VISOKA ELEKTROTEHNIKA KOLA VARADIN

SKLOPNI APARATI

Obradio:

Darko Kua, dipl.ing.

2

UVOD

to je sklopni aparat Sklopni aparat je namijenjen uklapanju i/ili prekidanju struje u jednom ili vie strujnih

krugova.

Iz toga proizlazi da neki sklopni aparati imaju funkciju uklopa i isklopa strujnog kruga (npr. prekidai, rastavljai...), a neki samo uklopa odnosno isklopa (npr. osigura)

Podjela sklopnih aparata prema namjeni

SKLOPNI

APARATI

Za UKLAPANJE

I PREKIDANJE

strujnog kruga

Za UKLAPANJE ILI

PREKIDANJE

strujnog kruga

PREKI-

DAI

RASTAV-

LJAI

SKLOPKE

SKLO-

PNICI

MEHANIKI SKLOPNI

APARATI

POLUVODIKI SKLOPNI

APARATI

OSIGURAI

SKLOPNI APARATI

POSEBNE

NAMJENE

ZEMLJO-

SPOJNICI

ODVODNICI PRENAPONA

POKRETAI

REGULA-

TORI

RELEJI

PRIBOR

SKLOPNA

APARA-

TURA

RASTAV-

NE

SKLOPKE

MOTOR-

NE

SKLOPKE

3

Podjela sklopnih aparata prema nazivnom naponu:

Podjela sklopnih aparata s obzirom na vrstu uklapanja i prekidanja strujnih krugova: Mehaniki sklopni aparat:

je sklopni aparat namijenjen otvaranju ili zatvaranju jednog ili vie strujnih krugova pomou kontakata koji se razdvajaju

Poluvodiki sklopni aparat:

je sklopni aparat predvien za uklapanje ili prekidanje struje pomou upravljanja vodljivosti poluvodia

SKLOPNI

APARATI

NISKONAPON-

SKI

APARATI

SREDNJENA-

PONSKI

APARATI

VISOKONA-

PONSKI

APARATI

APARATI ZA

VRLO

VISOKI NAPON

~ do 1 kV

= do 1.2 kV

od 3.6 kV

do 52 kV

od 72.5 kV

do 420 kV

od 525 kV

4

Prekida

mehaniki sklopni aparat koji moe uklapati, voditi i prekidati struju u normalnim uvjetima pogona

moe uklapati, voditi odreeno vrijeme i prekidati struju u nenormalnim uvjetima pogona, kao to je kratki spoj

Prekida 0.4 kV runi

Prekida 0.4 kV na motorni + runi pogon

5

Prekida 0.4 kV na motorni pogon

Prekida 35 kV, uljni sa upravljakom kutijom

Prekida 0.4 kV na motorni + runi pogon

6

Prekidai 110 kV pneumatski Prekidai 110 kV pneumatski

Prekidai 110 kV pneumatski sa sklopnom aparaturom

7

Prekidai 110 kV SF6

Prekidai 110 kV SF6 - manometar

Prekidai 110 kV SF6

8

Sklopka

mehaniki sklopni aparat koji slui za uklapanje, trajno voenje i prekidanje struje normalnog pogona i moguih preoptereenja, a vrlo kratko moe voditi i struje kratkog spoja

moe uklapati, ali ne i prekidati struje kratkog spoja

Grebenasta sklopka

Fid sklopka

9

Grebenaste sklopke

Rastavna sklopka sklopka koja u otvorenom poloaju ostvaruje jo i razmak koji je propisan za rastavlja

Rastavna sklopka niskonaponska kompaktna rastavna sklopka 1600 A razvijena je na bazi prekidaa nazivne termike struje 1250 A, gdje je u istom prostoru modifikacijom strujnog puta i kontaktno- lunog sustava, poveana nazivna termika struja s 1250 A na 1600 A, a nazivna kratkotrajno podnosiva struja (lcw) s 22,5 na 25 kA

10

Sklopnik

mehaniki sklopni aparat koji ima samo jedan poloaj mirovanja i ne pokree se runo kao pogonski mehanizam obino se koristi elektromagnet poloaj mirovanja je poloaj u koji se pomini kontakti automatski vraaju kad se

pogonski mehanizam sklopnika ne napaja energijom

to moe biti ili otvoreni ili zatvoreni poloaj sklopnik moe uklapati, voditi i prekidati struje normalnim uvjetima pogona i u uvjetima preoptereenja

Sklopnik 80A s bimetalom

Sklopnici

11

Sklopnik - primjeri

Sklopnici s bimetalom i osiguraima

12

Rastavlja je mehaniki sklopni aparat koji otvorenom poloaju stvara rastavni razmak koji

osigurava sigurnost osoblja i postrojenja (vidljivo prekidanje strujnog kruga)

slui za otvaranje i zatvaranje strujnih krugova u praznom hodu i kod neznatnih struja moe uklapati i prekidati i vee struje ako pritom nema znatnije promjene napona na

prikljunicama svakog pola moe trajno voditi struju u normalnim uvjetima pogona, a u kratkom vremenskom

intervalu podnosi i struju kratkog spoja Rastavlja 35 kV - sabirniki

Rastavlja 35 kV

13

Rastavlja 35 kV linijski - primjeri

Rastavlja 110 kV - otvoreni

14

Rastavlja 110 kV uklopljen (zatvoren, ukljuen)

Rastavlja 110 kV - uklopljen

Rastavljai 110 kV s noevima za uzemljenje

15

Rastavljai 110 kV sistem sabirnica

Rastavlja pantografski RSP25

Zemljospojnik je mehaniki sklopni aparat za uzemljivanje dijelova strujnog kruga koji moe voditi

odreeno vrijeme nenormalne struje, kao to su struje kratkog spoja, ali ne i trajno voditi struju u normalnim uvjetima pogona

moe imati i nazivnu uklopnu mo na kratki spoj

16

Principijelna izvedba uzemljenja

Osigura

sklopni aparat koji automatski prekida strujni krug kada struja prekorai zadanu vrijednost (oznaenu na osigurau) u odreenom trajanju

prekidanje strujnog kruga bazira se na taljenju posebno oblikovanih rastalnica koje se nalaze unutar osiguraa

to je namjerno oslabljen dio strujnog kruga koji nas titi od prevelikih struja

Dijelovi osiguraa:

