Politechnika GdaÅ„ska WydziaÅ‚ Elektrotechniki i Automatyki Katedra Wysokich Napięć i Aparatów Elektrycznych Laboratorium Aparatów Elektrycznych Laboratorium Aparatury Elektrycznej Ćwiczenie nr 8 Temat: BEZPIECZNIKI TOPIKOWE NISKONAPICIOWE OpracowaÅ‚: mgr inż. Daniel Kowalak GdaÅ„sk 2007 0 1. Definicje [8] bezpiecznik topikowy aparat, który wskutek stopienia jednego lub wiÄ™cej specjalnie skonstruowanych i dobranych elementów topikowych przerywa obwód w okreÅ›lonym czasie, wyÅ‚Ä…czajÄ…c prÄ…d po przekroczeniu przez ten prÄ…d okreÅ›lonej wartoÅ›ci podstawa bezpiecznikowa część staÅ‚a bezpiecznika, wyposażona w styki, zaciski i obudowÄ™, jeÅ›li jest zastosowana główka bezpiecznikowa część ruchoma bezpiecznika przeznaczona do utrzymywania wkÅ‚adki topikowej wkÅ‚adka topikowa część bezpiecznika zawierajÄ…ca topik, przeznaczona do wymiany po jego zadziaÅ‚aniu topik część wkÅ‚adki topikowej przeznaczona do stopienia podczas dziaÅ‚ania bezpiecznika. WkÅ‚adka topikowa może zawierać kilka równolegÅ‚ych topików wkÅ‚adka topikowa zamkniÄ™ta wkÅ‚adka topikowa, w której topik(i) jest (sÄ…) caÅ‚kowicie zamkniÄ™ty(e) tak, że podczas dziaÅ‚ania wkÅ‚adki, w zakresie jej parametrów znamionowych, nie może ona powodować żadnych zagrożeÅ„ zewnÄ™trznych prÄ…d spodziewany obwodu prÄ…d, który popÅ‚ynie w obwodzie, gdy bezpiecznik zostanie zastÄ…piony poÅ‚Ä…czeniem o pomijalnej impedancji zdolność wyÅ‚Ä…czania wkÅ‚adki topikowej wartość (przy prÄ…dzie przemiennym wartość skuteczna skÅ‚adowej okresowej) prÄ…du spodziewanego, który wkÅ‚adka topikowa jest w stanie przerwać przy okreÅ›lonym napiÄ™ciu w danych warunkach użytkowania i dziaÅ‚ania zakres wyÅ‚Ä…czania zakres prÄ…dów spodziewanych, w którym zapewniona jest zdolność wyÅ‚Ä…czania wkÅ‚adki topikowej prÄ…d ograniczony najwiÄ™ksza chwilowa wartość, jakÄ… osiÄ…ga prÄ…d podczas wyÅ‚Ä…czania przez wkÅ‚adkÄ™ topikowÄ…, jeÅ›li jej dziaÅ‚anie zapobiega osiÄ…gniÄ™ciu przez prÄ…d najwiÄ™kszej możliwej wartoÅ›ci charakterystyka prÄ…du ograniczonego krzywa przedstawiajÄ…ca zależność prÄ…du ograniczonego od prÄ…du spodziewanego w okreÅ›lonych warunkach dziaÅ‚ania bezpiecznika czas przedÅ‚ukowy przedziaÅ‚ czasu miÄ™dzy poczÄ…tkiem wystÄ…pienia prÄ…du mogÄ…cego przetopić topik, a chwilÄ… zapÅ‚onu Å‚uku czas Å‚ukowy przedziaÅ‚ czasu miÄ™dzy chwilÄ… zapÅ‚ony Å‚uku, a chwilÄ… jego ostatecznego zgaszenia czas wyÅ‚Ä…czania suma czasów przedÅ‚ukowego i Å‚ukowego I2t (caÅ‚ka Joule a) caÅ‚ka kwadratu prÄ…du w danym czasie: t1 2 2 I t = dt +"i t0 Wartość I2t przedÅ‚ukowa jest caÅ‚kÄ… I2t w czasie przedÅ‚ukowym bezpiecznika. Wartość I2t wyÅ‚Ä…czania jest caÅ‚kÄ… I2t w czasie wyÅ‚Ä…czania. Energia wyrażona w dżulach, wydzielajÄ…ca siÄ™ na rezystancji 1 &! w obwodzie zabezpieczanym przez bezpiecznik jest liczbowo równa wartoÅ›ci I2t wyÅ‚Ä…czania wyrażonej w A2s charakterystyka I2t krzywa przedstawiajÄ…ca wartoÅ›ci I2t w zależnoÅ›ci od prÄ…du spodziewanego w okreÅ›lonych warunkach wyÅ‚Ä…czania prÄ…d znamionowy wkÅ‚adki bezpiecznikowej (In) wartość prÄ…du, który wkÅ‚adka topikowa może bez uszkodzenia przewodzić ciÄ…gle w okreÅ›lonych warunkach charakterystyka czasowo-prÄ…dowa krzywa przedstawiajÄ…ca czas przedÅ‚ukowy lub czas wyÅ‚Ä…czania w zależnoÅ›ci od prÄ…du spodziewanego w okreÅ›lonych warunkach wyÅ‚Ä…czania 1 Bezpiecznik topikowy jest aparatem, który ma za zadanie wyÅ‚Ä…czenie, chronionego przez niego obwodu, w przypadku przekroczenia dopuszczalnej wartoÅ›ci prÄ…du. WyÅ‚Ä…czenie powinno nastÄ…pić w takim czasie, aby w nastÄ™pstwie przeciążenia lub zwarcia nie wystÄ…piÅ‚o uszkodzenie lub zniszczenie odbiornika energii elektrycznej i chronionego obwodu. Bezpiecznik odpowiadajÄ…cy wymaganiom instalacji elektrycznej pod wzglÄ™dem poprawnoÅ›ci zabezpieczenia i nie stwarzajÄ…cy zagrożenia dla otoczenia jest urzÄ…dzeniem o zÅ‚ożonej budowie. Budowa jego zależy m.in. od: rodzaju chronionej instalacji, rodzaju obiektu zabezpieczonego, dopuszczalnego stopnia zagrożenia dla otoczenia oraz stopnia narażenia bezpieczników ze strony otoczenia.