Politechnika Białostocka

Transkrypt

1 Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Elektroenergetyki Instrkcja do zajęć laboratoryjnych Temat ćwiczenia: BADANIE NAGRZEWANIA SIĘ PRZEWODÓW POD WPŁYWEM PRĄDU Ćwiczenie nr: 8 Laboratorim z rzedmiot: Podstawy Elektroenergetyki Kod: Oracował: mgr inż. Zbigniew Skibko 2006

2 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zaoznanie się ze zjawiskami cielnymi, wystęjącymi rzy różnych obciążeniach jednożyłowych rzewodów rądem rzemiennym i stałym, łożonych w stalowych lb winidrowych rrkach instalacyjnych. 2. Wiadomości odstawowe Przewodami elektroenergetycznymi nazywa się rządzenia elektryczne, które słżą do rzewodzenia rąd elektrycznego (rzesył energii) w liniach elektroenergetycznych i instalacjach elektrycznych. Przewód elektryczny, w ogólnym rzyadk, składa się z nastęjących elementów konstrkcyjnych: - żyły (fazowe, netralne i ochronne), - izolacja, - owłoka. Żyły rzewodów elektroenergetycznych wykonywane są z drtów miedzianych lb alminiowych. Charakterystycznym arametrem rzewodów gołych oraz żył rzewodów izolowanych jest ich rzekrój orzeczny (wyrażany w mm 2 ). W energetyce rozowszechniło się skrótowe określenie: rzekrój rzewod. Umownie dotyczy to rzekroj znamionowego żyły rzewod. Znamionowe rzekroje orzeczne żył tworzą znormalizowany ciąg i wynoszą: 0,15; 0,20; 0,35; 0,50; 0,75; 1; 1,5; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 35; 50; 70; 95; 120; 150; 185; 240; 300; 400; 500; 630; 800; 1000 mm 2. W zależności od liczby żył rozróżnia się rzewody jedno i wielożyłowe. Przewody jednożyłowe zbdowane są z ojedynczej żyły miedzianej osłoniętej izolacją. Powszechnie stosowane są dwa tyy rzewodów jednożyłowych: DY oraz LY. Przewody ty DY osiadają żyłę wykonaną z ojedynczego drt miedzianego w izolacji z olichlork winyl (PVC). W rzewodach ty LY żyła miedziana osłonięta izolacją olwinitową wykonana jest jako wielodrtowa (tzw. linka). Przewody wielożyłowe składają się z co najmniej dwóch izolowanych żył mieszczonych we wsólnej osłonie izolacyjnej. Do gry rzewodów wielożyłowych zalicza się między innymi rzewody ty YDY. Żyły takich rzewodów wykonane są w izolacji olwinitowej oraz osłonięte są owłoką olwinitową. W zależności od rodzaj rzewod wielożyłowego (YDY(t,)żo) rzewody te rzyjmją różne kształty, i mają różne rzeznaczenie (do kładania w tynk, na tynk). Powszechnie sotykane są rzewody dw, trzy, cztero- i ięciożyłowe o rzekroj żył od 1 3

