Robert BERCZYŃSKI, Staniław Jan KULAS Wojkowa Akademia Techniczna, Wydział Elektroniki, Intytut Sytemów Elektronicznych doi:10.15199/48.2017.10.04 Badanie dynamiki ruchu tyków załącznika zwarciowego Strezczenie. W artykule przedtawiono analizę charakterytyk dynamicznych ruchu tyku ruchomego podcza zamykania zybkiego łącznika wyokiego napięcia, przy zatoowaniu technik poprawy pracy łącznika. Celem badań było utalenie wpływu itotnych cech kontrukcyjnych układu tykowego załącznika zwarciowego, na proce niejednoczeności łączenia tyczek oraz na wartość czau zamykania łącznika. Przedtawione zotały dane pomiarowe oraz ich analiza. Abtract. The article preent an analyi of the dynamic characteritic of moving contact during cloing fat high-voltage witch uing technique to improving the work of witch. The aim of thi tudy wa to determine the effect of ignificant deign feature of witch contact ytem on the proce of non-imultaneou contact junction and on value of catter cloing time of witch. The tudy ued pecialized meaurement laboratory. Meaurement data and their analyi were preented. (Analyi of the movement dynamic of contact and contact- et of the making witche). Słowa kluczowe: diagnotyka, dynamika ruchu, łączniki elektryczne, drgania Keyword: diagnotic, movement dynamic, electrical witche, vibration Wtęp W czaie proceu załączania dużych prądów, zwłazcza prądów zwarciowych, łącznikami zetykowymi (mechanizmowymi), tyki łącznika elektrycznego intenywnie ię nagrzewają. Jet to powodowane zapłonem łuku elektrycznego wytępującym przed metalicznym zetknięciem ię tyków, w natęptwie ewentualnego pojawienia ię odkoków tyków po ich zderzeniu, a także w wyniku niejednoczeności zamykania ię pozczególnych tyczek łącznika. Procey fizyczne zachodzące w układach tykowych ą ściśle związane z cechami kontrukcyjnymi tyków oraz z parametrami napędów tyków [1]. Układy tykowe tożkowe, dwuprzerwowe toowane w załącznikach zwarciowych (ry. 1) umożliwiają krócenie czau łukowego załączania przy tych amych prędkościach tyku ruchomego. Ry.1. Schemat ideowy załącznika zwarciowego Styki nieruchome wypoażone ą w nacięcia wzdłużne (tworząc układ tyczek), zapewniające więkzą elatyczność tyków podcza zderzenia ze tykiem ruchomym. Wartość kąta tyczności tyków ma również wpływ na ugięcie ię tyczek tyku nieruchomego. Wykorzytanie w tego typu kontrukcjach układów tykowych prężyny napędowej, również do dociku zetyków, uprazcza kontrukcję załącznika zwarciowego i zmniejza wymiary gabarytowe jego układu tykowego. Załączniki zwarciowe ą przeznaczone do zamykania obwodu probierczego przy określonej wybranej fazie napięcia odnieienia. W związku z tym powinny ię charakteryzować: - odpowiednią zdolnością załączania prądu zwarciowego i dużą trwałością łączeniową, - odpowiednią do wartości napięcia zailającego prędkością zamykania tyków, - małym rozrzutem czaów włanych. Wprowadzenie teoretyczne Przebicie przerwy między tykowej wytępuje w chwili zrównania ię wartości wytrzymałości dielektrycznej przerwy między tykowej u p (t) z chwilową wartością przyłożonego do przerwy napięcia u(t), (ry. 2). Cza łukowy załączania t az, jet zależny od prędkości chodzenia ię tyków V, oraz od wartości natężenia pola elektrycznego E k [2, 6], w obzarze tykowym. Ry.2. Graficzne wyznaczenie czau przedłukowego t p i łukowego t az podcza załączania prądu [5] Wielkość mocy cieplnej