[1] 2. Budowa bezpiecznika KonstrukcjÄ™ bezpiecznika instalacyjnego przedstawiono na rys. 1a. a) b) Rys. 1a). Bezpiecznik instalacyjny w przekroju: 1 korpus gniazda, 2 pokrywa gniazda, 3 wstawka kalibrowa, 4 główka, 5 wziernik główki, 6 szyna gniazda, 7 zacisk wejÅ›ciowy, 8 zestyk gwintowy, 9 zacisk wyjÅ›ciowy, 10 wkÅ‚adka bezpiecznikowa z topikiem, [3], b) rozwiÄ…zania elementów topikowych Podstawowym elementem każdego bezpiecznika jest wkÅ‚adka topikowa zbudowana z korpusu wykonanego w postaci rury. Korpus wkÅ‚adki wykonany jest najczęściej z porcelany i peÅ‚ni rolÄ™ izolatora oraz zapewnia dobre odprowadzenie ciepÅ‚a. Rura izolacyjna powinna wytrzymać dÅ‚ugotrwale podwyższonÄ… temperaturÄ™ wynikajÄ…cÄ… z przepÅ‚ywu prÄ…du przez bezpiecznik oraz być odporna na udary cieplne powstajÄ…ce podczas wyÅ‚Ä…czania prÄ…du. W Å›rodku rury izolacyjnej znajduje siÄ™ topik wykonany w postaci drutu lub taÅ›my, rys.1b. Zadaniem topika jest przerywanie prÄ…du przeciążeniowego poprzez jego przepalenie lub zwarciowego poprzez jego rozpad. Topiki na maÅ‚e prÄ…dy znamionowe rzÄ™du 1 mA 10 A wykonane sÄ… najczęściej w postaci drutu ze srebra ze wzglÄ™du na intensywne utlenianie siÄ™ miedzi w powietrzu. Dla prÄ…dów znamionowych powyżej 10 A topiki buduje siÄ™ w postaci taÅ›m srebrnych, miedzianych posrebrzonych. Konstrukcja topika ma szczególne znaczenie na ksztaÅ‚towanie wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci wyÅ‚Ä…czeniowych wkÅ‚adki bezpiecznikowej, wobec czego stosuje siÄ™ specjalne zabiegi polegajÄ…ce na miejscowym przewężeniu topika lub stosuje siÄ™ tzw. miejsca przeciążeniowe wykonane ze stopu cyny i oÅ‚owiu. Istnieje możliwość Å‚Ä…czenia równolegle kilku topików ze sobÄ…. DziÄ™ki temu zabiegowi można zwiÄ™kszać dowolnie prÄ…dy znamionowe wkÅ‚adek topikowych. Topik jest umieszczony w gasiwie z piasku kwarcowego o odpowiednim granulacie. Zadaniem gasiwa jest intensywne chÅ‚odzenie i szybkie odprowadzenie ciepÅ‚a z Å‚uku elektrycznego, który powstaje po przepaleniu topika. Ponadto gasiwo musi zapewniać odpowiedniÄ… wytrzymaÅ‚ość elektrycznÄ… zarówno przed i po przepaleniu topika. 2 Topik zamocowany jest to okuć (styków) znajdujÄ…cych siÄ™ na koÅ„cach korpusu wkÅ‚adki. Okucia i styki wykonywane sÄ… blachy mosiężnej lub miedzianej pokrytej srebrem. Okucia sÅ‚użą do szczelnego zamkniÄ™cia komory gaszeniowej w celu uniemożliwienia przedostania siÄ™ na zewnÄ…trz produktów powstaÅ‚ych w wyniku wyÅ‚Ä…czania prÄ…du. Okucia powinny cechować siÄ™ możliwie maÅ‚Ä… rezystancjÄ… (jeÅ›li przewodzÄ… prÄ…d), jak również muszÄ… być odporne na gwaÅ‚towne zmiany temperatury i ciÅ›nienia. Styki powinny charakteryzować siÄ™ przede wszystkim możliwie maÅ‚Ä… rezystancjÄ…, niezmiennÄ… w wyniku zmian temperatury. Podstawa bezpiecznikowa skÅ‚ada siÄ™ z części izolacyjnych oraz z części przewodzÄ…cych prÄ…d. Konstrukcja podstawy bezpiecznikowej powinna odznaczać siÄ™: odpornoÅ›ciÄ… na dÅ‚ugotrwaÅ‚e i którtkotrwaÅ‚e temperatury i ich zmiany podczas normalnej pracy bezpiecznika, odpowiedniÄ… wytrzymaÅ‚oÅ›ciÄ… elektrycznÄ…, pomiÄ™dzy częściami przewodzÄ…cymi prÄ…d oraz częściami konstrukcyjnymi, wytrzymaÅ‚oÅ›ciÄ… na naprężenia mechaniczne powstaÅ‚e w czasie montażu, eksploatacji oraz podczas przepÅ‚ywu prÄ…dów zwarciowych, zdolnoÅ›ciÄ… utrzymania ksztaÅ‚tu i wymiarów pomimo zmian temperatury [1]. 