VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF POWER ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING

TEPELNÉ ZTRÁTY NA PROUDOVÉ DRÁZE VÝKONOVÉHO JISTIČE

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR‘S THESIS

AUTOR PRÁCE AUTHOR

Lukáš Frech

BRNO 2013

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF POWER ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING

TEPELNÉ ZTRÁTY NA PROUDOVÉ DRÁZE VÝKONOVÉHO JISTIČE HEAT LOSSES ON THE CURRENT PATH OF THE CIRCUIT BREAKER

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR‘S THESIS

AUTOR PRÁCE

Lukáš Frech

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

Ing. Lukáš Dostál

Abstrakt Práce se zabývá popisem principu nadproudové spouště jističe, jejími částmi, rozdělením, konstrukcí, výhodami a nevýhodami. Dále pak vlastnostmi konkrétního jističe a to jističe společnosti EATON model NZMB2-A125, konstrukcí tohoto jističe a jeho použitím.

Abstract The work describes the principle of overcurrent circuit breaker, its parts, distribution, construction, advantages and disadvantages. Furthermore, the characteristics of a specific circuit breakers and circuit breaker EATON NZMB2-A125 model, the construction of this circuit and its use.

Klíčová slova Nadproud; termomagnetická spoušť; elektronická spoušť; přechodový odpor; rotoaktivní systém; NZMB2-A125

Keywords Overcurrent; thermomagnetic release, electronic release; contact resistance; rotary contact system, NZMB2-A125

Prohlášení

Prohlašuji, že svou bakalářskou práci na téma Tepelné ztráty na proudové dráze výkonového jističe jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího semestrální práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakalářské práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této bakalářské práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č. 40/2009 Sb. V Brně dne ……………………………

Podpis autora ………………………………..

Poděkování Děkuji vedoucímu bakalářské práce Ing. Lukáši Dostálovi za účinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady při zpracování mé bakalářské práce.

V Brně dne ……………………………

Podpis autora ………………………………..

ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně

5

Obsah SEZNAM OBRÁZKŮ..................................................................................................................................7 SEZNAM TABULEK ..................................................................................................................................9 SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK .......................................................................................................10 ÚVOD ..........................................................................................................................................................12 1 ZÁKLADNÍ VELIČINY ........................................................................................................................13 1.1 ELEKTRICKÝ PROUD ........................................................................................................................13 1.2 JOULEOVO TEPLO ............................................................................................................................13 1.3 NADPROUD ........................................................................................................................................13 2 JISTÍCÍ PŘÍSTROJE .............................................................................................................................14 2.1 POJISTKY ..........................................................................................................................................14 2.2 JISTIČ ................................................................................................................................................15 2.2.1 ROZDĚLENÍ JISTIČŮ .................................................................................................................15 2.2.2 TERMOMAGNETICKÁ SPOUŠŤ .................................................................................................15 2.2.3 ELEKTRONICKÁ SPOUŠŤ..........................................................................................................16 2.2.4 ROGOWSKÉHO CÍVKA .............................................................................................................20 2.2.5 VÝHODY A NEVÝHODY ...........................................................................................................21 2.3 VYPÍNACÍ CHARAKTERISTIKY.........................................................................................................21 2.3.1 POUŽITÍ JEDNOTLIVÝCH TYPŮ JISTIČŮ:...................................................................................22 2.4 PŘECHODOVÝ ODPOR ......................................................................................................................23 2.4.1 STYKOVÝ ODPOR ....................................................................................................................23 2.4.2 ZTRÁTY V KONTAKTECH ........................................................................................................23 2.4.3 OTEPLENÍ KONTAKTŮ .............................................................................................................24 2.4.4 MATERIÁLY KONTAKTŮ .........................................................................................................24 3 TEPELNÉ ÚČINKY PROUDU .............................................................................................................25 3.1 ŠÍŘENÍ TEPLA....................................................................................................................................25 3.1.1 KONDUKCE .............................................................................................................................25 3.1.2 KONVEKCE ..............................................................................................................................26 3.1.3 RADIACE .................................................................................................................................27 4 JISTIČ NZMB2 - A125 ...........................................................................................................................28 4.1 ÚVOD .................................................................................................................................................28 4.2 PRINCIP JISTIČE NZMB2 – A125 ....................................................................................................29 4.3 ROTOAKTIVNÍ SYSTÉM ....................................................................................................................29 4.4 VYPÍNACÍ CHARAKTERISTIKA.........................................................................................................30 4.5 VÝHODY ROTOAKTIVNÍHO SYSTÉMU .............................................................................................31 4.6 FOTOGRAFIE NĚKTERÝCH ČÁSTÍ JISTIČE ......................................................................................31 5 VÝPOČET NÁHRADNÍHO SCHÉMATU JISTIČE ..........................................................................33 5.1 PŘEPOČET MĚRNÉHO ODPORU ........................................................................................................33


