Električni sklopni aparati 1 (2013_2014)

10/24/2013

1

1

Električni sklopni aparati

SKLOPNI APARAT - APARAT NAMIJENJEN UKLAPANJU, VOĐENJU IPREKIDANJU STRUJE U STRUJNOM KRUGU.

MEHANIČKI SKLOPNI APARAT - APARAT NAMIJENJEN UKLAPANJU ILIPREKIDANJU U STRUJNOM KRUGU POMOĆU KONTAKATA KOJI SERAZDVAJAJU.

POLUVODIČKI SKLOPNI APARAT - APARAT NAMIJENJEN UKLAPANJU ILIPREKIDANJU STRUJE U JEDNOM ILI VIŠE STRUJNIH KRUGOVA POMOĆUUPRAVLJANJA VODLJIVOSTI POLUVODIČA (energetska elektronika)

2


Prikaz prekidača s pripadnim okidačem

10/24/2013

2

3


PODJELA SKLOPNIH APARATA PREMA NAZIVNOM NAPONU

NISKONAPONSKI APARATI Un ≤ 1 kV ~; Un ≤ 1.5 kV =

SREDNJENAPONSKI APARATI 3.6 kV ≤ Un ≤ 52 kV

VISOKONAPONSKI APARATI 72.5 kV ≤ Un ≤ 420 kV

ZA VRLO VISOKI NAPON 525 kV ≤ Un

4


PODJELA SKLOPNIH APARATA PREMA NAMJENI

• PREKIDAČI• SKLOPKE• SKLOPNICI• RASTAVLJAČI• ZEMLJOSPOJNICI• OSIGURAČI• ODVODNICI PRENAPONA• POKRETAČI• REGULATORI• RELEJI• SKLOPNE APARATURE

PODJELA SKLOPNIH APARATA PREMA FUNKCIJI

10/24/2013

3

5


Sklopni aparat je aparat namijenjen uklapanju i/ili prekidanju struje u jednom iliviše strujnih krugova. Njegovo se djelovanje, označeno zajedničkim terminomsklapanje, svodi na promjenu vlastite impedancije i dielektrične čvrstoče.

Mehanički sklopni aparat je sklopni aparat namijenjen uklapanju ili prekidanjustruje u jednom ili više strujnih krugova pomoću kontakata koji se razdvajaju.

Sklopka je mehanički sklopni aparat koji može uklapati, voditi i prekidati strujunormalnog pogona (pod kojim se podrazumijevaju eventualno i određeni uvjetipreopterećenja) i u određenom vremenu podnositi struje nenormalnog pogona,kao što su struje kratkog spoja. Sklopka može uklapati, ali ne i prekidati strujekratkog spoja.

Rastavna sklopka je sklopka koja u otvorenom položaju zadovoljava izolacijskezahtjeve određene za rastavljač.

Sklopnik je mehanički sklopni aparat koji ima samo jedan položaj mirovanja,koji se ne pokreće ručno i koji može uklapati, voditi i prekidati struje unormalnim uvjetima pogona i u uvjetima preopterećenja.

6


Glavni prekidački element kontaktnog sklopnog aparata su ELEKTRIČNI KONTAKTI koji se nalaze u LUČNOJ KOMORI

Provlačni otpor je poslijedica provlačenja strujnica kroz nekoliko uskih dodirnih mjesta

Otpor kontakta ovisi o finoći obrade Otpor kontakata sastoji se od provlačnog otpora i slojnog otpora

Koncentracija strujnica i mikrostruktura dodirne plohe(primjer cilindričnog kontakta, jedno dodirno mjesto)

Provlačni otpor:

10/24/2013

4

7


Tvrdoča materijala kontakata (H) se određuje pomoću čelične kuglice

8


Slojni otpor je dio kontaktnog otpora koji je poslijedica stranih slojeva (oksidi, sulfidi).Veći mehanički pritisak na kontaktima kida strane slojeve i u pogonu nastaje kvazimetalnidodir.

Slojni otpor- specifični slojni otpor

Otpor kontakata (kontaktni otpor) treba biti što niži.

Kod aparata slabe struje (mali kontaktni pritisci, male dodirne plohe) prevladava slojni otpor.Pri velikim pritiscima predvladava provlačni otpor.

