4. PRZEPIĘCIA ŁĄCZENIOWE GENEROWANE PODCZAS
Transkrypt
4. PRZEPIĘCIA ŁĄCZENIOWE GENEROWANE PODCZAS
4. PRZEPIĘCIA ŁĄCZENIOWE GENEROWANE PODCZAS WYŁĄCZANIA MAŁYCH PRĄDÓW INDUKCYJNYCH I MOŻLIWOŚCI ICH OGRANICZANIA 4.1. Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest doświadczalne ustalenie zależności parametrów charakteryzujących przepięcia powstające podczas wyłączania obwodów elektrycznych o charakterze indukcyjnym (współczynnika przepięcia i częstotliwości) od niektórych wielkości charakteryzujących odbiorniki indukcyjne (indukcyjność i pojemność) oraz poznanie budowy i zakresu stosowania niektórych środków technicznych ograniczających te przepięcia. 4.2. Wiadomości podstawowe Wzrost napięcia w sieciach elektroenergetycznych i instalacjach elektrycznych powyżej jego najwyższego napięcia roboczego jest klasyfikowany jako przepięcie. Jego miarą jest współczynnik przepięć określany zależnością: kp = U pm (4.1) U rm gdzie: Upm - amplituda przepięć, Urm - odniesiona do ziemi amplituda najwyższego napięcia roboczego układu w miejscu wystąpienia przepięć. Źródłami przepięć mogą być zarówno czynniki zewnętrzne, jak i zmiany zachodzące w samym układzie. W pierwszym przypadku takie przepięcia określa się jako zewnętrzne, w drugim przypadku jako przepięcia wewnętrzne. Przyczyną powstawania przepięć zewnętrznych są wyładowania atmosferyczne, stąd określa się je jako przepięcia atmosferyczne lub piorunowe. Wyróżnia się przepięcia atmosferyczne bezpośrednie, powstające podczas trafień piorunowych w elementy układu i przepięcia indukowane, powstałe podczas wyładowań atmosferycznych występujących poza układem. Przepięcia wewnętrzne są efektem stanów przejściowych w układzie po zaistnieniu w nim zmian manewrowych (np. załączanie, wyłączanie obwodów) lub awaryjnych (np. zwarcia z ziemią obwodów). Przepięcia te dzielą się na przepięcia dorywcze wolnozmienne (o częstotliwości sieciowej) i przepięcia łączeniowe szybkozmienne. Wśród przepięć wolnozmiennnych wyróżnia się przepięcia: dynamiczne, powstające podczas nagłego odciążenia układu; ziemnozwarciowe, powstające podczas trwałych zwarć układu z ziemią; rezonansowe, powstające w warunkach sprzyjających powstawaniu rezonansu lub ferrorezonansu. Wśród przepięć szybkozmiennych wyróżnia się przepięcia: manewrowe (łączeniowe), powstające podczas wyłączania prądów zwarciowych, małych prądów indukcyjnych i prądów pojemnościowych; awaryjne, powstające podczas przerywanych zwarć układu z ziemią. Przepięcia są zjawiskiem bardzo niekorzystnym dla urządzeń i aparatów elektrycznych. Szczytowe wartości przepięć mogą osiągnąć wartości wielokrotnie większe niż wytrzymałość elektryczna izolacji urządzeń. Może to być przyczyną ich uszkodzenia lub zniszczenia i stanowić zagrożenie dla ludzi. Stąd konieczne jest stosowanie właściwych środków ochrony przeciwprzepięciowej. 4.3. Przepięcia powstające podczas wyłączania małych prądów indukcyjnych Przepięcia łączeniowe powstające podczas wyłączania małych prądów indukcyjnych można analizować korzystając ze schematu przedstawionego na rys.4.1, na którym Lz i Cz reprezentują indukcyjność i pojemność jednoczęstotliwościowego obwodu zasilania, Lo, Co, Ro - indukcyjność, pojemność i rezystancję zastępczą odbiornika o dużej indukcyjności (nieobciążonego silnika indukcyjnego, transformatora w stanie jałowym,. dławika itd.); Lp1 , Lp2 -indukcyjności