3. Dane znamionowe bezpiecznika Bezpieczniki topikowe charakteryzujÄ… nastÄ™pujÄ…ce parametry elektryczne: napiÄ™cie znamionowe wartość najniższego napiÄ™cia znamionowego elementów wchodzÄ…cych w skÅ‚ad bezpiecznika (podstawa zespolona, wkÅ‚adka topikowa); prÄ…d znamionowy wartość prÄ…du wyrażona w amperach, jakÄ… można dÅ‚ugotrwale obciążyć bezpiecznik. WartoÅ›ci prÄ…dów znamionowych sÄ… znormalizowane bÄ™dÄ…ce liczbami normalnymi z ciÄ…gu R10 (zaokrÄ…glona wartość wyrazu ciÄ…gu 10 geometrycznego o ilorazie 10 , np.: 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250 A) rodzaj prÄ…du i czÄ™stotliwość znamionowa; znamionowa strata mocy moc wydzielona w postaci ciepÅ‚a w bezpieczniku w wyniku przepÅ‚ywu przez niego prÄ…du znamionowego, nie powodujÄ…ca przekroczenie dopuszczalnej temperatury w okreÅ›lonych warunkach pracy; charakterystyki czasowo-prÄ…dowe t-I wykresy przedstawiajÄ…ce zależność czasu, który upÅ‚ywa od chwili obciążenia aparatu prÄ…dem przeciążeniowym do chwili wyÅ‚Ä…czenia jego przez wkÅ‚adkÄ™ bezpiecznikowÄ… w funkcji wartoÅ›ci tego prÄ…du; zakres wyÅ‚Ä…czania przedziaÅ‚ prÄ…dów, w którym wyÅ‚Ä…czanie prÄ…du zakłóceniowego nie spowoduje wydzielenie nadmiernej iloÅ›ci ciepÅ‚a w wkÅ‚adce topikowej, mogÄ…cej doprowadzić do uszkodzenia bezpiecznika; znamionowa zdolność wyÅ‚Ä…czania najwiÄ™ksza wartość prÄ…du spodziewanego, przy której nastÄ™puje pewne i bezpieczne wyÅ‚Ä…czenie prÄ…du przez bezpiecznik w okreÅ›lonych warunkach zasilania; charakterystyki prÄ…du ograniczonego wykresu przedstawiajÄ…cego zależność prÄ…du ograniczonego przez bezpiecznik w funkcji prÄ…du spodziewanego zwarciowego w okreÅ›lonych warunkach zasilania; charakterystyki I2t przedÅ‚ukowej i wyÅ‚Ä…czania wykresu przedstawiajÄ…cego caÅ‚kÄ™ Joule a w funkcji spodziewanego prÄ…du zwarciowego w danych warunkach zasilania. CaÅ‚kÄ™ Joule a można rozumieć jako energie przepuszczonÄ… przez wkÅ‚adkÄ™ bezpiecznikowÄ… podczas przeciążenia i (lub) zwarcia, wytraconÄ… na rezystorze o wartoÅ›ci 1 &!. 4. PodziaÅ‚ bezpieczników Ze wzglÄ™du na stosowane napiÄ™cie znamionowe sieci wyróżnia siÄ™ bezpieczniki wysokonapiÄ™ciowe i niskonapiÄ™ciowe. Bezpieczniki pracujÄ…ce przy napiÄ™ciu nie przekraczajÄ…cym 1000 V zalicza siÄ™ do grupy bezpieczników niskonapiÄ™ciowych, bezpieczniki pracujÄ…ce przy napiÄ™ciu powyżej 1000 V do grupy bezpieczników wysokonapiÄ™ciowych. W zależnoÅ›ci od przeznaczenia rozróżnia siÄ™: bezpieczniki miniaturowe stosowane jako część skÅ‚adowa urzÄ…dzeÅ„ elektronicznych i przyrzÄ…dów i aparatów elektrycznych; 3 bezpieczniki instalacyjne stosowane w ukÅ‚adach instalacji elektrycznej, w których wartość prÄ…du znamionowego chronionych obwodów nie przekracza 63 A; bezpieczniki stacyjne stosowane w ukÅ‚adach przemysÅ‚owych oraz ukÅ‚adach wielkiej mocy. PrawidÅ‚owy dobór bezpiecznika powinien wynikać z wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci chronionych urzÄ…dzeÅ„. Ze wzglÄ™du na typ charakterystyki czasowo prÄ…dowej (klasÄ™ bezpiecznika) bezpieczniki niskonapiÄ™ciowe można podzielić na bezpieczniki o peÅ‚nozakresowej zdolnoÅ›ci wyÅ‚Ä…czeniowej oznaczanej literÄ… g i bezpieczniki o niepeÅ‚nozakresowej zdolnoÅ›ci wyÅ‚Ä…czeniowej oznaczanej literÄ… a . Ze wzglÄ™du na kategoriÄ™ użytkowania wkÅ‚adki bezpiecznikowe można podzielić na: ogólnego przeznaczenia oznaczane literÄ… G , szybkie literÄ… F , wkÅ‚adki zabezpieczajÄ…ce silniki i urzÄ…dzenia rozdzielcze M , wkÅ‚adki do zabezpieczenia urzÄ…dzeÅ„ półprzewodnikowych R , wkÅ‚adki do zabezpieczenia transformatorów Tr , wkÅ‚adki do zabezpieczenia urzÄ…dzeÅ„ w podziemiach kopalÅ„ B [2]. 