6

5.2 URČENÍ NÁHRADNÍ CHLADIVOSTI POVRCHU .................................................................................33 5.3 DÍL SESTAVY PD LINE ....................................................................................................................34 5.3.1 URČENÍ KOEFICIENTU PROUDNIC ............................................................................................34 5.3.2 URČENÍ STŘEDNÍ DÉLKY PROUDNICE......................................................................................35 5.3.3 VÝPOČET KOEFICIENTU SKINEFEKTU .....................................................................................35 5.3.4 VÝPOČET ELEKTRICKÉHO ODPORU .........................................................................................35 5.3.5 URČENÍ CHLAZENÉHO POVRCHU ............................................................................................36 5.3.6 VELIČINY NÁHRADNÍHO Π-ČLÁNKU .......................................................................................36 5.4 DÍL SESTAVY PD LOAD ..................................................................................................................38 5.4.1 URČENÍ KOEFICIENTU PROUDNIC ............................................................................................38 5.4.2 URČENÍ STŘEDNÍ DÉLKY PROUDNICE......................................................................................38 5.4.3 VÝPOČET KOEFICIENTU SKINEFEKTU .....................................................................................39 5.4.4 VÝPOČET ELEKTRICKÉHO ODPORU .........................................................................................39 5.4.5 URČENÍ CHLAZENÉHO POVRCHU ............................................................................................39 5.4.6 VELIČINY NÁHRADNÍHO Π-ČLÁNKU .......................................................................................40 5.5 DÍL SESTAVY CL ..............................................................................................................................41 5.5.1 URČENÍ KOEFICIENTU PROUDNIC ............................................................................................41 5.5.2 URČENÍ STŘEDNÍ DÉLKY PROUDNICE......................................................................................42 5.5.3 VÝPOČET KOEFICIENTU SKINEFEKTU .....................................................................................42 5.5.4 VÝPOČET ELEKTRICKÉHO ODPORU .........................................................................................43 5.5.5 URČENÍ CHLAZENÉHO POVRCHU ............................................................................................43 5.5.6 VELIČINY NÁHRADNÍHO Π-ČLÁNKU .......................................................................................43 6 MODELOVÁNÍ PROUDOVÉ DRÁHY ...............................................................................................45 6.1 MODELOVÁNÍ A SIMULACE ROTOAKTIVNÍ ČÁSTI JISTIČE NZMB2-A125 ...................................45 7 PRAKTICKÉ MĚŘENÍ – PÁSEK ........................................................................................................48 8 VÝPOČET NÁHRADNÍHO SCHÉMATU PÁSKU ............................................................................49 8.1.1 PŘEPOČET MĚRNÉHO ODPORU ................................................................................................50 8.1.2 URČENÍ KOEFICIENTU PROUDNIC ............................................................................................50 8.1.3 URČENÍ STŘEDNÍ DÉLKY PROUDNICE......................................................................................51 8.1.4 VÝPOČET KOEFICIENTU SKINEFEKTU .....................................................................................51 8.1.5 VÝPOČET ELEKTRICKÉHO ODPORU .........................................................................................51 8.1.6 URČENÍ NÁHRADNÍ CHLADIVOSTI POVRCHU ..........................................................................52 8.1.7 URČENÍ CHLAZENÉHO POVRCHU ............................................................................................53 8.1.8 VELIČINY NÁHRADNÍHO Π-ČLÁNKU .......................................................................................54 8.2 VÝPOČET OTEPLENÍ PŘÍPOJNIC TRANSFORMÁTORU.....................................................................55 8.2.1 VÝPOČET KOEFICIENTU SKINEFEKTU .....................................................................................55 8.2.2 VÝPOČET ELEKTRICKÉHO ODPORU .........................................................................................56 8.2.3 URČENÍ CHLAZENÉHO POVRCHU ............................................................................................56 8.2.4 VELIČINY NÁHRADNÍHO Π-ČLÁNKU .......................................................................................56 8.3 MODELOVÁNÍ A SIMULACE PÁSOVÉHO VODIČE ............................................................................58 9 POROVNÁNÍ VÝSLEDKŮ ...................................................................................................................61 10 ZÁVĚR ...................................................................................................................................................62 LITERATURA ...........................................................................................................................................64