DRA - kutija, osnova ili podnoje

AKTIVNI DIO - rastalni uloak ili mehanizam Podjela osiguraa:

prema nazivnom naponu: a) za niski napon (do 1 kV) b) za visoki napon (iznad 1kV)

prema vrsti struje: a) za istosmjernu struju b) za izmjeninu struju

prema nainu izvedbe: a) s taljivim ulokom jednokratna uporaba b) s mehanizmom (automatski) viekratna uporaba

17

prema nainu djelovanja: a) brzi osigurai b) spori osigurai

prema mjestu uporabe: a) u industriji i za sline namjene b) u domainstvu c) za zatitu poluvodikih ureaja

Mjesta ugradnje:

kao zaseban sklopni aparat

pridruen s drugim sklopnim aparatima

Rastalni osigurai

su elementi nadstrujne zatite koji djeluju na principu Jouleove topline kod kratkog spoja strujnog kruga dolazi do pregrijavanja i taljenja rastalne niti, a time i

do prekida strujnog kruga

nit e se trenutno rastaliti kod 300% nazivne struje osiguraa tj. rastalnog uloka ako je struja kroz rastalni ulozak 200% nazivne struje nit e se rastaliti za priblino 2

sata. Presjek rastalnog osiguraa

18

Standardne veliine struja i boja oznane ploice rastalnih osiguraa Instalacijski rastalni osigurai - Un=500V Osnove osiguraa za ugradnju u oklopljene aparate Instalacijski rastalni osigurai - Un=500V Osnove osiguraa za ugradnju u oklopljene aparate na noseu lajsnu Instalacijski rastalni osigurai - Un=500V Kape osiguraa tipa "D"

63 EZ 63 D III

25 EZ 25 D II

Jaina (A)

Oznaka Tip

63 EZ 63 D III

25 EZ 25 D II

Jaina (A)

Oznaka Tip

19

Instalacijski rastalni osigurai - Un=500V Kalibracijski umetci tipa "D"

Instalacijski rastalni osigurai - Un=500V Rastalni umetci tipa "D"

Niskonaponski rastalni osigurai Un=380V Osnove osiguraa tipa "D0"

bakrena 63

bijela 50

crna 35

uta 25

plava 20

siva 16

crvena 10

zelena 6

Boja indikatora Jaina (A)

bakrena 63

bijela 50

crna 35

uta 25

plava 20

siva 16

crvena 10

zelena 6

Boja indikatora Jaina (A)

20

Osigurai noasti 500 A Osigurai noasti 63A - dijelovi pod naponom nisu zatieni Osigurai niskonaponski - rastalni - dijelovi pod naponom su zatieni

21

Automatski osigura Razvodni ormar sa automatskim osiguraima

Odvodnik prenapona

22

- je sklopni aparat koji slui za zatitu elektrinih postrojenja od prenapona - on ograniava visinu udarnog napona, ali i amplitudu i trajanje popratne struje u svrhu

da se sprijei automatsko isklapanje prekidaa ili taljenje osiguraa - prikljuuje se redovito izmeu elektrinog voda i zemlje - katodni odvodnik prenapona 35kV - broja prenapona katodnog

s brojaima prenapona odvodnika 35kV

- odvodnici prenapona na - odvodnik prenapona 110 kV SF6

dalekovodnom stupu 35 kV

23

Pokreta - je kombinacija svih sklopnih ureaja potrebnih za pokretanje i zaustavljanje

elektromotora ili drugih potroaa u kombinaciji s prikladnom zatitom od preoptereenja koja pogonske veliine (struja, moment vrtnje) dri u propisanim granicama.

Pokreta motora - Siemens

24

Regulator - je sklopni aparat koji slui za odravanje pogonskih veliina (struje, napona, brzine

vrtnje, temperature i sl.) na priblino konstantnoj vrijednosti ili pak da se mijenjaju po odreenom zakonu

Digitalni regulator temperature Relejni regulator Kontinuirani tiristorski regulator

15/25A

25

Relej - je sklopni aparat koji ''mjeri'' neku pogonsku veliinu (struju, napon, tlak, brzinu vrtnje,

temperaturu, snagu itd.) te pri odreenoj vrijednosti te veliine automatski zatvara ili otvara svoje kontakte

Vrste kontakata prema vrsti sklapanja releja: - radni kontakt - mirni kontakt - preklopni kontakt - izbirni kontakt - izmjenini kontakt - prolazni kontakt Ormar meureleja

26

Releji i bistabili Diferencijalni relej Nadstrujni relej

27

Relej ponovnog uklopa Zemljospojni relej Prenaponski relej

28

Podnaponski relej Relej povratne snage Vremenski relej 1140c Vremenski relej 1140z

29

Pribor - obuhvaa raznovrsne potporne i provodne izolatore, kabelske uvodnice, otpornike,

prigunice, kondenzatore, mjerne i signalne ureaje, stezaljke, ventile, elektromagnete itd. koji se ugrauju u sklopne aparate i njihove sklopove.

Pribor Provodni izolator 35kV - Provodni izolator 35kV

30

- Provodni izolatori 35kV - Provodni izolator na transformatoru 110kV - Potporni izolator 110kV

31

- Potporni izolatori 110kV na transformatoru - Kabelske uvodnice - Kondenzatori za kompenzaciju

32

Sklopna aparatura

Ormar kompenzacije

- je opi pojam primjenjiv na sklopne aparate i njihove kombinacije s pripadnom

upravljakom, mjernom, zatitnom i regulacijskom opremom, kao i na skupove takvih aparata i opreme s pripadnim meusobnim spojevima, priborom, platom i nosivim konstrukcijama

- u sklopnu aparaturu spadaju npr. komandni pultovi, razvodni ormari i sl.

