Podstawy Elektroenergetyki 2

Transkrypt

1 POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY Katedra Elektroenergetyki, Fotoniki i Techniki Świetlnej Laboratorium z przedmiotu: Podstawy Elektroenergetyki 2 Kod: ES1A Temat ćwiczenia: BADANIE SPADKÓW NAPIĘĆ W INSTALACJACH ELEKTRYCZNYCH Ćwiczenie nr: 1 Opracował: dr inż. Zbigniew Skibko 2016

2 2

3 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 RL można wyznaczyć na podstawie zależności: R L l (1) s gdzie: l długość przewodu [m]; przewodność właściwa materiału przewodowego m mm 2 ; s pole przekroju poprzecznego przewodu [mm 2 ] m Przewodność właściwa miedzi wynosi około 55 2 mm m około mm, natomiast dla aluminium jest to Spadek napięcia w linii jednofazowej, obciążonej prądem I określony jest zależnością: a dla obwodów trójfazowych: U I R L cos X sin (2) 2 L U I R L cos X sin (3) 3 L 3

4 lub wyrażony w procentach: U U % 100 (4) U nf gdzie: XL reaktancja linii [Ω]; Unf fazowe napięcie znamionowe linii [V] W zależnościach (2) i (3) 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 2 I R cos (5) Należy jednak pamiętać, że dla odbiorników o charakterze rezystancyjnym (np. żarówki) cos = 1. Aby odbiorniki pracowały poprawnie, musi być między innymi zapewnione napięcie zasilające o odpowiedniej wartości, jak najbardziej zbliżone do ich napięcia znamionowego. W obecnie obowiązujących przepisach wymaga się, aby procentowy spadek napięcia w instalacji elektrycznej na odcinku od złącza do odbiornika nie przekraczał 4 % wartości napięcia znamionowego. W literaturze można znaleźć wymagania stawiane w zależności od budowy i przeznaczenia instalacji elektrycznej (tabela 1). L Tabela 1. Dopuszczalne procentowe spadki napięcia w instalacjach elektroenergetycznych odbiorczych o napięciu wyższym niż 42 V Źródło zasilania Dopuszczalny spadek napięcia, w %, w instalacjach zasilających odbiorniki: oświetleniowe oświetleniowe, Siłowe i (lub) siłowe i (lub) grzejne grzejne wewnętrzna linia zasilająca sieć o Un 1 kv rozdzielnica główna stacji lub inne źródło

5 Straty mocy czynnej P w linii jednofazowej wyznacza się z zależności: 2 P 2 I (6) R L Procentowe straty mocy opisuje równanie: P P % 100 (7) P 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 układzie tym, 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. Układ obciążony jest żarówkami Ż1 Ż5 5

6 o napięciu znamionowym równym 24 V, załączanymi włącznikami W1 W5. Natomiast w drugim przypadku, gdy napięcie znamionowe linii wynosi 230 V, pomiarów należy dokonać w układzie, którego schemat przedstawiony został na rys. 4. W tym przypadku jako obciążenia linii należy użyć: - żarówek o napięciu znamionowym 230 V, - żarówek o napięciu znamionowym 230 V z połączonym równolegle elementem indukcyjnym (dławik), - żarówek o napięciu znamionowym 230 V z połączonym równolegle elementem pojemnościowym (kondensator). Przy podłączaniu odbiorników nieliniowych należy pamiętać o włączeniu w układ watomierza (o odpowiednim zakresie pomiarowym), który pozwoli na wyznaczenie cos φ występującego w badanym układzie. A AT V 1 V 2 L C Ż 1 Ż 2 Ż 3 Ż 4 W 1 W 2 W 3 W 4 Rys. 4. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania spadków napięć w linii jednofazowej o napięciu znamionowym 230 V. 6

7 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 U1 na wartość znamionową (24 V) i utrzymywać tą wartość przez cały czas trwania pomiarów; Zmieniając obciążenie linii poprzez załączanie lub wyłączanie poszczególnych odbiorników Ż1 Ż5 (wykorzystując wszystkie możliwe do otrzymania wartości mocy pobieranej) dokonać pomiarów napięć na początku U1 oraz końcu U2 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. L.p. Wartości zmierzone Wartości obliczone Pn U1 U2 I RL U P U% P% W V V A Ω V W % % Przyjmując średnią wartość rezystancji przewodu RL 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: U = f (I), U% = f (I), P = f (I), : P% = 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; 7

8 Za pomocą autotransformatora nastawić napięcie U1 na wartość znamionową (230 V) i utrzymywać tą wartość przez cały czas trwania pomiarów; Zmieniając obciążenie linii poprzez załączanie lub wyłączanie poszczególnych odbiorników Ż1 Ż4 (wykorzystując wszystkie możliwe do otrzymania wartości mocy pobieranej) dokonać pomiarów napięć na początku U1 oraz końcu U2 linii oraz natężenia prądu I płynącego w obciążonych przewodach; Pomiarów dokonać dla wybranych przez prowadzącego długości linii; Zmieniając obciążenie linii poprzez załączanie lub wyłączanie poszczególnych odbiorników Ż1 Ż5 (wykorzystując wszystkie możliwe do otrzymania wartości mocy pobieranej) przy dołączonej do żarówek (w sposób równoległy) indukcyjności, dokonać pomiarów napięć na początku U1 oraz końcu U2 linii natężenia prądu I płynącego w obciążonych przewodach oraz mocy P (Uwaga: układ pomiarowy należy uzupełnić o watomierz); Zmieniając obciążenie linii poprzez załączanie lub wyłączanie poszczególnych odbiorników Ż1 Ż5 (wykorzystując wszystkie możliwe do otrzymania wartości mocy pobieranej) przy dołączonej do żarówek (w sposób równoległy) pojemności dokonać pomiarów napięć na początku U1 oraz końcu U2 linii natężenia prądu I płynącego w obciążonych przewodach oraz mocy P; Wyniki pomiarów zestawić w tabeli 3. Tabela 3. Wartości zmierzone Wartości obliczone Pn U1 U2 I P cos φ RL U P U% P% L.p. W V V A W - Ω V W % % Przyjmując średnią wartość rezystancji przewodu RL 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: U = f (I), U% = f (I), P = f (I), : P% = f (I). 8

9 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 2015, 2. Markiewicz H.: Instalacje elektryczne, WNT, Warszawa 2012, 3. Niebrzydowski J.: Sieci elektroenergetyczne, WPB, Białystok 2000, 4. Poradnik Inżyniera Elektryka, praca zbiorowa, WNT, Warszawa 1997 oraz wydania późniejsze. 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 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 9

10 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