pryciski sterownice, włącniki, łącniki, sterowniki itp. Z reguły są to urądenia posiadające cęści iskrące lub nagrewające się do temperatur niekontrolowanych. Klasa temperaturowa odnosi się tylko do cęści ewnętrnych osłony Urądenia iskrobepiecne Exi Zabepiecenie preciwwybuchowe tych urądeń polega na odpowiednim dobore parametrów; napięcia, prądu, indukcyjności i pojemności w takim akresie, aby nie mogły spowodować wybuchu w stanie normalnym jak i awaryjnym. Urądenie uważa się a iskrobepiecne, gdy wsystkie jego elementy arówno wewnętrne jak i ewnętrne wra e źródłami asilania są iskrobepiecne. Ten wymóg wymaga stosowania elementów oddielających międy - 3 -

4 obwodami iskrobepiecnymi i nieiskrobepiecnymi ora międy różnymi obwodami iskrobepiecnymi. Z reguły są to bariery ochronne. Zapewniają one ochronę pred nadmiernymi prądami (warcie) ora prepięciami. Obwody iskrobepiecne dieli się na try kategorie, tj. i a, i b ora i c. W prypadku niemożliwości apewnienia bepiecnych wartości prądów i napięć w obwodie stosuje się bocniki ochronne. Zadaniem ich jest mniejsenie energii iskry w obwodie ewnętrnym. Z uwagi na rodaj elementów bocniki ochronne mogą być; reystancyjne, diodowe, kondensatorowe, diodami Zenera lub tranystorowe. Urądeniem iskrobepiecnym może być urądenie o wględnie małym pobore mocy i reguły asilane jest bardo niskim napięciem. W wykonaniu iskrobepiecnym są produkowane: pretworniki, mierniki, regulatory, sygnaliatory, itp Urądenia budowy wmocnionej Exe Zabepiecenie preciwwybuchowe tych urądeń polega na więkseniu pewności elektrycnej i mechanicnej popre astosowanie odpowiednich materiałów i rowiąań konstrukcyjnych eliminujących lub nacnie ogranicających możliwość uskodeń mogących spowodować wybuch. Urądenia tej budowy nie mogą posiadać cęści iskrących. Urądenia tej budowy cechuje: odpowiedni rodaj astosowanych materiałów na poscególne cęści ora ich konstrukcja powięksona scelina powietrna np. pomiędy stojanem a wirnikiem silnika więksą cieplną stałą casowa nagrewania powięksone odstępy iolacyjne w powietru i po iolacji odpowiednie abepiecenie prewodów asilających pred wyrwaniem i poluowaniem Jako urądenia budowy wmocnionej są produkowane: silniki indukcyjne klatkowe, transformatory, skrynki aciskowe i łąceniowe, oprawy oświetleniowe Urądenia osłoną ciecową (olejową) Exo Zabepiecenie preciwwybuchowe tych urądeń polega na anureniu cęści iskrących w ciecy ochronnej np. w oleju, na takiej głębokości, aby powstające iskry cy łuki nie spowodowały wybuchu miesaniny wybuchowej. Osłony olejowej nie stosuje się w urądeniach prenośnych ora na prąd stały. Spotykane najcęściej urądenia elektrycne osłoną olejową to: transformatory, prekładniki, rorusniki, łącniki Urądenia osłoną gaową nadciśnieniem Exp Zabepiecenie preciwwybuchowe polega na umiesceniu urądeń lub ich cęści w osłonie gaem ochronnym o odpowiednim nadciśnieniu. Ga ochronny nie powinien awierać składników palnych, nadmiernej wilgoci, ora innych aniecysceń. Urądenia elektrycne tej budowy powinny mieć blokadę uniemożliwiającą włącenie ich pod napięcie, o ile osłona w której są ainstalowane nie ostanie wstępnie predmuchana gaem ochronnym. Spadek nadciśnienia cy brak prepływu