Wydział Elektryczny Katedra Elektroenergetyki

Transkrypt

1 Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Elektroenergetyki Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Temat ćwiczenia: BADANIE PRZEKAŹNIKÓW POMOCNICZYCH Ćwiczenie nr: 9 Laboratorium z przedmiotu: Podstawy Elektroenergetyki Kod: Opracował: dr inż. Grzegorz Hołdyński 2006

2 1. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z rodzajami oraz sposobami badania przekaźników pomocniczych stosowanych w układach elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej (EAZ). W ćwiczeniu należy wykonać wybrane badania pozwalające poznać działanie przekaźników pomocniczych pośredniczących na prąd stały i na prąd przemienny oraz ich najważniejsze własności. Zakres ćwiczenia obejmuje następujące czynności: oględziny przekaźników, pomiary poboru mocy oraz napięć zadziałania i powrotowego przekaźników, pomiary czasów zadziałania i powrotu przekaźników, sprawdzenie zdolności łączeniowej zestyków przekaźników, pomiar przyrostu temperatury uzwojeń przekaźnika na prąd stały. W ćwiczeniu badane są uniwersalne małogabarytowe przekaźniki pomocnicze R-15 (na prąd stały 24V i na prąd przemienny 220V). Dane techniczne tych przekaźników są następujące: styki: 2P i 3P (P - przełączające), materiał styków Ag lub AgCdO, zdolność załączania styków: max 10A dla styków AgCdO lub max 5A dla styków Ag, obciążalność cieplna trwała styków w wykonaniu standardowym 5A dla styków AgCdO lub Ag, maksymalne napięcie na zestykach 250V, zdolność łączeniowa zgodna z wykresem w karcie katalogowej, cewka: znamionowe napięcie zasilające 24V= i 220V, 50Hz, zakres napięcia pracy 0,8-1,1U n, pobór mocy przy U n 1,5W i 2.5VA, izolacja: napięcie znamionowe izolacji 250V, wytrzymałość elektryczna izolacji 2000V 50Hz, trwałość: mechaniczna , czas zadziałania 20ms, czas powrotu 15ms, odporność na drgania 3gn, odporność na wstrząsy 10gn, temperatura otoczenia -10 do +55 o C (wyk. 5A) i -10 do +40 o C (wyk.10a). 2. WIADOMOŚCI PODSTAWOWE Przekaźnik elektryczny jest to przyrząd lub fragment urządzenia automatyki elektroenergetycznej przeznaczony do wytwarzania przewidzianych skokowych zmian na wyjściu (wyjściach) pod wpływem przyłożenia lub odpowiedniej zmiany wielkości elektrycznej 3

3 (elektrycznych) oddziałującej (oddziałujących) na wejściu (wejściach). Przekaźnik zabezpieczeniowy jest odmianą przekaźnika elektrycznego i jest przeznaczony do stosowania w układach EAZ. Przekaźnik pomocniczy ma za zadanie zmniejszyć obciążenie styków przekaźników pomiarowych oraz umożliwić sterowanie jednym przekaźnikiem różnych obwodów układów zabezpieczających. Przekaźniki pomocnicze przeznaczone do automatyki elektroenergetycznej powinny spełniać wymagania grupy norm przedmiotowych PN/E PN/E (Przekaźniki energoelektryczne. Postanowienia ogólne) oraz PN/E PN/E (Przekaźniki energoelektryczne. Przekaźniki pomocnicze. Wymagania i badania). Przekaźniki pomocnicze charakteryzowane są następującymi parametrami i danymi technicznymi: dla styków: rodzaje zwierne (z), rozwierne (r), przełączające (p) i impulsowe (i), zdolność załączania, obciążalność cieplna trwała, maksymalne napięcie na zestykach, zdolność łączeniowa, dla cewki: znamionowe napięcie (prąd) zasilające, zakres napięcia (prądu) pracy, pobór mocy przy U n, izolacja: napięcie znamionowe izolacji, wytrzymałość elektryczna izolacji, trwałość: mechaniczna, łączeniowa, czas zadziałania, czas powrotu, odporność na drgania, odporność na wstrząsy, temperatura otoczenia. Przekaźniki pomocnicze można podzielić w zależności od przeznaczenia na pośredniczące, sygnałowe oraz czasowe. Przekaźniki pomocnicze pośredniczące Przekaźniki pośredniczące są to przekaźniki bezzwłoczne, które pod wpływem pojawienia się lub zaniku napięcia lub prądu wejściowego dokonują zmian łączeniowych na wyjściu (w obwodach łączników lub innych przekaźników) za pośrednictwem zestyków i które nie mają podziałki nastawień tej wielkości. Przeznaczone są głównie do zwiększenia zdolności łączenia (wyłączania, załączana) oraz zwielokrotnienia liczby zestyków. Ta ostatnia cecha wiąże się w wielu wypadkach z potrzebą oddzielenia galwanicznego od siebie różnych obwodów pomocniczych (sterujących, sygnalizacyjnych itp.), uruchamianych jednocześnie przez przekaźnik pomiarowy układu EAZ. Przekaźniki pośredniczące są wykonywane zwykle jako elektromagnetyczne ze zworą przyciąganą na prąd stały lub przemienny. Przekaźnik tego typu składa się z żelaznego rdzenia z 4