połączeń, VS - łącznik. Schematy te zostały zbudowane przy pewnych założeniach upraszczających, pozwalających na stosunkowo prostą analizę zjawisk łączeniowych. Najistotniejsze z nich jest wprowadzenie skupionych, liniowych elementów RLC. Po rozwarciu styków łącznika w obwodzie przedstawionym na rys. 4.1a, następuje zapłon łuku. Przy niewielkich wartościach prądu łuku pojawia się składowa nieustalona prądu (rys. 4.2a), płynąca w obwodzie łącznika VS, Lp2 , Co , Cz , Lp1 o częstotliwości określonej zależnością 4.2. f hf = 1 (4.2) C Z CO ( L p1 + L p 2 ) 2π C Z + CO W chwili zgaszenia łuku, przez indukcyjność Lo, przepływał prąd o wartości Iu przy napięciu ufo zwany prądem ucięcia. Energia zmagazynowana w indukcyjności Lo zaczyna oscylować w obwodzie Lo, Co, Ro z częstotliwością określoną zależnością 4.3. fo= 1 2π Lo C o (4.3) Rys. 4.1. Schematy zastępcze obwodów trójfazowych o charakterze indukcyjnym z uziemionym (a) i izolowanym (b) punktem zerowym Obecność rezystancji Ro wpływa na tłumienie przebiegu oscylacyjnego, zmniejszając jednocześnie jego częstotliwość. Napięcie na odbiorniku uot maleje od wartości ufo w sposób tłumiony, do zera (rys. 4.2b). Napięcie od strony zasilania uz (rys. 4.2c) wzrasta od wartości ufo z częstotliwością określoną zależnością 4.4 w sposób tłumiony do chwilowej wartości napięcia źródła zasilania. f1= 1 2π L z C o (4.4) Napięcie między stykami łącznika uz jest różnicą napięć up oraz uot. Wartości liczbowe i zależności określające przebieg napięcia na elementach Ro , Lo, Co po ucięciu prądu przed naturalnym przejściem przez zero, mogą być wyznaczone z praw Kirchoffa. Ze względu na zagrożenie izolacji urządzeń, najbardziej interesująca jest wartość maksymalna napięcia na zaciskach odbiornika. Po pominięciu tłumienia, jako odgrywającego niewielką rolę w czasie tm odpowiadającym wystąpieniu pierwszej amplitudy napięcia o częstotliwości własnej obwodu fo , maksymalna chwilowa wartość napięcia określona jest zależnością 4.5: u o max = U mf 1− q (cos ϑ + nq sin ϑ ) 2 ( 2 ) + n 2 1 − q sin ϑ 2 (4.5) fo f (4.6) gdzie: q= a ; 2π f o a= 1 2π RO C o ; n= Jeżeli pominie się rezystancje RO = ∞ to otrzyma się wartości q = 0 i a = 0. Współczynnik przepięć doziemnych określają zależności 4.7 lub 4.8: u o max = cos2 ϑ + n2 sin 2 ϑ U mf 1 Iu Zo 2 2 2 kp = u fo + I u Z o = U mf U mf (4.7) kp = , (4.8) w których: Iu = U mf ω Lo sin ϑ ; u fo = u mf cos ϑ ; Zo = Lo Co (4.9) gdzie: ϑ - kąt odpowiadający ucięciu prądu przed jego naturalnym przejściem przez zero (rys.4.2a); Iu –prąd ucięcia; Zo – impedancja charakterystyczna wyłączanego obwodu. W odbiornikach z obwodami magnetycznymi o znacznej objętości żelaza (transformatory, silniki), część energii zawarta w indukcyjności jest tracona w żelazie wskutek występowania prądów wirowych i strat histerezy. W konsekwencji nie cała energia zgromadzona w indukcyjności (L0I2u/2) zmienia się w energię elektryczną w pojemności Co i wywołuje przepięcie. Ilościowe ujęcie tych strat i przypisanie im określonej wartości rezystancji jest trudne. Współczynnik przepięć w takim przypadku określa się zależnością 4.10. kp = 1 U mf 2 2 Lo u fo + η I u Co (4.10) gdzie: η - współczynnik mniejszy od jedności ( dla transformatorów przy pracy jałowej η = 0.3÷0.5, dla silników η < 1 ) Rys. 4.2. Przebiegi prądu i napięcia po wyłączeniu obwodu jak na rys. 4.1a: a) prąd w obwodzie