1 Wydział Elektryczny Katedra Elektroenergetyki, Fotoniki i Techniki Świetlnej Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu: Budowa oraz eksploatacja instalacji i urządzeń elektrycznych KOD: ES1C 710 213 Temat ćwiczenia: BADANIE ZJAWISK CIEPLNYCH I ELEKTROMAGNETYCZNYCH PRZY PRZEPŁYWIE PRĄDÓW ZWARCIOWYCH Numer ćwiczenia: 4 Opracował: dr inż. Marcin Sulkowski 2016
9
Embed
Katedra Elektroenergetyki, Fotoniki i Techniki Świetlnej GRZANIE SZYN.pdf · 4 Jeżeli przyjmiemy T kr = 1 to: 𝑠≥ 𝑡ℎ√ 𝑘𝑟 𝑡ℎ1 przy czym: S th1 - dopuszczalna
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
Wydział Elektryczny
Katedra Elektroenergetyki, Fotoniki i Techniki Świetlnej
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu:
Budowa oraz eksploatacja instalacji i urządzeń elektrycznych
KOD: ES1C 710 213
Temat ćwiczenia: BADANIE ZJAWISK CIEPLNYCH
I ELEKTROMAGNETYCZNYCH PRZY PRZEPŁYWIE PRĄDÓW
ZWARCIOWYCH
Numer ćwiczenia: 4
Opracował:
dr inż. Marcin Sulkowski
2016
2
1. Cel ćwiczenia
Podczas ćwiczenia student ma ugruntować wiadomości dotyczące cieplnych i
elektromagnetycznych oddziaływań prądów zwarciowych na szyny zbiorcze, które stosuje się w
rozdzielnicach elektroenergetycznych. Ćwiczenie jest realizowane na modelu układu szynowego.
2. Wiadomości podstawowe
Wartości prądów zwarciowych są wielokrotnie większe niż wartości prądów roboczych
(występujących w zwykłych warunkach ruchowych) a czas ich przepływu nie do otoczenia przez
nagrzewający się przewodnik, jeżeli czas tego procesu jest mniejszy od jednej dziesiątej cieplnej
stałej czasowej.
Wytrzymałość cieplna gołych przewodów podczas zwarcia jest wystarczająca, jeżeli
gęstość prądu zwarciowego spełnia zależność:
𝑆𝑡ℎ = 𝑆𝑡ℎ𝑟√𝑇𝑘𝑟
𝑇𝑘 [A/mm2] (1)
w której:
Sthr – dopuszczalna Tkr - sekundowa gęstość prądu zwarciowego (rys. 1); przy Tkr = 1 s zależność
jest ważna dla dowolnych czasów Tk.
3
Rys. 1. Zależność znamionowej gęstości prądu jednosekundowego Sthr od temperatury: a) dla
przewodów miedzianych i stalowych, b) dla przewodów aluminiowych, stalowo-aluminiowych i
ze stopów aluminiowych; b- temperatura przewodu przed zwarciem, e - temperatura graniczna
dopuszczalna (w końcu zwarcia)
Gęstość prądu zwarciowego Sth jest ilorazem prądu Ith i przekroju przewodu s. Z zależności (1)
można wyznaczyć przekrój przewodu
𝑠 ≥ 𝑠𝑚𝑖𝑛 =𝐼𝑡ℎ
𝑆𝑡ℎ𝑟√
𝑇𝑘𝑟
𝑇𝑘
4
Jeżeli przyjmiemy Tkr = 1 to:
𝑠 ≥𝐼𝑡ℎ√𝑇𝑘𝑟
𝑆𝑡ℎ1
przy czym:
Sth1 - dopuszczalna jednosekundowa gęstość prądu zwarciowego wyznaczona z rysunku 1 dla
przewodu wykonanego z określonego materiału, przy założeniu dopuszczalnej temperatury
przewodu w końcu trwania zwarcia (tab. 1, ostatnia kolumna).
Tabela 1.
Zalecana najwyższa temperatura 0e przewodów przy długotrwale oraz zwarciu
Zgodnie z dodatkowymi postanowieniami normy PN-EN 60865-1:2002 (E) Obliczanie skutków
prądów zwarciowych. Część 1: Definicje i metody obliczania najwyższą temperaturę
przewodów miedzianych podczas zwarcia można przyjmować jako równą 300°C, jeżeli nie
powoduje to uszkodzenia materiałów izolacyjnych stykających się z przewodem. Temperaturę
przewodów przed zwarciem należy przyjmować jako równą 50°C.