powinien być sygnaliowany sygnałem świetlnym lub akustycnym, a w granicnym prypadku urądenie powinno być wyłącone spod napięcia. Sposób rowiąania predmuchu ależy od rodaju agrożenia ora funkcji wykonywanej pre dane urądenie. Urądenia nadciśnieniem są produkowane preważnie jako stacjonarne np. silniki elektrycne dużej mocy, safy sterownice cy pomiarowe Urądenia hermetyowane masą iolacyjną Exm Zabepiecenie preciwwybuchowe polega na alaniu urądenia lub jego cęści (nieiskrących) masą iolacyjną. Masa ta musi spełniać sereg warunków np. musi być odporna na: eroję powierchniową, pękanie, kurcenie, miany temperatury itp. Produkowane są urądenia o dwóch stopniach ochrony. Stopień 1 apewnia bepiecne użytkowanie urądenia w normalnym stanie pracy ora pry uskodeniach. Stopień 2 apewnia bepiecne użytkowanie tylko w normalnym stanie pracy. Najcęściej spotykanymi urądeniami tego typu abepieceniem są: prekaźniki, wyświetlace, cujniki Urądenia osłoną piaskową Exq Zabepiecenie preciwwybuchowe tych urądeń polega na umiesceniu cęści elektrycnych nieiskrących w piasku. W praktyce urądenie posiada dodatkową obudowę, w której umiesca się urądenie w wykonaniu normalnym. Pomiędy dwoma obudowami umiesca się - 4 -

5 piasek o odpowiednich parametrach. Spotykane urądenia osłoną piaskową to preważnie transformatory małej mocy, prekładniki i skrynie do łącenia syn Urądenia budowy specjalnej Exs Zabepiecenie preciwwybuchowe tych urądeń polega na astosowaniu innych niż w/w sposobów, tak aby ainicjowanie apłonu miesaniny wybuchowej ostało ogranicony do minimum. Są to preważnie indywidualne rowiąania wynikające funkcji lub akresu pracy np. susarnie, silniki elektrycne o małej mocy itp. Każde urądenie elektrycne Ex powinno być onakowane cytelnie i trwale. Onakowanie to powinno awierać: nawę producenta lub jego arejestrowany nak handlowy określenie typu (modelu) nadane pre producenta symbol Ex lub Eex (pierwsa litera E onaca, że urądenie spełnia normy Unii Europejskiej EN ) symbol rodaju budowy symbol grupy lub podgrupy nawę lub nak stacji badawcej onacenie certyfikatu onacenie stosowanej normy dla danego rodaju budowy preciwwybuchowej onacenie wynikające normy wyrobu Odpowiednia budowa elektrycnych urądeń preciwwybuchowych nie apewnia bepieceństwa. Bepiecna praca tych urądeń ależy głównie od: właściwego ich doboru do warunków agrożenia wybuchowego prawidłowego montażu i asilania odpowiedniego abepiecenia pred warciami i preciążeniami prawidłowej eksploatacji Wpływ na bepiecną pracę urądenia preciwwybuchowego ma również producent. On w więksości prypadków określa asilanie, montaż i abepiecenia pred preciążeniami i warciami. Eksploatacja powinna być prowadona w oparciu o instrukcje opracowane dla akładu, instalacji, układów cy obwodów, ewentualnie nawet dla poscególnych urądeń, w oparciu o prepisy i normy ora alecenia stacji badawcych i producentów. Instrukcja powinna być atwierdona pre kierownictwo akładu na wniosek służb nadoru nad eksploatacją. Typowym predstawicielem elektrycnego urądenia preciwwybuchowego jest transformator. Bardo cęsto występuje on w instalacjach elektrycnych ora w urądeniach elektronicnych ainstalowanych w strefach agrożonych wybuchem. Należy nadmienić, że bepieceństwo pracy transformatora może być osiągnięte w różny sposób. Zadaniem transformatora jest pretwaranie energii elektrycnej prądu premiennego o określonym napięciu na prąd premienny o innym napięciu, ale o tej samej cęstotliwości. Transformator jednofaowy składa się rdenia wykonanego blach transformatorowych ora prynajmniej dwóch uwojeń pierwotnego i wtórnego nawiniętych na rdeniu, co pokauje rys

