PRĄDY ZWARCIOWE W INSTALACJACH NISKIEGO NAPIĘCIA I ICH WYŁĄCZANIE.doc

5. PRĄDY ZWARCIOWE W INSTALACJACH NISKIEGO NAPIĘCIA I ICH WYŁĄCZANIE

5.1. Cel i zakres ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z przebiegami prądów zwarciowych w instalacjach elektrycznych niskiego napięcia oraz z procesem ich wyłączania przez wyłącznik instalacyjny i bezpiecznik. W zakres ćwiczenia wchodzi:

a)                obserwacja przebiegów prądu zwarciowego dla obwodów o charakterze rezystancyjnym i indukcyjnym,

b)                obserwacja przebiegów prądu i napięcia podczas wyłączania zwarcia przez wyłącznik instalacyjny,

c)                obserwacja przebiegów prądu i napięcia podczas wyłączania zwarcia przez bezpiecznik instalacyjny,

5.2. Wiadomości podstawowe

Zwarcie jest zakłóceniem polegającym na połączeniu bezpośrednim, przez łuk elektryczny lub przewodnik o bardzo małej impedancji (rezystancji) jednego lub więcej punktów układu elektroenergetycznego należących do różnych faz między sobą lub z ziemią [5.1]. W instalacjach elektrycznych istnieje również pojęcie przetężenia, do którego zalicza się przeciążenie lub zwarcie. Przetężenie, to wzrost prądu w instalacji ponad wartość prądu znamionowego danego urządzenia lub ponad prąd dopuszczalny długotrwale dla przewodów w danych warunkach ich ułożenia. W przypadku przeciążenia wspomniany wzrost prądu odbywa się w instalacji nieuszkodzonej, natomiast zwarcie jest spowodowane utratą właściwości izolacyjnych pomiędzy co najmniej dwoma punktami instalacji, które w normalnych warunkach pracy znajdują się na różnych potencjałach. Obliczenie spodziewanego prądu zwarciowego jest niezbędne do prawidłowego zaprojektowania i zwymiarowania instalacji.

Obliczanie prądów zwarciowych w sieciach elektrycznych, znane jako metoda PNE, jest opisane w normie PN-EN 60909-0 [5.2], która od roku 2001 zastąpiła wcześniejszą normę PN-74/E-05002. Norma [5.2] rozróżnia dwa rodzaje zwarć:

a)                zwarcia dalekie od źródeł zasilania, tj. takie w których zanik prądu zwarciowego w czasie jest spowodowany jedynie zanikiem składowej aperiodycznej iDC (rys. 5.1),

b)                zwarcia bliskie źródeł zasilania, tj. takie, w których oprócz zaniku składowej aperiodycznej zmniejsza się również wartość skuteczna składowej okresowej wskutek wzrostu, wraz z upływem czasu trwania zwarcia, impedancji generatorów zasilających zwarcie.

Zakwalifikowanie analizowanego przypadku zwarcia jako dalekie bądź bliskie powinno wynikać z analizy stopnia bezpośredniego wpływu generatorów na przebieg prądu zwarciowego. W instalacjach elektrycznych rozważa się zwykle zwarcia dalekie czyli takie, w których pomija się bezpośredni wpływ generatorów na przebieg prądu zwarciowego, zakładając stałość składowej okresowej tego prądu (rys. 5.1). Rozpatrywanie zwarć bliskich źródeł zasilania w instalacjach elektrycznych należy zaliczyć do sytuacji wyjątkowych i przypadki takie mogą dotyczyć sytuacji, gdy np. w instalacji istnieje rezerwowe zasilanie z generatorów prądotwórczych bądź instalacja przemysłowa jest zasilana równocześnie z systemu elektroenergetycznego i z elektrowni zakładowej. W ćwiczeniu ograniczono się do rozpatrywania przypadku zwarcia dalekiego, jako najbardziej typowego dla instalacji elektrycznych.

Rys. 5.1. Przebieg prądu zwarciowego przy zwarciu odległym wg normy [5.2].