4 uzwojeniem, zwory, która pod wpływem siły elektromagnetycznej większej od siły mechanicznej sprężyny zwracającej zostaje przyciągnięta do rdzenia oraz z zespołu zestyków (zazwyczaj zwiernych i rozwiernych). Przekaźnik na prąd przemienny ma rdzeń wykonany z blach w celu ograniczenia strat na prądy wirowe. Pierścień zwarty osadzony na rdzeniu powoduje rozkład głównego strumienia magnetycznego na dwie składowe przesunięte w czasie, dzięki czemu usunięte jest brzęczenie przekaźnika spowodowane przemiennością prądu zasilającego. Wytwarzane przemienne siły elektromagnetyczne działające na zworę są względem siebie przesunięte w fazie i siła wypadkowa działająca na zworę przekaźnika ma przebieg pulsujący o wartości zawsze większej od zera. W przypadku wykonania przekaźnika pośredniczącego elektromagnetycznego na prąd stały stosuje się rdzeń pełny o przekroju okrągłym z miękkiego żelaza dla uniknięcia pozostałości magnetycznej powodującej przylepianie się zwory. Pewną odmianę przekaźników elektromagnetycznych na prąd stały stanowią przekaźniki pośredniczące o opóźnionym działaniu. W niektórych przypadkach bowiem jest pożądane, aby przekaźnik działał z pewną zwłoką czasową, potrzebną bądź do podtrzymania tego przekaźnika, bądź w celu zapewnienia określonej kolejności przełączania obwodów sterujących i sygnalizacyjnych. Taka zwłoka zwykle jest uzyskiwana przez nałożenie na rdzeń magnetyczny pierścienia miedzianego o odpowiednio dobranych wymiarach. Z chwilą przerwania obwodu wzbudzenia przekaźnika zanika strumień magnetyczny. Zmiana strumienia powoduje powstanie w pierścieniu miedzianym SEM samoindukcji i prądu wytwarzającego strumień magnetyczny o kierunku zgodnym z zanikającym strumieniem. Zjawisko to opóźnia zmniejszanie się wartości wypadkowego strumienia magnetycznego do wartości niezbędnej do przytrzymania zwory przez określony czas, od chwili przerwania obwodu wzbudzenia przekaźnika. Czasy zadziałania przekaźników pośredniczących, wykonanych jako elektromagnetyczne ze zworą przyciąganą, zawierają się zwykle w przedziale ms w zależności od typu i liczby posiadanych zestyków. Są to czasy stosunkowo długie, jeśli uwzględnić fakt istnienia rozwiązań układów EAZ o całkowitym czasie działania poniżej 10 ms. Dla tych rozwiązań muszą być również stosowane szybkie przekaźniki pomocnicze pośredniczące (np. jako człony wyjściowe układów EAZ o odpowiedniej zdolności łączeniowej). Znalazły tu zastosowanie tzw. przekaźniki elektromagnetyczne kontaktronowe, które wykonywane są w postaci hermetycznie zamkniętej rurki szklanej, wewnątrz której znajdują się dwa styki ruchome z materiału magnetycznego. Rurka jest wypełniona gazem obojętnym i objęta jest uzwojeniem, które pod wpływem wzbudzenia wytwarza osiowe pole magnetyczne powodujące zmianę położenia styków i ich połączenie. 5