Zbog više dodirnih mjesta među kontaktima, otpori kontakata u praksi se određuju empirijskom relacijom

2k

H HR

F F

10/24/2013

5

9


Otpor kontakata (kontaktni otpor) treba biti što niži. Uglavnom je funkcija kontaktnog pritiska.Starenje kontakata: Promjena kontaktnog otpora s vremenom (oksidacija kontakata, porast debljine makroslojeva). Mjerenjem na podiznim kontaktima s točkastim dodirom koji su bili izloženi utjecaju sobne atmosfere, bakreni kontakti nakon 3 mjeseca su pokazali 100-struki otpor, a nakon 6 mjeseci 1000-struki otpor. Brzina porasta kontaktnog otpora ovisi o materijalu kontakata.

Konstrukcijom sklopnog aparata (klizanjem i trenjem kontakata u pogonu) treba prilikom sklapanja osigurati automatsko čiščenje kontakata.

Odskakivanje kontakata je posljedica elastičnog sudara među kontaktima prilikom uklapanja. Eliminira se potrebnom silom pera

Sudar kontakta pri uklopu

10


Kontaktni materijali

Kriteriji za izbor kontaktnog materijala:

10/24/2013

6

11


Vrste kontaktnih materijala:

•Čisti metali (visokovodljivi metali, kemijsko otporni metali, teško taljivi metali)

•Legure( visoko vodljive legure, kemijsko otporne legure)

•Sinterirani materijali (pseudolegure dobijene miješanjem i sinterovanjem raznih metala u prahu, mogu se kombinirati metali i nemetali)

Prijenos materijala među kontaktima za istosmjernu struju

•Mosni ili sitni prijenos (Pojava se zapaža kad se kontakti otvaraju bez električnog luka. Zbog smanjivanja pritiska među kontaktima dolazi do koncentracije struje na sve manju dodirnu plohu, te se stvori most od rastaljenog metala).

•Prijenos zbog kratkog luka (Luk bez plazme).

•Prijenos zbog plazmatičnog lika ili krupni prijenos (zbog djelovanja plazmatskog luka katoda isparuje jače nego anoda te nastaje prijenos materijala od katode prema anodi)

12


Termičko naprezanje aparata

Najviše trajno dopuštene temperature za visokonaponske aparate

10/24/2013

7

13


Utjecaj kontakta na zagrijavanje vodiča

Zagrijavanje kontakta prolazom struje (cilindrični kontakt)

14


Kretanje topline u elementu vodiča


10/24/2013

8

15



(1)

(2)

16


Izjednačenjem (1) i (2) slijedi:

Za slijedi jednadžba stacionarnog stanja:t

Ukupna temperatura na mjestu x

0 v k

0 temperatura okoline

v temperatura zbog gubitaka u vodiču

k temperatura zbog gubitaka u kontaktnom otpor

10/24/2013

9

17


kKomponenta slijedi ako se zanemari temperatura okoline i otpor vodiča

gdje je:

Opće rješenje

Vrijede rubni uvjeti:

Rješenje:

18


Na mjestu kontakta ( x = 0 ) razvija se Jouleova toplina koja se širi na obje strane.

Budući da je: slijedi:

što daje maksimalnu temperaturu uslijed kontaktnog otpora:

Zaključak: Uz jednak kontaktni otpor Rk konstrukcijskim povečanjem kontaktne površine S smanjujemo komponentu zagrijavanja uslijed kontaktnog otpora

10/24/2013

10

19


Povećanje presjeka na kontaktima (uobičajena mogućnost)

Povećanje presjeka na kontaktima (teorijska mogućnost, konstruktivno neprikladno)

Preklopni spoj (polužne sklopke, rastavljači, priključne stezaljke

20


Naprezanje kontakata u kratkom spoju i normalnom pogonu:Za praksu je važno odrediti najvišu dopustivu udarnu struju kratkog spoja KS (IM) koju zatvoreni kontakti mogu termički izdržati.