dotarczanej tykom w wyniku wytąpienia zapłonu łuku przed metalicznym zetknięciem ię tyków, zależy od parametrów obwodu elektrycznego, oraz wielkości i zybkości zmiany przerwy tykowej. Jeśli przyjmiemy, że przebieg prądu zwarciowego łącznika jet określony przez i z (t), to wówcza energię wydzieloną w łuku W az w czaie załączania t az określimy z zależności: W (1) az K a z 0 u i ( t) dt K i ( t)( d nv t) dt a z a 0 0 l ( t) i ( t) dt a gdzie: u a padek napięcia łuku, V, K a gradient łuku, V/m, n liczba przerw tykowych w biegunie łącznika, t az cza palenia ię łuku podcza zamykania tyków lub w czaie odkoku, ; l a długość łuku, m; z 16 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 93 NR 10/2017
przy czym zakładając, że zapłon łuku wytąpił przy odległości d pomiędzy tykami i poługując ię prędkością średnią zamykania tyków V w czaie palenia ię łuku, oraz pomijając w tym przypadku wpływ pola magnetycznego na wydłużenie łuku, możemy otrzymać: (2) la ( t) d nvt Aby zatem można było załączyć prąd w obwodzie w chwili przejścia napięcia przez wartość zerową i uniknąć przebicia przerwy między tykowej podcza załączania, powinny być pełnione natępujące warunki [4, 5, 6]: 1. Dynamiczna wytrzymałość przerwy między tykowej podcza zamykania tyków łącznika powinna być wyżza od chwilowej wartości napięcia zailania. Powinien zatem być pełniony warunek: m (3) V U nek gdzie: V - minimalna wartość prędkości tyków w chwili mechanicznego ich zetknięcia ię, E k wartość natężenia pola elektrycznego, przy którym natępuje przebicie, n liczba przerw w biegunie. 2. Rozrzut czaów włanych łącznika elektrycznego t c = t p + t az, powinien być jak najmniejzy; dla załączników zwarciowych wartość rozrzutu należy uznać za atyfakcjonującą jeśli: 0 (4) t c 5 el Dla wyłączników wyokiego napięcia dopuzcza ię rozrzuty: (5) t c ± 1 m [7]. Styki po zderzeniu ię tworzą zetyk znajdujący ię nadal w tanie ruchu. Natępuje przemiana energii kinetycznej układu na energię potencjalną prężytą, a natępnie energii potencjalnej na energię kinetyczną ruchu zwrotnego. Część energii, która zotała nagromadzona w amych tykach i w elementach prężytych tyków może wywołać odkok tyków i zetyk ulega ponownemu rozwarciu. Między rozwartymi tykami w czaie odkoków tyków, zapala ię łuk elektryczny, który nizczy powierzchnię tyków, zależnie od wartości natężenia prądu i czau rozwarcia tyków. Po pewnym czaie tyki, w wyniku działania prężyny docikowej układu napędowego lub tykowego, zwierają ię ponownie i ewentualnie znowu natępuje odkok prężyty tyku ruchomego, o ile tyki nie ulegną czepieniu. Charakter, liczba odkoków i cza ich trwania zależą od wielu czynników, m. in. od materiału i may tyków [8], promienia krzywizny czołowej tyków, wartości chwilowej prądu oraz prędkości tyków [9]. Opi analityczny powyżzych zagadnień w konkretnych rozwiązaniach kontrukcyjnych jet pracochłonny [1,3], tąd wydatną pomoc przy ich badaniu tanowią pomiary parametrów czaowych łącznika. Cel pracy Przedmiotem analizy dynamiki ruchu tyków oraz zetyków jet wyznaczenie przebiegów prędkości i przypiezenia tyku ruchomego przed zderzeniem ze tykiem nieruchomym oraz uzykanie przebiegów drgań tyku nieruchomego po zderzeniu. Dotychczaowa analiza praktyczna [2, 3, 4, 5] nie ukazuje przebiegów drgań w momencie zderzenia tyczek. Celem przeprowadzonych badań było uzykanie czaów załączeń kolejnych