7

SEZNAM OBRÁZKŮ Obrázek 1 - Pojistková vložka[2] ................................................................................................... 14 Obrázek 2 - Schéma první generace elektronické spouště ............................................................. 17 Obrázek 3 - Schéma druhé generace elektronické spouště ............................................................ 18 Obrázek 4 - Schéma třetí generace elektronické spouště ............................................................... 19 Obrázek 5 - Magnetizační křivky feromagnetika a vzduchu[3] ..................................................... 20 Obrázek 6 - Princip Rogowského cívky .......................................................................................... 21 Obrázek 7 - Vypínací charakteristika jističů LPN[2] .................................................................... 22 Obrázek 8 - Laminární proudění .................................................................................................... 26 Obrázek 9 - Turbulentní proudění .................................................................................................. 26 Obrázek 10 - Jistič NZMB2-A125[7] ............................................................................................. 28 Obrázek 11 - Rotoaktivní systém[4] ............................................................................................... 29 Obrázek 12 - Vypínací charakteristika jističe NZMB2-A125[7] .................................................... 30 Obrázek 13 - Vnitřní část jističe s rotoaktivním systémem ............................................................ 31 Obrázek 14 - Ilustrační obrázek tepelné spouště ........................................................................... 32 Obrázek 15 - Detail vybavovacího mechanismu ............................................................................ 32 Obrázek 16 - Střední délka proudnice PD LINE ............................................................................ 35 Obrázek 17 - Schéma náhradního π-článku součásti PD LINE ..................................................... 37 Obrázek 18 - Střední délka proudnice PD LOAD .......................................................................... 38 Obrázek 19 - Schéma náhradního π-článku součásti PD LOAD ................................................... 40 Obrázek 20 - Střední délka proudnice CL ...................................................................................... 42 Obrázek 21 - Schéma náhradního π-článku součásti CL ............................................................... 44 Obrázek 22 - Teplota materiálu v řezu ........................................................................................... 46 Obrázek 23 - Teplota povrchu ........................................................................................................ 46 Obrázek 24 - Proudová hustota...................................................................................................... 47 Obrázek 25 - Úbytek napětí ............................................................................................................ 47 Obrázek 26 - Fotografie měřeného prvku s označením bodů ........................................................ 48 Obrázek 27 - Nákres měřeného prvku ............................................................................................ 49 Obrázek 28 - Schéma střední délky proudnice ............................................................................... 51 Obrázek 29 - Schéma náhradního π-článku pásku ......................................................................... 54 Obrázek 30 - Schéma náhradního π-článku přípojnice.................................................................. 57 Obrázek 31 - Teplota v řezu[°C] .................................................................................................... 58 Obrázek 32 - Teplota ploch[°C] ..................................................................................................... 58


8

Obrázek 33 - Proudová hustota[A/m2] ........................................................................................... 59 Obrázek 34 - Úbytek napětí[V] ...................................................................................................... 59 Obrázek 35 - Jouleovy ztráty[W/m3] .............................................................................................. 60 Obrázek 36 - Průběh oteplení jednotlivých bodů na pásku a střední hodnota .............................. 62


9

SEZNAM TABULEK Tabulka 1- Parametry jističe NZMB2-A125 .................................................................................. 28 Tabulka 2 - Tabulka hodnot oteplení jističe ................................................................................... 61 Tabulka 3 - Tabulka hodnot oteplení pásku ................................................................................... 61


10

SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK Veličina

Fyzikální význam

Jednotka

I

Elektrický proud

[A]

q

Elektrický náboj

[C]

t

Doba, po kterou prochází proud

[]S]

Q

Jouleovo teplo

[J]

R

Odpor vodiče

[Ω]

ΔP

Zkratový výkon

[W]

P

Výkon

[W]

RS

Stykový odpor kontaktu

[Ω]

Rz

Odpor zúženého místa styku

[Ω]

RM

Stykový odpor materiálu

[Ω]

c1

Konstanta materiálu, stavu jeho plochy a koncentraci příměsí a jeho nečistot

[-]

K

Tvarový koeficient styku

[-]

α0

Součinitel přestupu tepla

[W]

A

Ochlazovací povrch úseku

[m2]

Δϑ

Okamžité oteplení tělesa

[K]

c2

Měrná objemová tepelná kapacita

V

Objem Měrná tepelná vodivost Předpokládané oteplení

[J/m3. K] [m3]

[

] [ ]

Teplotní součinitel mědi

]

Rezistivita mědi

]

Chladivost záření Chladivost konvekcí

]

Celková náhradní chladivost

]

h

Výška

[mm]

b

Šířka

[mm]

S

Plocha

[m2]

f

Frekvence

[Hz]

Pp

Plocha části bez kontaktních ploch

Ovp

Velikost chladicího obvodu

[mm2] [m]

ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně R,p

Elektrický odpor

[Ω]

k1,2,3

Koeficienty zúžení

[-]

Koeficient skinefektu

[-]

Ks l

Střední délka proudové dráhy

11

[mm]

RTt

Příčný odpor

[

]

RTl

Podélný odpor

[

]

Hodnota oteplení

[K]


12

ÚVOD Potřeba chránit elektrické přístroje a zařízení, a v neposlední řadě i lidské zdraví se objevila již v prvních etapách rozvoje elektrotechniky. Cílem ochran a jisticích prvků je odpojení spotřebičů od napájecí soustavy při nežádoucích stavech, jako jsou zkraty a nadproudy, přepětí či podpětí. Podle způsobu vypínání nadproudů dělíme jistící přístroje na pojistky, jističe, proudové chrániče, stykače a relé.