Praktična izvedba i termička otpornost kontakata

U praksi termička otpornost kontakata postiže se visokim kontaktnim pritiskom i povećanjem dodirnih mjesta

Povećanje termičke otpornosti kontakata

10/24/2013

11

21


Povećanje termičke otpornosti kontakata segmentiranjem (tulipanski kontakt)

Tulipanski kontakt

22


Izvedbe kontakata obzirom na način gibanja

Izvedbe kontakata obzirom na oblik dodirne plohe

10/24/2013

12

23


Zagrijavanje kontakta uslijed električnog luka

Zanemarenja: temperatura okoline, Jouleovi gubici a zbog vrlo kratkog trajanja procesa zanemaren prijelaza topline na okolinu.

Utjecaj električnog luka na temperaturu kontakta

24


Elektrodinamička naprezanja

Sila između dva vodiča protjecana strujom

10/24/2013

13

25



U slučaju prikazanom na slici elektrodinamička sila teži povećati kut izmeđuvodiča. Budući da se se ovakvi geometrijski oblici javljaju i kod rastavljača, toće elektrodinamička sila koja djeluje na pokretni nož rastavljača težiti daizazove njegovo kretanje u smjeru razdvajanja kontakata. Budući darastavljači nisu namjenjeni za prekidanje struje, to se o ovoj pojavi mora voditiračuna pri njihovom dimenzioniranju, jer elektrodinamička sila pri kratkimspojevima može dostići znatne vrijednosti. a samo razdvajanje kontakatarastavljača izazvati niz neželjenih pojava.

26



Pomoću navedenog izraza može se računati odbojna sila između kontakata,prl čemu je r2 radijus kontakta a r1 radijus dodlrne površine kontakata (zbogpostojanja neravnina kontakti se ne dodlruju cijelom površinom).

Često se smatra da je, u slučaju kontakata, odnos radijusa r2 /r1 ~150, pa se za odbojnu sllu koristi relaclja:

gde je jakost struje i u kA, a sile F u N.

10/24/2013

14

27



Kod nazivnih struja sila i moment imaju relatlvno malu vrijednost. Medutlm, uslučajevlma kratkih spojeva, odbojna slla može dostići vrijednosti do stotinjakN, pa o ovome treba voditi računa prl konstrukciji električnih aparata.

Moment elektrodinamičke sile

28



Sile među kontaktima

Odbojne sile uvjetovane oblikom kontaktnih dijelova

Utjecaj rasporeda kontaktnog sustava na djelovanje elektrodinamičkih sila

Zaključak: Pravilnim oblikovanjem kontakata odbojne sile se mogu kompezirati. Može se čak postići pojačanje kontaktnog pritiska ako nastane kratki spoj.

10/24/2013

15

29


Naprezanje izolacije

Preskok u zraku

Utjecaj polariteta na probojni napon

Šiljak (+) dolazi prije do preskoka. Šiljak (–) postiže se viši probojni napon

30



Standardni oblik udarni napona

Uu0 - podnosivi udarni napon Ui0 - podnosivi izmjenični naponUpu – udarna karakteristika ispitivanog objekta

10/24/2013

16

31



Udarni probojni napon (amplitude)

Amplitude probojnog napona (kV) među elektrodama u zraku atmosferskog pritiskaUpu – tjemeni udarni napon 1/50

Izmjenični probojni napon Up = f(pd) (Paschenov zakon)

Minimalni probojni naponi

32



Klizni preskok u zraku – preskok duž površine izolatora zbog nečistoće, vlage i hrapavosti

Proboj u tekućim i krutim izolatorima

10/24/2013

17

33


Osnove teorije električnog luka

Karakteristike izbijanja u plinovima

34


Osnove teorije električnog luka

Električni luk

10/24/2013

18

35


Pad napona na osnovnim tipovima impedancija

RuCu

Lu

1Lu

2LuRu

Lu

Cu0Cu

)Cu

1Lu

u

u

36


Statičke i dinamičke karakteristike u(i)

Razlike između statičke i dinamičke karakteristike pojavljuju se pri impedancijama koje su u svojoj biti određene promjenom elektromagnetskih polja (induktivni i kapacitivni otpor, ili pri onima koje ovise o toplinskom efektu struje npr metalni omski otpori RM kojima je statička karakteristika određena relacijom

0;LS CSZ Z

i otpor električnog luka RA.Zbog termičke tromosti te grupe impedancija ne može se njihova temperatura , a prema tome ni veličina RM ili RA trenutno prilagoditi novoj vrijednosti struje onako kako bi to odgovaralo statičkoj karakteristici.

