1. OBCIĄŻALNOŚĆ ROBOCZA I ZWARCIOWA PRZEWODÓW SZYNOWYCH Cel i zakres ćwiczenia Wiadomości podstawowe

Transkrypt

1 1. OBCĄŻALNOŚĆ ROBOCZA ZWARCOWA PRZEWODÓW SZYNOWYCH 1.1. Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jes zapoznanie się ze zjawiskami cieplnymi zachodzącymi w orach prądowych w sanach obciążeń roboczych i zwarciowych oraz z oddziaływaniem elekrodynamicznym prądów zwarciowych. W zakres ćwiczenia wchodzi: pomiar krzywej nagrzewania przewodów prądem roboczym, próba nagrzewania dorywczego lb przerywanego, pomiar sił oddziaływania elekrodynamicznego w kładzie orów prądowych szywnych nformacje wsępne 1.2. Wiadomości podsawowe Obliczenia doyczące zjawisk cieplnych w rządzeniach i aparaach elekrycznych prowadzi się w oparci o bilans cieplny, kórego składnikami są [1.1]: a) ciepło Jole a wydzielone w przewodzie wskek przewodzenia prąd, b) ciepło oddane do ooczenia przez promieniowanie i konwekcję, c) ciepło gromadzone w maeriale przewod, d) ciepło przekazywane przez przewodnicwo cieplne. Pełna posać równania bilans cieplnego zapisywana jes w dwóch dziedzinach: czas i miejsca. Posać ych zależności lega jednak odpowiedniem proszczeni, zależnie od rozważanych szczegółowych warnkowań. Przykładowo w obliczeniach cieplnych przewodów elekroenergeycznych zwykle zakłada się ich nieskończoną dłgość, pomijając w en sposób osani z wymienionych składników, czyli wzdłżne przekazywanie ciepła przez przewodzenie. Założenie akie eliminje również zależnienie równań cieplnych od miejsca, i są one rozwiązywane jedynie w dziedzinie czas. W analizie procesów nagrzewania się przewodów elekroenergeycznych pod wpływem płynącego przez nie prąd rozróżnia się dwa zasadnicze sany obciążeń [1.1]: a) obciążenia robocze, b) obciążenia zwarciowe.

2 Obciążalność robocza przewodów Obciążenia robocze dzieli się na: a) sany cieplnie salone (obciążalność dłgorwała), b) sany cieplnie niesalone. San cieplnie salony (obciążalność dłgorwała) o san, w kórym przewód osiągnął saloną emperarę ϑ wskek płynącego prąd o salonej warości, a całe ciepło Jole a wydzielone w przewodzie jes oddawane do ooczenia. W równani bilans cieplnego względnia się wówczas jedynie składniki a) i b) wymienione w pnkcie Pomiędzy prądem a saloną emperara przewod ϑ zachodzi zależność: 2 = a ϑ ) = a, (1.1) ( ϑ gdzie: a wielkość sała w roboczym zakresie emperary, zależna od właściwości maeriałowych przewodnika, jego rozmiarów i warnków odprowadzenia ciepła do ooczenia, ϑ obliczeniowa emperara ooczenia, salony przyros emperary, = (ϑ - ϑ ). Szczególnym przypadkiem salonego prąd obciążenia jes prąd obciążalności dopszczalnej dłgorwale Z, kóry w salonych warnkach oddawania ciepła do ooczenia nagrzałby przewód do emperary dopszczalnej dłgorwale ϑ dd. Prąd Z dla przewodów sosowanych w insalacjach elekrycznych jes podany w normie [1.2]. Przyjęa am obliczeniowa emperara ooczenia dla przewodów mieszczonych w powierz oraz w bdynkach wynosi 3 C, a dla przewodów łożonych w ziemi 2 C. Znajomość prąd Z oraz ϑ dd pozwala na obliczenie emperary przewodów obciążonych dowolnym salonym prądem roboczym : ϑ ϑ = =, (1.2) Z 2 dd gdzie: dd dopszczalny dłgorwale przyros emperary. Z ej samej zależności można wyliczyć dowolny salony prąd roboczy, kóry nagrzałby przewody do określonej emperary ϑ : ϑ ϑ = Z = Z. (1.3) dd ϑdd ϑ

