4. PRZEPIĘCIA ŁĄCZENIOWE GENEROWANE PODCZAS WYŁĄCZANIA MAŁYCH PRĄDÓW INDUKCYJNYCH I MOŻLIWOŚCI ICH OGRANICZANIA

Transkrypt

1 4. PRZEPIĘCIA ŁĄCZENIOWE GENEROWANE PODCZAS WYŁĄCZANIA MAŁYCH PRĄDÓW INDUKCYJNYCH I MOŻLIWOŚCI ICH OGRANICZANIA 4.1. Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest dświadczalne ustalenie zależnści parametrów charakteryzujących przepięcia pwstające pdczas wyłączania bwdów elektrycznych charakterze indukcyjnym (współczynnika przepięcia i częsttliwści) d niektórych wielkści charakteryzujących dbirniki indukcyjne (indukcyjnść i pjemnść) raz pznanie budwy i zakresu stswania niektórych śrdków technicznych graniczających te przepięcia Wiadmści pdstawwe Wzrst napięcia w sieciach elektrenergetycznych i instalacjach elektrycznych pwyżej jeg najwyższeg napięcia rbczeg jest klasyfikwany jak przepięcie. Jeg miarą jest współczynnik przepięć kreślany zależnścią: U pm k p = (4.1) U rm gdzie: U pm - amplituda przepięć, U rm - dniesina d ziemi amplituda najwyższeg napięcia rbczeg układu w miejscu wystąpienia przepięć. Źródłami przepięć mgą być zarówn czynniki zewnętrzne, jak i zmiany zachdzące w samym układzie. W pierwszym przypadku takie przepięcia kreśla się jak zewnętrzne, w drugim przypadku jak przepięcia wewnętrzne. Przyczyną pwstawania przepięć zewnętrznych są wyładwania atmsferyczne, stąd kreśla się je jak przepięcia atmsferyczne lub pirunwe. Wyróżnia się przepięcia atmsferyczne bezpśrednie, pwstające pdczas trafień pirunwych w elementy układu i przepięcia indukwane, pwstałe pdczas wyładwań atmsferycznych występujących pza układem. Przepięcia wewnętrzne są efektem stanów przejściwych w układzie p zaistnieniu w nim zmian manewrwych (np. załączanie, wyłączanie bwdów) lub awaryjnych (np. zwarcia z ziemią bwdów). Przepięcia te dzielą się na przepięcia drywcze wlnzmienne ( częsttliwści sieciwej) i przepięcia łączeniwe szybkzmienne.

2 Wśród przepięć wlnzmiennnych wyróżnia się przepięcia: dynamiczne, pwstające pdczas nagłeg dciążenia układu; ziemnzwarciwe, pwstające pdczas trwałych zwarć układu z ziemią; reznanswe, pwstające w warunkach sprzyjających pwstawaniu reznansu lub ferrreznansu. Wśród przepięć szybkzmiennych wyróżnia się przepięcia: manewrwe (łączeniwe), pwstające pdczas wyłączania prądów zwarciwych, małych prądów indukcyjnych i prądów pjemnściwych; awaryjne, pwstające pdczas przerywanych zwarć układu z ziemią. Przepięcia są zjawiskiem bardz niekrzystnym dla urządzeń i aparatów elektrycznych. Szczytwe wartści przepięć mgą siągnąć wartści wielkrtnie większe niż wytrzymałść elektryczna izlacji urządzeń. Mże t być przyczyną ich uszkdzenia lub zniszczenia i stanwić zagrżenie dla ludzi. Stąd knieczne jest stswanie właściwych śrdków chrny przeciwprzepięciwej Przepięcia pwstające pdczas wyłączania małych prądów indukcyjnych Przepięcia łączeniwe pwstające pdczas wyłączania małych prądów indukcyjnych mżna analizwać krzystając ze schematu przedstawineg na rys.4.1, na którym L z i C z reprezentują indukcyjnść i pjemnść jednczęsttliwściweg bwdu zasilania, L, C, R - indukcyjnść, pjemnść i rezystancję zastępczą dbirnika dużej indukcyjnści (niebciążneg silnika indukcyjneg, transfrmatra w stanie jałwym,. dławika itd.); L p1, L p2 -indukcyjnści płączeń, VS - łącznik. Schematy te zstały zbudwane przy pewnych załżeniach upraszczających, pzwalających na stsunkw prstą analizę zjawisk łączeniwych. Najisttniejsze z nich jest wprwadzenie skupinych, liniwych elementów RLC. P rzwarciu styków łącznika w bwdzie przedstawinym na rys. 4.1a, następuje zapłn łuku. Przy niewielkich wartściach prądu łuku pjawia się składwa nieustalna prądu (rys. 4.2a), płynąca w bwdzie łącznika VS, L p2, C, C z, L p1 częsttliwści kreślnej zależnścią 4.2. f hf = 2π 1 C Z CO C Z + C O ( + ) L p1 L p2 (4.2) W chwili zgaszenia łuku, przez indukcyjnść L, przepływał prąd wartści I u przy napięciu u f zwany prądem ucięcia. Energia zmagazynwana w indukcyjnści L zaczyna scylwać w bwdzie L, C, R z częsttliwścią kreślną zależnścią 4.3.