3 do 10 mm 2. Przewody wielożyłowe mogą być wykonywane z żyłami w ostaci ojedynczych drtów miedzianych (YDY) lb też z żyłami w ostaci linki miedzianej (YLY). Izolacja żył rzewod jest elementem konstrkcyjnym, słżącym do odizolowania oszczególnych elementów rzewod od siebie oraz od części rzewodzących dostęnych i obcych. Izolację wykonje się w ostaci wytłoczenia z materiał termolastycznego (olwinit, olietylen) lb wytłoczenia i sieciowania (olietylen sieciowany, gma). Na izolację nakładana jest owłoka, która jest szczelną warstwą wykonaną z olwinit bądź olietylen. Powłoka zaobiega rzenikani wilgoci do wnętrza rzewod. Przewody i kable oznaczone są symbolem literowym, który określa ich skład materiałowy i konstrkcję. Prąd elektryczny łynący w żyle rzewod owodje jej nagrzewanie się. Cieło owstające w żyle owodje wzrost jej temeratry i częściowo zostaje oddane do otoczenia. Dla jednorodnego rzewod obciążonego rądem o stałej wartości możemy naisać bilans energetyczny rzewod, zgodnie z zasadą zachowania energii dt = s l cdϑ + α S l ( ϑ ϑo ) dt (1) w którym: - moc chwilowa tracona w rzewodnik [W]; t - czas [s]; s - rzekrój rzewodnika [cm 2 ]; l - dłgość odcinka rzewodnika [cm]; c - cieło właściwe materiał rzewodowego [J/cm 3 C]; ϑ - temeratra rzewodnika [ C]; ϑ o - temeratra otoczenia [ C]; α - wsółczynnik oddawania cieła [W/cm 2 C]; jednostkę dłgości rzewod [cm 2 /cm]. S - owierzchnia zewnętrzna rzyadająca na W odanym bilansie energetycznym rzewod wyraz o lewej stronie równania (1) określa ilość cieła wytworzonego rzez łynący w rzewodzie rąd, natomiast ierwszy wyraz rawej strony równania określa ilość cieła otrzebnego do odwyższenia temeratry żyły rzewod o dϑ, a drgi wyraz - ilość cieła oddanego rzez rzewód do otoczenia wsktek wymiany cieła. Moc zżywana rzez rzewód obciążony rądem o stałej wartości sktecznej można obliczyć z zależności w której: k d 2 P = kd I ρ l s - wsółczynnik strat dodatkowych wywołanych wływem zmiennych ól magnetycznych (1< k <1,15); ρ - rezystywność materiał rzewodowego [ Ω cm]. d Po odstawieni wyrażenia (2) do (1) otrzymje się zależność: k 2 ρ l I dt = s l cdϑ + α S ( ϑ ϑo dt (3) s d ) (2) 4

4 Zakładając stałe wartości k d,ρ, c, k z równania (3) można obliczyć wzrost temeratry rzewod onad temeratrę otoczenia: 1 e + ( ϑ ϑo ) e α S α S k 2 t d ρ c s c ϑ ϑo = I s ) (4) α S c rzy czym: t - czas od chwili rozoczęcia obserwacji rzebieg nagrzewania [s]; ϑ - temeratra oczątkowa rzewod w chwili rozoczęcia obserwacji [ C]; ϑ - temeratra rzewod o czasie t [s]. c s Wyrażenie α S we wzorze (4) ma wymiar czas i nazywane jest cielną stałą czasową T. Wobec tego, że T > 0, wyrażenie e S α t c s temeratra ϑ rzewod dąży do wartości stalonej Po odstawieni równania krzywej nagrzewania: Zawarta w równani (6) temeratra stalona ϑ = ϑ dąży, w miarę ływ czas, do zera, a rzy czym k 2 lim( ) d ρ ϑ ϑo = ϑ ϑo = I (5) t α S s T = cs / αs i wyrażenia (5) do wzor (4) otrzymje się równanie t T ϑ = ϑ ( ϑ ϑ ) e (6) ϑ zależy od temeratry otoczenia. Dla każdej temeratry otoczenia otrzymamy inną krzywą ϑ = f (t) o rzędnych rzesniętych w górę lb w dół o tą samą wartość. Z zależności (6) można snąć temeratrę otoczenia wrowadzając rzyrosty temeratr: τ = ϑ ϑo ; τ = ϑ ϑo. Otrzymjemy wówczas równanie nagrzewania dla dowolnej temeratry lb ϑo t T τ τ = ( τ τ ) e (7) w którym: τ t = + τ τ T ( τ τ ) 1 e (8) - oczątkowy rzyrost temeratry rzewod onad temeratrę otoczenia [ C]. 5