łącznika; b) napięcie odbiornika ; c) napięcie zasilania ; d) napięcie powrotne między stykami łącznika. Pominięcie ograniczającego działania strat w żelazie może prowadzić w pewnych przypadkach do wyznaczenia zbyt dużych spodziewanych wartości współczynników przepięć. Wartości przepięć zależą głównie od wartości prądu ucięcia Iu oraz impedancji charakterystycznej Z0. W praktyce bardziej zagrożone są (większymi wartościami współczynników przepięć k ) odbiorniki o niewielkich mocach (posiadające duże indukcyjności Lo), dla których impedancja Zo jest z reguły znacznie większa niż w odbiornikach większych mocy. Współczynniki przepięć mogą osiągać wartości od niewiele przekraczających jedność do kilkunastu, a w szczególnie niekorzystnych przypadkach do dwudziestu i więcej. Przebiegi prądów i napięć w obwodach trójfazowych o izolowanym punkcie zerowym są bardzo złożone. Mogą być rozpatrywane w układach uproszczonych (rys. 4.1b). Ze względu na przesunięcie prądów w poszczególnych fazach zgaszenie łuku i przerwanie prądu następuje najpierw w jednej fazie, w której prąd jako pierwszy osiąga wartość bliską zeru. Wywołuje to zmiany napięć tej fazy oraz pozostałych faz względem ziemi oraz względem siebie, wywołanych wystąpieniem: składowych przejściowych wyższych harmonicznych pochodzących od energii pola magnetycznego zgromadzonej w indukcyjności Lo , - składowych przejściowych wyższych harmonicznych pochodzących od energii pola elektrycznego zgromadzonej w pojemnościach strony zasilającej i strony odbiorczej, - składowych ustalonych częstotliwości sieciowej istniejącymi połączeniami strony zasilającej i odbiorczej ziemnymi Cz i CO. Do celów analizy przepięć, występujących podczas przerywania obwodów, wpływ składowych napięć wymienianych jako drugie i trzecie można pominąć, gdyż decydujący wpływ ma składowa wywołana energią magnetyczną zawartą w indukcyjności odbiornika LO. Jeśli zastosuje się podane uproszczenia, to największe chwilowe wartości napięć między przewodem fazy wyłączanej a ziemią umL1 oraz przewodami pozostałych faz uMl1l2 można wyznaczyć z zależności 4.11. – 4.15: u mL1 = I uL1 Z L1 (4.11) u mL1L 2 = I uL1 Z L1L 2 (4.12) Z L1 = Z o C L1 2(C L1 + C o ) (4.13) 2 Z L1L 2 = Z o Co 2(C L1 + C o ) C L1 C L1 = 2C o + 3C z (4.14) (4.15.) gdzie: oznaczenia - jak na rys. 4.l b. W obwodach odbiorczych połączonych w gwiazdę w miejsce Lo należy podstawić wartość Lo* = 3 Lo Jeśli są jednakowe wartości prądu ucięcia i jednakowe parametry obwodów odbiorczych, to przepięcia doziemne w układach o izolowanym punkcie zerowym są nie większe niż w układach o uziemionym punkcie zerowym. 4.4. Środki techniczne ochrony przepięciowej 4.4.1. Wyjaśnienia ogólne Instalowanie nowych łączników o dużej zdolności wyłączania prądów szybkozmiennych, przede wszystkim łączników próżniowych, jest przyczyną stosunkowo częstego pojawiania się dużych wartości przepięć podczas załączenia lub wyłączenia obwodów indukcyjnych. Taki stan wynika bezpośrednio z faktu, że w łącznikach próżniowych zachodzi zjawisko ucinania prądu przed jego naturalnym przejściem przez zero, szybki wzrost wytrzymałości połukowej próżni i brak ograniczania przepięć przez powtórne zapłony łuku. Generowane w takich obwodach przepięcia odznaczają się znacznymi wartościami i stają się niebezpieczne dla izolacji urządzeń pracujących w tych obwodach, głównie izolacji silników