Politechnika Białostocka

Transkrypt

1 Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Elektroenergetyki Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Temat ćwiczenia: BADANIE SPADKÓW NAPIĘĆ W INSTALACJACH ELEKTRYCZNYCH Ćwiczenie nr: 1 Laboratorium z przedmiotu: Podstawy Elektroenergetyki Kod: Opracował: mgr inż. Zbigniew Skibko 2006

2 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zbadanie zjawiska spadku napięcia w instalacji elektrycznej oraz jego wpływu na działanie odbiorników energii elektrycznej. 2. Wiadomości podstawowe Instalacjami elektrycznymi nazywa się zespoły urządzeń elektroenergetycznych służących do przesyłu energii elektrycznej z sieci rozdzielczej do odbiorników o napięciu znamionowym nie przekraczającym 1 kv. W skład instalacji elektrycznej wchodzą: przewody, aparaty i przyrządy łączeniowe, zabezpieczające, ochronne, sterujące i pomiarowe, jak również obudowy i konstrukcje wsporcze. W każdej instalacji elektrycznej dąży się do tego, aby odbiorniki energii elektrycznej pracowały, po ich załączeniu, na napięciu znamionowym. Jednak w przewodach zasilających odbiorniki energii występują straty związane z rezystancją przewodu. Rezystancję przewodu R L można wyznaczyć na podstawie zależności: R L l = (1) γ s gdzie: l długość przewodu [m]; γ przewodność właściwa materiału przewodowego m Ω mm 2 ; s pole przekroju poprzecznego przewodu [mm 2 ] m Przewodność właściwa miedzi wynosi około 55 2 Ω mm m około Ω mm, natomiast dla aluminium jest to Na rysunku 1 przedstawiono schemat zastępczy linii przesyłowej prądu przemiennego, w postaci czwórnika typu π. Układ ten zawiera impedancję wzdłużną Z L = R L +jx L i admitancje Y L =(G L +jb L ). Układ zasilany jest napięciem U 1l. W punkcie 2 układu odbierany jest prąd 1 2, przy napięciu U f 2. 3

3 Rys. 1. Schemat zastępczy linii przesyłowej typu π Wykres wskazowy dla tej linii przedstawiono na rysunku 2. Konstrukcję wykresu zaczyna się od wektora napięcia fazowego na końcu linii U f 2. Rys. 2. Wykres wektorowy linii przesyłowej Prąd płynący w przewodzie powoduje w nim powstanie spadku napięcia. Spadek napięcia jest różnicą algebraiczną modułów napięć na początku i na końcu układu. W przypadku różnicy napięć fazowych jest to spadek fazowy (Δ U f ), a w przypadku różnicy wartości przewodowych jest to spadek przewodowy (Δ U): ΔU f12 = U f1 U f2 (2) ΔU 12 = U 1 U 2 (3) przy czym: Δ U = ΔU (4) 12 3 f 12 4

4 Na wykresie wektorowym wartość spadku napięcia opisany jest odcinkiem ae : lub ΔU f 12 = ae = ad + de = ΔU R L cosϕ + ΔU X sinϕ + de (5) L ΔU f 12 = I RL cosϕ + I X L sinϕ + de (6) Aby odbiorniki pracowały poprawnie, musi być między innymi zapewnione napięcie zasilające o odpowiedniej wartości, jak najbardziej zbliżone do ich napięcia znamionowego. Dlatego zaleca się, aby w praktyce spadek napięcia w instalacji elektrycznej (między złączem a odbiornikiem) nie przekraczał 4 % znamionowego napięcia instalacji. Spadek napięcia w linii jednofazowej, obciążonej prądem I określony jest zależnością: lub wyrażony w procentach: ( R L cosϕ X sin ϕ) Δ U = ± (7) 2 I L ΔU ΔU % = 100 (8) gdzie: X L reaktancja linii [Ω]; U nf fazowe napięcie znamionowe linii [V] W zależności (7) znak plus dotyczy obciążenia o charakterze indukcyjnym (np. silniki indukcyjne), a znak minus dotyczy obciążenia pojemnościowego (np. kondensatory). W obwodach z przewodami o przekroju żył do 16 mm 2 można pominąć reaktancję przewodów, gdyż rezystancja przewodów jest ponad pięciokrotnie wyższa od ich reaktancji. Nie ma więc to istotnego wpływu na wyniki obliczeń. Przy uwzględnieniu tego uproszczenia, spadek napięcia w linii jednofazowej opisany jest zależnością: U nf ΔU = 2 R cosϕ (9) L Należy jednak pamiętać, że dla odbiorników o charakterze rezystancyjnym (np. żarówki) cosϕ = 1. Straty mocy czynnej ΔP w linii jednofazowej wyznacza się z zależności: 2 ΔP = 2 I (10) R L Procentowe straty mocy opisuje równanie: ΔP ΔP % = 100 (11) P 5