tyczek układu palczatego oraz przebiegów przypiezeń w odpowiednich kierunkach podcza zderzenia tyczek. Czay te tanowić będą parametry wejściowe do modelu ukazującego przepływ prądu w tyczkach z uwzględnieniem nierównomiernego łączenia ię tyczek ze tykiem nieruchomym, natomiat przebiegi przypiezeń pokazywać będą poziom drgań tyczek w proceie łączenia. Niniejzy artykuł jet rozwinięciem wcześniejzych opracowań [2]. Modyfikacje tanowika pomiarowego Wykonane badania [2] pokazały wpływ zakłóceń na tor pomiarowy pochodzących od włącznika klawizowego włączającego obwód cewek wyzwalających. Na ygnały napięciowe z akcelerometru i ze tyków nakładały ię zakłócenia elektromagnetyczne powodowane ikrzeniem tyków włącznika w momencie załączania obciążenia indukcyjnego oraz w momencie rozłączania obwodu (wpływ zjawika amoindukcji). Włącznik klawizowy przytoowany był do załączania obwodów zailanych ze źródła prądu przemiennego. Zakłócenia te wyeliminowano poprzez zatoowanie elektronicznego załączania cewek wyzwalających z wykorzytaniem wyokonapięciowego w układzie klucza prądowego. Tranzytor załączany jet poprzez mikrowłącznik. Włącznik klawizowy załączał cewki wyzwalające bezpośrednio przy prądzie około 300mA i wartości napięcia 220V DC. Prąd bazy tranzytora wynoi kilka miliamperów a potencjał na bazie wynoi kilka woltów. Załączana moc jet zatem znacznie mniejza niż we wcześniejzej werji tanowika. Ry.3. Zepół akcelerometrów do badań przebiegów drgań W celu uzykania przebiegów drgań bocznych tyków nieruchomych na każdej ze tyczek zamontowany zotał dodatkowy akcelerometr z ukierunkowaną oią detekcji protopadłą do kierunku ruchu tyku ruchomego (ry. 3). Uzykano w ten poób ześć dodatkowych ygnałów pomiarowych. Wartość chwilowa napięcia tych ygnałów odpowiada chwilowej wartości przypiezania drgań tyczek. Zmieniony zotał panel gniazd wyjściowych. Ry.4. Sprężyna napędowa (widok z góry) W związku z rozbudową o dodatkowe akcelerometry do badań drgań bocznych i zwiękzoną liczbą ygnałów napięciowych o nikich wartościach (czułość akcelerometru wynoi 8 mv/g), zatoowano układ gwiaździtego prowadzenia may ygnałowej, która łączy ię tylko w PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 93 NR 10/2017 17
jednym punkcie wpólnym i tylko w jednym punkcie z maą zailania akcelerometrów. Wzytkie akcelerometry zailane ą z baterii. W celu uzykania mniejzej wartości średniej czau zamykania załącznika, zwiękzona zotała iła dociku mechanicznego układu napędowego (dokręcona zotała nakrętka docikowa). Ryunek 4 przedtawia układ napędowy: podtawa (1), prężyna napędowa (2), nakrętka docikowa (3). Zgodnie z tym ryunkiem, zwiękzenie iły docikowej natępuje w kierunku poziomym i zwrocie kierowanym do podtawy prężyny. Wyniki pomiarów w potaci charakterytyk napięcia w funkcji czau (dla każdego z wyzwoleń łącznika) uzykiwane ą za pomocą cyfrowego wielokanałowego ocylokopu z możliwością rejetracji danych. Źródłem wyzwalania podtawy czau ocylokopu jet ygnał napięciowy na wyjściu tranformatora znajdującego ię w obwodzie cewek wyzwalających. Sygnały napięciowe wyprowadzone zotały na gniazda BNC, znajdujące ię na panelu, w celu wygodnego podłączenia do przyrządów pomiarowych. Na ryunku 5 przedtawione jet zdjęcie tanowika (bez ocylokopu, łącznik (1), panel gniazd BNC (2), układ elektronicznego terowania (3)). projektowania filtrów fir1 oraz