3 f 1 = (4.3) 2π L C Rys Schematy zastępcze bwdów trójfazwych charakterze indukcyjnym z uzieminym (a) i izlwanym (b) punktem zerwym Obecnść rezystancji R wpływa na tłumienie przebiegu scylacyjneg, zmniejszając jedncześnie jeg częsttliwść. Napięcie na dbirniku u t maleje d wartści u f w spsób tłuminy, d zera (rys. 4.2b). Napięcie d strny zasilania u z (rys. 4.2c) wzrasta d wartści u f z częsttliwścią kreślną zależnścią 4.4 w spsób tłuminy d chwilwej wartści napięcia źródła zasilania. f = 1 2π (4.4) 1 Lz C Napięcie między stykami łącznika u z jest różnicą napięć u p raz u t. Wartści liczbwe i zależnści kreślające przebieg napięcia na elementach R, L, C p ucięciu prądu przed naturalnym przejściem przez zer, mgą być wyznaczne z praw Kirchffa. Ze względu na zagrżenie izlacji urządzeń, najbardziej interesująca jest wartść maksymalna napięcia na zaciskach dbirnika. P pminięciu tłumienia, jak dgrywająceg niewielką rlę w czasie t m dpwiadającym wystąpieniu pierwszej amplitudy napięcia częsttliwści własnej bwdu f, maksymalna chwilwa

4 wartść napięcia kreślna jest zależnścią 4.5: u max U mf = ( csϑ + nq sinϑ) + n ( 1 q ) sinϑ (4.5) 2 1 q gdzie: a q = ; 2π f 1 a = ; 2π RO C f n = (4.6) f Jeżeli pminie się rezystancje RO = t trzyma się wartści q = 0 i a = 0. Współczynnik przepięć dziemnych kreślają zależnści 4.7 lub 4.8: w których: k k u max = = cs ϑ n sin ϑ U mf (4.7) I u Z = u f + I u Z U mf U mf, (4.8) p + p = U mf I ω L sinϑ u = ; u f = umf csϑ ; L Z = (4.9) C gdzie: ϑ - kąt dpwiadający ucięciu prądu przed jeg naturalnym przejściem przez zer (rys.4.2a); I u prąd ucięcia; Z impedancja charakterystyczna wyłączaneg bwdu. W dbirnikach z bwdami magnetycznymi znacznej bjętści żelaza (transfrmatry, silniki), część energii zawarta w indukcyjnści jest tracna w żelazie wskutek występwania prądów wirwych i strat histerezy. W knsekwencji nie cała energia zgrmadzna w indukcyjnści (L 0 I 2 u/2) zmienia się w energię elektryczną w pjemnści C i wywłuje przepięcie. Ilściwe ujęcie tych strat i przypisanie im kreślnej wartści rezystancji jest trudne. Współczynnik przepięć w takim przypadku kreśla się zależnścią k p 1 = U mf u 2 f 2 L + η I u (4.10) C gdzie: η - współczynnik mniejszy d jednści ( dla transfrmatrów przy pracy jałwej η = , dla silników η < 1 )