5 Jeżeli rzewód na oczątk obserwacji ma temeratrę otoczenia ( τ = 0), wówczas zależność (7) rzyjmje ostać: t T = τ τ 1 e (9) Można rzyjąć, że cielna stała czasowa jest równa czasowi, o którym rzewód jednorodny, całkowicie cielnie odizolowany osiągnąłby temeratrę równą temeratrze stalonej rzy zwykłej wymianie cieła. Stałą czasową nagrzewania można wyznaczyć kreśląc w dowolnym nkcie krzywej nagrzewania styczną do tej krzywej aż do rzecięcia się z rostą Dłgość odstycznej mierzona na rostej rzyjętej skali czas. τ const. = τ const jest równa stałej czasowej nagrzewania w = Dotychczasowe rozważania dotyczą idealnych warnków nagrzewania się i stygnięcia rzewodów. Założono, że wielkości k d, ρ, c, k mają stałe wartości. Jednakże wsktek zmienności tych arametrów obserwowane w raktyce charakterystyki nagrzewania się i stygnięcia rzewodów odbiegają od rzebieg wykładniczego. W zakresie temeratr nie rzekraczających 120 C zmiany arametrów rzewodów nie są jednak dże. Z rzebieg krzywej nagrzewania wynika, że jeżeli obciążenie rzewod rądem elektrycznym trwa dłżej niż cztery stałe czasowe, rzewód ten osiąga temeratrę staloną. Określa się wówczas, że rzewód był obciążony dłgotrwale. W elektrotechnice obciążalność rądową dłgotrwałą kojarzy się z normalnymi, orawnymi warnkami racy torów rądowych, gdy ich temeratra nie rzekracza temeratry doszczalnej. Obciążalność rądowa dłgotrwała (I z ): jest to skteczna wartość rąd o niezmiennym natężeni, który rzeływając rzez rzewód w czasie nieskończenie dłgim (w określonych warnkach jego łożenia i będącego w określonej temeratrze otoczenia) owodje odwyższenie się temeratry rzewod do wartości doszczalnej dłgotrwale. Dla izolacji wykonanej z olichlork winyl temeratra doszczalna dłgotrwale określona została (na odstawie norm) na oziomie 70 C. Wartość ta względnia szkodliwy wływ rzegrzania rzewod na jego wytrzymałość mechaniczną, stan izolacji, zestyki oraz otoczenie. Obciążalność rądowa rzewodów odana jest w tablicach, w zależności od rzekroj żył, materiał z jakiego wykonane zostały żyły, materiał i konstrkcji izolacji oraz od sosob łożenia rzewodów. Obciążalność rądowa jest odana rzy założonej obliczeniowej temeratrze otoczenia (wg normy PN IEC temeratra otoczenia wynosi 30 C). Przy stalani obciążalności rądowej rzewodów i kabli ważna jest również liczba 6

6 obciążonych rądem żył. Jeżeli w rzewodzie (obwodzie) wielożyłowym rozływ rądów jest równomierny, to nie wymaga się względnienia żyły netralnej. Przewody czterożyłowe i ięciożyłowe mogą mieć większą obciążalność rądową dłgotrwałą, gdy obciążone są jedynie trzy żyły. Jeżeli żyła netralna rzewod wielożyłowego jest obciążona na sktek asymetrii obciążenia obwod, to owinna ona być dobrana w oarci o największe obciążenie tego obwod. Obciążenie dłgotrwałe rzewodów wystęją w raktyce bardzo rzadko, jednak gdy czas obciążenia jest dłższy niż 3 4 cielne stałe czasowe, można rzyjąć, że obciążenie jest dłgotrwałe. W rzyadk, gdy rzeływ rąd w rzewodzie nastęje w rzeciąg takiego czas, że rzewód nie zdąży osiągnąć temeratry doszczalnej dłgotrwale, by nastęnie oddawać cieło, aż do osiągnięcia temeratry stalonej równej temeratrze otoczenia, wówczas obciążenie takie nazywa się obciążeniem dorywczym. Największą wartość rąd, jaki może łynąć w czasie trwania obciążenia t, który sowodje nagrzanie rzewod do temeratry doszczalnej dłgotrwale wyznacza się z zależności: I dz = I Z 1 1 e t T (10) rzy czym: I dz rąd, który rzeływając rzez rzewód sowodje nagrzanie rzewod do temeratry doszczalnej dłgotrwale; I Z - rąd doszczalny dłgotrwale rzewod; t czas trwania obciążenia rzewod; T cielna stała czasowa rzewod. Natomiast obciążenie zmienne o owtarzających się na rzemian okresach obciążenia i rzerw bezrądowych nazywa się obciążeniem rzerywanym. Największą doszczalną wartość zastęczego rąd I Z, jaki może łynąć w rzewodzie rzy racy rzerywanej o równych cyklach racy i stałych wartościach rąd obciążenia wyznacza się z zależności: I Z = I Z 1 e 1 e t + t1 T t T (11) rzy czym: t czas trwania obciążenia rzewod; t 1 czas trwania rzerwy w obciążeni rzewod. Tabela 1. Obciążalność rądowa dłgotrwała (w amerach) jednożyłowych rzewodów ty DY 1,5 mm 2, o żyłach miedzianych w izolacja z PVC. Temeratra doszczalna dłgotrwale żyły 70 o C, temeratra otoczenia 30 o C [wg PN IEC ] 7