( )i

u udu

suds uu

10/24/2013

19

37


Trenutna vrijednost Rd na dinamičkoj karakteristici odgovara nekom prošlom stanju struje.

38


Primjer: Ako induktivnim otporom ZL konstantnog induktiviteta teče sinusna struja izmjenična struja:

Na njemu je pad napona

pa je veza u koordinatnom sustavu (u,i) dinamička karakteristika prigušnice:

u

u

10/24/2013

20

39


Statička i dinamička karakteristika električnog luka

Otpor električnog luka ZA je omskog karaktera. Nultočke napona i struje luka se vremenski podudaraju. Otpor luka pada sa porastom struje.Nacrtana dinamička karakteristika odgovara slučaju kad se struja naglo povečava od 0 do vrijednosti I, koja se potom neko vrijeme održava na konstantnom iznosu, te se zatim opet naglo smanjuje na 0. Grana koja odgovara porastu struje je iznad statičke karakteristige us, jer se zbog prekratkog vremena

stupac luka ne može toliko ugrijati i ionizirati da odgovara stacionarnom luku te je otpor dinamičkog luka veći od otpora u stacionarnom stanju. Povratna grana dinamičke karakteristike je ispod statičke karakteristike jer zbog kratkog vremena ohlađivanje i deionizacija ne dostižu stupanj koji odgovara stacionarnom stanju. Dakle, u intervalu dinamički luk je hladniji a u intervalu topliji od statičkog luka uz jednake vrijednoti struje.

Naponi up i ug označavaju napon paljenja i napon gašenja luka.

1 0( )t t

3 2( )t t

0 1( )t t

2 3( )t t

Au Au

su du

du su

Au

40


Dinamička karakteristika luka izmjenične struje

Vremenski dijagram u lijevom dijelu slike pokazuje deformaciju krivulje napona koju je uzrokovao promjenjiv otpor luka.Nijedna se električna veličina ne može trenutno promijeniti od početnog do konačnog iznosa. Budući da nijedan strujni krug nije idealno omski (uvijek postoji kapacitet i induktivitet) struja u prvi čas nakon naglog prekida kruga zadržava svoju vrijednost i nastavlja svoj put među otvorenim kontaktima u obliku električnog luka.

Au Au

Au

10/24/2013

21

41


Otpor aparata ZA ne može pri prekidanju struje trenutno poprimiti najvišu vrijednost već joj se kao promjenjivi otpor električnog luka postepeno približava.Nadalje i iz teorije električnih kontakata znamo da ni promjena kontaktnog otpora (i bez električnog luka) nije diskontinuirana jer ovisi o kontaktnom pritisku i stvarnoj dodirnoj plohi tj. ovisi o mehanički ograničenoj brzini kretanja kontakata

Strujni krug sastavljen od izvora, potrošača i sklopnog aparata

42


Statička teorija luka (Strujno naponske karakteristike stacionarnog luka):

Luk konstantne duljine ( )

( ) ( )A

b lu i a l

i

( ) ( ) ( )Au l c i d i l Luk konstantne struje

a1

a2

l1

l1>l2

uA

i

uA

c1

c2

i1

i2>i1

l

Statičke karakteristike luka uz konstantnu duljinu i konstantnu struju

Iznad određene jakosti struje u strujno-naponskoj karakteristici dolazi do skokovita sniženja napona, što je shematski označeno u lijevom dijelu slike. Ta se pojava tumači naglim isparavanjem metalnih elektroda u tom trenutku zbog velike gustoće struje, a metalne pare povisuju vodljivost lučne plazme.

10/24/2013

22

43


u

x0

ua

u s

uk

u A

katoda anoda

x

-E

d k d as

0

Prostorna raspodjela napona i gradijenta luka

ua anodni pad naponaus pad napona na stupcu lukauk katodni pad naponauA napon električnog lukadk širina katodnog područjas širina stupca lukada širina anodnog područja

Električni luk se općenito može podijeliti na tri područja: stupac luka (plazma), katodno područjei anodno područje. Mjerne veličine koje karakteriziraju svako od ova tri područja su napon (odnosno gradijent luka E = -dU/dx) i temperatura.