13

1 ZÁKLADNÍ VELIČINY 1.1 Elektrický proud Elektrický proud je jedna ze základních fyzikálních veličin SI soustavy a je charakterizován jako poměr množství elektrického náboje za jednotku času

[A,C,s]

(1)

Ampér je stálý elektrický proud, který při průchodu dvěma přímými rovnoběžnými nekonečně dlouhými vodiči zanedbatelného kruhového průřezu umístěnými ve vakuu ve vzájemné vzdálenosti 1 metr vyvolá mezi nimi stálou sílu o velikosti 2·10−7 newtonu na 1 metr délky vodiče. [1]

1.2 Jouleovo teplo Prochází-li vodičem elektrický proud, odevzdávají volné elektrony svou kinetickou energii částicím krystalové mřížky kovu. To má za následek zvýšení kmitání částic a tím i energie vodiče samotného. Přírůstek vnitřní energie vodiče, kdy dojde k ohřátí vodiče, označujeme jako Jouleovo teplo (J,Ω,A,s) (2) kde Q je Jouleovo teplo, R je odpor vodiče, I je procházející proud vodičem a t je doba, po kterou proud prochází.

1.3 Nadproud Zásadní rozdíl mezi nadproudem a zkratovým proudem spočívá v násobcích jmenovitého proudu a dále také na době trvání těchto jednotlivých jevů. Za nadproud můžeme považovat jakoukoliv hodnotu proudu většího než je jmenovitý proud, kdežto zkrat je přímé propojení obou pólů zdroje bez připojení spotřebiče a zkratový proud vzniká při poruše spotřebičů či vedení.


14

2 JISTÍCÍ PŘÍSTROJE 2.1 Pojistky První pojistky se objevily již koncem 19. století. Pojistky, svým principem, tvoří nejslabší část elektrického obvodu. Z hlediska konstrukce se jedná o holý vodič obklopený nevodivým materiálem, který slouží jako zhášedlo vzniklého elektrického oblouku. Dojde-li k překročení doby procházejícího nadproudu, přetaví se vodič uvnitř pojistky a elektrický obvod se rozpojí. Ztrátový výkon na pojistce je přímo úměrný odporu vodiče a kvadrátu procházejícího proudu [W,Ω,A]

(2)

Výhodami tavných pojistek jsou jednoduchá konstrukce, z toho plyne i nízká pořizovací cena. Dále pak i možnost rychlejšího vypínání. Nevýhodou je jejich nevratnost. Po přetavení vodiče je pojistka již dále nepoužitelná. Další nevýhodou je jejich manipulace, především manipulace pod napětím, která je velmi riziková.

Obrázek 1 - Pojistková vložka[2]


15

2.2 Jistič Jedná se o elektrický přístroj, který je schopen při určité velikosti nadproudu a době trvání nadproudu, samočinně rozpojit elektrický obvod a tím zajistit ochranu elektrickému zařízení, osobám a zvířatům před dynamickými a tepelnými účinky proudu.

2.2.1 Rozdělení jističů Jističe dělíme podle účelu použití a podle typu nadproudové spouště. Podle účelu použití rozdělujeme jističe na skupinu pro domácí instalace, kde jejich konstrukce je zohledněna pro laickou obsluhu přístroje, a na skupinu pro všeobecné použití, kam patří jističe pro výkonové stroje, motory, transformátory, vedení atd. U domovních rozvodů elektrické energie se používají jističe s vypínací charakteristikou typu B (výjimečně typu C). V těchto případech jsou jističe koncipovány pro laickou obsluhu a také je co nejvíce zamezováno dotyku vodivých částí. Rovněž do této skupiny řadíme i chrániče. V dnešní době se můžeme setkat, z hlediska rozdělení podle typu spouště jističe, se dvěma typy nadproudových spouští jističů. A to na termomagnetickou spoušť, která je používána pro svou jednoduchost a nízké náklady, a na elektronickou spoušť, která umožňuje elektronické zpracování a zhodnocení informací o průběhu nadproudu v síti.

2.2.2 Termomagnetická spoušť Termomagnetická spoušť je složena ze dvou částí. První z nich je tvoří elektromagnet, jehož úkolem je vypínání nezávislé okamžité složky procházejícího proudu. U jističů domovních instalací tvoří vinutí elektromagnetu cívka, kde její počet závitů je závislý na procházejícím proudu a typu vypínací charakteristiky jističe. Platí, čím větší proud, tím méně závitů. Uvnitř elektromagnetu je úderník. Jestliže procházející proud dosáhne hodnoty odpovídající typu jističe, dojde ke vtažení úderníku do cívky a následnému rozpojení kontaktu jističe. Pro časově závislé části vypínací charakteristiky jističe je použito bimetalu. Jedná se o dvojkov, který vlivem teploty mění svůj tvar. Může být realizován kombinací čistého kovu a slitiny neželezných kovů (např. ocel a bronz). Prochází-li určitý nadproud delší dobu, pak se bimetal (popřípadě topítko) ohřeje, následně prohne a dojde k uvolnění západky. U jističů v domovních instalacích jsou obě spouště převážně konstrukčně odděleny. U kompaktních jističů jsou umístěny do jednoho celku.