5 Przekaźniki kontaktronowe cechują się bardzo krótkim czasem działania (ok. 1 ms), do rozruchu wymagają niewielkiej mocy (30 60 mw), odznaczają się małymi wymiarami, odpornością na wstrząsy i dużą trwałością, dzięki czemu mogą być sterowane bezpośrednio z obwodów pomiarowych zabezpieczeń w wykonaniu elektronicznym. Przekaźniki kontaktronowe budowane są wyłącznie na prąd stały, ponieważ przy tak małej bezwładności zestyków włączenie na cewkę prądu przemiennego powodowałoby brzęczenie styków. Szeroko stosowane są również przekaźniki pośredniczące w postaci układów elektronicznych na bazie tranzystorów bipolarnych i unipolarnych oraz układów scalonych (głównie wzmacniaczy operacyjnych). Przekaźniki pomocnicze sygnałowe Przekaźniki sygnałowe nie różnią się w budowie w zasadniczy sposób od przekaźników pośredniczących. Dodatkowym elementem, w jaki wyposażone są te przekaźniki, jest wskaźnik optyczny, najczęściej wielopołożeniowy, widoczny w okienku przekaźnika. Przekaźniki sygnałowe przeznaczone są głównie do sterowania sygnałami optycznymi lub akustycznymi, czasem mogą jednoczenie spełniać rolę przekaźników pośredniczących. Trójpołożeniowa klapka sygnałowa przekaźnika umożliwia sygnalizację trzech różnych stanów pracy przekaźnika: stanu normalnego, stanu zakłóceniowego niepokwitowanego i stanu zakłóceniowego pokwitowanego. Przekaźniki pomocnicze czasowe Do uzyskiwania zwłok czasowych przy działaniu zabezpieczeń stosuje się przekaźniki pomocnicze czasowe, których czas działania jest nastawialny. W zależności od zasady działania, przekaźniki czasowe można podzielić na: elektromagnetyczne synchroniczne i statyczne. 3. PROGRAM ĆWICZENIA 3.1. Oględziny zewnętrzne przekaźników Oględziny polegają na sprawdzeniu czy montaż, wyposażenie i dane techniczne są zgodne z dokumentacją, przepisami i zaleceniami wytwórcy. Kontroluje się ponadto poprawność zamocowania przewodów w zaciskach oraz działanie układów ruchomych. Oględziny powinny wykazać, że wykonanie i wykończenie przekaźnika są prawidłowe Pomiary poboru mocy przekaźników Pomiary przeprowadza się metodą techniczną za pomocą woltomierza i amperomierza przy napięciach zasilania 0,8 U n, U n, 1,1 U n, w warunkach pracy ciągłej dla obu typów przekaźników 6

6 (PP). Pozostałe obwody (obwody zestyków) nie powinny być zasilane. Schemat układu pomiarowego podano na rys. 1. Układ pomiarowy dla przekaźników na prąd stały i przemienny jest podobny. Przekaźnik na prąd przemienny zasila się z autotransformatora (AT), natomiast przekaźnik na prąd stały z zasilacza stabilizowanego (ZS). Rys. 1. Układ do pomiaru poboru mocy oraz do wyznaczania napięć rozruchowych i powrotowych przekaźników pośredniczących Wyniki pomiarów poboru mocy przekaźników na prąd stały i na prąd przemienny należy zestawić w tabeli 1. Tabela 1 Badany przekaźnik U I U I typ... U n... V ma VA 0,8 U n U n 1,1 U n Wyniki pomiarów można uznać za dodatnie, jeżeli zmierzone wartości nie przekraczają wartości podanych w dokumentacjach technicznych (kartach katalogowych) przekaźników Pomiary napięć zadziałania i powrotowego przekaźników Pomiary wartości zadziałania (wartości napięcia zasilającego, przy której następuje oczekiwana skokowa zmiana w obwodzie wyjściowym przekaźnika) i wartości powrotowej (wartości napięcia zasilającego, przy której następuje w określonych warunkach powrót przekaźnika) wykonuje się w układzie pomiarowym przedstawionym na rys. 1. W czasie pomiarów wartości zadziałania należy zasilać przekaźnik impulsami napięcia o coraz większej wartości, co realizuje się za pomocą wyłącznika W. Zadziałanie przekaźnika sygnalizowane jest przez zapalenie się lampki L. Napięcie uznajemy za napięcie zadziałania, gdy pięciokrotna próba załączenia 7