5 Rys Przebiegi prądu i napięcia p wyłączeniu bwdu jak na rys. 4.1a: a) prąd w bwdzie łącznika; b) napięcie dbirnika ; c) napięcie zasilania ; d) napięcie pwrtne między stykami łącznika. Pminięcie graniczająceg działania strat w żelazie mże prwadzić w pewnych przypadkach d wyznaczenia zbyt dużych spdziewanych wartści współczynników przepięć. Wartści przepięć zależą głównie d wartści prądu ucięcia I u raz impedancji charakterystycznej Z 0. W praktyce bardziej zagrżne są (większymi wartściami współczynników przepięć k ) dbirniki niewielkich mcach (psiadające duże indukcyjnści L ), dla których impedancja Z jest z reguły znacznie większa niż w dbirnikach większych mcy. Współczynniki przepięć mgą siągać wartści d niewiele przekraczających jednść d kilkunastu, a w szczególnie niekrzystnych przypadkach d dwudziestu i więcej. Przebiegi prądów i napięć w bwdach trójfazwych izlwanym punkcie zerwym są bardz złżne. Mgą być rzpatrywane w układach uprszcznych (rys. 4.1b). Ze względu na przesunięcie prądów w pszczególnych fazach zgaszenie łuku i przerwanie prądu następuje najpierw w jednej fazie, w której prąd jak

6 pierwszy siąga wartść bliską zeru. Wywłuje t zmiany napięć tej fazy raz pzstałych faz względem ziemi raz względem siebie, wywłanych wystąpieniem: - składwych przejściwych wyższych harmnicznych pchdzących d energii pla magnetyczneg zgrmadznej w indukcyjnści L, - składwych przejściwych wyższych harmnicznych pchdzących d energii pla elektryczneg zgrmadznej w pjemnściach strny zasilającej i strny dbirczej, - składwych ustalnych częsttliwści sieciwej istniejącymi płączeniami strny zasilającej i dbirczej ziemnymi C z i C O. D celów analizy przepięć, występujących pdczas przerywania bwdów, wpływ składwych napięć wymienianych jak drugie i trzecie mżna pminąć, gdyż decydujący wpływ ma składwa wywłana energią magnetyczną zawartą w indukcyjnści dbirnika L O. Jeśli zastsuje się pdane uprszczenia, t największe chwilwe wartści napięć między przewdem fazy wyłączanej a ziemią u ml1 raz przewdami pzstałych faz u Ml1l2 mżna wyznaczyć z zależnści : u u 1 = I ul1 Z L (4.11) ml 1 1 L2 = I ul1 Z L1L (4.12) ml 2 Z L1 = Z C 2 C L1 L1 ( + ) C (4.13) Z L1L2 gdzie: znaczenia - jak na rys. 4.l b. C 2 = Z (4.14) 2 + ( C L1 CC ) C L1 = 2C C z (4.15.) L1 + 3 W bwdach dbirczych płącznych w gwiazdę w miejsce L należy pdstawić wartść L * = 3 L Jeśli są jednakwe wartści prądu ucięcia i jednakwe parametry bwdów dbirczych, t przepięcia dziemne w układach izlwanym punkcie zerwym są nie większe niż w układach uzieminym punkcie zerwym.