filtfilt. Efekty odzumiania dla przebiegu przypiezenia tyku ruchomego przedtawia ryunek 6, natomiat dla przebiegu drgań tyczek tyku nieruchomego ryunek 7. Ry.7. Fragment przebiegu przypiezenia drgań jednej ze tyczek Wyniki pomiarów Specyfika pomiarów wymagała jednoczenego analizowania wielu ygnałów (iedmiu z akcelerometrów, jeden ygnał napięcia na tykach łącznika i jeden ygnał wyzwalania pracą ocylokopu). Dane pomiarowe udało ię uzykać po podłączeniu i zynchronizowaniu ze obą trzech ocylokopów wielokanałowych. Dynamika ruchu tyków (w badanym układzie jet to jeden tyk ruchomy) polega na przedtawieniu przebiegu przypiezenia w kierunku i zwrocie zgodnym z ruchem tego tyku. Ry.5 Stanowiko pomiarowe po modyfikacjach Ry.8. Ocylogram przebiegów: przypiezenia (1), prądu cewki wyzwalającej (4) i napięcia na tykach nieruchomych (2) dla jednego z pomiarów przed modyfikacjami tanowika Ry.6. Fragment przebiegu przypiezenia tyku ruchomego Obróbka danych pomiarowych Analiza danych z badań w [2] nie uwzględniała faktu ich zazumienia. Zatoowanie filtru dolnoprzeputowego na ygnałach uzykanych z danych z pomiarów wykonanych do niniejzego artykułu oraz uwzględnienie wytępowania kładowych tałych w ygnałach, pozwoliło na lepze zobrazowanie przebiegów oraz w przypadku drgań bocznych tyczek wyodrębnienie etapów ich drgań: od moment wyzwolenia załącznika ą to drgania włane, natomiat dalej widoczne jet ugięcie tyczki na zewnątrz bądź wewnątrz układu zetykowego. Wykorzytane zotały wbudowane funkcje Matlaba odnośnie generowania i Ry.9. Ocylogram przebiegów: przypiezenia (1), prądu cewki wyzwalającej (4) i napięcia na tykach nieruchomych (2) dla jednego z pomiarów po modyfikacjach tanowika Ryunek 8 przedtawia ocylogramy przebiegów przed modyfikacjami, natomiat ryunek 9 po modyfikacjach. Momenty kiedy natępuje wyzwolenie załącznika (podanie napięcia na cewkę wyzwalającą) zaznaczono w czerwonym 18 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 93 NR 10/2017
protokącie. Poziom zakłóceń dzięki zatoowaniu terowania elektronicznego znacznie zmniejzył ię a ygnał zakłócający nie nakłada ię na ygnały pomiarowe Ocylogramy umożliwiają przedtawienie wyraźnego momentu czau w którym natępuje podanie napięcia na cewki wyzwalające (przebieg ciemnoniebieki, kanał 4 ocylokopu) oraz równie wyraźny moment zetknięcia ię tyków (przebieg błękitny, kanał 2 ocylokopu). Po całkowaniu przebiegu przypiezenia uzykiwana jet charakterytyka prędkości w funkcji zamykania tyków łącznika. Ta charakterytyka pozwala określić punkty charakterytyczne w czaie, takie jak prędkość hamowania i prędkość w momencie zwarcia tyków. Wartość prędkości w momencie zwarcia tyków mui być dotoowana do wartości napięcia zailającego w torze prądowym załączanym przez łącznik, w celu wyeliminowania bądź ograniczenia wytępującego łuku elektrycznego. Z przebiegu prądu płynącego przez cewkę wyzwalającą określa ię moment wyzwolenia załącznika. Z przebiegu napięcia między tykami ruchomym i nieruchomym (w badanym układzie między dwoma tykami nieruchomymi) oraz przebiegu wartości prędkości uzykuje ię moment zamknięcia łącznika. Zgodnie z opiem dwóch metod w [1] wyznacza ię cza włany załącznika. Ryunek 10 przedtawia przykładowy pomiar dynamiki ruchu tyku ruchomego, oznaczone zotały odpowiednio (licząc od tartu rejetracji) cza wyzwolenia, cza zamknięcia według metody I i cza zamknięcia wg