Katoda služi za predavanje elektrona lučnom stupcu. Katodu općenito možemo podijeliti, na osnovi fizikalnog mehanizma kojim se elektroni iz nje oslobađaju, na usijanu i na hladnu katodu. Anoda može biti pasivna ili aktivna. Ukoliko anoda služi samo za skupljanje elektrona iz lučnog stupca, govorimo o pasivnoj anodi. Ukoliko dolazi do isparavanja anode govorimo o aktivnoj anodi. Gustoća struje anodnih mrlja je značajno manja u odnosu na gustoću struje katodnih mrlja.

44


Lučni stupac ovisi prvenstveno o karakteristikama plina. Svaki električni luk koji nastaje razdvajanjem kontakata prolazi početnu fazu u kojoj je ispareni dio materijala elektroda glavni izvor nabijenih čestica. Statička teorija električnog luka određuje eksperimentalno određene odnose između napona, struje i duljine luka prikladnim formulama koje sadrže pet osnovnih parametara: E (gradijent luka), I (struja luka), d (promjer luka) , T (temperatura luka) i p (tlak)

Engel-Steenbeckova formula:nE K I

( 1 1)K i n n su empirijske konstante

a) Površinsko hlađenje luka (vrijedi za luk koji gori u mirnom plinu, npr. u zraku pa se toplina odvodi s njegove površine):

b) Volumno hlađenje luka (vrijedi za luk koji gori u plinu koji struji poprečno na os luka, pa se luk hladi po čitavom presjeku):

c) Luk bez hlađenja (vrijedi za luk koji je toplinski potpuno izoliran, npr. u lučnim pećima):

3

5n

0n

1n

10/24/2013

23

45


Utjecaj hlađenja na gradijent luka

Površinsko hlađenje luka

Volumno hlađenje luka

Luk bez hlađenja

Prikazane dinamičke karakteristike koje prikazuju utjecaj hlađenja na gradijent luka iako dobijene Pomoću teorije o statičkom luku dobro se podudaraju s eksperimentalnim podacima.

Au

Au

Au

46


Dinamička teorija luka

Statičke karakteristike se ne mogu primjeniti ako se pojave brzo mjenjaju, npr. pri naglomproduljenju luka, oscilaciji struje industrijskom frekvencijom itd. Za analitičko određivanje parametara nestacionarnog luka razvili su Cassie i Mayr dinamičku teoriju uzevši u obzir da električna vodljivost luka G = 1/R raste sa količinom topline Q koja je u njemu akumulirana:

1 ( )

iG F Q

R E

G - električna vodljivost luka po jedinici duljineR - otpor luka po jedinici duljineQ - akumulirana toplinska energija po jedinici duljine

Gustoća naboja N a time i specifična vodljivost plazme raste sa temperaturom T. Toplina Q rastes temperaturom i presjekom stupca plazme S.

1 2

1( ) ( ) ( )

Sf N S f T S F Q

R

1

(1)

(2)

10/24/2013

24

47


Osnovna relacija za energetsku bilancu luka

2A h h

dQP P i R P

dt

PA (W/m) – snaga koju luk uzima iz mrežePh (W/m) – snaga koja hlađenjem prelazi na okolinu

1 d( ) = ( ( ))

dt

d dF dQF Q

dt R dQ dt

Budući da je:

slijedi:

2

1 1( )

d dR

dt R R dt

Supstitucijom:

(3)

(4)

(5)

48


Budući da je R = E/i slijedi:

21( )

( ) h

dFdR dQ

i R PR dt F Q

odnosno:

(6)

(7)

Relacije (5), (6) i (7) određuju općenite veze između električnih i toplinskih parametara dinamičkog luka. Točni izrazi za F(Q) i Ph za različite načine hlađenju su veoma složeni.U praksi se ide za aproksimacijama. Jedne od takvih aproksimacija su Cassie-ova i Mayr-ovaaproksimacija.

10/24/2013

25

49


Cassie pretpostavlja da je temperatura u svim točkama lučnog stupca jednaka i konstantna. Zbogtoga su konstantni i njegov specifični otpor ρ i sadržaj topline u jedinici volumena Q/S. Daljepretpostavlja volumno hlađenje koje uz konstantan iznos Q/S ima kao posljedicu konstantanodvod topline po jedinici volumena Ph/S.

