7 Nagrzewanie przewodow

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 2016
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 mm2). Charakterystyczną cechą przewodów jest przekrój
poprzeczny żyły wyrażony w mm2. 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 mm2.
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 [cm2]; Spl – powierzchnia
zewnętrzna jednostkowej długości [cm2/cm];c – ciepło właściwe materiału przewodowego
[J/cm3 °C];
– temperatura przewodu i temperatura otoczenia [°C]; kod – współczynnik
oddawania ciepła do otoczenia [W/cm2]; kf – współczynnik strat dodatkowych (1 < kf < 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
, natomiast drugi wyraz określa ilość ciepła
oddanego do otoczenia.
Ponieważ w zakresie nie przekraczającym temperatury 120 °C zmiany parametrów k f, , c,
kod są niewielkie, zakłada się, że są one wartościami stałymi. Po wprowadzeniu oznaczenia
cieplnej stałej czasowej T o postaci:
(2)
można obliczyć wzrost temperatury przewodu ponad temperaturę otoczenia:
(3)
Jako że T > 0, to wyrażenie
wraz z upływem czasu dąży do zera. Z kolei temperatura
przewodu dąży do wartości ustalonej
wyrażonej zależnością :
(4)
Po podstawieniu wyrażenia (4) do wzoru (3) otrzymuje się równanie krzywej nagrzewania:
(5)
Ponieważ temperatura ustalona
otrzymamy inna krzywą
zależy od temperatury otoczenia
to dla każdej
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
– początkowy przyrost temperatury przewodu ponad temperaturę otoczenia
[°C].
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
jest równa stałej czasowej nagrzewania w
podstycznej zmierzona na prostej
przyjętej skali czasu.
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 Idor otrzymujemy z następującej zależności:
(10)
gdzie: tp – 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:
(11)
gdzie: t0 – czas trwania przerwy w obciążeniu.
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
L-1
Cechy
peszel, 3xDYżo 2,5
IZ [A]
24
L-2
peszel, YDYżo 3x2,5
L-3
rurka PVC, 3xDYżo 2,5
23
24
L-4
L-5
L-6
L-7
L-8
L-9
L-10
rurka PVC, YDYżo 3x2,5
rurka PVC, YDYżo 5x2,5
rurka metalowa, 3xDYżo 2,5
rurka metalowa, YDYżo 3x2,5
listwa instalacyjna, 3xDYżo 2,5
listwa instalacyjna YDYżo 3x2,5
listwa instalacyjna YDYżo 5x2,5
23
20x3
24
23
24
23
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 2015,
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.