POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY Katedra Elektroenergetyki, Fotoniki i Techniki Świetlnej Laboratorium z przedmiotu: Podstawy Elektroenergetyki 2 Kod: ES1A500 037 Ćwiczenie nr 2 BADANIE WYŁĄCZNIKÓW SAMOCZYNNYCH NISKIEGO NAPIĘCIA Opracował dr inż. Zbigniew Skibko BIAŁYSTOK 2016
1. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z budową oraz z zasadą działania wyłączników niskiego napięcia. Zakres ćwiczenia obejmuje zapoznanie się ze sposobami wyznaczania oraz regulacji charakterystyk czasowo prądowych badanych wyłączników samoczynnych niskiego napięcia. 2. WPROWADZENIE 2.1 Ogólna charakterystyka wyłączników niskiego napięcia Nowoczesną formą konstrukcyjną łączników niskiego napięcia są wyłączniki samoczynne, przerywające obwód automatycznie w momencie zakłócenia (zwarcie, przeciążenie, obniżenie albo zanik napięcia). Wyłączniki powinny zapewnić dużą wytrzymałość zwarciową przy niezbyt dużej częstości łączeń. Wyłączniki niskonapięciowe produkowane są wyłącznie jako suche. Podstawowe zespoły wyłącznika to: układ zestyków głównych i pomocniczych, komory gaszące, zamek, urządzenia wyzwalające, napęd. Układ połączeń przedstawiający podstawowe elementy składowe oraz szkic budowy wyłączników samoczynnych niskiego napięcia przedstawiony jest na rysunku 1.
Rys. 1. Układ połączeń podstawowych elementów oraz szkic budowy wyłączników samoczynnych: 1 podstawa, 2,3 styki, 4 komora gaszeniowa, 5 wyzwalacz nadprądowy elektromagnetyczny, 6 wyzwalacz cieplny, 7 cewka podnapięciowa, 8 zamek, 9 dźwignia napędu, 10 obudowa Najistotniejszym elementem konstrukcyjnym wyłącznika jest zamek. Powoduje on, że po zamknięciu się styków wyłącznika układ napędowy zostaje zaryglowany i siła docisku na niego (np. przerwanie prądu w obwodzie cewki elektromagnesu napędowego) nie powoduje rozwarcia się styków. Zwolnienie zapadki zamka zamkniętego wyłącznika powoduje jego otwarcie. Podobnie, gdyby zapadka została zwolniona w trakcie zamykania wyłącznika, otworzy się on, niezależnie od ruchu dźwigni napędowej. Jeśli w trakcie zamykania okaże się, że załączany obwód jest uszkodzony, np. występuje w nim zwarcie, to styki ruchome powracają do położenia spoczynkowego dzięki swobodnemu sprzęgłu nawet wówczas, gdy układ napędowy nadal działa w kierunku zamknięcia wyłącznika. Zwolnienia zapadki zamka dokonują wyzwalacze. Urządzeniami wyzwalającymi, jakie posiada każdy wyłącznik, są wyzwalacze zwarciowe. Wyposażone są one w wyzwalacze lub przekaźniki przeciążeniowe, jak również mogą posiadać inne przekaźniki, dzięki którym wyłącznik samoczynnie wyłącza obwód w razie nadmiernego obniżenia
