POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY Katedra Elektroenergetyki, Fotoniki i Techniki Świetlnej Laboratorium z przedmiotu: Podstawy Elektroenergetyki 2 Kod: ES1A500 037 Ćwiczenie nr 9 BADANIE NAGRZEWANIA SIĘ PRZEWODÓW POD WPŁYWEM PŁYNĄCEGO PRZEZ NIE PRĄDU Opracował dr inż. Zbigniew Skibko BIAŁYSTOK 2014
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze zjawiskami cieplnymi występującymi podczas przepływu prądu przez przewody elektryczne w zależności od sposobu wykonania instalacji elektrycznej. 2. Wiadomości podstawowe Przewód elektryczny jest to urządzenie elektryczne przeznaczone do przesyłania energii elektrycznej. Jest to wyrób składający się z jednego lub kilku skręconych drutów, albo z jednej lub większej liczby żył izolowanych bez powłoki lub w powłoce niemetalowej, przy czym pojedyncza żyła może być wykonana z jednego lub kilku skręconych ze sobą drutów. Przewód wykorzystywany w instalacjach elektrycznych jest to zespół elementów składający się z: jednej lub kilku żył, izolacji, powłoki (jeżeli jest), osłon ochronnych (jeżeli jest). Żyły przewodów wykonane są z drutów miedzianych lub aluminiowych (przy przekrojach żył powyżej 10 mm 2 ). Charakterystyczną cechą przewodów jest przekrój poprzeczny żyły wyrażony w mm 2. Znamionowe przekroje poprzeczne żył są znormalizowane i należą do typoszeregu: 0,15; 0,2; 0,35; 0,5; 0,75; 1; 1,5; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 35; 50; 70; 95; 120; 150; 185; 240; 300; 400; 500; 625; 800; 1000 mm 2. Dopuszcza się wykonanie żyły w postaci pojedynczego drutu oraz skręconych ze sobą drutów, przy czym wszystkie druty danej żyły powinny posiadać taką samą średnicę znamionową. W zależności od liczby żył wyróżnia się przewody jedno i wielożyłowe. Przewody jednożyłowe zbudowane są z pojedynczej żyły osłoniętej izolacją. Przewody wielożyłowe składają się co najmniej z dwóch izolowanych żył umieszczonych we wspólnej osłonie izolacyjnej. Izolacja żyły przewodu jest elementem służącym do odizolowania poszczególnych elementów przewodu od siebie oraz od części przewodzących dostępnych i obcych.
Na izolacje nakładana jest powłoka, której celem jest zapobieganie przenikaniu wilgoci do wnętrza przewodu. Przewody i kable oznaczone są symbolem literowym, który określa ich skład materiałowy oraz konstrukcję. W wyniku przepływy prądu przez żyłę przewodu następuje jej nagrzanie. Ciepło tak powstałe powoduje wzrost jej temperatury i częściowo zostaje oddane do otoczenia. Bilans energetyczny dla przewodu jednorodnego, nieizolowanego i o jednakowych warunkach chłodzenia na całej powierzchni przez który przepływa prąd obciążonego prądem o stałej wartości skutecznej (I) ma postać: (1) gdzie: ρ rezystywność materiału przewodowego [Ω cm]; l długość rozpatrywanego odcinka przewodnika [cm]; t czas [s]; s przekrój przewodnika [cm 2 ]; S pl powierzchnia zewnętrzna jednostkowej długości [cm 2 /cm];c ciepło właściwe materiału przewodowego [J/cm 3 C]; temperatura przewodu i temperatura otoczenia [ C]; k od współczynnik oddawania ciepła do otoczenia [W/cm 2 ]; k f współczynnik strat dodatkowych (1 < k f < 1,15). Lewa strona równania (1) pozwala obliczyć ilość ciepła wytworzonego w wyniku przepływu prądu przez przewód. Pierwszy człon prawej strony równania określa ilość ciepła potrzebną do podgrzania przewodu o oddanego do otoczenia., natomiast drugi wyraz określa ilość ciepła Ponieważ w zakresie nie przekraczającym temperatury 120 C zmiany parametrów k f,, c, k od są niewielkie, zakłada się, że są one wartościami stałymi. Po wprowadzeniu oznaczenia cieplnej stałej czasowej T o postaci: można obliczyć wzrost temperatury przewodu ponad temperaturę otoczenia: (2)
(3) Jako że T > 0, to wyrażenie wraz z upływem czasu dąży do zera. Z kolei temperatura przewodu dąży do wartości ustalonej wyrażonej zależnością : Po podstawieniu wyrażenia (4) do wzoru (3) otrzymuje się równanie krzywej nagrzewania: (4) (5) Ponieważ temperatura ustalona zależy od temperatury otoczenia to dla każdej otrzymamy inna krzywą o odpowiednio przesuniętych ( w górę lub w dół) rzędnych. W celu usunięcia temperatury otoczenia z zależności (5) wprowadza się następujące przyrosty temperatur: Dla dowolnej temperatury otoczenia równanie nagrzewania otrzymuje postać: (6) lub (7) w którym [ C]. początkowy przyrost temperatury przewodu ponad temperaturę otoczenia W przypadku gdy temperatura przewodu na początku procesu nagrzewania jest równa temperaturze otoczenia wówczas i zależność (7) ma postać: (8) Stałą czasową nagrzewania można wykreślić kreśląc w dowolnym punkcie krzywej nagrzewania styczną do tej krzywej aż do przecięcia się z prostą Długość