3 San cieplnie niesalony doyczy syacji, gdy proces przyros emperary przewod nie zosał salony, czyli ciepło Jole a wydzielone wskek przepływ prąd jes częściowo oddawane do ooczenia, a częściowo gromadzone w maeriale przewod podnosząc jego emperarę. W bilansie cieplnym dla ego san względnia się więc rzy pierwsze składniki a), b) i c), wymienione w pnkcie Przyros emperary przewod = f() podczas przepływ salonego prąd roboczego, w przypadk gdy proces nagrzewania rozpoczął się od emperary przewodϑ p równej emperarze ooczenia ϑ ( p = ϑ p - ϑ = ), jes określony zależnością (krzywa 1, rys. 1.1): gdzie jes cieplną sałą czasową przewod. e = ( 1 ), (1.4) Jeżeli proces nagrzewania przewod rozpoczyna się od pewnej emperary począkowej przewod ϑ p różnej od emperary ooczenia ϑ, czyli p = ϑ p - ϑ, wówczas zależność = f() ma posać (krzywa 2, rys.1.1): p = ( 1 e ) + e. (1.5) Drgi składnik smy w równani (1.5) jes równaniem krzywej sygnięcia przewod (przebieg 3, rys. 1.1), a krzywa (2) jes smą przebiegów (1) i (3). ϑ ϑ 2 1 ϑ p p 3 ϑ Rys Przebiegi krzywej nagrzewania się przewod, wg zależności (1.4) - krzywa 1 oraz wg zależności (1.5) krzywa 2, kóra jes smą krzywej nagrzewania od emperary począkowej przewod równej emperarze ooczenia ϑ (krzywa 1) i krzywej sygnięcia 3.

4 Wyróżnia się rzy ypowe sany niesalone w obciążalności roboczej przewodów: obciążenie dorywcze, podczas kórego przewód nagrzewany jes prądem dor o warości przekraczającej obciążalność dłgorwałą przewod Z (rys. 1.2), przez czas niewysarczający do salenia się emperary, po czym prąd jes wyłączany i przewód sygnie do emperary ooczenia. Czas dor, po kórym emperara przewod osiągnie emperarę dopszczalną dłgorwale ϑ dd jes maksymalnym czasem rwania obciążenia dorywczego (rys. 1.2), co wyraża zależność: dor = Z 1 1 e dor. (1.6) a) dd b) dor dor Z dor Rys Przebieg przyros emperary przewod = f() podczas obciążenia dorywczego (a) oraz przebieg prąd dorywczego dor = f() (b). obciążenie przerywane, charakeryzjące się sałymi, cyklicznie powarzanymi okresami nagrzewania p i sygnięcia przewod, przy czym czas sygnięcia jes niewysarczający do osiągnięcia przez przewód emperary ooczenia (rys. 1.3a). Prąd obciążenia przerywanego prz przekracza warość obciążenia dłgorwałego przewodów Z.(rys. 1.3b). Jeśli nagrzewanie akie rwa dosaecznie dłgo, dochodzi do salenia się zakres zmienności przyrosów emperary przewod od min w końc kolejnego okres sygnięcia do max w końc kolejnego okres nagrzewania p (rys.1.3). Relacja pomiędzy czasami p i powinna być aka, aby

5 max dd, a dla przypadk granicznego, gdy max = dd (rys. 1.3) orzymje się zależność: prz = Z 1 e 1 e p + p. (1.7) a) dd max min b) prz p p p p p p p Z p p p p p p p Rys Przebieg przyros emperary przewod = f() podczas obciążenia przerywanego (a) oraz przebieg prąd przerywanego prz = f() (b). obciążenie dowolnie zmienne, w kórym w niereglarnych odcinkach czas przewód jes obciążony prądem o zmieniających się warościach, przy czym w danym odcink czas warość prąd jes salona Obciążalność zwarciowa przewodów Proces nagrzewania przewodów podczas zwarcia przedsawiono na rys Ze względ na bardzo króki czas k przepływ prąd zwarciowego oraz wielokronie większą, w porównani ze sanami roboczymi, ilość wydzielanego ciepła zakłada się, że całe ciepło Jole a wyworzone wskek przepływ prąd zwarciowego jes gromadzone w maeriale przewod. Pomija się więc proces oddawania ciepła do

