POLITECHNIKA POZNAŃSKA LABORATORIUM GOSPODARKI I SYSTEMÓW ENERGETYCZNYCH	Paweł Wojtalewicz Rafał Parszutowicz Kamil Zawół Jakub Orepuk Michał Łygo Hubert Klupa Kacper Mazur
	WYDZIAŁ
	Elektryczny
PROWADZĄCY:	ROK STUDIÓW
dr inż. R. Batura	II
Ćwiczenie odrobiono dnia:	Sprawozdanie oddano dnia:
19.03.2014r.	16.04.2014r.
NR	TEMAT ĆWICZENIA:
4.	Techniczna metoda pomiaru impedancji pętli zwarciowej.

1. Cel ćwiczenia:

Zbadanie skuteczności ochrony przeciwporażeniowej (wyłączniki instalacyjne nadmiarowo-prądowe typu B) w sieci typu TN-C.

1. Schemat połączeń:

Układ sieciowy TN-C:

• T (fr. terre – ziemia) – punkt neutralny posiada bezpośrednie połączenie z ziemią;

• N (fr. neutre – neutralny) – odbiorniki energii elektrycznej połączone z ziemią poprzez sieć zasilającą;

• C (fr. combine – wspólny) - sieć z przewodem neutralno-ochronnym PEN.

L1, L2, L3 – przewody fazowe.

Wyłączniki instalacyjne nadmiarowo-prądowe:

• w fazie L1 – S191 B8,

• w fazie L2 – S192 B10,

• w fazie L3 – S191 B16.

Dane znamionowe:

• silnika:

Un [V]	220/380
Pn [W]	60
n [obr/min]	1400
Dla f = 50 Hz:
∆	In = 0,8 A

• rezystorów:

R [Ω]	12
I [A]	4,6
U [V]	250

1. Przebieg i wyniki pomiarów:

Zastosowano metodę techniczną pomiaru impedancji pętli zwarcia, bazującą na wykonaniu sztucznego zwarcia przewodu fazowego obwodu zasilania urządzenia z jego częścią przewodzącą dostępną. Początkowo zmierzono napięcie znamionowe sieci względem ziemi U₀ (bez zwarcia wyłącznika S2). Następnie dokonano szeregu zwarć dla każdej z faz. Mierzono spadki napięcia U_2R na rezystancji R_z. Rezystancję tę stanowiły 2 rezystory suwakowe, każdy po 12Ω, regulowano jednak tylko oporem jednego z nich, drugi natomiast stanowił zabezpieczenie. Dokonywano również pomiarów prądu I_p.

U₀ = 230,8V

• faza L1

L.p.	Ip [A]	U2R [V]
1.	8,8	224,8
2.	9,8	224,2
3.	11,6	223,1
4.	13,2	222,1
5.	14,1	221,7
6.	16,6	220,1

• faza L2

L.p.	Ip [A]	U2R [V]
1.	8,6	223,3
2.	10,4	221,9
3.	11,2	221,4
4.	12,6	220,8
5.	14,6	219,9
6.	16,8	218,4

• faza L3

L.p.	Ip [A]	U2R [V]
1.	8,6	223,1
2.	9,4	222,5
3.	10,6	222,2
4.	11,9	221,4
5.	13,9	220,4
6.	16,7	218,7

1. Obliczenia:

Wykorzystane wzory:

• rezystancja pętli zwarciowej:

$$R_{s} = \frac{U_{R}}{I_{\text{pR}}} = \frac{U_{1} - U_{2R}}{I_{p}}$$

• impedancja pętli zwarciowej:

$$Z_{s} = \sqrt{{R_{s}}^{2} + {X_{s}}^{2}}$$

X_s = 0

Z_s = R_s

• warunek skutecznej ochrony przetężeniowej realizowanej poprzez samoczynne wyłączenie zasilania:

Z_s • I_a ≤ U₀

$$I_{a} \leq \frac{U_{0}}{Z_{s}} = I_{z}$$

Z_s – impedancja pętli zwarcia

I_a – prąd zapewniający szybkie samoczynne zadziałania wyłącznika instalacyjnego; najdłuższy czas dla układu TN i U₀ = 230V wynosi t_w = 0,4s

I_z – prąd zwarcia jednofazowego

Przykładowe obliczenia i sprawdzenie warunku skuteczności ochrony przeciwporażeniowej:

Faza L1, pomiar 1.:

$${Z_{s} = R}_{s} = \frac{U_{R}}{I_{\text{pR}}} = \frac{U_{0} - U_{2R}}{I_{p}} = \frac{230,8 - 224,8}{8,8} = 0,681818 \approx 0,682\ \lbrack\Omega\rbrack$$

$$I_{z} = \frac{U_{0}}{Z_{s}} = \frac{230,8}{0,681818} = 338,50667 \approx 338,5\ \left\lbrack A \right\rbrack > 40\ \left\lbrack A \right\rbrack = \ I_{a}$$

Wniosek:

Prąd zwarcia jednofazowego miałby wartość większą niż 40A i przyczyniłby się do zadziałania wyłącznika instalacyjnego S191 B8 po czasie nie dłuższym niż 0,2s. Zastosowana ochrona przeciwporażeniowa jest skuteczna.