5 3. Opis stanowiska badawczego Przedmiotem badania jest model instalacji elektrycznej jednofazowej (dwuprzewodowej), pracującej na dwóch poziomach napięć znamionowych: 24 V oraz 230 V. Tr A AT V 1 V 2 Ż 1 Ż 2 Ż 3 Ż 4 Ż 5 W 1 W 2 W 3 W 4 W 5 Rys. 3. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania spadków napięć w linii jednofazowej o napięciu znamionowym 24 V. Pomiarów spadków napięć w badanej linii o napięciu znamionowym 24 V należy wykonać w układzie, którego schemat przedstawiony jest na rys. 3. W tym układzie model linii (zaznaczony na rysunku grubą linią) zasilany jest z autotransformatora AT o zakresie regulacji napięcia V, przez transformator obniżający napięcie Tr o przekładni 220/24 V. Natomiast w drugim przypadku, gdy napięcie znamionowe linii wynosi 230 V, pomiarów należy dokonać w układzie, którego schemat przedstawiony został na rys. 4. W obu przypadkach układ obciążony jest żarówkami Ż 1 Ż 5 o odpowiednim napięciu znamionowym, załączanymi włącznikami W 1 W 5. 6

6 A AT V 1 V 2 Ż 1 Ż 2 Ż 3 Ż 4 Ż 5 W 1 W 2 W 3 W 4 W 5 Rys. 4. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania spadków napięć w linii jednofazowej o napięciu znamionowym 230 V. 4. Przebieg ćwiczenia 4.1. Badanie linii o napięciu znamionowym 24 V W tej części ćwiczenia należy: Połączyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 3. zwracając szczególną uwagę na zakresy przyrządów pomiarowych; Za pomocą autotransformatora nastawić napięcie U 1 na wartość znamionową (24 V) i utrzymywać tą wartość przez cały czas trwania pomiarów; Zmieniając obciążenie linii poprzez załączanie lub wyłączanie poszczególnych odbiorników Ż 1 Ż 5 (zgodnie z poleceniem prowadzącego) dokonać pomiarów napięć na początku U 1 oraz końcu U 2 linii oraz natężenia prądu I płynącego w obciążonych przewodach; Pomiarów dokonać dla wybranych przez prowadzącego długości linii; Wyniki pomiarów zestawić w tabeli 1. 7