5. Charakterystyki bezpieczników 5.1. Charakterystyka czasowo-prÄ…dowa t-I Charakterystyka czasowo-prÄ…dowa t-I okreÅ›la czas jaki upÅ‚ynie od chwili obciążenia bezpiecznika prÄ…dem przeciążeniowym do momentu wyÅ‚Ä…czenia tego prÄ…du przez wkÅ‚adkÄ™ bezpiecznikowÄ…. PrzykÅ‚adowÄ… charakterystykÄ™ czasowÄ…-prÄ…dowÄ… t-I wkÅ‚adek bezpiecznikowych pokazano na rys. 2a. Na osi odciÄ™tych zamieszczono wartoÅ›ci skuteczne prÄ…dów przepÅ‚ywajÄ…cych przez bezpiecznik, który od chwili obciążenia go prÄ…dem ma temperaturÄ™ otoczenia. Na osi rzÄ™dnych podaje siÄ™ czas dziaÅ‚ania wkÅ‚adki bezpiecznikowej zawierajÄ…cy siÄ™ w przedziale: od doÅ‚u liniÄ… najmniejszych czasów przedÅ‚ukowych, a od góry najwiÄ™kszym czasem wyÅ‚Ä…czania wkÅ‚adki bezpiecznikowej. UksztaÅ‚towanie charakterystyki czasowo-prÄ…dowej t-I realizuje siÄ™ metodami konstrukcyjnymi poprzez odpowiednie uksztaÅ‚towanie przewężeÅ„ i ich liczby w elemencie topikowym. Najczęściej realizuje siÄ™ to poprzez: stosowanie przewężeÅ„ w topiku za pomocÄ… otworów o różnym ksztaÅ‚cie i wielkoÅ›ci w stosunku do caÅ‚kowitej powierzchni przekroju elementu topikowego, nanoszenie na topik lutowia cynowo-oÅ‚owiowego , powodujÄ…cego efekt metalurgiczny albo substancji chemicznej wywoÅ‚ujÄ…cej efekt chemiczny lub stosowanie dodatkowych chÅ‚odnic lub grzejników. Przewężenia topika powodujÄ… przyspieszone dziaÅ‚anie bezpiecznika, lutowia natomiast wywoÅ‚ujÄ… odzwÅ‚ocznienie charakterystyki t-I. 5.2. Charakterystyka prÄ…dów ograniczonych i0-Ik Charakterystyka prÄ…dów ograniczonych okreÅ›lajÄ… wartość prÄ…du ograniczonego prze bezpiecznik w funkcji wartoÅ›ci skutecznej skÅ‚adowej okresowej prÄ…du zwarciowego. CharakterystykÄ™ prÄ…dów ograniczonych wkÅ‚adek bezpiecznikowych pokazano na rys. 2b. Przy maÅ‚ych prÄ…dach przeciążeniowych efekt ograniczenia prÄ…du nie wystÄ™puje, tzn. bezpiecznik przepuszcza jego peÅ‚nÄ… wartość szczytowÄ…. Przy odpowiednio dużych prÄ…dach zwarciowych rozpad topika nastÄ™puje przed wystÄ…pieniem wartoÅ›ci udarowej prÄ…du zwarciowego, wobec czego szczytowa wartość przepuszczonego impulsu prÄ…dowego (prÄ…d ograniczony) jest mniejsza od szczytowej wartoÅ›ci prÄ…du spodziewanego [3]. Zjawisko ograniczenia prÄ…du zwarciowego pozwala okreÅ›lić stopieÅ„ narażeÅ„ chronionego obwodu od siÅ‚ elektrodynamicznych. 4 a) b) Rys. 2. a) Charakterystyki czasowo-prÄ…dowe pasmowe bezpieczników klasy gL, b) prÄ…dów ograniczonych bezpieczników klasy gL [2] 5.3. Charakterystyka caÅ‚ki Joule a przedÅ‚ukowej I2tp, wyÅ‚Ä…czania I2tw Charakterystyka I2t-I (przedÅ‚ukowej I2tp, wyÅ‚Ä…czania I2tw) okreÅ›la zależność pomiÄ™dzy caÅ‚kÄ… Joule a, a wartoÅ›ciÄ… skutecznÄ… skÅ‚adowej okresowej prÄ…du zwarciowego. CaÅ‚ka Joule a jest miarÄ… energii przepuszczonej przez wkÅ‚adkÄ™ bezpiecznikowÄ… i wszystkie elementy chronionego obwodu w okreÅ›lonym czasie (przedÅ‚ukowym tp, wyÅ‚Ä…czania tw) i wydzielonÄ… w postaci ciepÅ‚a. CharakterystykÄ™ caÅ‚ki Joule a przedÅ‚ukowÄ… I2tp i wyÅ‚Ä…czania I2tw pokazano na rys. 4. Rys. 3. Charakterystyka caÅ‚ki Joule a przedÅ‚ukowej I2tp i wyÅ‚Ä…czania I2tw [4] CaÅ‚ka Joule a przedÅ‚ukowa I2tp bezpiecznika ze wzrostem prÄ…du spodziewanego poczÄ…tkowo maleje, natomiast w zakresie dużych prÄ…dów zwarciowych ustala siÄ™ na okreÅ›lonym poziomie. Wartość przepuszczonej energii zależy od przekroju topika w miejscach przewężeniowych i okreÅ›la w ten sposób zdolność ograniczenia prÄ…du zwarciowego przez bezpiecznik. CaÅ‚ka Joule a przedÅ‚ukowa I2tp zależy tylko od parametrów konstrukcyjnych wkÅ‚adki topikowej. CaÅ‚ka Joule a wyÅ‚Ä…czania I2tw natomiast zależy od parametrów chronionego obwodu i jest wiÄ™ksza, jeżeli napiÄ™cie obwodu jest wiÄ™ksze i niższy współczynnik mocy [3]. Należy pamiÄ™tać, że analiza caÅ‚ek Joule a w przypadku doboru prawidÅ‚owej koordynacji zabezpieczeÅ„ nadaje siÄ™ tylko w przypadku nagrzewania adiabatycznego topika, które zachodzi przy czasach stosunkowo krótkich, nie przekraczajÄ…cych 0,1 s. W przypadku dÅ‚uższych czasów podaje siÄ™ charakterystykÄ™ czasowo prÄ…dowÄ… t-I. PoÅ‚Ä…czenie obu charakterystyk dobrze okreÅ›lajÄ… możliwoÅ›ci zabezpiecznieniowe wkÅ‚adek bezpiecznikowych. 