napięcia, odwrócenia kierunku przepływu energii lub innego stanu zakłóceniowego. 2.2 Podział wyłączników niskiego napięcia Wśród wyłączników niskonapięciowych można wyróżnić trzy grupy różniące się znamionowym prądem ciągłym, prądem wyłączalnym oraz wyposażeniem : wyłączniki instalacyjne, wyłączniki sieciowe, wyłączniki stacyjne. Wyłączniki instalacyjne występują w odmianach: do instalacji domowych oraz do obwodów silnikowych. Budowane są na prąd znamionowy ciągły 6 63 A i prąd wyłączalny 3 10 ka. Wyłączniki silnikowe mogą mieć wyzwalacze napięciowe, a ich wyzwalacze przeciążeniowe są nastawialne. Mają one napęd ręczny. Wyłączniki sieciowe o prądach znamionowych do 630A mają przeważnie konstrukcję tzw. zwartą, typu kompakt, o mocnej obudowie izolacyjnej o niedużych wymiarach, są przystosowane do instalowania w niedużych rozdzielnicach. Małe wymiary, duże bezpieczeństwo obsługi oraz brak wymagań dotyczących konserwacji powodują, że łączniki te znajdują szerokie zastosowanie jako wyłączniki odpływowe, spełniając rozmaite zadania ochronne we wszystkich niskonapięciowych systemach rozdzielczych. Mogą wyłączać prądy zwarciowe od 6 do 35 ka, a nawet większe (przy zastosowaniu ograniczników prądu zwarciowego). Na ogół mają nieregulowane wyzwalacze przeciążeniowe i zwarciowe. Mogą mieć zestyki pomocnicze oraz wyzwalacze napięciowe: wyzwalacz podnapięciowy i/lub wyzwalacz wzrostowy napięciowy. Wyłączniki stacyjne przeznaczone są do instalowania w stacjach transformatorowo rozdzielczych i rozdzielnicach dużej mocy, czyli w miejscach, gdzie występują największe prądy robocze i zwarciowe. Wyłączniki stacyjne mają prąd znamionowy ciągły od 400 do 4000 A i prąd wyłączalny w granicach 20 80 ka. Oprócz napędu ręcznego mogą mieć napęd maszynowy, zwykle silnikowy; zatem mogą być zamykane zdalnie.
Właściwości techniczne wyłączników charakteryzuje się za pomocą parametrów, przy czym do bardziej rozpowszechnionych należy zaliczyć: umowny prąd niezadziałania Inz największa wartość skuteczna prądu, który może przepływać przez wyłącznik w określonym (umownym) czasie, nie powodując jego zadziałania, umowny prąd zadziałania Iz najmniejsza wartość prądu, który przepływając przez wyłącznik spowoduje jego zadziałanie przed upływem określonego (umownego) czasu, prąd zadziałania bezzwłocznego wartość prądu, który powoduje bezzwłoczne działanie wyłącznika. 2.3 Ogólna charakterystyka wyłączników Legrand DPX 630 Sg 160A E oraz Merlin Gerin Compact NSA 160E Wyłącznik DPX 630 Sg 160A E oraz NSA 160E służą do zabezpieczania sieci rozdzielczych niskiego napięcia oraz innych urządzeń elektrycznych przed skutkami przeciążeń oraz zwarć. Są wyłącznikami w obudowie izolacyjnej chroniącej przed wydmuchem gazów powstających w czasie wyłączania bezpośrednio na zewnątrz wyłącznika. Przeznaczone są do łączenia prądów roboczych i zakłóceniowych (przeciążeniowych, zwarciowych) oraz do stworzenia bezpiecznej przerwy izolacyjnej w sieciach prądu zmiennego o napięciu do 690V w przypadku DPX 630 Sg 160A oraz 500V w przypadku NSA 160E. Prąd znamionowy wyłącznika DPX 630 wynosi 160A, natomiast wyłącznika NSA 160E wynosi 16A. W wyłączniku DPX 630 możliwa jest zmiana charakterystyki czasowo prądowej poprzez regulację nastaw umieszczonych na jego płycie czołowej. Widok płyty czołowej oraz możliwości regulacji charakterystyki są przedstawione na rysunkach 2, 3 oraz 4. Wyłącznik NSA 130E nie posiada możliwości regulacji charakterystyki czasowo prądowej charakterystyka ta przedstawiona jest na rysunku 5.