7 Wyjaśnienia gólne 4.4. Śrdki techniczne chrny przepięciwej Instalwanie nwych łączników dużej zdlnści wyłączania prądów szybkzmiennych, przede wszystkim łączników próżniwych, jest przyczyną stsunkw częsteg pjawiania się dużych wartści przepięć pdczas załączenia lub wyłączenia bwdów indukcyjnych. Taki stan wynika bezpśredni z faktu, że w łącznikach próżniwych zachdzi zjawisk ucinania prądu przed jeg naturalnym przejściem przez zer, szybki wzrst wytrzymałści płukwej próżni i brak graniczania przepięć przez pwtórne zapłny łuku. Generwane w takich bwdach przepięcia dznaczają się znacznymi wartściami i stają się niebezpieczne dla izlacji urządzeń pracujących w tych bwdach, głównie izlacji silników indukcyjnych i elementów energelektrnicznych. Aby temu zapbiec stsuje się dpwiednie śrdki chrny przeciwprzepięciwej. Stswane w praktyce śrdki chrny przeciwprzepięciwej mają dwjaki charakter: - uniwersalny, wyróżniający się tym, że działają ne skutecznie przy dwlnym przepięciu kreślnej wartści; - wybiórczy, t znaczy, że, mgą być przeznaczne d chrny przed skutkami przepięć tylk kreślneg pchdzenia. D najczęściej stswanych śrdków zabezpieczających przed przepięciami zalicza się: - graniczniki przepięć, - warystry, - układy RC, - didy Zenwra, - rezystry, - kndensatry. Jak chrnę przed skutkami przepięć łączeniwych pwstałych na skutek załączenia lub wyłączenia kreślnych dbirników stsuje się układy RC, didy Zenera i graniczniki przepięć z elementami warystrwymi Ograniczniki przepięć Ograniczniki przepięć z elementami warystrwymi są szerk stswane w urządzeniach i instalacjach niskieg napięcia ze względu na dużą skutecznść chrny i stsunkw prstą budwę. D chrny przed skutkami przepięć

8 atmsferycznych w sieciach niskieg napięcia stsuje się iskiernikwe graniczniki przepięć, które wcześniej nazywan dgrmnikami. (rys 4.3 ). a) b) Rys Ogranicznik przepięć (dgrmnik zawrwy): a) zasada działania b) przebieg napięcia na dgrmniku u dgr i prądu wyładwczeg i w : 1 - przewód linii zasilającej, 2 - iskiernik, 3 - warystr, 4 - budwa prcelanwa, u p przepięcie, U z napięcie zapłnu dgrmnika, U - napięcie bniżne Ograniczniki przepięć są zbudwane z iskierników raz warystrów. umieszcznych w prcelanwej budwie, na której znajdują się zaciski: jeden d płączenia ich z przewdem linii, a drugi -z uziemieniem. W przypadku przepięć wywłujących zadziałanie iskiernika występuje przepływ prądu wyładwczeg znacznej wartści. Rezystancja warystra jest wtedy niewielka, c pwduje, że spadek napięcia na graniczniku jest również stsunkw niewielki. Spadek napięcia na nieliniwej rezystancji granicznika, spwdwany przepływem prądu wyładwczeg, nsi nazwę napięcia bniżneg U. Napięcie t, jak również napięcia zapłnu dgrmnika U z pwinny być niższe niż napięcie kreślające pzim chrny z zachwaniem pewneg marginesu bezpieczeństwa. P przepłynięciu prądu wyładwczeg zaczyna płynąć prąd następczy wywłany napięciem rbczym. Rezystancja warystra przy napięciu rbczym staje się jednak na tyle duża, że następuje graniczenie prądu następczeg d wartści, którą przerywa iskiernik przy pierwszym przejściu prądu przez zer.