16

2.2.3 Elektronická spoušť Z principiálního hlediska pracuje elektronická spoušť zcela jinak než spoušť termomagnetická. Součástí spínacího bloku jističe s elektronickou spoušti jsou proudové transformátory v každém pólu jističe, které slouží ke snímání proudu procházejícího jištěným zařízením a současně k napájení vlastní elektronické nadproudové spouště. Jejich primární vinutí je tvořeno jedním průvlekem, sekundární vinutí cívkou s mnoha závity. Vlastní elektronická spoušť tvoří samostatný výměnný blok. Jejich základem je deska s plošnými spoji, mikroprocesorem a dalšími elektronickými součástkami, regulačními kotouči spojenými s přepínači, konektory zajišťujícími propojení s proudovými transformátory. Výstupním členem elektronické nadproudové spouště je speciální vybavovací elektromagnet. [2]

2.2.3.1 Vývoj elektronické spouště Elektronické spouště prošly od svého vzniku až do dnešní doby řadou změn, které vedly nejen ke zlepšení postupů měření a vyhodnocování průběhů proudů jističem, ale také možnosti použití těchto spouští pro elektrické sítě menších výkonů. Vývoj, kterým elektronická spoušť prošla, můžeme rozdělit do tří generací.


17

2.2.3.2 Elektronická spoušť 1. generace První generace elektronických spouští je tvořena transformátory proudu, analogovým snímačem, signalizačními obvody a vypínacím relé. Informace o stavu probíhajících proudů zasílají měřící transformátory proudů do analogového snímače, kde jsou porovnány s vypínacími charakteristikami jistícího přístroje. Pokud nastane překročení hodnoty, je vyslán signál do vypínacího relé, které odpojí kontakty. Soustava je napájena proudovými transformátory, proto je třeba pro dálkové řízení spouště samostatné napájení.

Obrázek 2 - Schéma první generace elektronické spouště


18

2.2.3.3 Elektronická spoušť 2. generace Princip měření a vypínání je stejný jako u první generace. Rozdíl tvoří vyhodnocovací část obvodu. Namísto analogového snímače je použito analog-digitálního převodníku. Data jsou poté vyhodnocena v mikropočítači, který řídí celou elektronickou spoušť. Výhodou je možnost vyvedení dat pomocí sběrnice. Soustava je opět napájena z měřících transformátorů, dálkové řízení je nutno stále napájet samostatně odděleným zdrojem.

Obrázek 3 - Schéma druhé generace elektronické spouště


19

2.2.3.4 Elektronická spoušť 3. generace V této fázi vývoje dochází pouze k nahrazení transformátorů proudu, které však stále slouží k napájení všech částí, za Rogowského cívky. Funkčně je princip stejný jako ve 2. generaci.

Obrázek 4 - Schéma třetí generace elektronické spouště


20

2.2.4 Rogowského cívka Pro praktické měření proudů v obvodech se v dřívějších dobách využívaly převážně měřící proudové transformátory s feromagnetickými jádry. V dnešní době se však využívá spíše principu tzv. Rogowského cívky. Jedná se o toroidní cívku bez jádra, která se umisťuje okolo měřeného vodiče. Z důvodu nasycení feromagnetika je pro větší rozsahy proudů těžké změřit přesnou hodnotu. Pokud porovnáme magnetizační křivky feromagnetika a vzduchu dojdeme k výsledku, že charakteristika magnetizační křivky vzduchu je lineární ve větší části rozsahu proudu nežli charakteristika feromagnetika.

Obrázek 5 - Magnetizační křivky feromagnetika a vzduchu[3]

2.2.4.1 Princip Rogowského cívky Rogowského cívka funguje na podobném principu jako měřící transformátor proudu, avšak se změnou, že výstupní veličinou není proud ale napětí. Proud procházející vodičem vyvolá v jeho těsné blízkosti magnetické pole, které způsobí magnetickou indukci na toroidní vzduchové cívce. Výsledné napětí je poté dáno časovou změnou magnetického toku cívky. Nejlepší metodou pro zjištění přesné hodnoty je zjištěné napětí elektronicky integrovat. Při použití správných integrátorů lze docílit systému, který je schopen změřit proudy v rozsahu od několika desetin ampéru až po miliony ampérů.


21

Obrázek 6 - Princip Rogowského cívky

2.2.5 Výhody a nevýhody U termomagnetické spouště je výhodou jednoduchost konstrukce a s tím spojené ekonomické náklady. Dále pak možnost použití v obvodech stejnosměrného napětí. Nevýhodou je malá možnost regulace jmenovitého proudu a to v rozsahu 0,8 – 1x In. Naopak elektronické spoušť má výhodu v možnost většího rozsahu nastavení jmenovitého proudu (0,4 – 1x In). Jiným přínosem pro uživatele je modelování tvarů vypínacích charakteristik což umožňuje přesnější ochranu spotřebičům připojených v elektrickém obvodu.

2.3 Vypínací charakteristiky Omezovací charakteristiky zobrazují závislost tzv. Jouleova integrálu na hodnotě předpokládaného efektivního proudu.

