View
1
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
TEHNIĈKO VELEUĈILIŠTE U ZAGREBU ELEKTROTEHNIĈKI ODJEL
Prof. dr.sc. KREŠIMIR MEŠTROVIĆ
2
NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Naprezanja kojima su podvrgnuti sklopni aparati
tijekom svog pogona možemo podijeliti na:
• termička naprezanja,
• elektrodinamička naprezanja,
• mehanička naprezanja,
• dielektrična naprezanja i
• atmosferska naprezanja.
3
TERMIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Najveći dio topline nastaje od Jouleovih gubitaka u vodičima
i kontaktnim otporima strujnih krugova sklopnih aparata.
UZROCI
• trajno opterećenja strujama do nazivne struje,
• kraća preopterećenja strujama većih od nazivne struje i
• kratkotrajna opterećenja strujom kratkog spoja.
4
TERMIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
POSLJEDICE
• oštećenje izolacije,
• taljenje lemnih spojeva,
• gubitak elastičnih svojstava metalnih dijelova,
• oksidacija kontakata,
• taloženje štetnih produkata raspada,
• pregaranje svitaka itd.
5
TERMIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Odgovarajučim standardima određuju se dopuštene granice
zagrijavanja dijelova sklopnih aparata nazivnom strujom.
One se definiraju maksimalnim stacionarnim
nadtemperaturama glede propisane temperature okoline.
Također se definira i termička otpornost aparata prema
strujama kratkog spoja.
Ona se definira termičkom strujom kratkog spoja (tj.
najvećom efektivnom vrijednošću izmjenične struje) koju
aparat mora podnijeti bez štete u trajanju jedne sekunde.
6
TERMIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA Dozvoljene maksimalne temperature i nadtemperature prema IEC 60694
7
TERMIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Zagrijavanje u stacionarnom stanju
Razlikujemo tri osnovna procesa prijelaza topline od zagrijanih tijela: provođenje ili
kondukcija, konvekcija i zračenje .
Razmjena topline vrši se jednim ili kombinacijom dva ili sva tri načina.
Prijelaz topline kondukcijom vrši se kretanjem molekula tijela od više zagrijanih prema
manje zagrijanim dijelovima.
Prijelaz topline konvekcijom vrši se kretanjem čestica plina ili tekućine oko zagrijanog tijela.
Dodirujući zagrijano tijelo ove čestice primaju od njega toplinu i pri daljnjem kretanju odvode
ju u okolinu. Kretanje ovih čestica može biti prirodno ili prisilno, pa govorimo o prirodnoj i
prisilnoj konvekciji.
Prijelaz topline zraĉenjem vrši se rasprostiranjem energije u vidu toplinskih i svjetlosnih
valova od zagrijanog tijela.
8
TERMIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Zagrijavanje vodiĉa u stacionarnom stanju
Vodiči sklopnog aparata protjecani strujom griju se uslijed Jouleovih gubitaka.
Razvijena toplina djelomično se troši na povećanje temperature vodiča, a
djelomično se odvodi u okolinu kondukcijom, konvekcijom i zračenjem.
U stacionarnom stanju vodič postiže svoju maksimalnu temperaturu, a toplina
razvijena prolazom struje sada se sva odvodi u okolinu, pa vrijedi jednakost,
W = Q
Q = QZ + QK = h S (ϑ - ϑo ) Δt
W = I2 R t
I R
h S
2
0
,
max
9
TERMIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Zagrijavanje vodiĉa u stacionarnom stanju – TOPLINSKI OTPOR
Složenije probleme zagrijavanja lakše je rješavati pomoću tzv. toplinskih otpora.
Postoji odgovarajuća analogija između električkih i toplinskih veličina. Upravo
zbog toga možemo i uvesti pojam toplinskog otpora RT, odnosno toplinskog
otpora po jedinici duljine rT.