7 przekaźnika da wynik pozytywny. Przy pomiarach wartości powrotowej napięcie zasilające należy zmniejszać powoli i w sposób ciągły. Pomiary wartości powrotowej napięcia należy wykonać dla obu przekaźników pięciokrotnie i wyliczyć wartość średnią. Wyniki zestawić w tabeli 2. Tabela 2 Badany przekaźnik Typ... U n... Napięcie zadziałania U z V Napięcie powrotowe U pśr V Zgodnie z wymaganiami Polskiej Normy przekaźnik powinien zadziałać przy dolnej wartości roboczego zakresu pracy, tzn. przy napięciu równym 0,8 U n. Wartość napięcia powrotowego dla przekaźnika na prąd stały nie powinna być niższa niż 0,1 wartości znamionowej, niezależnie od kierunku zasilania. Wartość powrotowa dla przekaźnika prądu przemiennego nie powinna być niższa niż 0,15 wartości znamionowej Pomiary czasów zadziałania i powrotu przekaźników Przekaźniki pośredniczące mogą posiadać zestyki zwierne, rozwierne i przełączalne. Rozróżnia się więc cztery czasy działania: zamykania zestyku zwiernego t zz, otwierania zestyku rozwiernego t or, otwierania zestyku zwiernego t oz, zamykania zestyku rozwiernego t zr. Czasy zamykania zestyków zwiernych t zz obu przekaźników wyznacza się przy pomocy sekundomierza, w układzie pomiarowym wg rys. 2. Przed przystąpieniem do pomiarów należy włączyć sekundomierz i ustawić wskazówki w położeniu zerowym, załączyć napięcie zasilające przekaźnik i następnie zamknąć wyłącznik W. Bez kasowania sekundomierza należy dziesięciokrotnie dokonać załączenia przekaźnika i z sumarycznego czasu obliczyć wartość średnią. 8

8 Rys. 2. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania czasu zadziałania przekaźnika Czas zadziałania mierzony jest od chwili podania napięcia na przekaźnik, o wartości większej od zadziałaniowej, do chwili zmiany położenia styków. Jako wartość czasu zadziałania przyjmuje się średnią arytmetyczną pięciu kolejnych pomiarów. Wyniki czasów zadziałania przekaźników należy umieścić w tabeli 3. Tabela 3 Napięcie V 0,8 U n U n 1,1 U n Typ... U n =...V t zz s 3.5. Sprawdzenie zdolności łączeniowej zestyków przekaźnika na prąd stały Zdolność łączenia zestyków przekaźnika jest to zdolność wyłączania i zdolność załączania określonego obwodu wyjściowego przez zestyki przekaźnika przy określonym napięciu zasilającym. Na rys. 3 podano schemat układu pomiarowego do sprawdzania zdolności łączeniowej zestyków przekaźnika na prąd stały. Rys. 3. Schemat układu do sprawdzania zdolności łączeniowej przekaźnika 9