indukcyjnych i elementów energoelektronicznych. Aby temu zapobiec stosuje się odpowiednie środki ochrony przeciwprzepięciowej. Stosowane w praktyce środki ochrony przeciwprzepięciowej mają dwojaki charakter: - uniwersalny, wyróżniający się tym, że działają one skutecznie przy dowolnym przepięciu o określonej wartości; - wybiórczy, to znaczy, że, mogą być przeznaczone do ochrony przed skutkami przepięć tylko określonego pochodzenia. Do najczęściej stosowanych środków zabezpieczających przed przepięciami zalicza się: - ograniczniki przepięć, - warystory, - układy RC, - diody Zenwra, - rezystory, - kondensatory. Jako ochronę przed skutkami przepięć łączeniowych powstałych na skutek załączenia lub wyłączenia określonych odbiorników stosuje się układy RC, diody Zenera i ograniczniki przepięć z elementami warystorowymi. 4.4.2. Ograniczniki przepięć Ograniczniki przepięć z elementami warystorowymi są szeroko stosowane w urządzeniach i instalacjach niskiego napięcia ze względu na dużą skuteczność ochrony i stosunkowo prostą budowę. Do ochrony przed skutkami przepięć atmosferycznych w sieciach niskiego napięcia stosuje się iskiernikowe ograniczniki przepięć, które wcześniej nazywano odgromnikami. (rys 4.3 ). a) b) Rys. 4.3. Ogranicznik przepięć (odgromnik zaworowy): a) zasada działania b) przebieg napięcia na odgromniku uodgr i prądu wyładowczego iw: 1 - przewód linii zasilającej, 2 - iskiernik, 3 - warystor, 4 - obudowa porcelanowa, up – przepięcie, Uz –napięcie zapłonu odgromnika, Uo- napięcie obniżone Ograniczniki przepięć są zbudowane z iskierników oraz warystorów. umieszczonych w porcelanowej obudowie, na której znajdują się zaciski: jeden do połączenia ich z przewodem linii, a drugi -z uziemieniem. W przypadku przepięć wywołujących zadziałanie iskiernika występuje przepływ prądu wyładowczego o znacznej wartości. Rezystancja warystora jest wtedy niewielka, co powoduje, że spadek napięcia na ograniczniku jest również stosunkowo niewielki. Spadek napięcia na nieliniowej rezystancji ogranicznika, spowodowany przepływem prądu wyładowczego, nosi nazwę napięcia obniżonego Uo. Napięcie to, jak również napięcia zapłonu odgromnika Uz powinny być niższe niż napięcie określające poziom ochrony z zachowaniem pewnego marginesu bezpieczeństwa. Po przepłynięciu prądu wyładowczego zaczyna płynąć prąd następczy wywołany napięciem roboczym. Rezystancja warystora przy napięciu roboczym staje się jednak na tyle duża, że następuje ograniczenie prądu następczego do wartości, którą przerywa iskiernik przy pierwszym przejściu prądu przez zero. 4.4.3. Warystory Warystor jest rezystorem o nieliniowej charakterystyce prądowo-napięciowej, którego rezystancja maleje wraz ze wzrostem napięcia. Posiada niewielką rezystancję dla prądów o bardzo dużych wartościach oraz dużą rezystancję dla prądów o małych wartościach. Ta cenna właściwość warystora powoduje, że dużym zmianom wartości prądów przepływających przez warystor odpowiadają bardzo niewielkie zmiany napięcia. Warystory pochłaniają energię zmagazynowaną w obwodzie w chwili ucięcia prądu, nie dopuszczając do znacznego wzrostu napięcia na zaciskach chronionych urządzeń. Nie zmieniają natomiast szybkości narastania przepięć. Warystory są elementami o symetrycznej charakterystyce napięciowo-prądowej (U-I) dla polaryzacji dodatniej i ujemnej napięcia. Typowy przebieg charakterystyki napięciowo-prądowej