Rx
hS hp
mK
Wr
hS hpx
K
WT T
1 1 1
;
Rx
h SR
x
h STk
k
Tz
z
,
R
x
h h S h h pT
k z k z
1
I RhS
I R r
I rx
hSI r R
T
T
2 2
2 2
1
10
TERMIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Zagrijavanje vodiĉa u stacionarnom stanju – TOPLINSKI OTPOR
v v o Tk Tk Tz1 Tko Tzo
vR R R R R
I
S
1 2
2
0 1| | | |
11
TERMIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Zagrijavanje za vrijeme prijelaznih procesa
Prijelazni procesi zagrijavanja i hlađenja dijelova sklopnih aparata javljaju
se u slučaju:
• zagrijavanja aparata neposredno poslije njihovog uključenja u strujni krug,
• hlađenja aparata neposredno nakon njihovog isključenja iz strujnog kruga,
• zagrijavanje pri kratkotrajnom opterećenju strujom,
• zagrijavanje pri ponovnim kratkotrajnim opterećenjima strujom (intermitirani
pogon ),
• zagrijavanje pri opterećenju strujom kratkog spoja.
12
TERMIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Zagrijavanje za vrijeme prijelaznih procesa
t
Z et 1max
t
H et
max
13
TERMIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Zagrijavanje za vrijeme prijelaznih procesa – INTERMITIRANI POGON
2'
m
m
a
m
I
Ik
FAKTOR PREOPTEREĆENJA
14
ELEKTRODINAMIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Vodič protjecan strujom stvara oko sebe magnetsko polje. Ovo magnetsko polje
djeluje na neki drugi vodič protjecan strujom, i ovisno o smjeru struje javlja se
privlačna ili dbojna elektrodinamička sila.
Sile na vodiĉima
15
ELEKTRODINAMIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
dHi dl r
r
1
1 1
3
1
4
dF i dl B
12 2 2 1
F i idl dl
rl l
12 1 2
1 2
241 2
sin
Jakost magnetskog polja određuje se iz Biot - Savart-ovog zakona
Elektrodinamička sila određuje se iz Amper-ovog zakona
16
ELEKTRODINAMIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Sila izmeĊu dva paralelna vodiĉa
dHI dl
r1
1 1
2
1
4
sin
dHI d
a1
1
4
sin
H sI
a
s
s a
l s
l s a1
1
2 2 2 24
Za “beskonačno duge vodiče”
l=α, α1=0, α2= π
a
IH
21
1
FI I
al a a N12
1 2 2 2 72 10
FI I
al N12
1 2 72 10
17
ELEKTRODINAMIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Utjecaj duljine i razmaka izmeĊu vodiĉa na silu
18
ELEKTRODINAMIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
F k I I N12 12 1 2
710
k
d d s s
a12
1 2 1 2
kd d d d
s s s s12
1 12 2 22
1 12 2 22
ln
kl
l
d l d l
s l s l12
1
2
2
2 2 2 2
2 2 2 2
ln' '
' '
19
ELEKTRODINAMIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
F k I I N12 12 1 2
710
kL
l12 2 ln
kd d d d
s s s s12
1 12 2 22
1 12 2 22
ln
kd
d
D d
kd
za D d
12
2
2
12
8D 3
4
1
8
8D12
8D 3
4
ln ln
ln ,
20
ELEKTRODINAMIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Sile na kontaktima
Elektrodinamičke sile koje se javljaju na kontaktima sklopnih aparata nastaju zbog
koncentracije strujnica na dodirnim mjestima ili zbog same konfiguracije i oblika
kontakata.
Fodb = 5 10-7 (Iu /n)2 [N]
21
ELEKTRODINAMIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Sila na nož rastavljaĉa
F Ia h h r
r h h a
h
h rNNR u
2 105
67 2
2 2
2 2 2 2ln
22
ELEKTRODINAMIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Sile na tuipanski kontakt
• sila opruge Fo
• elektrodinamička odbojna sila Fodb.
• sila autostrikcije FA
Fo1 + 0.5 FA1 > Fodb
Fo1 = 2 Fo sin (α/2) , α = 2π/n
FI l
R nA
sr
1
2
24
sin
23
MEHANIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
1. Dugotrajna mehanička naprezanja (statiĉka naprezanja)
- statičke sile na priključnicama aparata,
- unutrašnji tlak šupljih izolatora punjenih plinom, i
- sile zbog djelovanja vjetra dugog trajanja.