5 6. WyÅ‚Ä…czanie prÄ…du przez bezpiecznik WyÅ‚Ä…czanie prÄ…du przemiennego polega najczęściej na wykorzystaniu okresowego gaÅ›niÄ™cia Å‚uku w chwili naturalnego przejÅ›cia prÄ…du przez zero. Jeżeli powstajÄ…cÄ… w tym momencie przerwa zostanie szybko zdejonizowana, czyli wartość napiÄ™cia wytrzymywanego przez tÄ… przerwÄ™ bÄ™dzie wyższe od chwilowej wartoÅ›ci napiÄ™cia zasilania, w taki sposób, że Å‚uk nie bÄ™dzie mógÅ‚ siÄ™ ponownie zapalić, to wystÄ…pi ostateczne przerwanie obwodu. 6.1. WyÅ‚Ä…czanie prÄ…dów przeciążeniowych przez bezpiecznik Proces wyÅ‚Ä…czania prÄ…dów przeciążeniowych przez bezpiecznik można podzielić na trzy odstÄ™py czasu. W pierwszym odstÄ™pie czasu nastÄ™puje nagrzewanie topika przez pÅ‚ynÄ…cy przez niego prÄ…d przeciążeniowy. Czas nagrzewania elementu topikowego jest na tyle dÅ‚ugi, że wytworzone w nim ciepÅ‚o jest odprowadzane do otoczenia przez gasiwo i okucia za poÅ›rednictwem przewodnictwa cieplnego. Powoduje to nierównomierny rozkÅ‚ad temperatury w topiku. W Å›rodku topika temperatura jest najwyższa, przyrosty temperatury sÄ… niewielkie, natomiast w miarÄ™ zbliżania siÄ™ do okuć temperatura maleje i zmiany temperatury sÄ… coraz wiÄ™ksze. W wyniku tego proces wytapiania siÄ™ topika zacznie siÄ™ w poÅ‚owie odlegÅ‚oÅ›ci pomiÄ™dzy okuciami. W drugim odstÄ™pie czasu wystÄ™puje punktowe przepalenie topika, a w miejsce przerwy zapala siÄ™ jeden Å‚uk, który ulega stopniowemu wydÅ‚użaniu w kierunku okuć. PalÄ…cy siÄ™ Å‚uk oddajÄ…c ciepÅ‚o, powoduje roztapianie przylegÅ‚ych do topika ziaren gasiwa. Wzrost ciÅ›nienia w kanale Å‚ukowym powoduje ekspansjÄ™ plazmy w gÅ‚Ä…b gasiwa, tworzÄ…c w ten sposób z ciekÅ‚ego gasiwa warstwÄ™ ksztaÅ‚tem przypominajÄ…cÄ… rurkÄ™. W tym odstÄ™pie czasu może nastÄ…pić wielokrotny, ponowny zapÅ‚on Å‚uku, ponieważ nie zostaÅ‚a jeszcze osiÄ…gniÄ™ta odpowiednia dÅ‚ugość Å‚uku, a tym samym napiÄ™cie Å‚uku niezbÄ™dne do ostatecznego przerwania prÄ…du. WydÅ‚użanie siÄ™ Å‚uku i wytapianie topika można zaobserwować na przebiegu napiÄ™cia Å‚uku. Wartość napiÄ™cia Å‚uku wzrasta w czasie kolejnych półokresów prÄ…du, powodujÄ…c przy tym zmniejszenie amplitudy prÄ…du przeciążeniowego i wyÅ‚Ä…czenie go przy naturalnym przejÅ›ciu prÄ…du przez zero [1]. W trzecim okresie nastÄ™puje caÅ‚kowita dejonizacja przerwy i ochÅ‚odzenie zawartych w niej par metali i gazów. Pojawia siÄ™ niewielki prÄ…d resztkowy wynikajÄ…cy z procesów dejonizacyjnych kolumny Å‚ukowej, a na zaciskach bezpiecznika wystÄ™puje przepiÄ™cie gaszeniowe. W miejscu topika powstaje zeszkleniec skÅ‚adajÄ…cy siÄ™ ze stopionych par metali i gasiwa ksztaÅ‚tem przypominajÄ…cy rurkÄ™. Oscylogram wyÅ‚Ä…czania prÄ…du przeciążeniowego przez bezpiecznik zamieszczono na rys. 4. Rys. 4 Oscylogram przebiegów podczas wyÅ‚Ä…czania prÄ…du przeciążeniowego przez wkÅ‚adkÄ™ bezpiecznikowÄ… gG 80 (Ik H" 0,8 kA, U = 400 V, cosĆ = 0,67), z zaznaczonymi parametrami: i prÄ…d, u napiÄ™cie, i2 prÄ…d podniesiony do potÄ™gi 2, tp czas przedÅ‚ukowy, tÅ‚ czas Å‚ukowy, tw czas wyÅ‚Ä…czania, I2tÅ‚ caÅ‚ka Joule a Å‚ukowa 6 6.2. WyÅ‚Ä…czanie prÄ…dów zwarciowych przez bezpiecznik Podczas wyÅ‚Ä…czania prÄ…du zwarciowego procesy wystÄ™pujÄ…ce w wkÅ‚adce bezpiecznikowej sÄ… bardziej skomplikowane i zależą m.in. od rodzaju i ksztaÅ‚tu topika. W pierwszej fazie w wyniku gwaÅ‚townego wzrostu prÄ…du, nastÄ™puje adiabatyczne nagrzewanie siÄ™ topika. PrzykÅ‚adowy oscylogram prÄ…du i napiÄ™cia podczas wyÅ‚Ä…czania prÄ…du zwarciowego przez bezpiecznik zamieszczono na rys. 5. W przypadku topika wykonanego w postaci drutu z wyjÄ…tkiem koÅ„ców zmiany temperatury sÄ… niewielkie. Rozpad topika poprzedzony jest zjawiskami magneto- termosprężystymi, które powodujÄ… wygiÄ™cie jego w ksztaÅ‚t fali. Duże znaczenie ma również oddziaÅ‚ywanie elektrodynamiczne mogÄ…ce rozerwać topik zanim ulegnie stopieniu. Topik ulega rozpadowi na wiele części pomiÄ™dzy, którymi zapalajÄ… siÄ™ Å‚uki. Wyróżnia siÄ™ dwa podstawowe mechanizmy rozpadu: kroplowy, w którym topik rozpada siÄ™ na krople, a drut zaczyna nabiera ksztaÅ‚t unduloidu oraz prążkowy, w którym topik rozpada siÄ™ na segmenty stopionego metalu [1,7]. W przypadku topika wykonanego w postaci taÅ›my również mogÄ… wystÄ…pić znieksztaÅ‚cenia topika, a rozpad jego przypomina rozpad prążkowy. Duży prÄ…d zwarciowy pÅ‚ynÄ…cy przez topik taÅ›mowy powoduje nierównomierny jego rozkÅ‚ad na caÅ‚ej powierzchni poprzecznej przekroju (zjawisko naskórkowoÅ›ci prÄ…du). W skutek naskórkowoÅ›ci najpierw ulegajÄ… roztopieniu krawÄ™dzie taÅ›my. W skutek dziaÅ‚ania siÅ‚ elektrodynamicznych nadtopiony metal przesuwa siÄ™ w kierunku osi symetrii topika. NastÄ™pnie topik ulega rozpadowi na części z przerwami prostopadÅ‚ymi do kierunku pÅ‚ynÄ…cego przez niego prÄ…du [1]. W przewężeniach unduloidu lub pomiÄ™dzy metalowymi resztkami topika rozpadajÄ…cego siÄ™ zgodnie z mechanizmem prążkowym zapala siÄ™ wiele Å‚uków. ZapÅ‚on ich jest prawie równoczesny w caÅ‚ej dÅ‚ugoÅ›ci topika. Wiele Å‚uków powoduje gwaÅ‚towny wzrost napiÄ™cia powyżej napiÄ™cia zasilania, a tym samym rozpoczyna proces ograniczania prÄ…du zwarciowego. Duża wartość napiÄ™cia Å‚uku wynikajÄ…ca z wielu spadków na poszczególnych Å‚ukach i intensywnego chÅ‚odzenia przez gasiwo, powoduje gwaÅ‚towne zmniejszenie wartoÅ›ci prÄ…du zwarciowego. PalÄ…ce siÄ™ Å‚uki ulegajÄ… wydÅ‚użaniu i mogÄ… otworzyć jeden Å‚uk palÄ…cy siÄ™ na caÅ‚ej dÅ‚ugoÅ›ci topika. NapiÄ™cie na Å‚uku ulega niewielkiemu obniżeniu, czemu towarzyszy zmniejszenie stromoÅ›ci opadajÄ…cego prÄ…du i sprowadzenie go do wartoÅ›ci bliskiej zera. Rys. 5. Oscylogram przebiegów podczas wyÅ‚Ä…czania prÄ…du zwarciowego przez wkÅ‚adkÄ™ bezpiecznikowÄ… gG 50 (Ik H" 4 kA, U = 400 V, cosĆ = 0,5), z zaznaczonymi parametrami: i prÄ…d, u napiÄ™cie, u·i moc, i2 prÄ…d podniesiony do potÄ™gi 2, Ik spodziewany prÄ…d zwarciowy, iogr prÄ…d ograniczony, uÅ‚ napiÄ™cie Å‚uku, EÅ‚ energia Å‚uku, tp czas przedÅ‚ukowy, tÅ‚ czas Å‚ukowy, I2tp caÅ‚ka Joule a przedÅ‚ukowa, I2tÅ‚ caÅ‚ka Joule a Å‚ukowa W dalszym etapie nastÄ™puje zgaszenie Å‚uku dejonizacja kolumny poÅ‚ukowej, czemu towarzyszy niewielki prÄ…d resztkowy, a na zaciskach bezpiecznika pojawia siÄ™ napiÄ™cie powrotne. 7 W miejscu topika, w zależnoÅ›ci od rodzaju rozpadu, pojawia siÄ™ unduloid w postaci zeszklonego topika i miejscowych zgrubieÅ„, w których znajdujÄ… siÄ™ kropelki zastygÅ‚ego topika lub topik przybiera postać zeszklonej rurki skÅ‚adajÄ…cej siÄ™ z ciemnych i jasnych prążków. Jasne prążki zawierajÄ…ce stopione gasiwo, oznaczajÄ… miejsca, w których paliÅ‚ siÄ™ Å‚uk, natomiast ciemne prążki skÅ‚adajÄ…ce siÄ™ z par metali i ciekÅ‚ego gasiwa okreÅ›lajÄ… miejsca, w których nastÄ…piÅ‚o zebranie siÄ™ ciekÅ‚ego topika. 7. Przebieg ćwiczenia: 7.1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie siÄ™ ze zjawiskami wystÄ™pujÄ…cymi podczas przerywania prÄ…du przeciążeniowego i zwarciowego przez wkÅ‚adki bezpiecznikowe niskonapiÄ™ciowe z gasiwem piaskowym, okreÅ›lenie warunków pracy bezpieczników podczas poszczególnych prób, okreÅ›lenie mocy i energii wyzwolonej podczas wyÅ‚Ä…czania prÄ…du przez bezpiecznik, porównanie wyników z poszczególnych prób. 7.2. Opis ukÅ‚adu Schemat stanowiska probierczego zamieszczono na rys. 6. Stanowisko probiercze skÅ‚ada siÄ™ z zespoÅ‚u aparatów Å‚Ä…czeniowych (OW, WB, ZZ), dÅ‚awika D, rezystora R i transformatora wielkoprÄ…dowego TW, stanowiska, na którym umieszczane sÄ… badane wkÅ‚adki bezpiecznikowe B, ukÅ‚adu pomiarowego, w skÅ‚ad którego wchodzÄ…: przekÅ‚adnik prÄ…dowy PP, napiÄ™ciowy PN, optoizolator, oscyloskop, komputer PC. Stanowisko zasilane jest z sieci elektroenergetycznej napiÄ™ciem 15 kV. Wszelkie operacje Å‚Ä…czeniowe dokonywane sÄ… po stronie Å›redniego napiÄ™cia. WartoÅ›ci