Zwarcia w sieciach elektroenergetycznych dzieli się na zwarcia symetryczne czyli trójfazowe zwarcia metaliczne oraz niesymetryczne, czyli dwufazowe z udziałem ziemi i bez ziemi oraz zwarcia jednofazowe. Podstawowym prądem zwarcia obliczanym dla celów doboru aparatury i urządzeń elektrycznych jest zwarcie trójfazowe, jako najgroźniejsze w skutkach cieplnych i dynamicznych. Wyróżnia się kilka charakterystycznych parametrów prądu zwarciowego uwzględnianych przy doborze urządzeń elektrycznych wg zaleceń normy [5.2]. Zasadnicze z nich to:

Składowa okresowa początkowa prądu zwarciowego IK” – wartość skuteczna składowej okresowej prądu zwarciowego w chwili powstania zwarcia (rys. 5.1). W przypadku zwarcia trójfazowego prąd ten obliczany jest z zależności:

,                                          (5.1)

gdzie: Ik3f – składowa okresowa początkowa dla zwarcia trójfazowego symetrycznego, c – współczynnik napięciowy (tabela 5.1) równy stosunkowi napięcia, jakie może występować w miejscu zwarcia przed pojawieniem się zwarcia, do napięcia znamionowego sieci Un, ZK RK, XK – odpowiednio impedancja, rezystancja oraz reaktancja obwodu zwarciowego dla składowej zgodnej.

Tab. 5.1. Wartości współczynnika napięciowego c w zależności (5.1) [5.1, 5.2]

Rys. 5.2. Zależność współczynnika udaru k od ilorazu RK/XK.

Prąd zwarciowy udarowy ip – to największa możliwa do wystąpienia w rozpatrywanym obwodzie wartość chwilowa prądu zwarciowego (rys. 5.1). Prąd zwarciowy udarowy występuje jedynie w przypadku jego maksymalnej asymetrii [5.1] i jest obliczany z zależności:

,                                                                      (5.2)

gdzie k jest współczynnikiem udaru o wartości zależnej od ilorazu RK/XK (rys. 5.2).

W stosunkowo prostym obwodzie pętli zwarciowej, jakim jest przykładowo układ szeregowo połączonych rezystancji i reaktancji, rezystancja zastępcza RK i reaktancja zastępcza XK jest sumą odpowiednio tych rezystancji i reaktancji, a k może być odczytana bezpośrednio z rys. 5.2. W bardziej złożonych obwodach pętli zwarciowej współczynnik udaru należy obliczyć korzystając z innych metod, opisanych m.in. w [5.1].

Rys. 5.3. Ilustracja przebiegów napięcia i prądu podczas wyłączania prądu zwarciowego przez wyłącznik; iK - prąd zwarciowy wyłączany przez wyłącznik, iK SP – spodziewany prąd zwarcia, u – napięcie źródła zasilania, uł napięcie łuku, up – napięcie powrotne na stykach łącznika po wyłączeniu prądu zwarciowego,t0 – moment powstania zwarcia, t1 – początkowy moment rozwierania styków wyłącznika, t2 – moment wyłączenia prądu zwarciowego, tpł – czas przedłukowy, tł – czas łukowy, tK – czas wyłączenia zwarcia.

Prąd wyłączeniowy symetryczny Ib – wartość skuteczna składowej okresowej prądu zwarciowego w chwili rozejścia się styków łącznika wyłączającego zwarcie (t1, rys. 5.3 i 5.4), lub chwila zapłonu łuku we wkładce bezpiecznika wyłączającego zwarcie. Przy zwarciach dalekich prąd Ib jest równy prądowi IK”.

Prąd zwarciowy cieplny Ith – prąd zastępczy o stałej wartości skutecznej, który w czasie trwania zwarcia tk (rys. 5.3 i 5.4) wydzieli w torze prądowym taką samą ilość ciepła jak prąd zwarciowy o rzeczywistym przebiegu.

Proces wyłączania prądu zwarciowego dzieli się na dwa przedziały czasu: czas przedłukowy tpł i czas łukowy tł (rys. 5.3 i 5.4), których suma jest czasem trwania zwarcia tk. Czas przedłukowy to czas upływający od chwili powstania zwarcia t0 do chwili rozejścia się styków łącznika t1, na który składa się czas zadziałania wyzwalacza zwarciowego, czas odblokowania zamka i początkowa faza ruchu styków. W bezpieczniku, to czas niezbędny do powstania pierwszych punktów stopienia materiału topika i zapłonu łuku. Czas łukowy, to czas w którym następuje palenie się i gaszenie łuku w wyłączniku bądź w bezpieczniku.