2. Kratkotrajna mehanička naprezanja (dinamiĉka naprezanja)
- reakcijske mehaničke sile kod sklopnih operacija,
- elektrodinamičke sile pri kratkom spoju,
- sile zbog kratkotrajnog djelovanja (udara) vjetra, i
- sile zbog potresa.
24
MEHANIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Ftv - vlačna vertikalna sila uslijed
priključnog vodiča u smjeru C
FthA - vlačna horizontalna sila uslijed
priključnog vodiča u smjeru A
FthB - vlačna horizontalna sila uslijed
priključnog vodiča u smjeru B
Fwh - horizontalna sila uslijed vjetra na
zaleđeni prekidač
Ispitne sile za visokonaponske prekidaĉe
FshA , FshB , Fsv - rezultantne statiĉke sile na prikljuĉnicama aparata
25
MEHANIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Ispitne sile za visokonaponske prekidaĉe
B1
B2
A1
C1
C2
Veličine sila u skladu s IEC 62271 - 100
Horizontalne ispitne sile: FshA i FshB Vertikalne ispitne sile (oba smjera): Fsv
FC
26
MEHANIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Ispitne sile za visokonaponske rastavljaĉe
FC
Veličine sila u skladu s IEC 62271 - 102
27
MEHANIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Mehaniĉko ispitivanje zaleĊenog rastavljaĉa - isklop
28
MEHANIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Mehaniĉko ispitivanje zaleĊenog rastavljaĉa - uklop
29
MEHANIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Naprezanje izolatora kod mehaniĉkih opterećenja polova sklopnog aparata
30
DIELEKTRIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Uzroci i vrste dielektriĉnih naprezanja izolacije
- Normalni stacionarni pogon - pogonski napon
- Abnormalni stacionarni pogon - povišeni napon
- Sklopne operacije - unutarnji prenaponi
- Atmosferski utjecaji - vanjski prenaponi
31
DIELEKTRIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Pogonski napon je napon industrijske frekvencije 50 Hz koji ne prelazi
dozvoljenu vrijednost. Iako pogonski napon ne dovodi do naročitog
naprezanja izolacije, važno je naglasiti da on trajno napreže izolaciju.
Povišeni napon je napon industrijske frekvencije 50 Hz koji je po iznosu
viši od maksimalnog pogonskog napona. Obično traje kratko vrijeme, dok
traju uzroci njegovog nastanka .
Unutarnji prenaponi su kratkotrajni prenaponi sa frekvencijom i iznosom
višim od maksimalnog pogonskog napona. Njihov izvor se nalazi unutar
same mreže, a prvenstveno nastaju zbog sklopnih operacija. Zbog
promjene stanja mreže za vrijeme prijelazne pojave dolazi do titranja
napona. Tako se osim osnovne frekvencije pojavljuje i viša frekvencija
napona, a dolazi do pojave i putnih valova, pa se prenapon prenosi i na
susjedne dijelove mreže.
Vanjski prenaponi nastaju zbog atmosferskih pražnjenja u obliku munje.
Ovi prenaponi imaju veliku strminu porasta (par s) i veliku amplitudu
(nekoliko miliona volti).
32
DIELEKTRIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Prekomjerno pojačavanje električnog polja u nekom izolatoru uzrokuje
izbijanje koje može dovesti do prolaza iskre ili električnog luka kroz izolator.
Ova pojava se naziva proboj. Razlikujemo dvije vrste proboja, električni i
termički proboj.
Elektriĉni proboj nastaje zbog ubrzavanja slobodnih elektrona, koje u
određenom broju sadrži svaki izolator. Ovi slobodni elektroni sudarom
izbijaju nove elektrone iz atoma i na taj način stvaraju ione i nove slobodne
elektrone. Broj nabijenih čestica brzo rase i stvara vodljive staze u
izolatoru, što konačno dovodi do pojave iskre, odnosno električnog luka.
Termiĉki proboj se temelji na činjenici da zagrijavanje povećava vodljivost
materijala smanjujući trenje iona. Sporim kretanjem iona pod utjecajem
električnog polja nastaje slaba odvodna struja koja zagrijava izolator. Time
se opet povećava odvodna struja, koja opet povećava temperaturu, i čitav
proces se pojačava poput lavine. Zbog nehomogenosti materijala pojava
se koncentrira na određena mjesta, gdje dolazi do proboja.