6 ooczenia, czyli w bilansie cieplnym względnia się jedynie składniki a) i c) wymienione w pnkcie W analizie ej zakłada się również znacznie wyższą emperarę ϑ k, do jakiej może się nagrzać przewód podczas zwarcia. Maksymalne warości emperar ϑ k zalecane przez normę [1.3] podano w abeli 1.1, choć w prakyce zależnie od rozparywanych warnkowań możliwe jes przyjmowanie również innych emperar, w zakresie podanym na rys W efekcie orzymje się równanie cieplne dla san zwarciowego: h k k B s = A( ϑ ) A( ϑ ), (1.8) gdzie: s przekrój przewod, h zasępczy zwarciowy prąd cieplny, k czas rwania zwarcia, A(ϑ) fnkcja reprezenjąca zdolność gromadzenia ciepła przez maeriał przewod (rys. 1.5), ϑ k emperara przewod w chwili wyłączenia prąd zwarciowego, ϑ B salona emperara przewod podczas dłgorwałego obciążenia roboczego poprzedzającego zwarcie, wyliczana jako emperara salona przewod z zależności (1.2). ϑ ϑ k zwarcie san roboczy poprzedzający zwarcie sygnięcie przewod po wyłączeni zwarcia ϑ B ϑ k Rys Sylizowany przebieg emperary przewod podczas zwarcia.

7 4 ϑ [ C] 3 2 sal alminim miedź A [x1 4 (A/mm 2 ) 2 ] Rys Fnkcja zmian zdolności gromadzenia ciepła przez maeriał przewod w zależności od emperary, A=f(ϑ) W oparci o zależność (1.8) wyprowadzono kryeria określające warnki cieplnej wyrzymałości zwarciowej aparaów i przewodów elekrycznych. Dla przewodów kryerim o określa dopszczalną gęsość prąd w przewodzie podczas zwarcia [1.1, 1.3]: j 1 kn h jhn = jhn, (1.9) k k gdzie: j h dopszczalna gęsość prąd w rozparywanym przewodzie podczas zwarcia, j hn jednosekndowa, znamionowa wyrzymywana gęsość prąd odczyana z wykres na rys. 1.6, kn znormalizowany czas próby zwarciowej dla przewodów, kn =1s, k rzeczywisy maksymalny czas rwania zwarcia w rozparywanym obwodzie. ab Zalecane najwyższe emperary podczas zwarcia dla przewodów narażonych na oddziaływania mechaniczne (wskek dynamicznego działania prąd) wg [1.3] Rodzaj przewod Najwyższa zalecana emperara Przewody szynowe, maeriał liy bądź linka: C, Al., sopy Al. 2 C Przewody szynowe, maeriał liy bądź linka: sal 3 C

8 2 [A/mm 2 ] 16 ϑ k =3 C 2 [A/mm 2 ] 16 Al j hn ϑ k =3 C 25 C 2 C [ C] 13 ϑ B 1 C 25 C C Sal 2 C 18 C 16 C 14 C 12 C j hn [ C] 13 ϑ B ϑ k =3 C 1 C 25 C 2 C 14 C 12 C 18 C 16 C Rys Znamionowa, wyrzymywana krókorwała gęsość prąd dla czas zwarcia kn = 1s w zależności od emperary, wg [1.3] Siły oddziaływania elekrodynamicznego prąd zwarciowego Prąd zwarciowy przepływając przez kład przewodów powodje ich wzajemne oddziaływania elekrodynamiczne, kóre mogą prowadzić do mechanicznego szkodzenia kład. Siła oddziaływania elekrodynamicznego F 2 wysępjąca pomiędzy dwoma przewodami łożonymi równolegle jes obliczana ze wzor [1.3]: µ 2 l F2 = i p2, (1.1) 2π a naomias w kładzie płaskim równoległych przewodów rójfazowych [1.3]: µ 3 2 l F3 = i p3, (1.11) 2π 2 a gdzie: F 2, F 3 amplida siły oddziaływania elekromagneycznego w orach prądowych równoległych, odpowiednio w kładzie jednofazowym i w kładzie rójfazowym płaskim, µ - przenikalność magneyczna środowiska (dla powierza µ µ = 4π 1-7 H/m.), i p2, i p3 prąd zwarciowy darowy odpowiednio dla zwarcia jednofazowego i rójfazowego, l dłgość przęsła, a odległość pomiędzy przewodami. W przypadk gdy przewody są łożone na yle blisko siebie, że wymiar ich przekroj ma wpływ na efekywną odległość a, należy obliczyć odległość zasępczą pomiędzy przewodami, w sposób opisany w [1.1] oraz w normie [1.3]. Doyczy o również