(3)

Tyto grafické závislosti se využívají jak u jističů, tak u pojistkových vložek. U vypínací charakteristiky jističe se jedná o závislost celkového vypínacího času na násobcích jmenovitého proudu jističem. Vypínací doba poté odpovídá tzv. studenému stavu jističe. Pod pojmem studený stav jističe se rozumí průchod proudu jističem bez zátěže. V okamžicích vybavení zařízení ochrany se ukládají informace o velikostech proudu a doby trvání do tepelné paměti nadproudové spouště. Tuto schopnost zajišťuje softwarové zařízení jističe. Dojde-li k přiblížení se hodnotám nadproudu, které už nastaly dříve, spoušť zareaguje v menším čase. S rostoucí velikostí proudu se doba vybavení zkracuje. Všechny vypínací charakteristiky pro různé typy ochran jsou ohraničeny mezemi, které stanovuje norma ČSN.


22

Obrázek 7 - Vypínací charakteristika jističů LPN[2]

2.3.1 Použití jednotlivých typů jističů: 

Jističe typu B



Jističe typu C



Jističe typu D

jsou vhodné pro vedení napájecí zařízení, která nezpůsobují velké proudové rázy (3 – 5 In; žárovky, zářivky, výbojky, zásuvkové obvody apod.) jsou vhodné pro vedení napájecí zařízení, která způsobují proudové rázy (6 – 9 In; větší žárovkové nebo výbojkové skupiny, spínané zdroje, více pólové motory apod.) jsou vhodné pro vedení napájecí zařízení, která způsobují velké proudové rázy (12 – 16 In; transformátory, 2 - pólové motory apod.)

Pozn.: Tyto označení však platí pouze pro modulární jističe.


23

2.4 Přechodový odpor U všech spojů, kontaktů a vzájemných spojení vodivých součástí dochází ke ztrátám v těchto místech. Je to dáno nedokonalostí kontaktních ploch materiálů, vlastnostmi jednotlivých materiálů a jejich opotřebením. Jednotlivé spoje můžeme rozdělit z několika hledisek. Na pevná (nepružná) spojení a kluzká (pružná) spojení. Pro pevné kontakty platí, že oba konce vodičů jsou buďto rozdělitelně spojeny (šroubem, přítlačnou pružinou) nebo nerozdělitelně spojeny (pájením, svářením). Naopak u kluzkých spojení nedochází k přerušení proudové dráhy při posunutí kontaktů po ploše spojení. Do této skupiny můžeme zařadit např. uhlíkové kartáče elektrických strojů, valivé kontakty spínačů a toroidů nízkonapěťového vedení. Mezi charakteristické veličiny popisující vlastnosti přechodového odporu patří stykový odpor, ztráty v kontaktech, oteplení kontaktů a materiál kontaktů.

2.4.1 Stykový odpor Při výrobě kontaktů je snaha o vytvoření zcela hladké plochy spoje hlavním cílem. Dosáhnout však toho, aby byla plocha kontaktu zcela rovná, je nemožné. Proto se ve výrobních procesech snažíme co nejvíce omezit vznik nerovností kontaktů. Stykový odpor je poté vyjádřen jako součet odporu zúženého místa styku a přechodovým odporem použitých materiálů

(4)

kde Rs je stykový odpor kontaktu [Ω], F je síla působící na kontakty [N], c je konstanta materiálu, stavu jeho plochy a koncentraci příměsí a nečistot, K je tvarový koeficient styku. Tento vztah je však pouze přibližný neboť nemůžeme s přesností určit počet míst dotyku ani jejich velikost.

2.4.2 Ztráty v kontaktech Ztráty v kontaktech jsou nejvíce ovlivňovány použitým materiálem. Pro ztráty v kontaktech platí stejný vztah jako pro ztrátový výkon v pojistkách.


24

2.4.3 Oteplení kontaktů Při průchodu proudu jakýmkoli spojením či kontaktem dochází v závislosti na jeho stykovém odporu k oteplení samotného kontaktu. Takové oteplení je velice nežádoucím jevem, protože už i malý nárůst teploty přispívá k rychlejší oxidaci stykových ploch, větší nárůst teplot pak může vézt od opálení ploch přes roztavení až vznícení okolních částí. Proto je teplota všech částí proudové dráhy velice sledovaným faktorem. Při dimenzování různých zařízení s kontakty platí celá řada norem např. norma ČSN IEC 60943 (370677) zabývající se oteplením částí elektrického zařízení, zejména pro svorky.

2.4.4 Materiály kontaktů Jako hlavní materiály pro kontakty a spojení elektrických zařízení se používá mědi nebo hliníku, respektive jejich slitin s jinými materiály pro zlepšení vlastností. Mezi vlastnosti popisující jednotlivé materiály můžeme zařadit např.:    

rezistivitu a konduktivitu materiálu přechodový odpor styku dovolenou teplotu při zkratovém namáhání mechanické vlastnosti