podstycznej zmierzona na prostej przyjętej skali czasu. jest równa stałej czasowej nagrzewania w W przypadku gdy przewód jest obciążony dłużej niż 4 cieplne stałe czasowe, można przyjąć, że przewód jest pod obciążeniem długotrwałym. Oznacza to, że prąd o stałym natężeniu płynący nieskończenie długo spowoduje wzrost temperatury przewodu do wartości granicznej dopuszczalnej długotrwale. Z zależności (4) oraz przyrostu temperatury dopuszczalnej długotrwale otrzymuje się: (9) Innym rodzajem obciążenia przewodu jest obciążalność dorywcza. Charakteryzuje ją to, że czas przepływu prądu jest niewystarczający do ustalenia się przyrostu temperatury, po którym następuje przerwa, w czasie której przewód ochładza się do temperatury otoczenia. Największą wartość prądu dorywczego I dor otrzymujemy z następującej zależności: (10) gdzie: t p czas trwanie obciążenia przewodu. Kolejnym rodzajem obciążenia jest obciążenie przerywane. Jest to obciążenie o cyklicznie powtarzających się okresach obciążenia o niezmiennej wartości prądu i przerwach bezprądowych. Największa dopuszczalna wartość prądu obciążenia dopuszczalnego wyznacza się z zależności: gdzie: t 0 czas trwania przerwy w obciążeniu. (11) 3. Przebieg ćwiczenia W trakcie ćwiczenia należy:
Dla wybranych przez prowadzącego linii wyznaczyć krzywe nagrzewania przewodów pod wpływem płynącego przez nie prądu. Pomiar należy dokonywać co 15 sekund aż do osiągnięcia przez przewód temperatury dopuszczalnej długotrwale pięć kolejnych, powtarzających się wyników pomiarów. Wartości prądów dopuszczalnych długotrwale zostały zamieszczone w Tab.1 Tabela 1. Wartości prądów dopuszczalnych długotrwale Oznaczenie linii Cechy I Z [A] L-1 peszel, 3xDYżo 2,5 24 L-2 peszel, YDYżo 3x2,5 23 L-3 rurka PVC, 3xDYżo 2,5 24 L-4 rurka PVC, YDYżo 3x2,5 23 L-5 rurka PVC, YDYżo 5x2,5 20x3 L-6 rurka metalowa, 3xDYżo 2,5 24 L-7 rurka metalowa, YDYżo 3x2,5 23 L-8 listwa instalacyjna, 3xDYżo 2,5 24 L-9 listwa instalacyjna YDYżo 3x2,5 23 L-10 listwa instalacyjna YDYżo 5x2,5 20x3 W czasie grzania przewodów w linii L-5 i L-10 zakładana jest symulacja symetrii obciążenia i obciążeniu poddawane są tylko 3 żyły dlatego łączna wartość wymuszenia prądowego wynosi 60 A. Rys. 1. Schemat ideowy obwodu prądowego układu pomiarowego Kolejność załączania stanowiska: - przykręcić przewody zasilające do badanej linii
- przełączyć włącznik główny na pozycje 1 - wcisnąć przycisk PZ - pokrętłem wyboru czujników wybrać czujnik w badanej linii - wybrać rodzaj wymuszenia prądowego: PZ AC przemiennoprądowe; PZ DC stałoprądowe. -wcisnąć przycisk PZ 1 Uwagi: Wszystkie przełączenia dokonywać przy wyłączonym stanowisku. Zmiana badanej linii odbywa się poprzez przykręcenie końcówki przewodu odchodzącego od zacisku Z 1 do zacisku od L 1 do L 10 na tablicy instalacyjnej. Końcówka przewodu odchodzący od zacisku Z 0 powinien należy przykręcić do zacisku N 0. Wyjątkiem jest badanie linii. L 5 i L 10 gdzie końcówkę przewodu należy przykręcić do zacisku oznaczonego N 1. 4. Opracowanie wyników badań Sprawozdanie studenckie powinno zawierać: - Cel ćwiczenia - Schemat układów pomiarowych - Zestawienie wyników pomiarów oraz wykresy zależności - Obliczenia - Wnioski 5. Literatura 1. Lejdy B.: Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych, WNT, Warszawa 2013, 2. Lejdy B.: Laboratorium urządzeń elektroenergetycznych, WPB, Białystok 1999, 3. Markiewicz H.: Instalacje elektryczne, WNT, Warszawa 2012, 4. Poradnik Inżyniera Elektryka, praca zbiorowa, WNT, Warszawa 2011.
6. Wymagania BHP Podczas wykonywania ćwiczeń w laboratorium należy przestrzegać następujących zasad: 1. Przed przystąpienie 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. Włączenia 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 uszkodzenia przyrządów i inne straty wynikłe z winy ćwiczących odpowiadają oni materialnie. 4. Po załączeniu napięcia nie wolno wykonywać żadnych przełączeń w układzie. Rozmontowywanie i ewentualne przełączenia mogą być robiony po wyłączeniu napięcia i zgodą prowadzącego ćwiczenia. 5. Podczas wykonywania ćwiczenia należy unikać stykania się z wszelkiego rodzaju dobrze uziemionymi przewodzącymi przedmiotami, takimi jak kaloryfery, instalacje wodociągowe itp. 6. Wykonanie 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.