33
DIELEKTRIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Mjerilo za otpornost nekog materijala protiv proboja je njegova
probojna ĉvrstoĉa.
Ep = Up d [V/m]
Probojni napon u plinovima, ukoliko se radi o homogenom električnom
polju, može se odrediti uz pomoć Paschenovog zakona
Up = f (pd)
34
DIELEKTRIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Paschenove krivulje
35
DIELEKTRIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Proboj u krutim izolatorima ovisi o trajanju narinutog napona, pa je
uobičajeno govoriti o nekoliko različitih mehanizama proboja ovisno o trajanju
naponskog naprezanja.
36
DIELEKTRIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Udarna karakteristika predstavlja ovisnost napona o vremenu
potrebnom da izazove proboj odnosno preskok.
37
Koordinacija izolacije
Međusobno usklađivanje izolacijskih i zaštitnih nivoa aparata s ciljem
sprečavanja štete od mogućih prenapona naziva se koordinacija
izolacije. To se obično postiže lokaliziranjem proboja ili preskoka na
pogodna mjesta, pri čemu udarne karakteristike štičenih objekata u
postrojenju moraju biti iznad udarnih karakteristika prenaponskih
zaštitnih aparata.
DIELEKTRIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
38
DIELEKTRIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Dielektriĉna ispitivanja
• Ispitivanje izmjeničnim naponom industrijske frekvencije (50 Hz, 1 min.),
• Ispitivanje udarnim naponom atmosferskog porijekla (1.2/50 s),
• Ispitivanje udarnim sklopnim naponom (250/2500 s),
• Ispitivanje parcijalnih izbijanja,
• Ispitivanje u uvjetima umjetnog zagađenja I
• Dielektrična ispitivanja pomoćnih strujnih krugova.
39
DIELEKTRIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
ISPITIVANJE IZMJENIĈNIM NAPONOM INDUSTRIJSKE FREKVENCIJE
Provodi se tako da se za svaku ispitnu proceduru na sklopni aparat narine
ispitni izmjenični napon u trajanju 1 minutu. Aparat je zadovoljio ovo
ispitivanje ako ne dođe do proboja ili preskoka. Za aparate za vanjsku
montažu nazivnog napona < 300 kV ispitivanje se provodi i sa kišom, dok se
za aparate nazivnog napona > 300 kV ispitivanje provodi isključivo u suhim
uvjetima.
40
ISPITIVANJE UDARNIM NAPONOM ATMOSFERSKOG PORIJEKLA
Provodi se tako da se na sklopni aparat primjeni 15 pozitivnih i 15 negativnih
naponskih udara za svaku ispitnu proceduru. Aparat je zadovoljio ovo ispitivanje
ako je broj proboja ili preskoka manji od 2 za svaki ciklus od 15 udara. Za
sklopne aparate za vanjsku montažu potrebno je provesti i ispitivanje pod
kišom. Oblik ispitnog udarnog napona atmosferskog porijekla je standardiziran,
a karakteriziran je trajanjem čela vala (1.2 s) i trajanjem hrpta vala (50 s).
ISPITIVANJE UDARNIM SKLOPNIM NAPONOM
Provodi se samo na sklopnim aparatima nazivnog napona > 300 kV. Ispitni
postupak je ista kao i kod ispitivanja udarnim naponom atmosferskog porijekla.
Oblik ispitnog udarnog sklopnog napona je standardiziran, a karakteriziran je
trajanjem čela vala (250 s) i trajanjem hrpta vala (2500 s).
DIELEKTRIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
41
DIELEKTRIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Ispitni udarni napon atmosferskog porijekla
42
DIELEKTRIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Ispitni sklopni udarni napon
43
DIELEKTRIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Marxov udarni generator
44
DIELEKTRIĈKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Ispitni naponi prema IEC 60694
45
ATMOSFERSKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Pod pojmom atmosferskih naprezanja podrazumijeva se prvenstveno
naprezanja kojima su podvrgnuti sklopni aparati predviđeni za vanjsku
ugradnju, ali i naprezanja kojima su podvrgnuti aparati namijenjeni za
primjenu u industrijski zagađenim sredinama. Zbog toga oni moraju biti
dimenzionirani tako da podnesu pojave kao što su kondenzacija vlage,
kiša, snijeg, sloj leda ili mraza težine do 5 kg/m2, brze promjene okolne
temperature, tlak vjetra i do 7000 N/ m2, te efekte sunĉevog zraĉenja.
Osim ovih “normalnih” klimatskih naprezanja, sklopni aparati mogu biti
predviđeni i za rad u specijalnim pogonskim uvjetima. Razlog tome mogu
biti atmosferski uvjeti mnogo stroži od gore spomenutih, npr. izuzetno
niske (visoke) temperature okoline, velika vlažnost, jak vjetar koji puše
konstantno ili na udare i sl., te prirodna i umjetna zagađenja: magla, slana
atmosfera, gljivice i bakterije, prašina, kemijska isparenja i zapaljivi
plinovi.
46
ATMOSFERSKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Određene vrste zagađenja (npr. vlaga, kemijska isparenja ili slana
atmosfera) mogu povećati eroziju i oksidaciju metalnih dijelova, međutim
najveći uzrok kvarova u postrojenju nastaje zbog zagađenja krute izolacije.
Upravo zbog toga potrebno je klizne staze vanjskih izolatora vrlo pažljivo
dimenzionirati i oblikovati tako da se utjecaj zagađenja na eventualni
preskok svede na minimum.
Istraživanje pojava vezanih uz preskok na izolatoru u uvjetima zagađene
atmosfere idu u dva pravca: stvaranje fizikalno-matematičke slike preskoka
i eksperimentalno ispitivanje svojstava izolatora u različitim uvjetima
prirodnog i umjetnog zagađenja.
47
NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Eksperimentalno ispitivanje svojstava izolatora
u razliĉitim uvjetima prirodnog i umjetnog zagaĊenja
48
ATMOSFERSKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Ispitivanje utjecaja atmosfere na otvorene plosnate kontakte presjeka
45 x 30 mm2, u suhoj prostoriji na temperaturi 70 0C.
Kontakti su zatvarani samo u trenutku mjerenja kontaktnog otpora.
49
ATMOSFERSKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Poseban problem javlja se kod kontaktnih spojeva od različitih metala. Pri
tome se najčešće susreće spoj bakra i aluminija. Naime vodiči sklopnih
aparata redovito se izvode od bakra, a priključnice obično od aluminija.
Korozija kontakata sastavljenih od raznih metala, stvara se brže nego na
kontaktima od istog metala. Razlog tome je u činjenici da se između
različitih metala stvara galvanski par. Ako u raspor između kontaktnih
površina prodire vlaga, jedan od kontakata koji ima negativni potencijal u
odnosu na drugi, razara se.
Elektrokemijski potencijal bakra je +0.52 V, a aluminija -1.34 V, pa je
razlika potencijala izmeĊu njih 1.86 V. Pošto je elektrokemijski potencijal
aluminija negativan, u kombinaciji bakar-aluminij, upravo će se on razarati
elektrokemijskom korozijom.
50
ATMOSFERSKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Za zaštitu kontaktnih materijala od starenja koriste se slijedeće metode i
postupci:
• presvlačenje kontaktnih površina tankim slojem metala (kositar, srebro,
kadmij, bakar i dr.),
• čišćenje kontaktnih površina vazelinom, I
• samočišćenje tokom sklapanja (trljanje i/ili udaranje kontaktnih površina
jedne o drugu).
51
ATMOSFERSKA NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA
Ispitivanje visokonaponskog prekidaĉa na potres
52
NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA – elektriĉni luk
Isklapanje 500 kV rastavljaĉa bez napona
53
NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA – elektriĉni luk
Isklapanje 500 kV rastavljaĉa bez napona
54
NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA – elektriĉni luk
Zemljospojnik 35 kV – ispitivanje strujom kratkog spoja
55
HVALA NA PAŽNJI !
Recommended