9 Warystry Warystr jest rezystrem nieliniwej charakterystyce prądw-napięciwej, któreg rezystancja maleje wraz ze wzrstem napięcia. Psiada niewielką rezystancję dla prądów bardz dużych wartściach raz dużą rezystancję dla prądów małych wartściach. Ta cenna właściwść warystra pwduje, że dużym zmianm wartści prądów przepływających przez warystr dpwiadają bardz niewielkie zmiany napięcia. Warystry pchłaniają energię zmagazynwaną w bwdzie w chwili ucięcia prądu, nie dpuszczając d znaczneg wzrstu napięcia na zaciskach chrninych urządzeń. Nie zmieniają natmiast szybkści narastania przepięć. Warystry są elementami symetrycznej charakterystyce napięciw-prądwej (U-I) dla plaryzacji ddatniej i ujemnej napięcia. Typwy przebieg charakterystyki napięciw-prądwej warystra tlenkweg pkazan na rys.4.4. Pdczas peracji łączeniwych przepływają przez warystry krótktrwale duże prądy pwdujące ich nagrzewanie się. Pchłaniana wówczas energia, szczególnie w warunkach dużej częstści łączeń, działa na warystr niszcząc i mże bniżyć przebieg jeg charakterystyki (U-I). W zakresie małych prądów, dpwiadających izlacyjnemu charakterwi pracy warystra a jedncześnie warunkm pracy długtrwałej, wpływ temperatury warystra na przebieg charakterystyki (U-I) jest znaczny. Warystry najczęściej są prdukwane na bazie tlenku cynku dmieszkwaneg małymi ilściami tlenków innych metali. Składniki wyjściwe p starannym rzdrbnieniu i wymieszaniu pddaje się prceswi praswania, nadając najczęściej kształt krążków. Takie warystry nazywa się tlenkwymi. Warystry budwane są na napięcia chrny V, prąd udarwy d 25 ka i mgą pchłaniać energię d 1800 J.. W bwdach trójfazwych warystry mgą pracwać w różnych układach płączeń, zależnych d parametrów łączneg bwdu raz spsbu płączenia punktu neutralneg z ziemia. Rys.4.4. Przykładwa charakterystyka prądw-napięciwa (U-I) warystra tlenkweg

10 Układy RC Układy z szeregw płącznymi elementami RC są tradycyjnym śrdkiem graniczania zarówn wartści przepięć, jak i strmści ich narastania. Włączanie w bwód ddatkwych pjemnści sprawia, że energia grmadzna w elementach indukcyjnych pdczas ich wyłączania, jest przenszna w wyniku scylacji na pwiększną pjemnść bwdu, przez c uzyskuje się zmniejszenie wartści przepięć w bwdzie. Jeśli się zastsuje elementy chrnne typu RC, t pjemnść kndensatra nie pwinna być mniejsza d minimalnej wartści pjemnści uzależninej d energii zmagazynwanej w wyłączanym bwdzie, pjemnści wyłączaneg bwdu i wartści szczytwej napięcia udarweg stswaneg w próbie wytrzymałści izlacji sterwanych urządzeń udarem napięciwym., W razie pwstania przepięć umiarkwanych wartściach, lecz dużych strmściach narastania, najczęściej stsuje się układy RC współpracujące z warystrami. Uzyskuje się wówczas zarówn graniczenie wartści przepięć, jak również szybkści ich narastania. Układy RC znajdują zastswanie w urządzeniach niewielkich mcach znaminwych, takich jak cewki napędów łączników, łączniki statyczne czy sprzęt elektrniczny Didy Zenera Przeciwsbnie płączne didy Zenera stsuje się d chrny urządzeń na niskie napięcie i niewielkiej mcy. Didy Zenera budwane na napięcie V, mgą pchłaniać energię d 0.05 J przy prądzie udarwym d 0.2 ka Niezbędne przygtwanie studenta Przed przystąpieniem d ćwiczeń, student pwinien zaznajmić się z zagadnieniem zależnści i przebiegów łączeniwych pdczas wyłączania bwdów indukcyjnych (rzdz pracy [8.2]), prblematyką przepięć i chrny przeciwprzepięciwej w sieciach elektrenergetycznych nn i instalacjach elektrycznych (rzdz pracy [8.1]).