metody II. Na przebiegach (ry. 10) uzykiwany jet moment czau w którym natępuje nagła zmiana wartości przypiezenia. Każde wyzwolenie załącznika jet oddzielnym, niezależnym proceem, w związku z tym, zmiana ta może wytąpić z różnym opóźnieniem względem metalicznego zetknięcia ię tyków a cały proce może zachodzić z różną amplitudą. Za metaliczne zetknięcie tyków nieruchomych ze tykiem ruchomym uznaje ię zetknięcie (z punktu widzenia czau) pierwzej tyczki w dolnym tyku z pierwzą tyczką w górnym tyku. Rozpoczęcie uginania ię tyczek w różnych momentach czau świadczy o niejednoznaczności tykania ię tyczek tyku nieruchomego ze tykiem ruchomym. Wartość makymalna zotała oznaczona krzyżykiem, znak wartości w zależności od zorientowania akcelerometru określa czy tyczka ugina ię do środka czy na zewnątrz układu zetykowego. Analiza przeprowadzonych badań dynamiki tyków Tabela 1. przedtawia zetawienie wartości średniej czau włanego z 20 uruchomień łącznika, wyznaczonych metodami opianymi w [1] dla obu werji tanowika wraz z określeniem rozrzutu tego czau wyznaczonym na podtawie metodyki opianej w [3]. Tabela 1. Wyniki obliczeń dla analizy tyku ruchomego Werja Metoda I Metoda II tanowika (napięcie cewek 220V) Cza włany Rozrzut czau włanego Cza włany Rozrzut czau włanego 1 12,97 0,389 13,35 0,393 2 10,25 0,566 10,64 0,570 Wyniki badań i obliczeń, jednoznacznie pokazują, iż zabiegi modyfikacyjne tanowika pomiarowego przyczyniły ię do uzykania lepzej pracy załącznika. Cza załączania zmniejzył ię o ok 21% dla metody I wyznaczania czau włanego i o ok 20% dla metody II. Wartość rozrzut czau włanego dla obu metod zwiękzyła ię, może to wynikać z więkzej dynamiki drgań podcza zderzenia ię tyków. Wartość rozrzutu czau włanego w topniach elektrycznych wynoi odpowiednio: 10,19 el i 10,26 el, jednakże wartości rozrzutu czau włanego dalej pełniają podtawowe założenie określone we wzorze (5). Ry.10. Przebiegi dla pomiaru 1. Ry.11. Przebiegi drgań tyczek Dynamika ruchu zetyków (w badanym układzie jet to metaliczne połączenie tyku ruchomego z dwoma tykami nieruchomymi) polega na zebraniu przebiegu przypiezenia podcza drgań tyków nieruchomych w kierunku protopadłym do ruchu tyku ruchomego. Dane dotyczące drgań tyczek zbierane były parami, czyli według ryunku 4, zgodnie ze chematem: BG, CF, DE. Analiza przeprowadzonych badań dynamiki zetyku Ryunek 12 przedtawia powiękzony fragment przebiegów drgań tyczek z pomiaru 1 dla tyczek B i G. W okreie od 1m (moment wyzwolenia załącznika) do 1,5m dla tyczki B widoczne ą drgania włane, natomiat dalej widoczne jet ugięcie tyczki na zewnątrz układu zetykowego. Dla tyczki G cza trwania drgań jet krótzy i ugięcie natępuję również na zewnątrz (zgodnie ze zorientowaniem akcelerometrów. Różne czay trwania drgań i różne momenty rozpoczęcia proceu ugięcia świadczą o niejednoczeności tykania ię tyczek ze tykiem ruchomym. Ryunki 13-15 przedtawiają przebiegi przypiezeń z kolejnych pomiarów z kolejnych tyczek. Tabela 2. przedtawia zetawienie wartości makymalnych i minimalnych przypiezeń tyczek podcza 20 wyzwoleń załącznika. Wyniki badań i obliczeń pokazują, że tyczki B i D (po lewej tronie oi pionowej układu zetykowego) uginają ię bardziej na zewnątrz niż do wewnątrz. Natomiat tyczki E i G (po prawej tronie układu zetykowego) uginają ię bardziej do wewnątrz niż na zewnątrz. Może to świadczyć o oiowo-poziomym przekozeniu układu zetykowego, całościowe pojrzenie na układ pokazuje uginanie ię tyczek w lewą tronę. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 93 NR 10/2017 19