1. Zestawienie wyników pomiarów i obliczeń:

• faza L1 (I_n = 8A, I_a = 40A)

L.p.	Ip [A]	U2R [V]	Zs [Ω]	Iz = U0/Zs [A]
1.	8,8	224,8	0,682	338,5
2.	9,8	224,2	0,673	342,7
3.	11,6	223,1	0,664	347,7
4.	13,2	222,1	0,659	350,2
5.	14,1	221,7	0,645	357,6
6.	16,6	220,1	0,645	358,1

• faza L2 (I_n = 10A, I_a = 50A)

L.p.	Ip [A]	U2R [V]	Zs [Ω]	Iz = U0/Zs [A]
1.	8,6	223,3	0,872	264,7
2.	10,4	221,9	0,856	269,7
3.	11,2	221,4	0,839	275,0
4.	12,6	220,8	0,794	290,8
5.	14,6	219,9	0,747	309,1
6.	16,8	218,4	0,738	312,7

• faza L3 (I_n = 16A, I_a = 80A)

L.p.	Ip [A]	U2R [V]	Zs [Ω]	Iz = U0/Zs [A]
1.	8,6	223,1	0,895	257,8
2.	9,4	222,5	0,883	261,4
3.	10,6	222,2	0,811	284,5
4.	11,9	221,4	0,790	292,2
5.	13,9	220,4	0,748	308,5
6.	16,7	218,7	0,725	318,5

1. Wykresy impedancji obwodu zwarciowego w funkcji prądu pomiarowego:

2. Wnioski:

Pomiary impedancji pętli zwarciowych mają na celu sprawdzenie skuteczności działania urządzeń ochrony, których zadaniem jest szybkie, samoczynne wyłączenie zasilania w przypadku jednofazowych zwarć z obudową urządzeń połączonych z przewodami ochronnymi PE lub PEN. Wymaganie ochrony zostaje spełnione, o ile spodziewany prąd zwarcia jednofazowego jest większy niż prąd zadziałania zabezpieczeń zwarciowych.

Ochrona przeciwporażeniowa pod postacią wyłączników instalacyjnych nadmiarowo-prądowych o charakterystyce czasowo-prądowej typu B okazała się być dobrze dobraną oraz skuteczną. Nie zanotowano przypadku, aby obliczony prąd zwarcia jednofazowego miał wartość mniejszą niż prąd zadziałania wyłącznika instalacyjnego po czasie nie dłuższym niż 0,2s. W praktyce stosuje się jednak jednakowe zabezpieczenie dla każdej z faz.

Otrzymane wyniki badań mogą być obarczone dość dużymi błędami, ponieważ wartości impedancji pętli zwarciowych, jak również prądów zwarciowych, otrzymuje się na drodze obliczeń. Należy zauważyć, że w mianowniku wyrażenia na I_z występuje różnica mierzonych napięć o zbliżonych wartościach:

$$I_{z} = \frac{U_{0}}{Z_{s}} = \frac{U_{0}}{\frac{U_{0} - U_{2R}}{I_{p}}} = \frac{U_{0}I_{p}}{\mathbf{U}_{\mathbf{0}}\mathbf{-}\mathbf{U}_{\mathbf{2}\mathbf{R}}}$$

Z pewnością przyczynia się to do wielokrotnie większych błędów końcowych wyników obliczeń niż błędów samych pomiarów napięć. Mimo wskazanej powyżej niedokładności wyznaczenia spodziewanych wartości prądów zwarciowych, stwierdzenie skuteczności ochrony przeciwporażeniowej w badanej sieci nie podlega wątpliwości z tego względu, iż obliczone wartości I_z przewyższały co najmniej kilkukrotnie prądy szybkiego zadziałania wyłączników instalacyjnych. W celu otrzymania dokładniejszych wyników, można by zwiększyć prąd pomiarowy.

Na podstawie wykresów wykreślonych w punkcie 6. można wnioskować o zachowaniu impedancji obwodu zwarciowego w funkcji prądu pomiarowego Z_s(I_a). Impedancja ta maleje w miarę wzrostu wskazanego prądu, co przyczynia się jednocześnie do większej prognozowanej wartości prądu zwarcia.