25

3 TEPELNÉ ÚČINKY PROUDU V proudovodných drahách elektrických přístrojů dochází při průchodu proudu k oteplení všech jeho vodivých částí. Teplo vyvolané proudem ovlivňuje materiály jak vodivé, tak i izolanty. Navíc v místech spojů a kontaktů vlivem vyšší teploty roste přechodový odpor. Při návrhu všech elektrických přístrojů je proto hlavním cílem zjistit účinky tepla vyvoleného proudem, co možná nejvíce zamezit namáhání proudovodných drah a také zajistit celkovou bezpečnost a spolehlivost přístroje. Pro určení celkového tepla ve vodiči lze použít vztah pro Joulleovo teplo, kde Q je Jouleovo teplo, R je odpor vodiče, I je procházející proud vodičem a t je doba, po kterou proud prochází. Tento vzorec nám určuje celkové množství přivedeného tepla do vodiče. Spotřebované teplo můžeme vyjádřit dvěma způsoby. První z nich vyjadřuje tepelné ztráty, neboli teplo vyzářené povrchem do okolí, kde αo (W/m2K) je součinitel přestupu tepla, A (m2) je ochlazovací povrch úseku,  (K) je okamžité oteplení tělesa proti okolí. Druhá část tepla pak způsobuje samotné ohřátí tělesa, kde c (J/m3. K) je měrná objemová tepelná kapacita a V (m3) je objem. RI 2 dt   o A dt  cVd ( )

(5)

Tato rovnice tepelné rovnováhy nám vyjadřuje množství tepla přivedeného (tepelný příkon), teplo vyzářené tělesem do okolí (tepelné ztráty) a teplo, které zahřívá samotné těleso (tepelný výkon)

3.1 Šíření tepla Teplo se vždy šíří od místa s vyšší teplotou k místu s nižší teplotou. Rozeznáváme tři druhy šíření tepla. Vedením (kondukcí), prouděním (konvekcí) a sáláním (radiací). U vedení a proudění je potřeba pro šíření tepelné energie prostředí vyplněné látkou a neustálý pohyb částic hmoty v ní. Kinetická energie při srážkách částic je přenášena z míst s vyšší teplotou do míst s teplotou nižší, dokud nedojde k vyrovnání teplot. Naopak energie při sálání nepotřebuje látkové prostředí (přenáší se i ve vakuu). Jde o elektromagnetické záření.

3.1.1 Kondukce Jak už bylo uvedeno výše, je pro vedení tepla zapotřebí látkového prostředí. Uvnitř tělesa se však částice doslova nepohybují, ale pouze kmitají kolem svých rovnovážných poloh. Hlavní veličinou popisující rychlost vedení tepla je součinitel tepelné vodivosti αo (W/m2K). Charakterizuje množství tepla potřebného na vyvolání jednotkového tepelného spádu na tělese jednotkové délky za jednotku času. U povrchů tuhých těles se můžeme setkat s částečnou kondukcí.


26

3.1.2 Konvekce Prouděním je asi nejrozšířenějším druhem vedení tepla, se kterým se můžeme denně setkat téměř všude. Převažuje u tekutin (možné je i u plazmy), u pevných látek není realizovatelné. V atmosféře hustota tekutin s rostoucí teplotou klesá. Tak dochází k samovolnému proudění v okolí všech látek s vyšší (nižší) teplotou, než je teplota vzduchu. Proudění zvětšuje značně intenzitu odnímání tepla z povrchu teplého tělesa. Z fyzikálního hlediska se jedná o nejsložitější druh přestupu tepla, protože pro výpočet odvodu tepla z povrchu tělesa pomocí proudění tekutiny charakterizuje mnoho parametrů (měrná hmotnost, specifické teplo, tepelná vodivost, dynamická viskozita, kinematická viskozita). U konvekce rozeznáváme dva stavy proudění a to laminární a turbulentní. Pro odlišení laminárního a turbulentního proudění se používá Reynoldsovo číslo.

3.1.2.1 Laminární proudění Laminární proudění je takové proudění vazké kapaliny, při kterém jsou proudnice rovnoběžné a nemísí se mezi sebou. Částice kapaliny se pohybují vedle sebe jakoby ve vrstvách. Odtud také laminární neboli vrstevnaté proudění. Mezi jednotlivými vrstvami se předpokládá existence vnitřního tření a platnost vztahu Newtonova zákona viskozity.

Obrázek 8 - Laminární proudění

3.1.2.2 Turbulentní proudění Na rozdíl od laminárního dochází u turbulentního proudění k mísení proudnic a částice navíc, čili kromě posuvného pohybu, tvoří i víry. Rychlost proudění není ve všech místech stejná, proto hovoříme o nestacionárním proudění. Teplo se předává pouze v tzv. mezní vrstvě, v těsné blízkosti stěn obtékaných proudem tekutiny. V této vrstvě se objevuje laminární proudění.