9 przewodów wykonanych z kilk płaskowników przypadających na pojedynczy przewód fazowy. Siłę oddziaływania elekrodynamicznego można również wyznaczyć na podsawie pomiar srzałki gięcia f y szyny, mierzonej w połowie przęsła (l/2), z zależności: 384EJf y F = (1.12) 3 l gdzie: F warość siły w N, l dłgość przęsła w cm, E modł sprężysości maeriał szyny, dla Al E = 6, N/cm 2, J momen bezwładności przekroj, J=hb 3 /12, h - wysokość szyny w cm, b - szerokość szyny w cm, f y - zmierzona srzałka gięcia w [cm]. Znajomość warości sił oddziaływania elekromagneycznego jes niezbędna do obliczenia naprężeń wysępjących w maeriale przewodów podczas zwarcia. Procedra a jes opisana w [1.1 i 1.3] Niezbędne przygoowanie sdena Sdenów obowiązje znajomość maeriał doyczącego obliczeń cieplnych przewodów i elekrodynamicznego oddziaływania prądów zawara w podręcznik [1.1], rozdziały 3 i Opis sanowiska laboraoryjnego Sanowisko laboraoryjne jes wyposażone w kład dwóch równoległych przewodów szynowych wykonanych z alminiowych płaskowników AP 4x5, zasilanych z ransformaora wielkoprądowego (rys. 1.7). Dławik Dł słży do nasawienia prąd pomiarowego. Wsępnej nasawy prąd dokonje się załączając łącznikiem Ł obwód rezysora R. Po sawieni warości prąd łącznik Ł przełączany jes do pozycji zasilania badanych przewodów szynowych. Jedna z szyn jes pomalowana, drga naomias niemalowana, aby możliwić obserwację różnicy w ich nagrzewani się. Pomiar emperary szyn jes dokonywany ermomerem elekrycznym 1 po przełączeni go łącznikiem Ł na odpowiednią ermoparę: P1 dla szyny malowanej bądź P2 dla szyny niemalowanej. Przełączanie na odpowiednią z ermopar dokonywane jes cyklicznie podczas proces nagrzewania szyn. snieje również możliwość pomiar emperary syk sałego (ermopara P3

10 i ermomer 2), w miejsc podłączenia zasilania szyny niemalowanej. Ponado na jednym z przęseł mieszczono czjnik mikromeryczny µm, słżący do pomiar srzałki gięcia szyny wskek elekrodynamicznego oddziaływania prąd pomiarowego. szyna malowana µm P1 R P3 szyna niemalowana P2 A Ł W 2 Dł L N 1 Ł Rys Schema kład pomiarowego; W ransformaor wielkoprądowy, Dł dławik, R rezysor wsępnej nasawy prąd, Ł łącznik or wielkoprądowego, Ł przełącznik kanał pomiarowego ermomer, P1, P2, P3 ermopary, 1, 2 ermomery elekryczne, µm. mikromer, A-amperomierz Program ćwiczenia Ćwiczenie składa się z dwóch części: pomiar zjawisk cieplnych oraz sił elekrodynamicznego oddziaływania prąd Pomiar zjawisk cieplnych. Pomiar krzywej nagrzewania = f() przewodów szynowych (ermopary P1 i P2, rys. 1.7) oraz zacisk przyłączeniowego (ermopara P3) dla zadanej przez prowadzącego warości prąd pomiarowego w zakresie od 25 do 5 A. Pomiar należy konynować aż do salenia się emperary przewodów. Nasępnie należy obliczyć prąd obciążalności dłgorwałej Z dla szyny malowanej i niemalowanej korzysając z zależności (1.3), przy przyjęci emperary dopszczalnej dłgorwale dla przewodów szynowych nieizolowanych ϑ dd = 7 C i obliczeniowej emperary ooczenia ϑ = 25 C. Należy również obliczyć cieplną

