Politechnika Częstochowska

Wydział Elektryczny

Laboratorium

Zakłócenia w układach elektronicznych

Temat: Badanie podstawowych systemów ochrony przeciwporażeniowej.

.

Studia niestatcjonarne II stopnia

Semestr I

Grupa dziekańska I

Rok akademicki 2011/2012

Krzysztof Giesko

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie podstawowych układów ochrony przeciwporażeniowej przed dotykiem pośrednim (ochrony dodatkowej) opartych na samoczynnym wyłączaniu zasilania oraz z metodami badania sprawności tych układów w trakcie ich eksploatacji.

1. Przebieg ćwiczenia i wyniki pomiarów

Badanie wyłącznika różnicowoprądowego

W pierwszej części ćwiczenia zestawiono układ wg schematu z rysunku 1. Badany układ zasilany jest z trójfazowego transformatora obniżającego napięcie 3x400/38 V dzięki czemu stanowisko pomiarowe zasilane jest bezpiecznym napięciem trójfazowym 3x38 V. Elementem badanym jest wyłącznik różnicowoprądowy oznaczony na schemacie jako F2, charakteryzujący się następującymi parametrami: napięcie znamionowe U_n=38 V, prąd znamionowy ciągły I_n=25 A, prąd różnicowy I_∆=30 mA. Z wyłącznika jest zasilany symetryczny odbiornik trójfazowy. Układ posiada dodatkowo 5 rezystancji które mogą być dowolnie włączane pomiędzy obudowę odbiornika a zacisk PE modelujący impedancję uziemienia podczas przebicia do obudowy a tym samym określają wielkość prądu asymetrycznego, którego wartość decyduje o zadziałaniu wyłącznika różnicowoprądowego.

Rys.1. Układ do badania skuteczności działania wyłącznika różnicowoprądowego.

Po przyłączeniu kolejnych oporników (R1, R2, R3, R4, R5) zanotowano wartości prądu w tabeli 1, sprawdzając równocześnie czy przy zastosowaniu wybranej rezystancji wyłącznik różnicowoprądowy zadziałał.

Tabela 1

Lp.	R [Ω]	I [mA]	Wyłącznik zadziałał	Wyłącznik nie zadziałał
1	R5 (10kΩ)	2,2		+
2	R4 (2kΩ)	11,0		+
3	R3 (1,12kΩ)	18,5		+
4	R2 (0,74kΩ) + rezystor potencjometryczny	21,5	+
5	R1(0,18kΩ)	-	+

Postępując w wyżej wymieniony sposób wymuszono przepływ prądu różnicowego zależnego od wartości rezystora znajdującego się aktualnie w obwodzie prądu różnicowego.

Przykład:

$$I_{} = \frac{U_{f}}{R} = \frac{22\ \lbrack V\rbrack}{2000\ \lbrack\mathrm{\Omega}\rbrack} = 11\ \lbrack mA\rbrack$$

W przypadku czwartym wartość prądu różnicowego można było zmieniać w sposób płynny, a tym samym zmierzyć rzeczywisty różnicowy prąd zadziałania badanego wyłącznika różnicowoprądowego I_∆n. W układzie pomiarowym z rezystorem R1, wyłącznik przerywał obwód natychmiastowo, bowiem zgodnie z obliczeniami wymuszony prąd różnicowy (122 mA) wielokrotnie przekraczał znamionowy prąd różnicowy wyłącznika.

Na podstawie otrzymanych wyników można stwierdzić, że badany wyłącznik jest sprawny bowiem zgodnie z wymaganiami dla tego typu wyłączników prąd zadziałania nie był mniejszy niż 0,5 I_∆n i jednocześnie mieścił się w wymaganym przedziale
0,5 do 1,0 I_∆n. tzn. w tym przypadku 15 do 30 mA.

Badanie skuteczności zadziałania wyłączników nadprądowych

Podstawowymi elementami układu z rysunku 2, są trzy badane wyłączniki nadprądowe oznaczone na schemacie jako F3, F4 i F5 charakteryzujące się następującymi parametrami: napięcie znamionowe U_n=22 V, prąd znamionowy ciągły I_n=0,3 A (F3) I_n=1 A (F4, F5). Odbiornik jednofazowy podłączany był do każdego z badanego wyłączników. Układ posiada dodatkowo zacisk zwarciowy oraz 3 oporniki, które włączane były pomiędzy obudowę odbiornika a zacisk PE. Modelowały one rezystancję uziemienia. Dodatkowo mierzono prąd oraz czas po jakim zadziałał wyłącznik. Pomiar czasu można wykorzystać do wyznaczenia charakterystyki czasowo-prądowej wyłączników.

Otrzymane wyniki zamieszczono odpowiednio w tabelach 2, 3 i 4.

Rys.2. Układ do badania skuteczności działania wyłączników nadprądowych.