1 .k const

2 .Q

k constS

3 .hPk const

S

Vodljivost jediničnog elementa lučnog stupca prema (2) slijedi

Kako je iz (11):

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

50


Iz (10) i (11) slijedi:

2 2 1 31 2

11

( ) ( )1( ) h

dFdR k kk kdQ

i R P i RR dt F Q R

R

Relacije (11), (12) i (13) omogućiju da se iz opće jednadžbe (6) eliminira Q i Ph .

(13)

Dakle,

2 23

1 2 2

1-

dR i R k

R dt k k k

odnosno:

(14)

Iz derivacije:

10/24/2013

26

51


dobivamo:

što uvršteno (14) daje:

(15)

odnosno:

Budući da su k1, k2 i k3 uzete kao konstante (iako su u stvarnosti složene funkcije) može se definirati tzv. Cassiejeva vremenska konstanta luka.

(16)

52


To je vremenska konstanta prema kojoj luk gubi svoju vodljivost kad mu se prestane dovoditi energija

(17)

Budući da je za specijalni slučaj stacionarnog luka dovod i odvog snage jednak:

te uz (10) i (11) slijedi

(19)

(20)

(18)

Uvrštenjem (18) i (19) u dif. jednadžbu (15) slijedi:

10/24/2013

27

53


Rješenje jednadžbe (20):

Za razne krivulje i = f(t) mogu se izračunati krivulje otpora luka R(t) i gradijenta E(t) = iR

Za sinusnu struju:

dobivamo vodljivost luka:

i gradijent luka:

pri čemu je:

(21)

(22)

(23)

(24)

54


Gradijent luka za poluval sinusne struje prema (24):

Krivulje:

0c Luk niske frekvencije ili luk bez toplinske tromosti(statička karakteristika, E = ES)

0 0c

c Luk vrlo visoke frekvencije ili Luk bekonačne toplinske tromosti

c

10/24/2013

28

55


Mayr polazi od pretpostavke površinskog hlađenje luka iz kojeg se odvodi konstantna snaga

0 .hP P const

Budući da je za specijalni slučaj stacionarnog luka dovod i odvog snage jednak:

(25)

0 .SP E i

Statička karakteristika je određena hiperbolom:

0S

PE

i (26)

Koja odgovara Engel-Steenbeckovoj formuli za n = -1:nE K I

Pretpostavka: Veza između topline luka Q i njegove vodljivosti

(27)

Q0 količina energije koju treba dovesti luku da mu se vodljivost poveča za e puta. (e =2.718....)

56


Derivacijom relacije (27) slijedi:

(28)

Uvrštenjem (27) i (28) u opću jednadžbu (6), tj u jednadžbu

21( )

( ) h

dFdR dQ

i R PR dt F Q

slijedi (6)

(29)

odnosno:

(30)

10/24/2013

29

57


Dijeljenjem relacije (30) sa R slijedi:

(31)

Uz supstituciju, (Mayrova vremenska konstanta luka),:

(32)

i uvrštenje u relaciju (30) slijedi:

(33)

Rješenje jednadžbe (33):

(34)

58


Za razne krivulje i = f(t) mogu se izračunati krivulje otpora luka R(t) i gradijenta E(t) = iR

Za sinusnu struju

karakteristiku:

dobivamo vodljivost luka:

i gradijent luka:

pri čemu je:

(35)

(36)

uz pretpostavku odnosa gradijenta za dinamičku i statičku

te prema (26),

10/24/2013

30

59


Gradijent luka za poluval sinusne struje prema (36):

Krivulje:

0M Luk niske frekvencije ili luk bez toplinske tromosti(statička karakteristika, E = ES)

0 0M

M Luk vrlo visoke frekvencije ili Luk bekonačne toplinske tromosti

M

Cassieva teorija vjernije opisuje luk jake struje kojemu je gradijent praktički neovisan o struji, dok je Mayrova teorija prikladnija za područje manjih struja s izrazito hiperboličnom karakteristikom luka.Pored navedenih postoji još nekoliko modela luka.

Documents

Električni sklopni aparati 1 (2013_2014)