5. PRĄDY ZWARCIOWE W INSTALACJACH NISKIEGO NAPIĘCIA I ICH WYŁĄCZANIE

Transkrypt

1 5. PRĄDY ZWARCIOWE W INSTALACJACH NISKIEGO NAPIĘCIA I ICH WYŁĄCZANIE 5.1. Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z przebiegami prądów zwarciowych w instalacjach elektrycznych niskiego napięcia oraz z procesem ich wyłączania przez wyłącznik instalacyjny i bezpiecznik. W zakres ćwiczenia wchodzi: a) obserwacja przebiegów prąd zwarciowego dla obwodów o charakterze rezystancyjnym i indkcyjnym, b) obserwacja przebiegów prąd i napięcia podczas wyłączania zwarcia przez wyłącznik instalacyjny, c) obserwacja przebiegów prąd i napięcia podczas wyłączania zwarcia przez bezpiecznik instalacyjny, 5.2. Wiadomości podstawowe Zwarcie jest zakłóceniem polegającym na połączeni bezpośrednim, przez łk elektryczny lb przewodnik o bardzo małej impedancji (rezystancji) jednego lb więcej pnktów kład elektroenergetycznego należących do różnych faz między sobą lb z ziemią [5.1]. W instalacjach elektrycznych istnieje również pojęcie przetężenia, do którego zalicza się przeciążenie lb zwarcie. Przetężenie, to wzrost prąd w instalacji ponad wartość prąd znamionowego danego rządzenia lb ponad prąd dopszczalny dłgotrwale dla przewodów w danych warnkach ich łożenia. W przypadk przeciążenia wspomniany wzrost prąd odbywa się w instalacji nieszkodzonej, natomiast zwarcie jest spowodowane tratą właściwości izolacyjnych pomiędzy co najmniej dwoma pnktami instalacji, które w normalnych warnkach pracy znajdją się na różnych potencjałach. Obliczenie spodziewanego prąd zwarciowego jest niezbędne do prawidłowego zaprojektowania i zwymiarowania instalacji. Obliczanie prądów zwarciowych w sieciach elektrycznych, znane jako metoda PNE, jest opisane w normie PN-EN [5.2], która od rok 2001 zastąpiła wcześniejszą normę PN-74/E Norma [5.2] rozróżnia dwa rodzaje zwarć: a) zwarcia dalekie od źródeł zasilania, tj. takie w których zanik prąd zwarciowego w czasie jest spowodowany jedynie zanikiem składowej aperiodycznej i DC (rys. 5.1), b) zwarcia bliskie źródeł zasilania, tj. takie, w których oprócz zanik składowej aperiodycznej zmniejsza się również wartość skteczna składowej okresowej wsktek wzrost, wraz z pływem czas trwania zwarcia, impedancji generatorów zasilających zwarcie.

2 Zakwalifikowanie analizowanego przypadk zwarcia jako dalekie bądź bliskie powinno wynikać z analizy stopnia bezpośredniego wpływ generatorów na przebieg prąd zwarciowego. W instalacjach elektrycznych rozważa się zwykle zwarcia dalekie czyli takie, w których pomija się bezpośredni wpływ generatorów na przebieg prąd zwarciowego, zakładając stałość składowej okresowej tego prąd (rys. 5.1). Rozpatrywanie zwarć bliskich źródeł zasilania w instalacjach elektrycznych należy zaliczyć do sytacji wyjątkowych i przypadki takie mogą dotyczyć sytacji, gdy np. w instalacji istnieje rezerwowe zasilanie z generatorów prądotwórczych bądź instalacja przemysłowa jest zasilana równocześnie z system elektroenergetycznego i z elektrowni zakładowej. W ćwiczeni ograniczono się do rozpatrywania przypadk zwarcia dalekiego, jako najbardziej typowego dla instalacji elektrycznych. i k " 2 2I i K p i DC " 2 2IK = 2 2I K t Rys Przebieg prąd zwarciowego przy zwarci odległym wg normy [5.2]. Zwarcia w sieciach elektroenergetycznych dzieli się na zwarcia symetryczne czyli trójfazowe zwarcia metaliczne oraz niesymetryczne, czyli dwfazowe z działem ziemi i bez ziemi oraz zwarcia jednofazowe. Podstawowym prądem zwarcia obliczanym dla celów dobor aparatry i rządzeń elektrycznych jest zwarcie trójfazowe, jako najgroźniejsze w sktkach cieplnych i dynamicznych. Wyróżnia się kilka charakterystycznych parametrów prąd zwarciowego względnianych przy doborze rządzeń elektrycznych wg zaleceń normy [5.2]. Zasadnicze z nich to: Składowa okresowa początkowa prąd zwarciowego I K wartość skteczna składowej okresowej prąd zwarciowego w chwili powstania zwarcia (rys. 5.1). W przypadk zwarcia trójfazowego prąd ten obliczany jest z zależności:

3 I " K 3 f cu cu = =, (5.1) n n Z K 3 RK + X K gdzie: I k3f składowa okresowa początkowa dla zwarcia trójfazowego symetrycznego, c współczynnik napięciowy (tabela 5.1) równy stosnkowi napięcia, jakie może występować w miejsc zwarcia przed pojawieniem się zwarcia, do napięcia znamionowego sieci U n, Z K R K, X K odpowiednio impedancja, rezystancja oraz reaktancja obwod zwarciowego dla składowej zgodnej. Tab Wartości współczynnika napięciowego c w zależności (5.1) [5.1, 5.2] Napięcie znamionowe sieci U n Niskie, do 1000 V - 230/400 V - inne napięcie Wartość współczynnika c największego c max najmniejszego c min 1,00 0,95 1,05 1,00 Wysokie, ponad 1000 V 1,10 1,00 2,0 1,8 κ 1,6 1,4 1,2 1,0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 R K /X K Rys Zależność współczynnika dar κ od iloraz R K /X K. Prąd zwarciowy darowy i p to największa możliwa do wystąpienia w rozpatrywanym obwodzie wartość chwilowa prąd zwarciowego (rys. 5.1). Prąd zwarciowy darowy występje jedynie w przypadk jego maksymalnej asymetrii [5.1] i jest obliczany z zależności: i p =, (5.2) " 2κI K gdzie κ jest współczynnikiem dar o wartości zależnej od iloraz R K /X K (rys. 5.2).

4 W stosnkowo prostym obwodzie pętli zwarciowej, jakim jest przykładowo kład szeregowo połączonych rezystancji i reaktancji, rezystancja zastępcza R K i reaktancja zastępcza X K jest smą odpowiednio tych rezystancji i reaktancji, a κ może być odczytana bezpośrednio z rys W bardziej złożonych obwodach pętli zwarciowej współczynnik dar należy obliczyć korzystając z innych metod, opisanych m.in. w [5.1]., i i K i K SP t p ł t 0 t 1 t 2 t pł t ł t K Rys Ilstracja przebiegów napięcia i prąd podczas wyłączania prąd zwarciowego przez wyłącznik; i K - prąd zwarciowy wyłączany przez wyłącznik, i K SP spodziewany prąd zwarcia, napięcie źródła zasilania, ł napięcie łk, p napięcie powrotne na stykach łącznika po wyłączeni prąd zwarciowego,t 0 moment powstania zwarcia, t 1 początkowy moment rozwierania styków wyłącznika, t 2 moment wyłączenia prąd zwarciowego, t pł czas przedłkowy, t ł czas łkowy, t K czas wyłączenia zwarcia.

5 Prąd wyłączeniowy symetryczny I b wartość skteczna składowej okresowej prąd zwarciowego w chwili rozejścia się styków łącznika wyłączającego zwarcie (t 1, rys. 5.3 i 5.4), lb chwila zapłon łk we wkładce bezpiecznika wyłączającego zwarcie. Przy zwarciach dalekich prąd I b jest równy prądowi I K. Prąd zwarciowy cieplny I th prąd zastępczy o stałej wartości sktecznej, który w czasie trwania zwarcia t k (rys. 5.3 i 5.4) wydzieli w torze prądowym taką samą ilość ciepła jak prąd zwarciowy o rzeczywistym przebieg. Proces wyłączania prąd zwarciowego dzieli się na dwa przedziały czas: czas przedłkowy t pł i czas łkowy t ł (rys. 5.3 i 5.4), których sma jest czasem trwania zwarcia t k. Czas przedłkowy to czas pływający od chwili powstania zwarcia t 0 do chwili rozejścia się styków łącznika t 1, na który składa się czas zadziałania wyzwalacza zwarciowego, czas odblokowania zamka i początkowa faza rch styków. W bezpiecznik, to czas niezbędny do powstania pierwszych pnktów stopienia materiał topika i zapłon łk. Czas łkowy, to czas w którym następje palenie się i gaszenie łk w wyłącznik bądź w bezpiecznik. W większości wyłączników niskiego napięcia proces wyłączania prąd zwarciowego trwa stosnkowo dłgo, tj. do kilk półokresów prąd przemiennego o częstotliwości sieciowej, co zilstrowano na rys Dłgi czas łkowy jest niekorzystny dla łącznika i zmniejsza jego możliwości łączeniowe. Czas ten jest znacznie krótszy w wyłącznikach ograniczających [5.3] oraz w bezpiecznikach, których jedną z zalet jest właściwość ograniczania prąd zwarciowego. Szereg współcześnie prodkowanych, nowoczesnych wyłączników instalacyjnych posiada jednak na tyle szybki mechanizm wyzwalacza i zamka, że wyłączenie prąd zwarciowego następje w pierwszym półokresie z widocznym efektem ograniczenia prąd zwarciowego, co przedstawiono na rys. 5.4, dla typowego współczesnego wyłącznika instalacyjnego Niezbędne przygotowanie stdenta Stdentów obowiązje znajomość materiał dotyczącego obliczania prądów zwarciowych [5.1, rozdział 2] oraz wyłączników instalacyjnych i bezpieczników niskiego napięcia [5.3, rozdział 3] Opis stanowiska laboratoryjnego Stanowisko laboratoryjne (rys. 5.5) możliwia: a) modelowanie przebiegów prąd zwarciowego odpowiadającem zwarci dalekiem od źródeł zasilania, dla różnych parametrów pętli zwarcia;