33

- besprekidno napajanje - prekidai s pripadnom sklopnom aparaturom

- shema spoja odvoda zranog sistema

sa sklopnim aparatima: - jednopolna - tropolna

34

Naprezanja sklopnih aparata Naprezanja kojima su podvrgnuti sklopni aparati tokom svog pogona moemo podijeliti: - Termika naprezanja - Elektromagnetska naprezanja - Mehanika naprezanja - Dielektrina naprezanja - Atmosferska naprezanja

Termika naprezanja

Vodii sklopnih aparata sastoje se od razliitih vodljivih elemenata koji su meusobno povezani razliitim vrstama kontakata i mehanikih spojeva. Najvei dio topline nastaje od Juleovih gubitaka u vodiima i kontaktnim otporima strujnih krugova sklopnih aparata i to zbog :

trajnog optereenja do nazivne struje kraih preoptereenja veih od nazivne struje i kratkotrajnih optereenja strujom kratkog spoja Temperatura pojedinih dijelova sklopnog aparata ovisi s jedne strane o procesu unutranjeg nastajanja topline zbog aktivnih gubitaka, a s druge strane o uvjetima razmjene topline izmeu pojedinih graninih dijelova i o uvjetima razmjene topline s okolinom i vanjskim izvorima toplinske energije. Prekomjerno termiko naprezanje aparata moe imati razliite tetne posljedice:

oteenje izolacije, taljenje lemljenih spojeva,

gubitak elastinih svojstava metalnih dijelova, oksidacija,

taloenje tetnih produkata raspada, pregaranje svitaka itd. Zbog toga se odgovarajuim standardima odreuju doputene granice zagrijavanja dijelova sklopnih aparata nazivnom strujom. One se definiraju maksimalnim nadtemperaturama glede propisane temperature okoline.

Takoer se definira i termika otpornost aparata prema strujama kratkog spoja. Definira se termikom strujom kratkog spoja ( najveom efektivnom vrijednou izmjenine struje ) koju aparat mora podnijeti bez tete u trajanju jedne sekunde. Pri projektiranju aparata vano je odrediti ( raunski i eksperimentalno ) najpogodniji konstruktivni oblik i dimenzije dijelova strujnog puta, uz koji se postie najefektivnije koritenje materijala, uz istovremeno ispunjavanje neophodnih zahtijeva glede dozvoljene nadtemperature u svim reimima rada.

35

Zagrijavanje u stacionarnom stanju U praksi se razmjena topline moe vriti jednim ili kombinacijom dva ili sva tri naina. Razlikujemo 3 osnovna procesa prijelaza topline od zagrijavanja tijela:

provoenje ( kondukcija ) konvekcija i

zraenje Kondukcijom: vri se kretanjem molekula tijela od vie zagrijanih prema manje zagrijanim dijelovima tijela Konvekcijom: vri se kretanjem molekula tijela od vie zagrijanih prema manje zagrijanim dijelovima. Dodirujui zagrijano tijelo ove estice primaju od njega toplinu i pri daljnjem kretanju odvode ju u okolinu. Kretanje moe biti prirodno ( prirodna konvekcija ) i prisilno ( prisilna konvekcija ). Zraenjem: vri se rasprostiranjem energije u vidu toplinskih i svjetlosnih valova od zagrijanog tijela. U pojedinim dijelovima aparata, prijelaz topline moe se ostvariti pomou jedne ili druge vrste ili pomou njihovih kombinacija. Teko je u obzir uzeti sve pojedinosti takvog procesa pa se proraun prijelaza topline rjeava priblino ili pomou pjednostavljenja ili eksperimentalno. U praksi se razmjena topline moe vriti jednim ili kombinacijom dva ili sva tri naina. Metoda prorauna prijelaza topline osniva se na Newton-ovoj formuli:

Q = QZ+ QK = h*S( -0 )t Koeficjent h ovisi o temperaturi povrine tijela, temp. okoline, o strujanju plina ili tekuine i o itavom nizu drugih faktora, uzima se kao suma koeficjenta topline zraenjem hZ i topline konvekcijom i kondukcijom hK h=hZ+hK

Dijelovi sklopnog aparata protjecani strujom griju se uslijed Juelovih gubitaka. Razvijena toplina djelomino se troi na poveanje temperature aparata, a djelomino se odvodi u okolinu kondukcijom, konvekcijom i zraenjem. U stacionarnom stanju aparat postie svoju maksimalnu temperaturu, a toplina razvijena prolazom struje sada se sva odvodi u okolinu, pa vrijedi: W = Q

44

z21

100

2

100

1

**5,67hTT

TT

n

k kh *1

36

Odnosno: I2Rt = H*S**t

S

lR

Bitna je zavisnost specifinog elektrinog otpora o temperaturi

= 0(1++2+.)

Iz relacije I2Rt = H*S**t moe se izraunati maksimalna nadtemperatura, odnosno temperatura na koju se zagrije aparat,

max= -0 Proraun zagrijavanja ovom metodom vri se tako da se najprije pretpostavi vrijednost nadtemperature i uz pomo nje izraunaju koeficijenti hk i hz. Zatim se izraunaju Jouelovi gubici W, te konano maksimalna nadtemperatura , odnosno maksimalana temperatura max.

Zagrijavanje vodia u stacionarnom stanju Istosmjernom strujom: Zahvaljujui injenici da su unutranji izvori topline rasporeeni manje-vie jednoliko po presjeku vodia mogue je veinu ovih zadataka svesti na zadatke linearnog provoenja topline ija rjeenja (x,t) karakteriziraju promjenu temperature po osi vodia tokom vremena. Izmjeninom strujom: Proces odvoenja topline ima mnogo kompliciraniji karakter. Zbog skin efekta i efekta blizine, raspodjela gustoe struje, a prema tome i intenziteta unutranjih izvora q, mijenja se po presjeku vodia.

D=(1,3.1,5)z0

Intenzitet unutranjih izvora topline se uzima kao konstantan.

Teoretsko odreivanje koeficijenta skin efekta je mogue, ali dovodi do vrlo kompliciranih izraza pa se obino koriste eksperimentalno odreene krivulje. Teoretsko rjeavanje zadataka za odreivanje koeficijenta blizine jo je kompliciranije od odreivanja koeficijenta skin-efekta. Na koeficijent blizine najvie utjee razmak izmeu vodia. Za: l/d > 2.5 => koeficijent blizine < 1.1 l/d > 10 koeficijent blizine se ne uzima u obzir

2z

0

o

3/mWkqq ooxsrx )1(2 osrxox Jq

37

--

0

k=con

st. Fx = F = const

I

Opa jednadba zagrijavanja vodia pri jednodimenzionalnom toplinskom toku:

Za dio vodia koji ima isti presjek i iste uvjete odvoenja topline u okolinu.