Rys. 2. Regulacja nastaw Ir, tr, Im, tm, Ig, tg [1] Ir prąd zabezpieczenia przeciążeniowego zwłocznego (0,4 x In; 0,5 x In; 0,6 x In; 0,7 x In; 0,8 x In; 0,9 x In; 0,95 x In; 1 x In) tr czas wyzwolenia wyzwalacza przeciążeniowego zwłocznego (5s; 10s; 20s; 30s regulacja dotyczy punktu charakterystyki odpowiadającemu 6 x Ir) Im prąd zabezpieczenia zwarciowego zwłocznego (1,5 x Ir; 2 x Ir; 3 x Ir; 4 x Ir; 5 x Ir; 6 x Ir; 8 x Ir; 10 x Ir) tm czas wyzwolenia wyzwalacza zwarciowego zwłocznego (dla: I 2 t zmiennego: tm1= 0,0s; 0,1s; 0,2s 0,3s; oraz dla I 2 t stałego: tm2= 0,01s; 0,1s; 0,2s 0,3s) Ig prąd zabezpieczenia różnicowoprądowego (0,2 x In; 0,3 x In; 0,4 x In; 0,5 x In; 0,6 x In; 0,7 x In; 0,8 x In; 1 x In) tg zwłoka czasowa wyzwalacza różnicowoprądowego (0,1s; 0,2s; 0,5s; 1s) If prąd zabezpieczenia zwarciowego bezzwłocznego (wartość stała wynosząca 5kA)
Rys. 3 Charakterystyka prądu ograniczonego wyłącznika DPX 630 [1]
Rys. 4. Panel regulacji nastaw wyłącznika DPX 630 [1], gdzie: 1 ustawienie prądu zabezpieczenia przeciążeniowego zwłocznego, 2 ustawienie prądu zabezpieczenia zwarciowego zwłocznego, 3 ustawienie prądu zabezpieczenia różnicowoprądowego, 4 wskaźnik koloru czerwonego ostrzegający świeceniem przy I 0,9 Ir oraz pulsowaniem przy I 1,05 Ir, 5 wskaźnik koloru zielonego sygnalizującego pracę normalną włączający się przy I 0,2 In, 6 złącze testera elektronicznego, 7 przycisk testu mechanicznego, 8,10,13 wskaźniki koloru czerwonego sygnalizujące zadziałanie wyzwalacza (działa tylko przy podłączeniu dodatkowego zasilania 12V dc), 9 ustawienie czasu wyzwolenia wyzwalacza przeciążeniowego zwłocznego, 11 ustawienie czasu wyzwolenia wyzwalacza zwarciowego zwłocznego, 12 zwłoka czasowa wyzwalacza różnicowoprądowego
Rys. 5. Charakterystyka prądu ograniczonego wyłącznika NSA 160E [6] 3. PRZEBIEG ĆWICZENIA Do wyznaczenia charakterystyk czasowo prądowych wykorzystywany jest układ pomiarowy przedstawiony na rysunku 6.
Rys. 6. Układ do wyznaczania charakterystyk czasowo prądowych wyłączników niskiego napięcia, 1 badane wyłączniki, 2,3 rozłączniki, Tr transformator wielkoprądowy, czerwony, żółty, zielony zasilanie faz wyłączników
Dla zachowania bezpieczeństwa podczas przeprowadzania pomiarów wszystkie niezbędne zaciski zostały przeniesione na płytę czołową oraz blat główny stanowiska. Ich rozmieszczenie pokazano na rysunku 7 oraz 8. Rys. 7. Schemat rozmieszczenia urządzeń na płycie czołowej stanowiska, 1,2,3,4, - rozłączniki, 5 wyłącznik DPX 630, 6 wyłącznik NSA 160E Rys. 8. Schemat rozmieszczenia zacisków oraz przycisków na blacie głównym stanowiska, 1 przycisk załącz, 2 przycisk wyłącz, 3 zaciski przyłączeniowe amperomierza pomiarowego, 4 zaciski przyłączeniowe dławika Rozłącznik nr 4 (RW) służy do nastawienia prądu, jaki będzie płynął przez badany wyłącznik. Rozłączniki 1,2,3 służą do wybrania żądanej fazy wyłącznika, która ma być badana. Przed przystąpieniem do pomiarów należy podłączyć amperomierz do zacisków nr 3 (rys. 8) oraz nastawić jego zakres na maksimum; podłączyć
dławik do zacisków nr 4 (rys. 8) oraz sprawdzić wartości indukcyjności powinna być nastawiona na minimum. UWAGA! Ze względu na występowanie nieliniowej zależności między prądem rzeczywistym płynącym przez wyłącznik NSA 160E, a wartością prądu nastawianą przy pomocy rozłącznika nr 4; należy wartość prądu nastawioną przy pomocy rozłącznika nr 4 przemnożyć przez wartość współczynnika K odczytanego z wykresu (rys. 9). Współczynnik K uwzględnia przekładnię pomiarową przekładnika prądowego wbudowanego w transformator wielkoprądowy.