6 b) obserwację przebiegów prąd i napięcia łk podczas wyłączania prąd zwarciowego przez wyłącznik instalacyjny; c) obserwację przebiegów prąd i napięcia łk podczas wyłączania prąd zwarciowego przez bezpiecznik instalacyjny., i ł i K i K SP t p t 0 t 1 t 2 t pł t ł t K Rys Ilstracja przebiegów napięcia i prąd podczas wyłączania zwarcia przez wyłącznik posiadający właściwość ograniczania prąd zwarciowego; oznaczenia jak na rys Zależnie od rodzaj prowadzonej obserwacji, jednej z wymienionych a), b) bądź c), należy wybrać jedną z trzech możliwych dróg przepływ prąd: poprzez sterownik tyrystorowy T, wyłącznik instalacyjny W albo przez bezpiecznik instalacyjny F, poprzez załączenie odpowiedniego komplet zwór Z1, Z2 bądź Z3. Podczas pomiarów jednocześnie może być załączony tylko jeden z wymienionych elementów.

7 Rezystory R1, R2, R3 i cewki L1, L2, L3 słżą do modelowania parametrów pętli zwarcia. Modelowanie przebiegów prąd zwarciowego odbywa się poprzez załączenie sterownika tyrystorowego T, który załącza obwód jedynie na czas kilk okresów prąd o częstotliwości sieciowej (rys, 5.6). Przy znanej impedancji zwarciowej kład zasilania można tak dobrać parametry R K, X K obwod (5.1), aby zyskać określoną wartość współczynnika dar κ, i porównać z otrzymanym przebiegiem prąd zwarciowego (rys. 5.6), zarejestrowanym na oscyloskopie. L1 L2 L3 N Ł Z1 Z2 Z3 T W F I> I> I> I> B1 B2 B3 B4 L1 L2 L3 R1 R2 R3 DN PO 1 PO 2 U U Osc U U Rys Schemat kład laboratoryjnego do badania przebiegów prąd zwarciowego i jego wyłączania w instalacjach elektrycznych: Z1, Z2, Z3 zwory do załączenia odpowiednio: sterownika tyrystorowego T, wyłącznika instalacyjnego W bądź bezpieczników F; R1, R2, R3, L1, L2, L3 rezystory i cewki do modelowania impedancji pętli zwarciowej, B1, B2, B3, B4 boczniki prądowe, DN dzielnik napięcia, OP1, OP2 przetworniki optoelektroniczne, Osc oscyloskop dwkanałowy z pamięcią. Obserwację przebiegów prąd i napięcia łk podczas wyłączania prąd zwarciowego przez wyłącznik instalacyjny prowadzi się przy załączonym obwodzie wyłącznika W (rys. 5.5). Cykl pomiarowy rozpoczyna się od zamknięcia wyłącznika W, po czym załącza się prąd łącznikiem Ł. Płynący prąd powodje zadziałanie wyłącznika W, który przerywa obwód. Na oscyloskopie rejestrje się przebieg prąd (mierzony na bocznik B) oraz napięcie na stykach łącznika (dzielnik DN), jak to zilstrowano na rys Oscyloskop odseparowany jest galwanicznie od obwod