Tabela 2

Wyłącznik F3 o charakterystyce C 0,3
Lp.
1
2
3
4

Tabela 3

Wyłącznik F4 o charakterystyce C1
Lp.
1
2
3
4

Tabela 4

Wyłącznik F5 o charakterystyce B1
Lp.
1
2
3
4

Granica zadziałania wyzwalaczy termobimetalowych typu B zawiera się od 1,13 do 1,45 krotności prądu znamionowego wyłączników (temperatura odniesienia 30°C). Obszar zadziałania wyzwalaczy elektromagnetycznych wynosi od 3 do 5 krotności prądu znamionowego.

Granica zadziałania wyzwalaczy termobimetalowych typu C zawiera się od 1,13 do 1,45 krotności prądu znamionowego wyłączników (temperatura odniesienia 30°C). Obszar zadziałania wyzwalaczy elektromagnetycznych wynosi od 5 do 10 krotności prądu znamionowego.

Na podstawie otrzymanych wyników należy stwierdzić, że badane wyłączniki są sprawne a ich zachowanie tzn. czas zadziałania w funkcji prądu odpowiada charakterystykom czasowo prądowym podawanym przez producentów.

Próba pomiaru czasu zadziałania wyłączników F4 i F5 o prądzie znamionowym 1A, przy prądzie wymuszonym 1A musiała zakończyć się niepowodzeniem, ponieważ granica zadziałania wyzwalaczy termobimetalowych typu C i B zawiera się od 1,13 do 1,45 krotności prądu znamionowego wyłączników. Próba wyzwolenia prądem 0,75A wyłącznika F3 o prądzie znamionowym 0,3A zakończyła się powodzeniem, ponieważ prąd wymuszony 2,5 krotnie przekraczał wartość prądu znamionowego wyłącznika.

Można zauważyć wyraźną zależność czasu wyzwolenia wyłączników od prądu płynącego przez mechanizm wyzwalający. Czas ten zdecydowanie skraca się wraz ze wzrostem prądu wyzwalającego. Przy zwarciu obwodu wyłącznik działa praktycznie natychmiastowo a czas jego zadziałania zgodnie z charakterystyką czasowo prądową nie powinien być dłuższy niż 0,1 sekundy.

Pomiar impedancji pętli zwarcia - sieć czteroprzewodowa TT

Odbiornik jednofazowy jest dołączany do wybranego wdanej chwili wyłącznika. Układ posiada dodatkowo rezystor regulacyjny, który włączony jest odpowiednio pomiędzy obudowę odbiornika a zacisk N w układzie czteroprzewodowym. Symuluje on zmienną impedancję pętli zwarciowej. Dodatkowo był mierzony prąd i napięcie niezbędne do wyznaczenia z pomiarów impedancji pętli zwarcia.

Rys. 3. Układ do wyznaczania impedancji pętli zwarcia w linii czteroprzewodowej TT

Wyniki pomiarów zamieszczono w tabeli 5.

Tabela 5

Układ TT
Lp.
1
2
3

$$Z_{s} = \frac{U_{p}}{I_{p}} = \frac{18,2}{0,38} = 47,9\ \left\lbrack \mathrm{\Omega} \right\rbrack$$

$$Z_{s} = \frac{U_{p}}{I_{p}} = \frac{16,8}{0,50} = 33,6\ \left\lbrack \mathrm{\Omega} \right\rbrack$$

$$Z_{s} = \frac{U_{p}}{I_{p}} = \frac{14,6}{0,73} = 20,0\ \left\lbrack \mathrm{\Omega} \right\rbrack$$

Wyniki obliczeń pętli zwarcia w układzie sieciowym TT uzyskane przy różnych prądach pomiarowych praktycznie nie różnią się między sobą. Na niewielkie różnice miała zapewne wpływ niedokładność odczytów wartości napięcia i prądu przez wykonujących ćwiczenie z przyrządów pomiarowych.

Pomiar impedancji pętli zwarcia - sieć pięcioprzewodowa TN-S

Układ posiada dodatkowo 3 rezystancje które są przyłączone pomiędzy obudowę odbiornika a zacisk PE i będą one modelować zmienną rezystancję uziemienia. Dodatkowo będzie mierzony prąd i napięcie które posłużą do obliczenia impedancji pętli zwarciowej.

Rys. 4. Układ do wyznaczania impedancji pętli zwarcia w linii pięcioprzewodowej TN-S

Tabela 6

Układ TN-S
Lp.
1
2
3

$$Z_{s} = \frac{U_{p}}{I_{p}} = \frac{7,4}{0,6} = 12,3\ \left\lbrack \mathrm{\Omega} \right\rbrack$$

$$Z_{s} = \frac{U_{p}}{I_{p}} = \frac{11}{0,9} = 12,2\ \left\lbrack \mathrm{\Omega} \right\rbrack$$

$$Z_{s} = \frac{U_{p}}{I_{p}} = \frac{10}{1,1} = 9,9\ \left\lbrack \mathrm{\Omega} \right\rbrack$$

1. Wnioski