Rys. 9 Wykres zależności prądu wskazywanego przez amperomierz płynącego przez rozłącznik nr 4 oraz współczynnika K
3.1 Sprawdzenie działania wyłączników przy pomocy przycisku TEST Zarówno wyłącznik DPX 630 jak i NSA 160E posiadają na swojej płycie czołowej przycisk umożliwiający wykonanie testu sprawdzającego poprawność działania układu mechanicznego wyłączników. Wykonując czynności łączeniowe należy sprawdzić poprawność jego działania. Czynności łączeniowe: sprawdzić wartości indukcyjności dławika wymuszającego powinna być nastawiona na minimum, sprawdzić czy wyłączniki oraz rozłączniki są otwarte, zamknąć wyłącznik DPX 630, zamknąć rozłącznik nr 1, 2 lub 3 (rys. 3.2) w zależności, która faza wyłącznika będzie badana, włączyć zasilanie na tablicy zasilającej, włączyć zasilanie przyciskiem ZAŁ na blacie głównym stanowiska, wcisnąć przycisk TEST, niezwłocznie wyłączyć zasilanie przyciskiem WYŁ na blacie głównym stanowiska, zanotować zadziałanie lub niezadziałanie wyłącznika w tabeli 3.1, powtórzyć wszystkie czynności łączeniowe dla wyłącznika NSA 160E. Tab. 1 Sprawdzenie działania wyłączników przy pomocy przycisku TEST wyłącznik DPX 630 NSA 160E badana faza 1 2 3 1 2 3 zadziałanie wyłącznika niezadziałanie wyłącznika 3.2 Sprawdzenie poprawności działania sygnalizatorów umieszczonych na płycie czołowej wyłącznika DPX 630 Czynności łączeniowe:
sprawdzić wartości indukcyjności dławika wymuszającego powinna być nastawiona na minimum, sprawdzić czy wyłączniki oraz rozłączniki są otwarte, nastawić wartość prądu Ir na płycie czołowej wyłącznika DPX 630 wg tabeli 3.2, nastawić wartość prądu Im na maksimum, zamknąć wyłącznik DPX 630, zamknąć rozłącznik nr 1, 2 lub 3 w zależności, która faza wyłącznika będzie badana, włączyć zasilanie na tablicy zasilającej, włączyć zasilanie przyciskiem ZAŁ na blacie głównym stanowiska, regulując wartość indukcyjności dławika zwiększać wartość prądu płynącego przez wyłącznik oraz obserwować zachowanie wskaźnika nr 4 (rysunek 2), wskaźnik powinien świecić na czerwono przy I 0,9 Ir oraz pulsować przy I 1,05 Ir, zanotować wartości prądów, przy których wystąpiła sygnalizacja, wyłączyć zasilanie przyciskiem WYŁ na blacie głównym stanowiska, powtórzyć wszystkie czynności łączeniowe dla kolejnych wartości prądu Ir oraz dla kolejnych badanych faz wyłącznika. Tab. 2. Zestawienie wyników sprawdzenia poprawności działania sygnalizatorów umieszczonych na płycie czołowej wyłącznika DPX 630 Ir [A] 0,4 In 0,5 In 0,6 In 0,7 In 0,8 In 0,9 In 0,95 In 1 In faza wartość Ir [A] 1, 2 lub 3 wartość prądu, przy której następuje sygnalizacja I 0,9 Ir wartość prądu, przy której następuje sygnalizacja I 1,05 Ir [A] [A]