11 sałą czasową badanych przewodów szynowych i określoną przez prowadzącego warość prąd obciążenia dorywczego (1.6) lb przerywanego (1.7). Zaleca się, aby cieplną sałą czasową obliczyć przekszałcając równanie (1.4) do posaci: =, (1.13) ln jeśli emperara począkowa szyn była równa emperarze ooczenia ( p = ) lb z przekszałconego równania (1.5), jeśli p : =, (1.14) ln p podsawiając za i paramery kilk kolejnych pnków pomiarowych z począkowej fazy krzywej nagrzewania. Orzymane warości i dla kilk kolejnych i-ych pnków powinny być zbliżone, a ich średnienie daje osaeczną warość sałej czasowej. Korzysanie z meod geomerycznych (np. wykreślanie sycznej, rys. 1.1) wymaga pewnego doświadczenia i przy jego brak może prowadzić do znacznych błędów. Sprawdzić doświadczalnie poprawność obliczenia zadanego obciążenia: dorywczego bądź przerywanego. Pomiar emperary w ćwiczeni może być dokonywany alernaywnie ermomerami elekrycznymi 1 i 2 jak o ilsrje rys. 1.7, bądź przy pomocy galwanomer mierzącego napięcie odpowiedniej ermopary. W ym osanim przypadk prowadzący ćwiczenie dosarczy charakerysykę cechowania ermopary, kórą należy się posłżyć, aby obliczyć mierzoną emperarę Pomiar sił oddziaływania elekromagneycznego. Dla zadanych przez prowadzącego rzech warości prąd z zakres od 4A do 1A należy dokonać pomiar srzałki gięcia przęsła, przy pomocy czjnika mikromerycznego µm, (rys. 1.7.). Pojedyncza działka na czjnik, o odchylenie o,1 mm. Prąd pomiarowy, zwłaszcza w zakresie bliskim 1 A należy załączać na krókie okresy czas (rzęd kilk seknd) w cel niknięcia nadmiernego nagrzania przewodów zasilających sanowisko. Należy również zmierzyć dłgość badanego przęsła przewod szynowego l oraz odsęp pomiędzy przewodami szynowymi a (mierzony do osi symerii szyn) w cel obliczenia siły z zależności (1.1).

12 1.6. Opracowanie wyników badań Na podsawie przeprowadzonych pomiarów należy: 1. Na jednej płaszczyźnie należy wykreślić przebiegi krzywych nagrzewania = f() przewodów szynowych: malowanego (P1, rys. 1.7) i niemalowanego (P2) oraz zacisk przyłączeniowego (P3). Porównać przebiegi i wyciągnąć wnioski. 2. Zesawić w abeli obliczone warości obciążalności dłgorwałej przewodów Z (dla ϑ dd = 7 C i ϑ = 25 C) i porównać je z obciążalnością podawaną przez odpowiednie wyyczne. Ze względ na brak akalnej normy doyczącej obciążalności dłgorwałej przewodów szynowych (norma [1.3] podaje jedynie dane dla przewodów insalacyjnych w bdynkach), należy się posłżyć abelą obciążalności zaczerpnięą z nieakalnych jż Przepisów Bdowy Urządzeń Elekrycznych, kórą dosępni prowadzący ćwiczenie. 3. Porównać obliczoną i zmierzoną eksperymenalnie warość obciążenia dorywczego bądź przerywanego. 4. Porównać warości sił elekromagneycznego oddziaływania prąd obliczone odpowiednio z zależności (1.1) i (1.12). 5. Opracować wnioski końcowe z wykonanego ćwiczenia Lierara [1.1] Markiewicz H.: Urządzenia elekroenergeyczne, WN, Warszawa, 21. [1.2] PN-EC nsalacje elekryczne w obiekach bdowlanych. Dobór i monaż wyposażenia elekrycznego. Obciążalność prądowa dłgorwała przewodów, 21. [1.3] PN-EN Obliczanie skków prądów zwarciowych. Część 1, Definicje, meody obliczania, 22.