Prądy w przewodach równoległych powodują występowanie sił elektromagnetycznych
między tymi przewodami. Gdy przewody są długie (gdy ich długość jest co najmniej pięciokrotnie
większa od odstępu między tymi przewodami), w porównaniu z odstępem między nimi, siły są
rozłożone równomiernie wzdłuż przewodów.
Gdy prądy płynące w przewodach mają kierunki przeciwne, siła elektromagnetyczna odpycha
przewody, dążąc do ich odkształcenia w taki sposób, aby zwiększyć indukcyjność obwodu.
Kierunki oddziaływania sił oraz indukcji magnetycznej przedstawiono na rys. 2.
5
Rys. 2 Kierunki oddziaływania sił przy przepływie prądu przez układ dwóch przewodników: a)
układ przewodników, b) zgodny kierunek przepływu prądu, c) przeciwny kierunek przepływu
prądu, gdzie : F – wektor oddziaływania siły, B- wektor indukcji magnetycznej
Siła między dwoma przewodami jest proporcjonalna do kwadratu prądu lub do iloczynu dwóch
prądów płynących w tych przewodach. Ponieważ prąd jest funkcją czasu, siła jest także funkcją
czasu. W przypadku prądu zwarciowego, który nie zawiera składowej nieokresowej, siła zmienia
się z częstotliwością podwójną w stosunku do częstotliwości prądu. Składowa nieokresowa
powoduje zwiększenie wartości szczytowej siły oraz wystąpienie składowej siły zmieniającej się
z częstotliwością równą częstotliwości prądu. Wartość szczytowa siły ma szczególne znaczenie w
przypadku przewodów sztywnych.
Działanie siły na przewody powoduje występowanie w tych przewodach naprężeń zginających,
jeżeli są to przewody sztywne. W przewodach giętkich występują naciągi i wychylenia
przewodów.
Siły elektromagnetyczne, działające między dwoma przewodami równoległymi, można obliczyć,
w niutonach, z zależności:
𝐹 = 0,2 𝑖1𝑖2
𝑙
𝑎
w której: l - odległość między podporami [m],
i1, i2 - wartości chwilowe prądów w przewodach [kA],
a - odstęp między osiami przewodów [m].
Prądy o kierunkach zgodnych powodują przyciąganie przewodów, prądy o kierunkach
przeciwnych - odpychanie.
6
Wyznaczenie siły elektromagnetycznej w równolegle ułożonych szynach płaskich można
przeprowadzić także na podstawie pomiarów strzałki ugięcia. Badane szyny można traktować jako
belki umocowane sztywno dwustronnie i obciążone równomiernie na całej długości. Wartość siły
oddziaływania elektromagnetycznego oblicza się według zależności:
𝐹 =384 𝐸 𝐽 𝑓𝑦
𝑙3
w której:
fy - strzałka ugięcia [cm],
E - moduł sprężystości materiału szyny [Ncm-2],
J - moment bezwładności przekroju szyny [ cm4].
Dla aluminium twardego należy przyjąć E = 0,68 106 daNcm-2, a dla miedzi E = 1,156 10 daNcm-
2.
Moment bezwładności przewodnika o przekroju prostokątnym oblicza się według wzoru:
𝐽 = ℎ 𝑏3
12
w którym: h, b - wymiary przekroju poprzecznego toru prądowego [cm] (rys. 2b).
3. Stanowisko laboratoryjne
Stanowisko laboratoryjne składa się układu zasilającego szyny składającego się z transformatora
wielkoprądowego oraz dławika regulującego oraz z podstawy, na której równolegle zamontowane
są dwie szyny:
1. Szyna aluminiowa AL.
2. Szyna miedziana Cu
Zastosowana konstrukcja stanowiska umożliwia zmianę odległości pomiędzy szynami oraz
zmianę odległości pomiędzy izolatorami mocujący zastosowane szyny.
Układ zasilania szyn przedstawiono na rys. 3.
7
Rys. 3. Układ zasilania szyn do badania obciążalności roboczej i zwarciowej szyn (a) oraz