3.3 Wyznaczenie charakterystyki czasowo - prądowej wyłącznika NSA 160E Czynności łączeniowe: sprawdzić wartości indukcyjności dławika wymuszającego powinna być nastawiona na minimum, sprawdzić czy wyłączniki oraz rozłączniki są otwarte, włączyć zasilanie na tablicy zasilającej, zamknąć rozłącznik nr 4, włączyć zasilanie przyciskiem ZAŁ na blacie głównym stanowiska, regulując wartość indukcyjności dławika nastawić wartość prądu płynącego przez rozłącznik nr 4, po nastawieniu żądanej wartości prądu należy niezwłocznie wyłączyć zasilanie przyciskiem WYŁ na blacie głównym stanowiska, otworzyć rozłącznik nr 4, zamknąć rozłącznik nr 1, 2 lub 3 w zależności, która faza wyłącznika będzie badana, zamknąć wyłącznik NSA 160E, włączyć zasilanie przyciskiem ZAŁ na blacie głównym stanowiska; w tym samym czasie włączyć stoper i zanotować czas w tabeli 3.3, po którym wyłączył się wyłącznik, niezwłocznie wyłączyć zasilanie przyciskiem WYŁ na blacie głównym stanowiska, powtórzyć wszystkie czynności łączeniowe dla kolejnych wartości prądów. Tab. 3 Tabela do wyznaczenia charakterystyki czasowo prądowej wyłącznika NSA 160E, Iw prąd płynący przez wyłącznik, t czas, po jakim wyłącznik samoczynnie zadziałał Iw [A] t Numer badanej fazy wyłącznika [s]
3.4 Wyznaczenie charakterystyki czasowo - prądowej wyłącznika DPX 630 Czynności łączeniowe: sprawdzić wartości indukcyjności dławika wymuszającego powinna być nastawiona na minimum, sprawdzić czy wyłączniki oraz rozłączniki są otwarte, wyregulować charakterystykę wyłącznika w podanym przez prowadzącego zakresie (nastawienie wartości Ir, tr, Im, tm, Ig, tg ) włączyć zasilanie na tablicy zasilającej, zamknąć rozłącznik nr 4, włączyć zasilanie przyciskiem ZAŁ na blacie głównym stanowiska, regulując wartość indukcyjności dławika nastawić wartość prądu płynącego przez rozłącznik nr 4, po nastawieniu żądanej wartości prądu należy niezwłocznie wyłączyć zasilanie przyciskiem WYŁ na blacie głównym stanowiska, otworzyć rozłącznik nr 4, zamknąć rozłącznik nr 1, 2 lub 3 w zależności, która faza wyłącznika będzie badana, zamknąć wyłącznik DPX 630, włączyć zasilanie przyciskiem ZAŁ na blacie głównym stanowiska; w tym samym czasie włączyć stoper i zanotować czas w tabeli 4, po którym wyłączył się wyłącznik, niezwłocznie wyłączyć zasilanie przyciskiem WYŁ na blacie głównym stanowiska, powtórzyć wszystkie czynności łączeniowe dla kolejnych wartości prądów. Tab. 4 Tabela do wyznaczenia charakterystyki czasowo prądowej wyłącznika DPX 630, Iw prąd płynący przez wyłącznik, t czas po jakim wyłącznik samoczynnie zadziałał Ir =.., tr=.., Im=.., tm=.., Ig=.., tg=.. Iw [A] t [s] Numer badanej fazy wyłącznika
4. SPRAWOZDANIE STUDENCKIE Sprawozdanie powinno zawierać: cel ćwiczenia, schemat badanego układu, zestawienie wyznaczonych wartości, wyznaczone charakterystyki czasowo prądowe badanych wyłączników, porównanie wyznaczonych charakterystyk ze znamionowymi, wnioski. 5. LITERATURA [1] Katalog firmy Legrand: Instalacyjna Aparatura Elektryczna 2008 2014, [2] Bełdowski T.: Stacje i urządzenia elektroenergetyczne, WNT, Warszawa 1998, [3] Markiewicz H.: Instalacje elektryczne, WNT, Warszawa 2012, [4] Musiał E.: Instalacje i urządzenia elektroenergetyczne, WSiP, Warszawa 1998, [5] Kotlarski W., Grad J.: Aparaty i urządzenia elektryczne, WSiP, Warszawa 1997, [6] Katalog firmy Merlin Gerin: Aparatura Elektryczna 2004 2014. 7. Wymagania BHP Podczas wykonywania ćwiczeń w laboratorium należy przestrzegać następujących zasad: 1. Przed przystąpieniem do montowania układu pomiarowego 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.