Prijelaz topline s neizoliranog ravnog vodia Zagrijavanje neizoliranog ravnog vodia

Jednadba odvoenja topline:

Intenzitet unutranjeg izvora topline

Temperatura vodia:

a) Okrugli ravni vodi

b) Vodi pravokutnog presjeka

O

xS

xptxhtxq

xtc

,,

2

2

oS

pthtq

xtc

,0,0

2

2

0

t

0

x

0

Sx

x

0

OS

phq

12 OJq 12

OOJkq

Sph

Ik OOO

12

dp 4/2dS

3

1

2

2 14

o

O

h

Id

3

1

2

2 14

o

OO

h

Ikd

ban /

3

2

12

1

O

OO

hnn

Ikb

38

Vodii protjecani istom strujom , zbog iste temperature povrina koje su okrenute jedna prema drugoj, prijelaz topline zraenjem je oteano zbog meusobnog zasjenjivanja. Koeficijent zasjenjivanja: Za dva paralelna cilindra

Za dvije paralelne plosnate trake

Srednja vrijednost koeficijenta odvoenja topline:

Prijelaz topline s izoliranog ravnog vodia

Pretpostavimo da je vodi beskonano dugaak i da je po itavoj duini prekriven slojem izolacije, prijelaz topline vri se se samo u radijalnom smjeru. Toplinska snaga po jedinici duljine

Toplinski otpor RT Toplinski otpor po jedinici duljine rT

1 2 0 k1

k2

--

2r

1 2r2 r2

d

s

d

s

s

d1arcsin

1 2

11

2

2

s

b

b

s

p

bhphh zsr

1

hS

xx

hSq

1

R

U

hS

x

Ui

W

mK

hphS

xRT

1

W

K

hpxhSrT

11

39

Toplinski otpori konvekcije i zraenja

Ako u jednadbu za toplinski otpor uvrstimo h = hk + hz slijedi izraz:

Maksimalna nadtemperatura:

Prijelaz topline sa metalom oklopljenog , plinom izoliranog vodia

Toplinska snaga po jedinici duljine vodia

Toplinski otpor konvekcije i zraenja

Ukupni toplinski otpor paralelna je kombinacija toplinskog otpora konvekcije i toplinskog otpora zraenja.

12 0

1

2

Sh

xR

k

Tk Sh

xR

z

Tz

phhShhx

Rzkzk

T

1

TRrIhS

xrI 22

TrRIhS

RI 221

hphS

xx

hSq

11

W

mK

phR

k

Tk

1

W

mK

phR

z

Tz

1

hpphhR

zk

T

11

40

Nadtemperatura:

Prijelaz topline s okruglog ravnog vodia koji na jednom kraju ima izvor topline U ovom sluaju odgovara jednadba:

Rjeenje ove jednadbe:

Kada se uvrste konstante C1 i C2 dobije se jednadba stacionarne temperature na bilo kojem djelu vodia

Maksimalna temperatura:

Zagrijavanje vodia u kratkom spoju U sluaju kratkog spoja povienje temperature nastaje vrlo brzo pa se rauna da se za vrijeme trajanja kratkog spoja toplina ne odvodi u okolinu. Tada vrijedi:

x=0

x I

K

K

x

0

m =f(x)

y

Zagrijavanje vodia s kontaktom na jednom kraju

phhRRR

zk

TzTkT

111

S

IR OT

12

S

Ihp

xS OO

12

2

2

axax eCeC 21S

hpa

axkO

O eSa

RI

pSh

Ix

2

1 22

0x

Sa

RI

pSh

I kOO

2

1 22

max

tRIVc v2

41

Temperatura na koju se zagrije vodi prilikom kratkog spoja:

Zagrijavanje kontakata u stacionarnom stanju Elektrini kontakt je mjesto prijelaza struje s jednog u drugi element strujnog kruga Kontaktni otpor, u prostoru kontakata pri prolazu struje stvara dodatnu toplinsku energiju (dodatni izvor topline) Proraun zagrijavanja kontakata je rjeavanje topline u tijelu kontakta kad postoji izvor topline promjenjive snage:

U sluaju dva okrugla vodia istog presjeka:

Zagrijavanje okruglog ravnog vodia koji na jednom kraju ima kontakt U ravnom vodiu kontakt se moe prikazati kao vanjski izvor topline jednoliko raspodijeljen na povrini dodirnih kontaktnih ela. Max. temperatura kontakata se onda izraunava:

Max. temperatura kontaktnih elemenata koji se nalaze u blizini kontakata

Utjecaj oksidacije na zagrijavanje kontakata

OVOv tcS

I

1

2

2

K

O

O

F

HIA

TT

4cos

5,0max

KhSp

IT O

OO 15.273

12

Sa

RI KK

2

2

max

O

OKK

hpS

I

Sa

RI

1

2

22

max

42

Stvaranjem oksidnog sloja na povrini kontakata poveava se prijelazni kontaktni otpor s time i poveanje temperature kontakta. Intenzitet porasta ovisi o temperaturi kontaktne povrine.

Intenzitet toplinskog izvora izraunava se:

Max. nadtemperatura kontakata presvuenog oksidom se tada izraunava:

Proces zagrijavanja oksidiranog kontakta nije karakteristian za moderne konstrukcije sklopnih aparata u kojima se obino koriste sredstva koja omoguavaju odstranjivanje ili bitno ograniavanje mogunosti stvaranja slojeva oksida. Zagrijavanje kontakata u kratkom spoju Proraun jednak kao i kod vodia u kratkom spoju:

Holmov kuglin model

Temperatura za vrijeme kratkog spoja

Zagrijavanje elemenata sklopnih aparata za vrijeme prijelaznih procesa Do sada su se pojave razmatrale u trenutku postizanja stacionarnog stanja, tj. vrijeme se zanemarivalo. U praksi esto puta potrebno je odrediti vrijeme potrebno da vodi ( ili neki drugi element aparata ) postigne odreenu temperaturu. Prijelazni procesi zagrijavanja i hlaenja dijelova sklopnih aparata javljaju se u sluaju: Zagrijavanje sklopnih aparata neposredno poslije ukljuenja u strujni krug Hlaenje aparata neposredno nakon njihovog iskljuenja iz strujnog kruga Zagrijavanje pri kratkotrajnom optereenju Zagrijavanje pri ponovnim kratkotrajnim optereenjima strujom

ps RIW2

K

p

F

hRI

4

2

max

tRIVc KK2

2

22

44

x

dxIcdxx K

O

K

K tF

H

cI

2

2

16

43

g

g

0 t

hlaenje

Zagrijavanje pri optereenju strujom kratkog spoja Zagrijavanje ( odnosno hlaenje ) nekog tijela proporcionalno nadtemperaturi. Na krivulji je nadtemperatura proporcionalna odsjeku na u tom istom vremenskom intervalu. Iz toga je promjena temperature (a1b1, a2b2,) proporcionalna nadtemtemperaturi (a1c1, a2c2,) ili da vrijedi:

Krivulja koja zadovoljava navedenu relaciju je logaritamska krivulja Logaritamska krivulja zagrijavanja:

Logaritamska krivulja hlaenja:

Krivulja zagrijavanja odnosno hlaenja ima veliko praktiko znaenje. Dobije se eksperimentalno, a omoguava vrlo jednostavno odreivanje koeficijenta prijelaza topline h.

......33

22

22

11 konstca

ca

ca

ca

t

z et 1max

m

z

0 t

zagrijavanje

t

H et

max

44

a1

a2

a3

a4

m

1

2

3

t t1 t2 t3

t t

Analizom krivulje zagrijavanja vidimo da uzastopni porasti temperature a1b1, a2b2, formiraju beskonani geometrijski red, a svaka se njihova vrijednost dobije, ako se prethodna vrijednost pomnoi s nekim konstantnim lanom. Suma beskonanog geometrijskog reda:

Raunsko odreivanje maksimalne nadtemperature Poto je relacija nezavisna o razmaku na ordinati, moe nam posluiti za odreivanje konane nadtemperature.

Ovim nainom moe se bitno skratiti proces ispitivanja sklopnih aparata na zagrijavanja nazivnom strujom. Osim toga nije potrebno vriti mjerenje od poetka, nego je dovoljno izvriti oitanje tri uzastopna mjerenja u bilo kojem vremenskom intervalu Zagrijavanje pri kratkotrajnom optereenju strujom i zagrijavanje pri interminiranom pognu:

p

Sch V

q

aS

1

1

12

23

121max

1

45

i1 i2

dl1 dl2 dF

r

l1

l2 Elektromagnetska sila izmeu vodia protjecanih strujom

Elektromagnetska naprezanja sklopnih aparata Vodi protjecan strujom stvara oko sebe magnetsko polje koje djeluje na drugi vodi protjecan strujom i ovisno o smjeru javlja se privlana ili odbojna elektromagnetska sila

Jakost magnetskog polja odreuje se iz Biot-Savarova zakona:

Elektromagnetska sila odreuje se iz Amper-ovog zakona:

Sile na vodie u jednofaznom i dvofaznim strujnim krugovima Kod prorauna elektrodinamikih sila koje se javljaju na vodiima u jednofaznim odnosno trofaznim strujnim krugovima u trenutku nastanka struje kratkog spoja obino se polazi od sljedeih pretpostavki: vodii imaju kruni popreni presjek promjer vodia je mali u odnosu na razmak izmeu vodia struja tee du osi vodia vodi protjecan strujom koja se ne mijenja s vremenom i koja ima isti smjer.

tr tr

tr

to

to

tc

m

i

0

1

2

3

4

5

B1 B2

B3

B4

B5

A2 A3

A4

A5

t

m

i

li

let

t 0

3

111

4

1

r

xldiHd

12212

BldiFd

sin

4 221

211221 r

dldliiF

ll

46

l

s l-s I2

I1 1

2

d

A

r a

Elektromagnetska sila izmeu paralelnih vodia

Sile izmeu paralelnih vodia

Ovisno o smjeru struja sila koja se javlja na vodie moe biti privlana ili odbojna. Maksimalna sila se javlja na sredini vodia i linearno opada prema krajevima . Jakost magnetskog polja na udaljenosti s od kraja paralelnog vodia

Za beskonano duge vodie :

Ukupna sila se dobije ako se izraz

Integrira u granicama od 0-l

Za beskonano duge vodie:

2

1

2

1

sin

4

1

r

dlIdH

2222

11

1

1

4 as

s

as

s

a

IsH

21 ,0,la

IH

21

1

sin

4 221

211221 r

dldliiF

ll

7104 72221

121012 aa

a

IIF

47

0 0,2 0,4

0,6 0,8

1,0 1,2

1,4

Utjecaj duljine i razmaka elemenata vodia na elektromagnetsku silu

1,6

1,8 2,0

a/l

0,2

0,4

0,8

0,6

1,0

1 2

l2

ds

d

I

I

A

y

l2 s

r

Kod malih omjera a/l moe se raunati kao da se radi o beskonano dugim vodiima. Uz takvu pretpostavku rauna se sa neto veom silom nego to se pojavljuje. Sila po jedinici duljine elementa vodia dl2, kroz koji protjee struja I2, a koji se nalazi u magnetskom polju stvorenom od struje I1:

Sile izmeu vodia meusobno spojenih u obliku slova L

Jakost magnetskog polja u toki A

Sila koja djeluje na vodi l2. Ako je vodi l1 beskonano dugaak

72112 102

la

IIF

m

NHIdl

dff 12

2

1212

22

111

4 yl

l

y

IH A

Nlll

dll

d

lIF

2

2

2

11

22

11272

2

42ln10

Nd

lIF

172

2

2ln10

48

l3

l2

l2-y

y

ds

3 s3

I

r3

ds

1 s1

I

A

r

1

1 2

d

1 2 d

I

Sile izmeu vodia meusobno spojenih u obliku slove Z

I I

I 2

1 d

ds3 s3 l3

l2-y

y

l2

d

1 ds1 s1

l1

Elektromagnetska sila izmeu vodia u obliku slova U

Sila po jedinici duine vodia l2

Ukupna sila koja djeluje na srednji vodi rezultat je djelovanja struja koje protjeu kroz oba paralelna vodia

Sile izmeu vodia meusobno spojenih u obliku slova U

m

NHIdy

dFf 1

22

m

N

yl

l

y

If 7

22

1

1

2

12 10

mN

yil

l

yI

If 7

2

2

2

3

3

2

2

32 10

dy

dF

dy

dFfff 32123212

49

Ukupna sila na srednji vodi, rezultat je djelovanja struja koje protjeu kroz oba paralelna vodia pa je rezultantna sila jednaka sumi tih dvaju djelovanja