8 przetwornikami optoelektronicznymi OP1 i OP2. Wartość prąd symlowanego zwarcia powinna być tak dobrana, aby zadziałanie wyzwalacza wyłącznika było selektywne w stosnk do zabezpieczeń nadprądowych stanowiska. Obserwację przebiegów prąd i napięcia łk podczas wyłączania prąd zwarciowego przez bezpiecznik instalacyjny prowadzi się przy załączonych bezpiecznikach F (rys. 5.5). Sposób przeprowadzenia pomiarów jest analogiczny jak przy obserwacji wyłączenia prąd przez wyłącznik instalacyjny W Program ćwiczenia Przed przystąpieniem do wykonania ćwiczenia należy dokonać obliczenia przewidzianych wartości symlowanego prąd zwarciowego. Dla podanej przez prowadzącego impedancji Z Q =R Q + jx Q kład zasilającego stanowisko laboratoryjne należy dobrać wartości rezystancji R R rezystorów R1, R2, R3 (rys. 5.5) i reaktancji X L cewek L1, L2, L3 (rys. 5.5), aby zyskać kilka różnych wartości impedancji pętli zwarciowej Z = ( R + R ) + j( X + X ) = R + jx (5.3) K Q R Q L K K i odpowiadające im wartości współczynnika dar κ (rys. 5.2). Obliczona wartość symlowanego prąd zwarciowego dla zwarcia trójfazowego (5.1) nie powinna przekraczać zadanej przez prowadzącego wartości. Należy dobrać trzy różne wartości symlowanego prąd zwarciowego tak, aby zyskać trzy wartości współczynnika dar: minimalną, maksymalną, pośrednią spośród możliwych do nastawienia na stanowisk. Współczynnik κ należy odczytać dla obliczonych wartości iloraz R K / X K z wykres na rys Przy załączonym sterownik tyrystorowym T (wyłącznik W i bezpieczniki F są w tym czasie wyłączone) należy przeprowadzić próby symlowanego zwarcia, rejestrjąc przebiegi prąd na oscyloskopie, analogiczne jak na rys Dla każdej z trzech dobranych wartości współczynnika dar należy przeprowadzić co najmniej trzy obserwacje przebieg prąd zwarciowego.

9 i k i 185 k V 10 0 A 0 i p t 1 t 2 50 ms Rys Przykładowy przebieg symlowanego prąd zwarciowego, załączanego sterownikiem tyrystorowym T, (rys. 5.5); t 1, t 2 odpowiednio: chwila załączenia i wyłączenia prąd zwarciowego i k, i p prąd darowy. napięcie mierzone na impedancji R 1 +jx 1 (rys. 5.5). Przed przystąpieniem do obserwacji przebiegów wyłączania prąd, należy zapoznać się z danymi znamionowymi wyłącznika W (rys. 5.5) i bezpieczników F w cel dobrania wartości symlowanego prąd zwarciowego odpowiednio do ich charakterystyk czasowo-prądowych. Następnie należy trzykrotnie próbę wyłączenia zwarcia odpowiednio przez wyłącznik W i przez bezpiecznik F (rys. 5.5) rejestrjąc przebiegi na oscyloskopie, analogiczne do przedstawionego na rys i k 20 A 0 i k 100 V 0 2 ms Rys Przykładowy przebieg prąd i napięcia podczas wyłączania prąd zwarciowego przez wyłącznik instalacyjny W, (rys, 5.5).

10 5.6. Opracowanie wyników badań Sprawozdanie powinno zawierać opis stanowiska laboratoryjnego oraz sposób prowadzenia pomiarów. W części dotyczącej modelowania przebiegów prąd zwarciowego w tabelach należy zestawić wartości dobranych parametrów obwod zwarciowego (5.3), obliczonych prądów zwarcia trójfazowego (5.1) oraz odpowiadających im współczynników dar κ. Należy dokonać oceny zarejestrowanych na oscyloskopie przebiegów prąd zwarciowego (rys. 5.6) i porównać zyskane wyniki z przeprowadzonymi obliczeniami. Uzasadnić możliwe różnice w przebieg prąd, zwłaszcza różnice w odczytanych największych wartościach chwilowych odpowiadających prądowi i p (rys. 5.6), dla trzech różnych przebiegów przy tej samej impedancji pętli zwarcia. W części dotyczącej obserwacji przebiegów wyłączania prąd należy zamieścić zasadnienie dobor wartości symlowanego prąd zwarciowego, wynikającego z parametrów wyłącznika W i bezpieczników F (rys. 5.5) oraz z warnków ich selektywnego współdziałania z zabezpieczeniem przetężeniowym stanowiska. Dokonać oceny zyskanych przebiegów, zwracając w szczególności wagę na: ich zgodność z charakterystyką czasowo-prądową wyłącznika W bądź bezpiecznika F, proces wyłączania i możliwości ograniczenia prąd zwarciowego przez wyłącznik instalacyjny (rys. 5.3, 5.4i 5.7) oraz bezpiecznik. Podsmowanie powinno zawierać wnioski z przeprowadzonych badań Literatra [5.1] Markiewicz H.: Urządzenia elektroenergetyczne, WNT, Warszawa, [5.2] PN-EN Prądy zwarciowe w sieciach trójfazowych prąd przemiennego. Część 0. Obliczanie prądów. (norma znaniowa CEI IEC ) PKN [5.3] Markiewicz H.: Instalacje elektryczne, WNT Warszawa, 2002.