W większości wyłączników niskiego napięcia proces wyłączania prądu zwarciowego trwa stosunkowo długo, tj. do kilku półokresów prądu przemiennego o częstotliwości sieciowej, co zilustrowano na rys. 5.3. Długi czas łukowy jest niekorzystny dla łącznika i zmniejsza jego możliwości łączeniowe. Czas ten jest znacznie krótszy w wyłącznikach ograniczających [5.3] oraz w bezpiecznikach, których jedną z zalet jest właściwość ograniczania prądu zwarciowego. Szereg współcześnie produkowanych, nowoczesnych wyłączników instalacyjnych posiada jednak na tyle szybki mechanizm wyzwalacza i zamka, że wyłączenie prądu zwarciowego następuje w pierwszym półokresie z widocznym efektem ograniczenia prądu zwarciowego, co przedstawiono na rys. 5.4, dla typowego współczesnego wyłącznika instalacyjnego.

5.3. Niezbędne przygotowanie studenta

Studentów obowiązuje znajomość materiału dotyczącego obliczania prądów zwarciowych [5.1, rozdział 2] oraz wyłączników instalacyjnych i bezpieczników niskiego napięcia [5.3, rozdział 3].

5.4. Opis stanowiska laboratoryjnego

Stanowisko laboratoryjne (rys. 5.5) umożliwia:

a)      modelowanie przebiegów prądu zwarciowego odpowiadającemu zwarciu dalekiemu od źródeł zasilania, dla różnych parametrów pętli zwarcia;

b)      obserwację przebiegów prądu i napięcia łuku podczas wyłączania prądu zwarciowego przez wyłącznik instalacyjny;

c)      obserwację przebiegów prądu i napięcia łuku podczas wyłączania prądu zwarciowego przez bezpiecznik instalacyjny.

Rys. 5.4. Ilustracja przebiegów napięcia i prądu podczas wyłączania zwarcia przez wyłącznik posiadający właściwość ograniczania prądu zwarciowego; oznaczenia jak na rys. 5.2.

Zależnie od rodzaju prowadzonej obserwacji, jednej z wymienionych a), b) bądź c), należy wybrać jedną z trzech możliwych dróg przepływu prądu: poprzez sterownik tyrystorowy T, wyłącznik instalacyjny W albo przez bezpiecznik instalacyjny F, poprzez załączenie odpowiedniego kompletu zwór Z1, Z2 bądź Z3. Podczas pomiarów jednocześnie może być załączony tylko jeden z wymienionych elementów. Rezystory R1, R2, R3 i cewki L1, L2, L3 służą do modelowania parametrów pętli zwarcia.

Modelowanie przebiegów prądu zwarciowego odbywa się poprzez załączenie sterownika tyrystorowego T, który załącza obwód jedynie na czas kilku okresów prądu o częstotliwości sieciowej (rys, 5.6). Przy znanej impedancji zwarciowej układu zasilania można tak dobrać parametry RK, XK obwodu (5.1), aby uzyskać określoną wartość współczynnika udaru k, i porównać z otrzymanym przebiegiem prądu zwarciowego (rys. 5.6), zarejestrowanym na oscyloskopie.

Rys. 5.5. Schemat układu laboratoryjnego do badania przebiegów prądu zwarciowego i jego wyłączania w instalacjach elektrycznych: Z1, Z2, Z3 – zwory do załączenia odpowiednio: sterownika tyrystorowego T, wyłącznika instalacyjnego W bądź bezpieczników F; R1, R2, R3, L1, L2, L3 – rezystory i cewki do modelowania impedancji pętli zwarciowej, B1, B2, B3, B4 – boczniki prądowe, DN – dzielnik napięcia, OP1, OP2 – przetworniki optoelektroniczne, Osc – oscyloskop dwukanałowy z pamięcią.

Obserwację przebiegów prądu i napięcia łuku podczas wyłączania prądu zwarciowego przez wyłącznik instalacyjny prowadzi się przy załączonym obwodzie wyłącznika W (rys. 5.5). Cykl pomiarowy rozpoczyna się od zamknięcia wyłącznika W, po czym załącza się prąd łącznikiem Ł. Płynący prąd powoduje zadziałanie wyłącznika W, który przerywa obwód. Na oscyloskopie rejestruje się przebieg prądu (mierzony na boczniku B) oraz napięcie na stykach łącznika (dzielnik DN), jak to zilustrowano na rys. 5.7. Oscyloskop odseparowany jest galwanicznie od obwodu przetwornikami optoelektronicznymi OP1 i OP2...