6 Rys. 1 Transformator jednofaowy obciążony: a. schemat transformatora, b. schemat astępcy transformatora c. wykres wektorowy Do uwojenia pierwotnego jest doprowadana energia, a uwojenia wtórnego odbierana. Uwojenie o wyżsym napięciu wane jest uwojeniem górnego napięcia, natomiast uwojenie o niżsym napięciu dolnego napięcia. Transformator diała na asadie indukcji wajemnej dwóch uwojeń. Prąd I 1 płynący w uwojeniu pierwotnym wytwara w rdeniu strumień magnetycny Φ 0 ora strumień roprosenia Φ r1. Zmienny strumień Φ 0 indukuje w uwojeniu wtórnym siłę elektromotorycną E. Po włąceniu obciążenia do uwojenia wtórnego popłynie prąd I 2. Każdy transformator charakteryuje się odpowiednimi wielkościami U 1, I 1, U 2, I 2 i parametrami elektrycnymi wynikającymi e jawisk fiycnych jakie w nim występują. Mają one swoje odwierciedlenie w parametrach transformatora, które można predstawić pry pomocy schematu astępcego, uwględniającego następujące parametry: reystancje uwojeń reaktancje roproseniowe uwojeń, wynikające faktu istnienia strumieni roproseniowych reystancję repreentującą straty w rdeniu reaktancję główną, predstawiająca cewkę, w której indukuje się SEM Znajomość poscególnych parametrów transformatora umożliwia wykonanie schematu astępcego transformatora. Pre schemat astępcy roumie się taki model sieci łożony reystancji i reaktancji, który ma te same równanie ruchu ora taki sam wykres wektorowy jak transformator recywisty. Dla uyskania ciągłości obwodu elektrycnego w schemacie astępcym transformatora należy prelicyć parametry uwojenia wtórnego na stronę pierwotną transformatora. Sprowadone parametry obwodu wtórnego onacone wskaźnikami prim mają postać: E 2 = ν*e 2 R 2 = ν 2 *R 2 U 2 =ν*u 2 X 2 = ν 2 *X 2 I 2 = I 2 /ν Z 2 = ν 2 *Z 2 gdie: ν - prekładnia transformatora ( stosunek licby wojów uwojenia górnego do licby wojów uwojenia dolnego napięcia) W ropatrywanym schemacie astępcym transformatora (rys.1) parametry uwojenia wtórnego ostały sprowadone na stronę pierwotną. Można również budować schemat astępcy transformatora, w którym parametry uwojenia pierwotnego będą sprowadone na stronę wtórną. Wsystkie parametry schematu astępcego (rys. 1) wyjątkiem Z 2 są wielkościami stałymi, mogą być one wynacone próby stanu jałowego i próby warcia. Stanem jałowym transformatora naywa się taki stan pracy, w którym uwojenie pierwotne asilane jest napięciem U 1 natomiast uwojenie wtórne nie jest obciążone (wyłącona impedancja Z 2 na rys.1). Popre mianę napięcia U 1 możemy wynacyć ależność I 0, P 0, cosφ 0 = f( U 1 ), które są nawane charakterystykami biegu - 6 -