spodziewanych prÄ…dów probierczych oraz warunki pracy ukÅ‚adu reguluje siÄ™ za pomocÄ… dÅ‚awika D i rezystora R. Rys. 6. Schemat ukÅ‚adu probierczego do badaÅ„ bezpieczników topikowych niskonapiÄ™ciowych: OW odÅ‚Ä…cznik wysokonapiÄ™ciowy, WB wyÅ‚Ä…cznik bezpieczeÅ„stwa, ZZ zaÅ‚Ä…cznik zwarciowy, NC nastawnik czasowy, NF nastawnik fazowy, D dÅ‚awik, R rezystor, TW transformator wielkoprÄ…dowy, PP przekÅ‚adnik prÄ…dowy kPP = 1500/5 A/A, Rb bocznik przekÅ‚adnika prÄ…dowego Rb = 0,1 &!, PN przekÅ‚adnik napiÄ™ciowy kPN = 6000/100 V/V, B badana wkÅ‚adka bezpiecznikowa, [5] 7.3. Metodyka i warunki przeprowadzania badaÅ„ W pierwszej kolejnoÅ›ci należy zapoznać siÄ™ z podstawowymi parametrami przetworników wielkoÅ›ci elektrycznych, ukÅ‚adem rejestracyjno pomiarowym oraz metodami obliczania: prÄ…du, napiÄ™cia, energii i mocy, w oparciu o wczeÅ›niej zarejestrowane przebiegi. W części pomiarowo badawczej należy dobrać prawidÅ‚owe nastawy ukÅ‚adu rejestracyjnego, a nastÄ™pnie wykonać próby z bezpiecznikami, przy odpowiednich nastawach R i D ukÅ‚adu probierczego. Należy rejestrować odpowiednie prÄ…d pÅ‚ynÄ…cy przez bezpiecznik oraz napiÄ™cie wystÄ™pujÄ…ce na zaciskach obiektu badanego. Obliczenia przekÅ‚adni pomiarowych dla poszczególnych kanałów pomiarowych okreÅ›lajÄ… zależnoÅ›ci (1), (2), (3). 8 Ch1: k1 = kPP Å" Rb -1 Å" kopt1 Å" 0,1-1 (1) Ch2: k2 = kPN Å" kopt 2 Å" 0,1-1 (2) Moc, energia: k12 = k1 Å" k2 (3) , gdzie: kPP przekÅ‚adnia przekÅ‚adnika prÄ…dowego, Rb rezystancja bocznika, kopt przekÅ‚adnia pomiarowa optoizolatora, kPN przekÅ‚adnia przekÅ‚adnika napiÄ™ciowego 7.4. Zakres przeprowadzanych pomiarów Podczas ćwiczenia należy przeprowadzić próbÄ™ i analizÄ™ procesów wystÄ™pujÄ…cych podczas: wyÅ‚Ä…czania prÄ…du przeciążeniowego przez wkÅ‚adkÄ™ bezpiecznikowÄ… gG 80 A, wyÅ‚Ä…czania prÄ…du zwarciowego przez wkÅ‚adkÄ™ bezpiecznikowÄ… gG 50 A, przy różnych spodziewanych prÄ…dach zwarciowych. Każda próba powinna być poprzedzona próbÄ… kalibracyjnÄ… majÄ…cÄ… na celu okreÅ›lenie warunków, w jakich pracujÄ… badane bezpieczniki oraz spodziewanych wartoÅ›ci prÄ…dów zwarciowych, jakie bÄ™dÄ… wyÅ‚Ä…czane przez badany aparat. Podczas każdej próby dokonywana bÄ™dzie rejestracja prÄ…du pÅ‚ynÄ…cego przez wkÅ‚adkÄ™ bezpiecznikowÄ… (kanaÅ‚ 1) oraz napiÄ™cie wystÄ™pujÄ…ce na zaciskach aparatu (kanaÅ‚ 2). Na podstawie otrzymanych rejestracji należy okreÅ›lić: wartoÅ›ci spodziewanego prÄ…du zwarciowego Ik, maksymalnego napiÄ™cia Å‚uku uÅ‚, wartoÅ›ci prÄ…du ograniczonego przez bezpiecznik i0, czasów przedÅ‚ukowego tp i Å‚ukowego tÅ‚ bezpiecznika. Z otrzymanych rejestracji należy wyznaczyć: przebieg mocy chwilowej na podstawie zależnoÅ›ci (4), w celu okreÅ›lenia energii Å‚uku, którÄ… okreÅ›lono równaniem (5), oraz przebieg i2 w celu okreÅ›lenia caÅ‚ek Joule a (6), przedÅ‚ukowej I2tp, Å‚ukowej I2tÅ‚, wyÅ‚Ä…czania I2tw, współczynnik ograniczenia prÄ…du przez bezpiecznik k0. Moc Å‚uku: p = u Å" i (4) tÅ‚ Energia Å‚uku: EÅ‚ = pdt (5) +" 0 t 2 2 CaÅ‚ka Joule a: I t = dt (6) +"i 0 i0 Współczynnik ogr. prÄ…du: k0 = (7) 2 Å" Ik W tab. 1 okreÅ›lono parametry ukÅ‚adu probierczego w poszczególnych próbach oraz parametry systemu elektroenergetycznego. Tab. 1. Parametry elektryczne ukÅ‚adu probierczego poszczególnych prób bezpieczników Lp XS15 RS15 SnT uzT% "PCu DÅ‚awik D XD15 RD15 R Ik 1 A1 501,0 &! 11,76 &! 448 &! 0,8 kA 1,1 0,62 500 3,44 2 3,4 % A7 178,4 &! 5,11 &! 56 &! 2,4 kA &! &! kVA kW 3 B9 92,0 &! 3,12 &! 56 &! 4 kA , gdzie: XS15, RS15 parametry systemu elektroenergetycznego, SnT moc znamionowa transformatora wielkoprÄ…dowego TW, uzT% - napiÄ™cie zwarcia transformatora TW, "PCu straty w miedzi w transformatorze TW, XD15, RD15 parametry dÅ‚awika D, R rezystancja, Ik spodziewany prÄ…d zwarciowy. W tab. 2 okreÅ›lono nastawy przyrzÄ…dów rejestrujÄ…cych dla poszczególnych prób bezpieczników. 