warystora tlenkowego pokazano na rys.4.4. Podczas operacji łączeniowych przepływają przez warystory krótkotrwale duże prądy powodujące ich nagrzewanie się. Pochłaniana wówczas energia, szczególnie w warunkach dużej częstości łączeń, działa na warystor niszcząco i może obniżyć przebieg jego charakterystyki (U-I). W zakresie małych prądów, odpowiadających izolacyjnemu charakterowi pracy warystora a jednocześnie warunkom pracy długotrwałej, wpływ temperatury warystora na przebieg charakterystyki (U-I) jest znaczny. Warystory najczęściej są produkowane na bazie tlenku cynku domieszkowanego małymi ilościami tlenków innych metali. Składniki wyjściowe po starannym rozdrobnieniu i wymieszaniu poddaje się procesowi prasowania, nadając najczęściej kształt krążków. Takie warystory nazywa się tlenkowymi. Warystory budowane są na napięcia ochrony 20÷2000 V, prąd udarowy do 25 kA i mogą pochłaniać energię do 1800 J.. W obwodach trójfazowych warystory mogą pracować w różnych układach połączeń, zależnych od parametrów łączonego obwodu oraz sposobu połączenia punktu neutralnego z ziemia. Rys.4.4. Przykładowa charakterystyka prądowo-napięciowa (U-I) warystora tlenkowego 4.4.4. Układy RC Układy z szeregowo połączonymi elementami RC są tradycyjnym środkiem ograniczania zarówno wartości przepięć, jak i stromości ich narastania. Włączanie w obwód dodatkowych pojemności sprawia, że energia gromadzona w elementach indukcyjnych podczas ich wyłączania, jest przenoszona w wyniku oscylacji na powiększoną pojemność obwodu, przez co uzyskuje się zmniejszenie wartości przepięć w obwodzie. Jeśli się zastosuje elementy ochronne typu RC, to pojemność kondensatora nie powinna być mniejsza od minimalnej wartości pojemności uzależnionej od energii zmagazynowanej w wyłączanym obwodzie, pojemności wyłączanego obwodu i wartości szczytowej napięcia udarowego stosowanego w próbie wytrzymałości izolacji sterowanych urządzeń udarem napięciowym., W razie powstania przepięć o umiarkowanych wartościach, lecz dużych stromościach narastania, najczęściej stosuje się układy RC współpracujące z warystorami. Uzyskuje się wówczas zarówno ograniczenie wartości przepięć, jak również szybkości ich narastania. Układy RC znajdują zastosowanie w urządzeniach o niewielkich mocach znamionowych, takich jak cewki napędów łączników, łączniki statyczne czy sprzęt elektroniczny. 4.4.5. Diody Zenera Przeciwsobnie połączone diody Zenera stosuje się do ochrony urządzeń na niskie napięcie i niewielkiej mocy. Diody Zenera budowane na napięcie 3÷200 V, mogą pochłaniać energię do 0.05 J przy prądzie udarowym do 0.2 kA. 4.5. Niezbędne przygotowanie studenta Przed przystąpieniem do ćwiczeń, student powinien zaznajomić się z zagadnieniem zależności i przebiegów łączeniowych podczas wyłączania obwodów indukcyjnych (rozdz. 7.4. pracy [8.2]), problematyką przepięć i ochrony przeciwprzepięciowej w sieciach elektroenergetycznych nn i instalacjach elektrycznych (rozdz.. 10.2. pracy [8.1]). 