9 Przy badaniu zdolności wyłączania badany zestyk należy włączyć w obwodzie szeregowym RL. Stała czasowa obwodu pomiarowego powinna wynosić 40 ± 5 ms. Zdolność wyłączania styku zwiernego wyznacza się przez pomiar maksymalnej, granicznej wartości prądu w obwodzie styku zwiernego przy napięciu 230 V prądu stałego, przy której przekaźnik jest w stanie ten obwód otworzyć. Jako wartość znamionową, podawaną w katalogach, przyjmuje się 50 % tej granicznej wartości. W czasie pomiaru uzwojenie przekaźnika zasilane jest z zasilacza ZS napięciem znamionowym. Częstość łączeń zestyku powinna być równa częstości znamionowej podanej przez producenta przekaźnika. Przy badaniu zdolności załączania zestyku należy w tym samym obwodzie pomiarowym (rys. 3) wyznaczyć największą skuteczną wartość prądu, przy której zestyki są w stanie obwód ten zamknąć pięciokrotnie bez sczepiania się Pomiar przyrostu temperatury uzwojeń przekaźnika Badanie przyrostu temperatury należy przeprowadzić w układzie przedstawionym na rys. 4. Podczas badania należy utrzymywać stałą temperaturę otoczenia, chronić przekaźnik przed oddziaływaniem przeciągów, promieni słonecznych itp. Pomiary przyrostu temperatury należy przeprowadzić metodą przyrostu rezystancji uzwojenia przekaźnika. Uzwojenie przekaźnika należy zasilić napięciem równym 1.1 U n. Przekaźnik w czasie pomiaru musi mieć obudowę zamkniętą. Obwody zestyków zwiernych powinny być nieobciążone. Rys. 4. Układ pomiarowy do sprawdzania nagrzewania uzwojeń przekaźnika pomocniczego na prąd stały Przekaźnik należy zasilać tak długo, aż jego temperatura osiągnie wartość ustaloną (przyrost Δϑ 0 nie przekracza 1 o C w ciągu 30 min.). Pomiary należy wykonać dla t = 0, 1, 2, 4, 6, 8, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50 i 60 min. Znając zmiany rezystancji uzwojenia w czasie, na podstawie wskazań woltomierza i amperomierza, można określić przeciętny przyrost temperatury uzwojenia wg wzoru 10

10 R R Δ ϑ + ( 234 ϑ ) 0 0 =, 5 R0 gdzie: Δϑ 0 - przeciętny przyrost temperatury, R0 - rezystancja uzwojenia przed próbą w temperaturze otoczenia, R0 - rezystancja uzwojenia w chwili pomiaru po określonym czasie, ϑ 0 - temperatura otoczenia [ o C]. Przy wyznaczaniu przyrostu temperatury otrzymane wyniki z poprzedniej zależności przelicza się na temperaturę + 35 o C według wzoru ϑ0 Δϑ35 = Δϑ0 270 Wyniki pomiarów i obliczeń należy zestawić w tabeli 4. Tabela 4 Dane przekaźnika: typ... ϑ 0 =... o C 1.1 U n =...V R 0 =...Ω czas I R Δϑ 0 Δϑ 35 Nr pomiaru min ma Ω K K 0 Na podstawie wyników pomiarów i obliczeń wykreślić charakterystykę przyrostu temperatury badanego przekaźnika oraz określić jego stałą czasową nagrzewania. 4. OPRACOWANIE WYNIKÓW BADAŃ Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego, opis stanowiska badawczego, schematy układów pomiarowych, zestawienie i analizę wyników badań (tabele, obliczenia, wykresy i charakterystyki) oraz wnioski. 5. LITERATURA 1. Praca zbiorowa pod red. B. Synala: Automatyka elektroenergetyczna. Ćwiczenia laboratoryjne. Część 1. Przetworniki sygnałów pomiarowych i przekaźniki automatyki zabezpieczeniowej. Część 2. Układy automatyki zabezpieczeniowej i regulacyjnej. Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław Mikrut M., Pilch Z., Winkler W.: Laboratorium elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice Szymańscy A. i S.: Laboratorium zabezpieczeń elektroenergetycznych. Skrypt Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce Winkler W., Wiszniewski A.: Automatyka zabezpieczeniowa w systemach elektroenergetycznych. Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa

11 5. Żydanowicz J., Namiotkiewicz M.: Automatyka zabezpieczeniowa w elektroenergetyce. WNT, Warszawa WYMAGANIA BHP Podczas wykonywania ćwiczeń w laboratorium należy przestrzegać następujących zasad: 1. Przed przystąpieniem do badań 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 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. 12