9 Tab. 2. Nastawy przyrzÄ…dów rejestracyjnych podczas poszczególnych prób bezpieczników Lp Ik kopt1 kopt2 ¨ZZ tp 1 0,8 kA 0,5 V/dz 10 V/dz 80° 0,9 s 2 2,4 kA 1 V/dz 10 V/dz 15° >0,01 s 3 4 kA 1 V/dz 10 V/dz 15° >0,01 s , gdzie: ¨ZZ kÄ…t zaÅ‚Ä…czania ukÅ‚adu nastawiony na nastawniku fazowym, tp czas próby. 8. Sprawozdanie Szczegółowe wymagania w odniesieniu do zakresu badaÅ„ oraz sprawozdania z badaÅ„ okreÅ›la dla każdej grupy nauczyciel prowadzÄ…cy ćwiczenie. Sprawozdanie z ćwiczenia powinno mieć postać protokoÅ‚u z badaÅ„, zredagowanego tak, aby na jego podstawie można byÅ‚o odtworzyć przeprowadzone eksperymenty. Sprawozdanie powinno zawierać: StronÄ™ tytuÅ‚owÄ… wg wzoru Opis przebiegu ćwiczenia " opis obiektów badaÅ„ (szkice, rysunki), " opis przygotowaÅ„ poprzedzajÄ…cych badania: dobór nastaw przyrzÄ…dów rejestrujÄ…cych, obliczenia przekÅ‚adni torów pomiarowych, " warunki badania: obliczenia impedancji obwodu zwarciowego, współczynnika mocy cos Ć, " sposób badaÅ„,wyniki badaÅ„: odpowiednie tablice, wykresy, obliczenia wartoÅ›ci: wartoÅ›ci spodziewanego prÄ…du zwarciowego Ik, maksymalnego napiÄ™cia Å‚uku uÅ‚, wartoÅ›ci prÄ…du ograniczonego przez bezpiecznik i0, czasów przedÅ‚ukowego tp, Å‚ukowego tÅ‚, wyÅ‚Ä…czania tw, energii Å‚uku EÅ‚, caÅ‚ek Joule a: przedÅ‚ukowej I2tp, Å‚ukowej I2tÅ‚, wyÅ‚Ä…czania I2tw, porównanie wyników pomiarów z poszczególnych prób. AnalizÄ™ wyników badaÅ„, obserwacji i wnioski. Sprawozdanie musi być napisane zwiÄ™zÅ‚ym, technicznym jÄ™zykiem. Strony muszÄ… być ponumerowane i spiÄ™te razem. Wykresy muszÄ… być czytelne, z wyraznie zaznaczonymi punktami bÄ™dÄ…cymi wynikiem pomiarów. Do sprawozdania należy doÅ‚Ä…czyć notatki sporzÄ…dzone podczas ćwiczenia. 9. PYTANIA KONTROLNE 9.1. Budowa i zadanie bezpiecznika topikowego. 9.2. Budowa topika paskowego, z uzasadnieniem zadaÅ„ jakie peÅ‚niÄ… poszczególne jego części. 9.3. PodziaÅ‚ bezpieczników topikowych. 9.4. Narysować i opisać charakterystykÄ™ czasowo-prÄ…dowÄ… bezpiecznika t-I. 9.5. Narysować i opisać charakterystykÄ™ prÄ…dów ograniczonych bezpiecznika i0-I. 9.6. Co to jest caÅ‚ka Joule a przedÅ‚ukowa I2tp, wyÅ‚Ä…czania I2tw, w jakim przypadku można analizować caÅ‚ki Joule a. 9.7. Opisać procesy zachodzÄ…ce w bezpieczniku podczas wyÅ‚Ä…czania prÄ…dów przeciążeniowych przez wkÅ‚adkÄ™ bezpiecznikowÄ… z gasiwem piaskowym. 9.8. Opisać procesy zachodzÄ…ce w bezpieczniku podczas wyÅ‚Ä…czania prÄ…dów zwarciowych przez wkÅ‚adkÄ™ bezpiecznikowÄ… z gasiwem piaskowym. 9.9. Scharakteryzować rozpad kroplowy, prążkowy topika, podać warunki wystÄ™powania. 10 LITERATURA [1] Lipski T.: Bezpieczniki niskonapiÄ™ciowe , WNT Warszawa, 1968 r. [2] Markiewicz H.: Instalacje elektryczne, WNT Warszawa, 2002 r. [3] MusiaÅ‚ E.: Instalacje i urzÄ…dzenia elektroenergetyczne, WSiP, wyd. 2 [4] MusiaÅ‚ E.: Bezpieczniki w nowoczesnych ukÅ‚adach zabezpieczeÅ„ urzÄ…dzeÅ„ niskiego napiÄ™cia [5] Partyka R.: Bezpieczniki topikowe instrukcja do laboratorium z przedmiotu: Aparaty Elektryczne, Politechnika GdaÅ„ska, 2005 r. [6] Red. Hibner J., Winiarski W.: Badania aparatów elektrycznych laboratorium , Skrypt do laboratorium Aparatów Elektrycznych, Politechnika GdaÅ„ska, 1990 r. [7] Wolny A.: Current breaking trough commutation , Technical University of Gdansk Publishing 2001 [8] PN-EN 60269-1:2001 Bezpieczniki topikowe niskonapiÄ™ciowe 11 10. ZAACZNIK Tabela 1. Wzór tabliczki strony tytuÅ‚owej sprawozdania z laboratorium AE Politechnika GdaÅ„ska Studium: Laboratorium Aparatów Semestr: Elektrycznych Rok akademicki: Ćwiczenie nr: Temat: Data wykonania ćwiczenia: ImiÄ™ i nazwisko studenta Grupa laboratoryjna & & & & ........ Autor sprawozdania & & & & & & & & & & & . Data oddania sprawozdania: 1. 2. 3. 4. Ocena: 5. 6. 7. Podpis prowadzÄ…cego: 8. 12