4.6. Program ćwiczenia 4.6.1. Układ pomiarowy Schemat układu modelowego stosowanego do badań przepięć w obwodach indukcyjnych jedno- i trójfazowych przedstawiono na rys. 4.5. Dla potrzeb badania środków ochrony przepięciowej stanowisko laboratoryjne dodatkowo wyposażono w zestawy: warystorów, kondensatorów, rezystorów i diod Zenera o różnych napięciach ochrony. - W układzie modelowym można wyróżnić: główny obwód zasilający OZ, trójfazowy łącznik próżniowy LP, trójfazowy odbiornik OD, układ sterowania US, układ pomiaru i rejestracji PR. Rys. 4.5.Schemat układu pomiarowego do badania przepięć przy wyłączaniu małych prądów indukcyjnych i badania środków przeciwprzepięciowej Główny obwód zasilający OZ składa się z trójfazowego autotransformatora AT, przesuwnika fazowego PF pozwalającego na płynną regulację fazy prądu ucięcia oraz trzech transformatorów separujących TS. Trójfazowy łącznik próżniowy LP zamodelowany jest za pomocą kontaktronów próżniowych Kl-K2-K3, które charakteryzują się, podobnie jak łączniki próżniowe, dużą trwałością łączeniową oraz bardzo szybkim odzyskiwaniem wytrzymałości elektrycznej przerwy zestykowej po zgaśnięciu łuku. Trójfazowy odbiornik indukcyjny OD umożliwia modelowanie pracy układu w odwodach trójfazowych połączonych w trójkąt lub gwiazdę z uziemionym lub izolowanym punktem neutralnym odbiornika. Układ sterowania US pozwala na powtarzanie wyłączania prądu ze stałą częstotliwością, co umożliwia „ciągłą" obserwację przebiegów na oscyloskopie bez pamięci. Układ pomiaru i rejestracji PR składa się z dzielnika rezystancyjnopojemnościowego DN oraz rezystora bocznikującego Rb. Układ umożliwia pomiar charakterystycznych parametrów przebiegów łączeniowych prądów i napięć w poszczególnych fazach oraz ich obserwację na ekranie oscyloskopu.. 5.6.2. Pomiary W układzie połączeń odbiornika podanym przez prowadzącego, należy wykonać następujące pomiary: - - - dla stałych wartości indukcyjności oraz pojemności wyznaczyć współczynniki przepięć dla różnych wartości prądu ucięcia, dla maksymalnej wartości prądu ucięcia wyznaczyć współczynniki przepięć oraz częstotliwości przebiegów przejściowych dla zmieniających się pojemności lub indukcyjności, dla zadanych wartości pojemności oraz indukcyjności wyznaczyć stałą czasową tłumionego przebiegu przejściowego, zbadanie skuteczności ograniczania przepięć przez warystory, zbadanie skuteczności ograniczania przepięć przez diody Zenera, ocena wpływu wartości rezystancji na skuteczność ograniczania wartości i szybkości narastania amplitudy przepięcia, ocena wpływu wartości rezystancji i pojemności na skuteczność ograniczania wartości i szybkości narastania amplitudy przepięcia, przedstawienie na rysunkach przykładowych przebiegów napięcia i prądu odbiornika przy zastosowaniu różnych rodzajów środków ochrony przeciwprzepięciowej. 4.7. Sposób opracowania wyników badań 1. Wyniki pomiarów zestawić w tabelach. 2. - Na podstawie uzyskanych wyników badań i obliczeń należy wykonać wykresy: kp=f(Iu) przy L=const oraz C=const, kp=f(C) przy Iu=const, kp=f( υ ) przy Iu=const, gdzie υ =1/T. 3. Na podstawie uzyskanych rezultatów i obserwacji należy: - zanalizować otrzymane wyniki, podać metody ograniczania przepięć powstających podczas wyłączania małych prądów indukcyjnych, przedstawić na rysunkach przykładowe przebiegi napięcia i prądu odbiornika przy zastosowaniu różnych rodzajów środków ochrony przeciwprzepięciowej, porównać skuteczność działania i zakres zastosowań badanych środków ochrony przeciwprzepięciowej, przedstawić uwagi i wnioski związane z realizacją ćwiczenia i przeprowadzonymi badaniami. 4.8. Literatura [4.1] Markiewicz H. : Instalacje elektryczne. Wyd.4 uakt.WNT, Warszawa 2002. [4.2] Markiewicz H. : Urządzenia elektroenergetyczne, WNT, Warszawa 2001.