NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA TEHNIĈKO VELEUĈILIŠTE U

NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA

TEHNIĈKO VELEUĈILIŠTE U ZAGREBU ELEKTROTEHNIĈKI ODJEL

Prof. dr.sc. KREŠIMIR MEŠTROVIĆ

2


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


POSLJEDICE

• oštećenje izolacije,

• taljenje lemnih spojeva,

• gubitak elastičnih svojstava metalnih dijelova,

• oksidacija kontakata,

• taloženje štetnih produkata raspada,

• pregaranje svitaka itd.

5


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


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


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


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


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


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


Zagrijavanje za vrijeme prijelaznih procesa

t

Z et 1max

t

H et

max

13


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


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


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


Utjecaj duljine i razmaka izmeĊu vodiĉa na silu

18


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


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


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


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


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


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


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


Ispitne sile za visokonaponske rastavljaĉe

FC

Veličine sila u skladu s IEC 62271 - 102

27


Mehaniĉko ispitivanje zaleĊenog rastavljaĉa - isklop

28


Mehaniĉko ispitivanje zaleĊenog rastavljaĉa - uklop

29


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


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


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


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


Paschenove krivulje

35


Proboj u krutim izolatorima ovisi o trajanju narinutog napona, pa je

uobičajeno govoriti o nekoliko različitih mehanizama proboja ovisno o trajanju

naponskog naprezanja.

36


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.


38


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


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).


41


Ispitni udarni napon atmosferskog porijekla

42


Ispitni sklopni udarni napon

43


Marxov udarni generator

44


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


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


Eksperimentalno ispitivanje svojstava izolatora

u razliĉitim uvjetima prirodnog i umjetnog zagaĊenja

48


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


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


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


Ispitivanje visokonaponskog prekidaĉa na potres

52

NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA – elektriĉni luk

Isklapanje 500 kV rastavljaĉa bez napona

53


Isklapanje 500 kV rastavljaĉa bez napona

54


Zemljospojnik 35 kV – ispitivanje strujom kratkog spoja

55

HVALA NA PAŽNJI !

Documents

NAPREZANJA SKLOPNIH APARATA TEHNIĈKO VELEUĈILIŠTE U