7 Liczba rzewodów w jednej rrce I Z [A] 1 17,5 4 15,5 3. Przebieg ćwiczenia W trakcie ćwiczenia należy: 1) Dla wybranych rzez rowadzącego linii (kład omiarowy rzedstawiono na rys. 1), wyznaczyć krzywe nagrzewania rzewodów od wływem łynącego rzez nie rąd (rzemiennego i stałego). Pomiar należy dokonywać co 15 s, do osiągnięcia rzez rzewód temeratry doszczalnej dłgotrwale ięć kolejnych, owtarzających się wyników omiarów. Wartości rądów obciążenia (rądów doszczalnych dłgotrwale) odano w tabeli 2, rzy czym dla linii 4xDY 1,5 rąd łynący w rzewodzie jest równy 0,25 wartości rąd odczytanego z ameromierza. Rozmieszczenie termoar odano na rys. 2. Rys. 1. Schemat ideowy obwod rądowego kład omiarowego (a) oraz schemat lit sterjącego (b) Kolejność załączania kład - rzy obciążeni rądem rzemiennym: WG PZ PZ-AC PZ 1 PZ 5 (w zależności od wybranego obwod) - rzy obciążeni rądem stałym: WG PZ PZ-dC PZ 1 PZ 5 (w zależności od wybranego obwod) 8

8 2) Korzystając z zależności 10 i 11 dla odanych rzez rowadzącego cykli racy wyznaczyć wartości zastęczych rądów doszczalnych rzy obciążeni dorywczym i rzerywanym. Rys. 2. Rozmieszczenie termoar w badanych liniach elektrycznych 4. Oracowanie wyników badań Srawozdanie stdenckie owinno zawierać: - Cel ćwiczenia - Schematy kładów omiarowych - Tabelaryczne zestawienie wyników badań oraz wykresy zależności ϑ = f (t) - Obliczenia - Wnioski 9

9 We wnioskach należy zwrócić szczególną wagę na omówienie otrzymanych w wynik omiarów wykresów. 6. Literatra 1. Lejdy B.: Instalacje elektryczne w obiektach bdowlanych, WNT, Warszawa 2005, 2. Lejdy B.: Laboratorim rządzeń elektroenergetycznych, WPB, Białystok 1999, 3. Markiewicz H.: Instalacje elektryczne, WNT, Warszawa 1996, 4. Poradnik Inżyniera Elektryka, raca zbiorowa, WNT, Warszawa 1997, 7. Wymagania BHP Podczas wykonywania ćwiczeń w laboratorim należy rzestrzegać nastęjących zasad: 1. Przed rzystąieniem do badań należy dokonać oględzin rzydzielonej aaratry i rządzeń. Stwierdzone szkodzenia owinny być zgłaszane rowadzącem ćwiczenia. 2. Ze stanowiska omiarowego należy snąć wszelkie zbędne rzedmioty a zwłaszcza nieotrzebne rzewody montażowe. 3. Włączenie badanego kład do naięcia może odbywać się jedynie w obecności i za zgodą rowadzącego ćwiczenia, o srawdzeni rzez niego kład. Przed załączeniem kład trzeba ewnić się, czy nikt nie manilje rzy kładzie omiarowym. Za szkodzenie rzyrządów i inne straty wynikłe z winy ćwiczących odowiadają oni materialnie. 4. Po załączeni naięcia nie wolno wykonywać żadnych rzełączeń w kładzie. Rozmontowanie i ewentalne rzełączenia mogą być robione o wyłączeni naięcia i za zgodą rowadzącego ćwiczenia. 5. Podczas wykonywania ćwiczenia należy nikać stykania się z wszelkiego rodzaj dobrze ziemionymi rzewodzącymi rzedmiotami, takimi jak i kaloryfery, instalacje wodociągowe it. 6. Wykonywanie ćwiczeń może odbywać się tylko na stanowisk wskazanym rzez rowadzącego. Nie wolno żywać innego srzęt i aaratów niż te, które rzydzielił rowadzący ćwiczenia. 7. Niedozwolona jest samowolna obsłga rozdzielnic głównych w laboratorim, a zwłaszcza załączanie naięcia na stanowiska omiarowe. 10