Sile na vodi pravokutnog presjeka

Kod pravokutnih presjeka vodia mogu se koristiti sve izvedene formule ako su dimenzije vodia zanemarivo male u odnosu na njihov meusobni razmak. U sluaju da se dimenzije ne mogu zanemariti,koristi se za praktine sluajeve Dweightova empirijska relacija:

Koeficijent kD odreuje se iz tablice. Dweightov koeficijent za pravokutne vodie

m

N

yl

l

y

If 7

22

1

1

2

12 10

mN

yil

l

yI

If 7

2

2

2

3

3

2

2

32 10

dy

dF

dy

dFfff 3212

3212

Dka

lIIF 21

2

50

Sila izmeu vodia i stijenke od elika Kod ove metode za odreivanje sile sluimo se metodom zrcaljenja Zamijenimo elinu stijenku drugim istim takvim vodiem postavljeno na dvostrukoj udaljenosti od prvog, magnetsko polje zadrava prvobitni oblik.

Kod ove metode za odreivanje s

Vodi u blizini eline stijenke

Ova formula vrijedi uz pretpostavku beskonano velikih dimenzija eline stijenke i beskonano velike magnetske vodljivosti elika u odnosu na zrak.

Metoda virtualnih pomaka

Da bi odredili elektromagnetsku silu F kojom strujna petlja djeluje na bilo koji element vodia dl, u smjeru s, potrebno je odrediti mehaniki rad koji bi isjeak vodia izvrio virtualnim pomakom ds.

a

lIF 2

4

FdsLidtdLiRdtiuidt

2

22

lfF SS

dsl

51

Narinuti napon se troi na omski i induktivni pad napona:

Elektromagnetska sila:

Sile na vodie u trofaznim strujnim krugovima

U sluaju dvopolnog kratkog spoja samo kroz dva vodia protjeu struje

U sluaju tropolnog kratkog spoja kroz sva tri vodia protjeu struje

Kod tropolnog kratkog spoja javljaju se sile na srednji vodi, i sile na vanjske vodie. Makimalne sile javljaju se kod tropolnog kratkog spoja i to na srednji vodi

Sile na kontakte sklopnih aparata

Elektromagnetske sile koje se javljaju na kontaktima sklopnih aparata nastaju zbog koncentracije strujnica na dodirnim mjestima ili zbog same konfiguracije oblika kontakta Elektromagnetska sila na kontaktima

Na mjestu dodira kontakata postoje paralelne strujnice sprotnog smjera Ako nastane kratki spoj na kontaktima se javljaju vrlo velike elektromagnetske odbojne sile koje mogu oslabiti ili ak nadvladati pritisak kontaktnih pera pa dolazi do odskakivanja, u ekstremnim sluajevima i do potpunog otvaranja kontakata.

dt

diL

dt

dLiiR

dt

LidiRu

ds

dLIF

2

2

etIti UR sinsin

etItis sinsin

etIti UR sinsin

etIti Us 32sin32sin

etIti UT 34sin34sin

52

Posljedica je poveana gustoa struje i elektrini luk, to dovodi do zavarivanje i nagaranje kontakata. Odgovarajuim kontaktima i pripadajuim strujnim petljama mogu se kompenzirati elektromagnetske odbojne sile,i pojaanje kontaktnog pritiska u trenutku kratkog spoja.

Utjecaj oblika na elektromagnetske sile

Sile na no rastavljaa

Utjecaj nepominih kontakata na pomini no,a ostali udaljeni dijelovi strujnog puta se zanemaruju. Nepomini kontakti se nadomjetaju cilindrinim vodiima promjera 2r.

Elektromagnetska sila na no rastavljaa

Kod odreivanja sile na no rastavljaa jedan dio pominog noa nalazi se unutar nepominog kontakta,i tu se javlja unutranja indukcija. Elektromagnetska sila je

Sile na tulipanski kontakt Susreemo ga gotovo u svim sklopnim aparatima srednjeg i visokog napona .

Nrh

h

ahhr

rhhaIF UNR

2222

2227

6

5ln102

53

Dobijemo ga podjelom upljeg cilindra na radijalne lamele , koje mogu imati posebno tlano pero ili su sve lamele obuhvaene zajednikim vlanim perom. U trenutku nastanka kratkog spoja djeluju 3 sile:

sila opruge F0, usmjerena radijalno prema unutra elektromagnetska odbojna sila Fm, usmjerena radijalno prema van sila autostrikcije FA, usmjerena u pravcu osi kontakta (nastaje zbog paralelnih

strujnica u lamelama)

Sile na tulipanski kontakt Openiti izraz za proraun sila

Elektromagnetska sila izmeu vodia proizvoljnog oblika

Ako postoji t-vodia tada se sila na neki vodi rauna tako da se uzme u obzir elektrodinamiko djelovanje svih m-vodia na n-ti vodi, pa algoritam za proraun glasi:

54

Popis veliina iz poglavlja:

Q- toplinska energija koja se odvodi J

QZ- toplinska energija zraenja J

QK- toplinska energija konvekcije J

h- sumarni koeficjent prijelaza topline W/m2K

S- povrina hlaenja tijela m2

- temperatura tijela C

0temperatura okolineC

t- vrijeme s v- faktor crnoe tijela

T1,T2 apsolutna temperatura K k1- koeficjent ovisnosti o svojstvima sredine i obliku tijela

- nadtemperatura K

n- koeficjent (0n0.333)

I-efektivna vrijednost struje A

R- elektrini otpor

- specifini elektrini otpor mm2/m

l- duljina vodia m

S-popreni presjek vodia m2

0- specifini elektrini otpor kod 0C mm2/m

,-temperaturni koeficjeti K-1

0 magnetska permeabilnost vodia H/mm

- specifina elektrina vodljivost Sm/mm

- kruna frekvencija s

q- specifina toplinska snaga W/m3

Jsrx- gustoa struje A/m2

k0- koeficjent dodatnih gubitaka zbog skin efekta i efekta blizine c- specifina toplina J/kgC

