4. PRZEPIĘCIA ŁĄCZENIOWE GENEROWANE PODCZAS

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.