Tabela 2. Wyniki obliczeń dla analizy drgań tyczek Ugięcie na zewnątrz do wewnątrz Styczka Mak [g] Min [g] Mak [g] Min [g] B 117,35 24,02 87,59 22,37 D 120,61 33,79 77,70 17,91 E 73,37 12,93 88,63 24,59 G 70,58 25,25 76,90 26,54 Ry.12. Przebiegi drgań tyczek B i G dla pomiaru 1 Ry.13. Przebiegi drgań tyczek D i E dla pomiaru 14 Ry.14. Przebiegi drgań tyczek D i E dla pomiaru 11 Podumowanie W proceie zamykania tyków łącznika elektrycznego dąży ię do kracania czau łukowego załączania, w celu ograniczenia energii tego łuku i co za tym idzie, zwiękzenie żywotności łącznika. Itnieje możliwość krócenia czau załączania łącznika poprzez odpowiednie techniki kontrukcyjne i montażowe, celem zapobiegania wytąpienia łuku. Badania wykazały iż jet to w pełni możliwe. W proceie łączenia tyków oprócz ugięcia pojedynczych tyczek, wytępują również ich drgania zaraz po momencie zetknięcia pierwzej tyczki ze tykiem ruchomym. Różny cza trwania tych drgań, a tym amym opóźnienie wytąpienia ugięcia świadczy o niejednoczenym zetknięciu ię tyczek ze tykiem ruchomym. Należy nadmienić iż uzykane dane pomiarowe ą bardzo zazumione, a w amych ygnałach wytępuje wiele kładowych, w związku z tym, proce badawczy wymagał pewnej obróbki danych. Jednoznaczne określenie momentów rozpoczęcia proceu drgań jet utrudnione, a zatem utrudnione jet również uzykanie czaów zetknięć kolejnych tyczek ze tykiem nieruchomym. Wydaje ię enownym zaproponowanie jezcze innej metody analizy, taka analizą może być pomiar napięcia indukowanego w cewkach zamontowanych na każdej ze tyczek podcza próby obciążeniowej, taka metoda badań jet w trakcie opracowywania. Autorzy: mgr inż. Robert Berczyńki, E-mail: robert.berczynki@wat.edu.pl, prof. dr hab. inż. Staniław Jan Kula, E-mail: tanilaw.kula@wat.edu.pl, Wojkowa Akademia Techniczna, Wydział Elektroniki, Intytut Sytemów Elektronicznych, ul. gen. Sylwetra Kalikiego 2, 00-908 Warzawa LITERATURA [1] Ciok Z.: Procey łączeniowe w układach elektroenergetycznych, WNT, Warzawa, 1976 [2] Berczyńki R., Kula S.: Diagnozowanie dynamiki ruchu tyków łączników elektrycznych wyokiego napięcia, Przegląd Elektrotechniczny, 1/2016, Warzawa. [3] Kolima Ł., Kula S., Pikała M., Zglińki K.: Laboratorium obciążalności torów wielkoprądowych i zetyków, OWPW, Warzawa, 2014 [4] Kula S.: Analiza i elementy yntezy wielkoprądowych układów tykowych łączników elektrycznych, OWPW, Warzawa, 2002. [5] Kula S., Supronowicz H.: Analiza proceu załączania prądu łącznikami elektrycznymi zetykowymi w układach kompenacji mocy biernej, Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, nr 12, Katowice, 2013. [6] Makymiuk J.: Aparaty elektryczne II Podtawy ekploatacji, INPE z. 34, Warzawa, 2011 [7] Ware B., Reckleff J., Mauthe G., Schett G.: Synchronou witching of power ytem, CIGRE Seion Report No. 13-205, 1990. [8] McBride J.: An experimental invetigation of contact bounce in medium duty impact, IEEE Tran. Componnet Hybrit and Manuf. Technol., vol. 15, 1992. [9] McBride J., Sharkh S.: Electrical contact phenomena during impact, IEEE Tran. CHMT-15., 1992. Ry.15. Przebiegi drgań tyczek D i E dla pomiaru 8 20 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 93 NR 10/2017