11 4.6. Prgram ćwiczenia Układ pmiarwy Schemat układu mdelweg stswaneg d badań przepięć w bwdach indukcyjnych jedn- i trójfazwych przedstawin na rys Dla ptrzeb badania śrdków chrny przepięciwej stanwisk labratryjne ddatkw wypsażn w zestawy: warystrów, kndensatrów, rezystrów i did Zenera różnych napięciach chrny. W układzie mdelwym mżna wyróżnić: - główny bwód zasilający OZ, - trójfazwy łącznik próżniwy LP, - trójfazwy dbirnik OD, - układ sterwania US, - układ pmiaru i rejestracji PR. Rys. 4.5.Schemat układu pmiarweg d badania przepięć przy wyłączaniu małych prądów indukcyjnych i badania śrdków przeciwprzepięciwej Główny bwód zasilający OZ składa się z trójfazweg auttransfrmatra AT, przesuwnika fazweg PF pzwalająceg na płynną regulację fazy prądu ucięcia raz trzech transfrmatrów separujących TS. Trójfazwy łącznik próżniwy LP zamdelwany jest za pmcą kntaktrnów próżniwych Kl-K2-K3, które charakteryzują się, pdbnie jak łączniki próżniwe,

12 dużą trwałścią łączeniwą raz bardz szybkim dzyskiwaniem wytrzymałści elektrycznej przerwy zestykwej p zgaśnięciu łuku. Trójfazwy dbirnik indukcyjny OD umżliwia mdelwanie pracy układu w dwdach trójfazwych płącznych w trójkąt lub gwiazdę z uzieminym lub izlwanym punktem neutralnym dbirnika. Układ sterwania US pzwala na pwtarzanie wyłączania prądu ze stałą częsttliwścią, c umżliwia ciągłą" bserwację przebiegów na scylskpie bez pamięci. Układ pmiaru i rejestracji PR składa się z dzielnika rezystancyjnpjemnściweg DN raz rezystra bcznikująceg R b. Układ umżliwia pmiar charakterystycznych parametrów przebiegów łączeniwych prądów i napięć w pszczególnych fazach raz ich bserwację na ekranie scylskpu Pmiary W układzie płączeń dbirnika pdanym przez prwadząceg, należy wyknać następujące pmiary: - dla stałych wartści indukcyjnści raz pjemnści wyznaczyć współczynniki przepięć dla różnych wartści prądu ucięcia, - dla maksymalnej wartści prądu ucięcia wyznaczyć współczynniki przepięć raz częsttliwści przebiegów przejściwych dla zmieniających się pjemnści lub indukcyjnści, - dla zadanych wartści pjemnści raz indukcyjnści wyznaczyć stałą czaswą tłumineg przebiegu przejściweg, - zbadanie skutecznści graniczania przepięć przez warystry, - zbadanie skutecznści graniczania przepięć przez didy Zenera, - cena wpływu wartści rezystancji na skutecznść graniczania wartści i szybkści narastania amplitudy przepięcia, - cena wpływu wartści rezystancji i pjemnści na skutecznść graniczania wartści i szybkści narastania amplitudy przepięcia, - przedstawienie na rysunkach przykładwych przebiegów napięcia i prądu dbirnika przy zastswaniu różnych rdzajów śrdków chrny przeciwprzepięciwej.

13 4.7. Spsób pracwania wyników badań 1. Wyniki pmiarów zestawić w tabelach. 2. Na pdstawie uzyskanych wyników badań i bliczeń należy wyknać wykresy: - k p =f(i u ) przy L=cnst raz C=cnst, - k p =f(c) przy I u =cnst, - k p =f(υ ) przy I u =cnst, gdzie υ =1/T. 3. Na pdstawie uzyskanych rezultatów i bserwacji należy: - zanalizwać trzymane wyniki, - pdać metdy graniczania przepięć pwstających pdczas wyłączania małych prądów indukcyjnych, - przedstawić na rysunkach przykładwe przebiegi napięcia i prądu dbirnika przy zastswaniu różnych rdzajów śrdków chrny przeciwprzepięciwej, - prównać skutecznść działania i zakres zastswań badanych śrdków chrny przeciwprzepięciwej, - przedstawić uwagi i wniski związane z realizacją ćwiczenia i przeprwadznymi badaniami Literatura [4.1] Markiewicz H. : Instalacje elektryczne. Wyd.4 uakt.wnt, Warszawa [4.2] Markiewicz H. : Urządzenia elektrenergetyczne, WNT, Warszawa 2001.