7 Tabela 1. L.p. Wartości zmierzone Wartości obliczone P n U 1 U 2 I R L ΔU ΔP ΔU % ΔP % W V V A Ω V W % % Przyjmując średnią wartość rezystancji przewodu R L i zakładając, że przewód o przekroju s=2,5mm 2 wykonany jest z miedzi, obliczyć rzeczywistą długość linii l; Na podstawie tabeli sporządzić i omówić wykresy: ΔU = f (I), ΔU % = f (I), ΔP = f (I), : ΔP % = f (I) Badanie linii o napięciu znamionowym 230 V W tej części ćwiczenia należy: Połączyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 4. zwracając szczególną uwagę na zakresy przyrządów pomiarowych; Za pomocą autotransformatora nastawić napięcie U 1 na wartość znamionową (230 V) i utrzymywać tą wartość przez cały czas trwania pomiarów; Zmieniając obciążenie linii poprzez załączanie lub wyłączanie poszczególnych odbiorników Ż 1 Ż 5 (zgodnie z poleceniem prowadzącego) dokonać pomiarów napięć na początku U 1 oraz końcu U 2 linii oraz natężenia prądu I płynącego w obciążonych przewodach; Pomiarów dokonać dla wybranych przez prowadzącego długości linii; Wyniki pomiarów zestawić w tabeli 2. Tabela 2. Wartości zmierzone Wartości obliczone L.p. P n U 1 U 2 I R L ΔU ΔP ΔU % ΔP % W V V A Ω V W % % Przyjmując średnią wartość rezystancji przewodu R L i zakładając, że przewód o przekroju s=2,5mm 2 wykonany jest z miedzi, obliczyć rzeczywistą długość linii l; 8

8 Na podstawie tabeli sporządzić i omówić wykresy: ΔU = f (I), ΔU % = f (I), ΔP = f (I), : ΔP % = f (I). 5. Opracowanie wyników badań Sprawozdanie studenckie powinno zawierać: - Cel ćwiczenia - Schematy układów pomiarowych - Tabelaryczne zestawienie wyników badań - Obliczenia i wykresy - Wnioski We wnioskach należy zwrócić szczególną uwagę na omówienie otrzymanych w wyniku pomiarów wykresów, jak również na określenie parametrów, od których zależy wartość spadku napięcia. 6. Literatura 1. Lejdy B.: Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych, WNT, Warszawa 2003, 2. Markiewicz H.: Instalacje elektryczne, WNT, Warszawa 1996, 4. Niebrzydowski J.: Sieci elektroenergetyczne, WPB, Białystok 2000, 3. Poradnik Inżyniera Elektryka, praca zbiorowa, WNT, Warszawa 1997, 7. Wymagania BHP Podczas wykonywania ćwiczeń w laboratorium należy przestrzegać następujących zasad: 1. Przed przystąpieniem do montowania układu pomiarowego należy dokonać oględzin przydzielonej aparatury i urządzeń. Stwierdzone uszkodzenia powinny być zgłaszane prowadzącemu ćwiczenia. 2. Ze stanowiska pomiarowego należy usunąć wszelkie zbędne przedmioty a zwłaszcza niepotrzebne przewody montażowe. 3. Włączenie badanego układu do napięcia może odbywać się jedynie w obecności i za zgodą prowadzącego ćwiczenia, po sprawdzeniu przez niego układu. Przed załączeniem układu trzeba 9

9 upewnić się, czy nikt nie manipuluje przy układzie pomiarowym. Za uszkodzenie przyrządów i inne straty wynikłe z winy ćwiczących odpowiadają oni materialnie. 4. Po załączeniu napięcia nie wolno wykonywać żadnych przełączeń w układzie. Rozmontowanie i ewentualne przełączenia mogą być robione po wyłączeniu napięcia i za zgodą prowadzącego ćwiczenia. 5. Podczas wykonywania ćwiczenia należy unikać stykania się z wszelkiego rodzaju dobrze uziemionymi przewodzącymi przedmiotami, takimi jak i kaloryfery, instalacje wodociągowe itp. 6. Wykonywanie ćwiczeń może odbywać się tylko na stanowisku wskazanym przez prowadzącego. Nie wolno używać innego sprzętu i aparatów niż te, które przydzielił prowadzący ćwiczenia. 7. Niedozwolona jest samowolna obsługa rozdzielnic głównych w laboratorium, a zwłaszcza załączanie napięcia na stanowiska pomiarowe. 10