7 jałowego. Znajomość charakterystyk stanu jałowego powala na ocenę właściwości obwodu magnetycnego transformatora. Na podstawie tych charakterystyk można również określić w prybliżeniu wartość wtórnego napięcia namionowego w prypadku, gdy jest ono nienane. Preprowadając pomiar pry napięciu namionowym, możemy określić namionowy prąd jałowy ora namionowe straty w stanie jałowym. Pomiar mocy cynnej, pobieranej pre transformator w stanie jałowym, powala na ocenę wykonania rdenia ( można pominąć straty mocy w uwojeniu pierwotnym P cu1 = I 0 2 R 1 uwagi na mały prąd). Można bowiem kierując się wynikami tego pomiaru, wykryć w pakietach blach warcia, które są prycyną lokalnego wrostu temperatury i mogą prowadić do uskodenia transformatora. Stanem warcia transformatora naywa się taki rodaj pracy, w którym jedno uwojeń asilane jest e źródła energii elektrycnej, a aciski drugiego są warte, cyli U 2 = 0. Stan ten pry namionowym napięciu asilającym U 1 spowodowałby, że w uwojeniach 1 i 2 popłynąłby prąd od około 10 do 30 ray więksy od prądów namionowych i transformator w bardo krótkim casie uległby nisceniu. Z powyżsego wynika, że próby pry stanie warcia transformatora mogą być preprowadone pry obniżonym napięciu asilania, to nacy takim napięciu, aby w uwojeniach 1 i 2 płynęły prądy namionowe. Taki stan pracy transformatora naywa się normalnym warciem transformatora albo inacej pomiarowym warciem lub warciem namionowym transformatora. Schemat astępcy transformatora w stanie warcia predstawiono na rysunku 2. Rys. 2. Schemat astępcy transformatora w stanie warcia. W tym schemacie pominięto gałąź poprecną X µ, R Fe. Założenie takie jest uasadnione, ponieważ prąd jałowy ( płynący pre elementy X µ,r Fe ) w stanie warcia jest rędu kilku 0 / 00 prądu namionowego I n. Napięciem warcia transformatora U Z naywa się takie napięcie, które należy doprowadić do jednego uwojeń, pry warciu drugiego, aby w uwojeniu asilanym uyskać prąd namionowy I n. Stan obciążenia transformatora występuje wówcas, gdy uwojenie pierwotne podłącone jest do napięcia sieci asilającej, a do uwojenia wtórnego podłącono odbiornik (rys. 1). Moc pobierana sieci pre transformator używana jest na pokrycie strat wewnętrnych transformatora ora na pokrycie obciążenia. Sprawnością transformatora naywamy stosunek mocy cynnej pobieranej pre obciążenie do mocy cynnej pobieranej sieci

8 3. Pomiary laboratoryjne Zadanie 1: Określić typ i wpisać dane namionowe transformatora. Typ: U 1 : U 2 : Sn: CosΦ: Producent: Typ abepiecenia: Obudowa IP: Certyfikat: Norma wyrobu: Zadanie 2: Pomiary reystancji uwojeń transformatora. Pomiary reystancji uwojeń transformatora jednofaowego należy preprowadić metodą technicną pry asilaniu napięciem stałym. Schemat połąceń jest predstawiony na rysunku 3. Rys. 3. Schemat układu do pomiaru reystancji uwojeń transformatora Dla każdego uwojeń dokonać należy kilka pomiarów. Tabela 1 UZWOJENIE GÓRNE UZWOJENIE DOLNE U [V] I [A] R [Ω] U [V] I [A] R[Ω] R rśr =... R dśr =... Wyniki pomiarów i obliceń reystancji uwojeń transformatora Mierąc jednoceśnie napięcie i prąd pry miennych wartościach prądu. Wyniki pomiarów wpisać do tabeli 1. Zadanie 3: Pomiar prekładni transformatora. Pomiaru prekładni pry biegu jałowym dokonuje się mierąc napięcie strony pierwotnej i wtórnej w stanie jałowym (rys.4a). Pomiar prekładni pry warciu transformatora preprowada się według schematu podanego na rys.4b