- specifina teina N/m3

-toplinska vodljivost W/mC

p(x)- rashladna ploha po jedinici duine vodia m

S(x)- popreni presjek m2

x- toplinski tok u smjeru x W

J-gustoa struje A/m2

I-jakost istosmjerne struje A

p- rashladna ploha po jedinici duine vodia m

S- popreni presjek m2 h-ukupni koeficjent prijelaza topline jednog vodia hz- koeficjent prijelaza topline zraenjem sa povrine vodia V- volumen vodia m3

l-duina vodia m

Rv-djelatni otpor Tmax,T0- apsolutna temperatura kontakta, odnosno temperatura dovoljno

udaljene toke K

2

,,

1,1,

4 r

all

IIF

rjmin

jimn

Ot

mmmn

55

A0 Lorenzov broj,konstata 2.3*10-8V/K3

H- tvrdoa kontaktnog materijala N/m2

Fk- kontaktna sila N Rp prijelazni kontaktni otpor

Z -nadtemperatura u trenutku t K

max maksimalna nadtemperatura K

t- vrijemes

- vremenska konstanta zagrijavanja s

m- masa kg/m

cm-specifina toplina po jedinici maseJ/kgK

cv-specifina toplina po jedinici volumena J/ m3K

H1 jakost magnetskog polja stvorenog protjecanjem strujeI1 kroz vodi l1A/m

i- trenutne vrijednosti struja A

I1,I2- maksimalna vrijednost struje A

l1,l2- duia vodiam

r- udaljenost izmeu dl idl m

a- udaljenost izmeu paralelnih vodia m

- kut rad

F12 ukupna sila na vodi N

f- sila po jedinici duljine N/m

- magnetska permeabilost

Iu- udarna struja kratkog spoja A

ir,is- trenutne vrijednosti struja u fazama RiS A

- kut koji ovisi o trenutku nastanka kratkog spojarad

-kut izmeu struje i napona rad

- vremenska konstanta strujnog kruga s t- broj vodia n- n-ti vodi za koji se rauna sila m- m-ti vodi i-broj odsjeka n-tog vodia j- broj odsjeka m-tog vodia

56

Mehanika naprezanja sklopnih aparata

Mehanika naprezanja kojima tokom pogona mogu biti izloeni sklopni aparati djele se na:

dugotrajna mehanika naprezanja (statika naprezanja) kratkotrajna mehanika naprezanja (dinamika naprezanja) Statika mehanika naprezanja sklopnih aparata nastaju zbog: statike sile na prikljunicama aparata unutranjeg tlaka upljih izolatora punjenih plinom sile zbog djelovanja vjetra dugog trajanja Dinamika mehanika naprezanja sklopnih aparata nastaju zbog: reakcijske mehanike sile kod sklopnih operacija elektrodinamike sile pri kratkom spoju sile zbog kratkotrajnog djelovanja (udara) vjetra

sile zbog potresa

Statike sile na prikljunicama aparata

Na prikljunice sklopnih aparata u visokonaponskim postrojenjima spajaju se vodii u obliku ueta ili cijevi. U sluaju kada je prikljuak izveden uetom na prikljunicama aparata uvijek djeluje sila u smjeru ueta i jednaka je vlanoj sili u uetu. Vlana sila u uetu rauna se pomou relacije za lananicu sa malim rasponom:

y - provjes najnie toke u obliku lananice [m] l - raspon [m] f ` - sila po jedinici duine ueta [[NN//mm]] Poveanje vlane sile u uetu nastaje poveanjem sile po jedinici duine ueta (zbog leda) i smanjenjem provjesa zbog niskih temperatura. Ukupna sila po jedinici duine ueta f` sadri:

silu uslijed vlastite mase po jedinici duine m` [kg/cm] silu uslijed mase sloja leda ml [kg/cm]

silu uslijed djelovanja vjetra fvj [N/m] Prve dvije sile djeluju u vertikalnoj ravnini, a trea u horizontalnoj, pa je ukupno opereenje ueta:

Ny

lfFvl

8

'2

22'81.9' vjl fmmf

57

U sluaju da je prikljuak izveden pomou cijevnih vodia djeluje na prikljunicama aparata sila u vertikalnom smjeru prema dolje usred mase cijevi i mase sloja leda na cijevi. cijevni vodii

Unutranji tlak Statiko naprezanje uslijed unutranjeg tlaka upljih izolatora javlja se samo kod aparata s plinskim medijem za izolaciju i/ili gaenje elektrinog luka. Ova naprezanja se algebarski zbrajaju s naprezanjima aparata zbog statike sile na prikljunicama.

Sile zbog djelovanja vjetra

Tlak vjetra rauna se iz izraza:

gdje je v - brzina vjetra Statiko optereenje aparata pod djelovanjem vjetra rauna se iz izraza:

c < 1 - aerodinamiki koeficijent A - napadnuta povrina Reakcijske mehanike sile kod sklopnih operacija Proraun naprezanja aparata zbog reakcijskih mehanikih sila kod sklopnih operacija je relativno sloen, pa se obino ova naprezanja odreuju mjerenjem tenzometrijskim postupcima. Elektromagnetske sile pri kratkom spoju U sluaju nastanka kratkog spoja javljaju se elektromagnetske sile izmeu polova sklopnog aparata i elektromagnetske sile na prikljunicama. Elektromagnetska sila izmeu polova aparata rauna se pomou pojednostavljenog izraza:

vf - frekventni faktor

mNvpvj2613.0

NApcF vjvj

][1

210 27.. Na

IvF ufSpK

58

Elektromagnetska sila na prikljunicama u sluaju prikljuka uetom djeluje u smjeru ueta i jednaka je:

pri emu je: odreuje se iz dijagrama

Fvl - vlana horizontalna sila ueta [N] f`du - dinamiko optereenje ueta [N/cm] s - pernost ueta [N/mm] E - modul elastinosti ueta [N/mm] IK2p - efektivna vrijednost struje dvopolnog kratkog spoja [A] Elektormagnetska sila na prikljunicama u sluaju prikljuka cijevnim vodiima djeluje u smjeru okomitom na cijev i rauna se kao reakcija u uporitu cijevi:

Iu3p - udarna struja tropolnog kratkog spoja vfc - frekventni faktor vpu - faktor ponovnog uklopa - faktor uvrenja cijevi

][1

..