9 Rys 4. Schematy pomiarowe prekładni transformatora: a. pry biegu jałowym b. pry warciu Wykonuje się kilka odcytów dla różnych napięć (prądów) w pobliżu wartości namionowych i oblica się wartość średnią prekładni. Tabela 2 Wyniki pomiarów prekładni transformatora U 1 [V] U 2 [V] U 1śr [V] U 2śr [V] υ u = I 1 [A] I 2 [A] I 1śr [A] I 2śr [A] υ i = Zadanie 4: Pomiary w stanie jałowym transformatora. Pomiary należy preprowadić według układu podanego na rys. 5. W celu uyskania dokładniejsych odcytów mierników transformator należy asilić od strony dolnego napięcia. Popre mianę napięcia asilającego od 0,1U n2 do 1,2U n2 uyskamy możliwość wynacenia mienności niektórych parametrów. Rys.5 Schemat układu do pomiarów transformatora w stanie jałowym Wyniki pomiarów należy wpisać do tabeli 3. Tabela 3 Wyniki pomiarów i obliceń próby stanu jałowego transformatora L.p. U 02 I 0 P 0 cosφ 0 I µ I c V A W -- A A Uwagi Na podstawie otrymanych danych pomiarowych należy oblicyć następujące dane: - 9 -

10 cos p 0 φ 0 = ; 0 cosφ0 U 02 I 0 I c = I ; I µ = I 0 sinφo Zadanie 5: Pomiary pry obciążeniu transformatora jednofaowego. Pomiary obciążenia transformatora należy wykonać pry stałym współcynniku mocy odbiornika. Układ pomiarowy musi być połącony godnie rysunkiem 6. Pomiary należy ropocąć od I 2 =0,1I n stopniowo więksając obciążenie aż do 1,2I n utrymując stałe napięcie asilania. Rys.6 Schemat układu pomiarowego do badania obciążenia transformatora Wyniki pomiarów należy anotować w tabeli 4. Tabela 4 Wyniki pomiarów i obliceń próby obciążenia transformatora jednofaowego. U 1 I 1 P 1 U 2 I 2 P 2 cosφ 1 η L.p. V A W V A W -- % Uwagi Zadanie 6: Pomiary pry normalnym warciu transformatora. Celem wynacenia strat w uwojeniach ora reaktancji roproseniowej uwojeń należy połącyć układ pomiarowy godnie rysunkiem 7. Rys.7 Schemat układu pomiarowego próby warcia Napięcie podnosimy od era stopniowo do takiej wartości U, aby w uwojeniu asilanym popłynął prąd namionowy transformatora. Wyniki pomiarów należy wpisać do tabeli 5. Tabela 5 Wyniki pomiarów i obliceń pry warciu pomiarowym transformatora U Z I Z P Z cosφ Z R Z X Z Z L.p. Z Uwagi V A W --- Ω Ω Ω Na podstawie otrymanych danych pomiarowych należy oblicyć następujące dane: P2 cosφ = ; U I 2 P R = ; I U Z = ; I X = Z 2 Z R 2 Z

11 4. Opracowanie wyników pomiaru a. Uupełnić tabele o odpowiednie oblicenia. b. Narysować charakterystyki stanu jałowego, tn. cosφ, I 0, P 0, I µ, I µ = f(u 0 ) c. Wykreślić charakterystyki obciążeniowe, tn. cosφ 1, I 1, U 1, y = f(i 2 ) d. Narysować charakterystyki warciowe, tn. P, Iż, cosφ = f(u ) e. Preprowadić dyskusje wyników ora podać wnioski preprowadonych pomiarów 5. Zagadnienia i pytania kontrolne a. Podiał elektrycnych urądeń preciwwybuchowych b. Zasada ochrony urądeń ognioscelnych i o budowie wmocnionej c. Cechowanie elektrycnych urądeń preciwwybuchowych d. Opisać budowę i asadę diałania transformatora e. Co to jest stan jałowy i stan warcia normalnego transformatora? 6. Literatura 1. Praca biorowa, Poradnik montera elektryka, WNT Warsawa PN-EN AC Urądenia elektrycne w prestreniach agrożonych wybuchem. Wymagania ogólne