NFF

vlSuK

2'

'13

gm

fdu f

2

2

' 2.0pKdu I

af

AEls

F

lm

vl

101

40'3

2

pufcpudc vva

lIF

2

393.02.0

59

60

Sile zbog djelovanja potresa

Pri djelovanju potresa polovi sklopnog aparata optereeni su silama koje ovise o odzivu aparata na ubrzanje tla. Provjera aparata na potres vri se raunski ili ispitivanjem. Pri tome se kretanje tla simulira uzbudom koja moe imati slijedee oblike:

trajni ili kratkotrajni sinusni signal

za 0 t (3,4,5 ili ) T

za t (3,4,5 ili ) T

modulirani sinusni signal (sin-beat)

za 0 t 5T

za t 5T

eksponencijalno prigueni signal (e-beat)

za 0 t <

za t =

signal kombiniran prema karakteristinim potresima ( time history sign-al) kao to je npr. El Centro.

DDiieelleekkttrriinnaa nnaapprreezzaannjjaa sskkllooppnniihh aappaarraattaa

Izolacija sklopnih aparata mora biti tako dimenzionirana da pri djelovanju elektrinog napona u razliitim pogonskim uvjetima ispunjava dva zadatka:

sprijeiti odvod primjetljivih koliina elektrine energije,

sprijeiti elektrini proboj ili elektrini preskok. Prvom se uvjetu udovoljava pomou izolacijskih svojstava izolatora (elektrini otpor izolacijskog materijala), a drugom uvjetu pomou dielektrinih svojstava izolatora (dielektrini razmak, klizna staza, preskona staza itd.). Izolacijski materijali koji se upotrebljavaju u sklopnim aparatima mogu imati:

pasivnu funkciju (spreavanje odvoda i proboja), aktivnu funkciju (gaenje elektrinog luka) kombinaciju aktivne i pasivne funkcije

0

sin tAtf

010

sinsint

tAtf

0

cos tAetf

t

61

Izolacijski materijali dijele se na:

krute (porculan, epoksidni materijali, plastine mase itd.), tekue (ulje), plinovite (zrak, vakuum, sumporni heksafluorid). Odnosno na:

neobnovljive (u sluaju proboja dolazi do trajnog oteenja) obnovljive (nakon proboja dielektrina svojstva se vraaju sama od sebe) Uzroci i vrste dielektrinih naprezanja izolacije Normalni stacionarni pogon - pogonski napon

Abnormalni stacionarni pogon - povieni napon Sklopne operacije - unutarnji prenaponi

Atmosferski utjecaji - vanjski prenaponi Pogonski napon je napon industrijske frekvencije 50 Hz koji ne prelazi dozvoljenu vrijednost. Iako pogonski napon ne dovodi do naroitog naprezanja izolacije, vano je naglasiti da on trajno napree izolaciju. Povieni napon je napon industrijske frekvencije 50 Hz koji je po iznosu vii od maksimalnog pogonskog napona. Obino traje kratko vrijeme, dok traju uzroci njegovog nastanka. Unutarnji prenaponi su kratkotrajni prenaponi sa frekvencijom i iznosom viim od maksimalnog pogonskog napona. Njihov izvor se nalazi unutar same mree, a prvenstveno nastaju zbog sklopnih operacija. Zbog promjene stanja mree za vrijeme prijelazne pojave dolazi do titranja napona. Tako se osim osnovne frekvencije pojavljuje i via frekvencija napona, a dolazi i do pojave valova, pa se prenapon prenosi i na susjedne dijelove mree. Vanjski prenaponi nastaju zbog atmosferskih pranjenja u obliku munje. Ovi prenaponi

imaju veliku strminu porasta (par s) i veliku amplitudu (nekoliko milijuna volti).

62

Analiza elektrinog polja Izolacijske karakteristike sklopnih aparata predstavljaju kritinu toku u koordinaciji izolacije prijenosnih i distribucijskih sistema. Unutranja izolacija (npr. na kontaktima) i vanjska izolacija (npr. na potpornim izolatorima) mora se tako uskladiti da u sluaju pojave prevelikog napona do preskoka doe izvan sklopnog aparata, odnosno da ne doe do njegovog oteenja. Da bi se to postiglo potrebno je poznavati razdiobu elektrinog polja, odnosno dovoljno tono odrediti maksimalnu jakost elektrinog polja. Postoji nekoliko razliitih tehnika (metoda) analize elektrinog polja u sklopnim aparatima.

Elektrolitska kada Predstavlja relativno tonu analognu metodu (greka manja od 3%), te omoguuje brzo odreivanje slike elektrinog polja na jednostavnijim modelima. Za kompliciranije sluajeve sa vie razliitih dielektrika potrebno je izraditi posebne, klinaste modele elektroda. Sastoji se od posude napunjene elektrolitom npr. blagom otopinom kuhinjske soli. U elektrolit su uronjene elektrode na koje je prikljuen izmjenini napon. U elektrolitu se stvori strujno polje, koje je po svom obliku jednako elektrinom polju. Ekvipotencijalne linije se pronalaze nul metodom na principu Wheatstoneovog mosta. Mjerenje potencijala vri se probnom elektrodom sondom koja se uranja u elektrolitsku kupku.

Grafitni papir Takoer predstavlja analognu metodu za dobivanje slike elektrinog polja dvodimenzionalnih konfiguracija elektroda, te konfiguracija s jednim izolacijskim materijalom. Ekvipotencijalne linije se pronalaze nul metodom na principu Wheatstoneovog mosta. Mjerenje potencijala vri se probnom elektrodom sondom koja se pritie na pojedine toke vodljivog papira. Ukoliko se eli modelirati konfiguracija sa izolatorima razliitih dielektrikih konstanti, model se formira slaganjem vie slojeva vodljivog papira. Modeli s rotacijski simetrinim poljima dobivaju se stepenastim slaganjem vodljivog papira, tako da se priblino dobiju klinovi s vrhom osi simetrije. U sluaju kompliciranijih geometrija, te vieslojnih dielektrika potrebno je vrlo veliko iskustvo, a tonost postaje upitna.

Elektrolitska

kada

Grafitni

papir

Analogne metode

Metoda konanihrazlika

Metoda konanihelemenata

Metoda

izvora

Digitalne metode

Analiza elektrinogpolja