Obrázek 9 - Turbulentní proudění


27

3.1.3 Radiace Sálání (záření, radiace) je fyzikální proces, při kterém látka emituje do prostoru energii ve formě elektromagnetického záření. Na rozdíl od přenosu tepla vedením nebo prouděním se může prostřednictvím sálání teplo přenášet i ve vakuu. Tepelné záření v obecném smyslu je totožné se sáláním, tedy vyzařováním celého elektromagnetického spektra. Z termodynamického hlediska jde o tepelný přenos při jakékoli vlnové délce. Většinou jde o infračervené záření nebo záření trochu užšího intervalu vlnových délek 0,7–10 μm, které odpovídají maximům elektromagnetického vyzařování teplých těles. Naopak, někdy se v zobecněném smyslu používá pojem tepelné záření i pro vyzařování hmotných částic (s nenulovou klidovou hmotností), např. v astrofyzice pro kvantové vyzařování černých děr. Množství vyzářené energie, barva plochy, velikost plochy a další charakteristické vlastnosti ovlivňující energii, která je vyzařována. V termodynamice jsou hlavními zákony popisující toto záření Planckův vyzařovací zákon, Stefan-Boltzmannův zákon či Wienův posouvací zákon.


28

4 JISTIČ NZMB2 - A125 4.1 Úvod V této práci se budeme zabývat nadproudovou spouští výkonového jističe společnosti EATON Elektrotechnika s.r.o. Jedná se o základní řadu kompaktních výkonových jističů určená pro hodnoty jmenovitého proudu od 20 – 250 A. Produkty řady NZM2 poskytují ochranu elektrických rozvodů, motorů a zařízení s vypínacími schopnostmi pro 25kA, 50kA nebo ve speciálních případech až 150kA.

Obrázek 10 - Jistič NZMB2-A125[7] Tabulka 1- Parametry jističe NZMB2-A125 Parametry Nadproudová spoušť Zkratová spoušť Jmenovité napětí Jmenovitá zkratová vypínací schopnost 240 V Jmenovitá zkratová vypínací schopnost 400/415 V Jmenovitá zkratová vypínací schopnost 440 V Elektrická životnost AC-1 Elektrická životnost AC-3 Ztrátový výkon na 1 pól pro In=125 A ) pro 3pólové systémy 6 500 spínacích cyklů

*

Hodnoty 100-125 A 750-1250 A 690 V 30 kA 25 kA 25 kA 10 000 spínacích cyklů * 6 000 spínacích cyklů 4,297 W


29

4.2 Princip jističe NZMB2 – A125 Konstrukčně mohou být jističe skupiny NZM společnosti EATON Elektrotechnika s.r.o. vybaveny buď termomagnetickou, nebo elektronickou spouští. Obě spouště je možné dále nastavovat podle potřeby v širokém rozsahu. Celkové řešení jističe odpovídá normě ČSN EN 60947-2. To umožňuje jejich použití v domovních i průmyslových instalacích. Nová řada jističů skupiny NZM je vybavena nejnovějším pokrokem v oblasti spínacích mechanizmů. Jedná se o tzv. Rotoaktivní systém hlavních kontaktů, který zlepšuje vlastnosti při vypínání zkratových proudů. Tento systém selektivního řešení proudové dráhy jističe umožňuje omezovat vysoké zkratové proudy a velmi rychle je vypínat, což přibližuje skupiny jističů s tímto systémem k pojistkám výrazněji, než je tomu u standardních jističů.

4.3 Rotoaktivní systém Každý hlavní pól jističe je tvořen komorou s rotačním kontaktem, ve které se při průchodu zkratového proudu vytvářejí dva elektrické oblouky v sérii (důsledek elektromagnetického odpuzování pevného a pohyblivého kontaktu). Přesáhne-li zkratový proud prahovou hodnotu nastavení vypínacího systému, píst a pružinový mechanismus využijí tlak vzniklý při hoření oblouku k vypnutí jističe, tj. zhruba 3 ms po odpojení hlavních kontaktů. Proudy, které nedosáhnou prahové hodnoty, jsou nedostatečné pro aktivaci systému a zkratový proud je omezován impedancí elektrického oblouku. Při překročení prahové hodnoty je vypínání velmi rychlé (1 ms) a omezuje rozvíjející se zkratový proud. Jističe nižší jmenovité hodnoty (In) omezují zkratový proud mnohem výrazněji. [4]

Obrázek 11 - Rotoaktivní systém[4]


4.4 Vypínací charakteristika

Obrázek 12 - Vypínací charakteristika jističe NZMB2-A125[7]

30


31

4.5 Výhody rotoaktivního systému Jak už bylo řečeno, rotoaktivní systém dokáže omezit poruchové proudy efektivněji než obvyklá konstrukce kompaktního jističe s jednoduchým hlavním kontaktem a to až do 150kA. Také se zvyšuje i mez selektivity s jinými jističi až do 150kA. To má za následek menšího opotřebení kontaktů a větší poměr mezní a provozní vypínací schopnosti. Pro výrobce je důležité zajištění pouze jednoho bezproblémového vypnutí zkratu a následná provozuschopnost jističe. Z těchto poznatků vyplývá zlepšení schopnosti vypínat zkraty s lepšími parametry než u konvenční konstrukce a to dále vede k menším nárůstům teploty při dalších obnoveních provozu. Tím se zmenšuje i namáhání kabelů, jejich izolace a oteplení rozvaděče.

4.6 Fotografie některých částí jističe

Obrázek 13 - Vnitřní část jističe s rotoaktivním systémem


Obrázek 14 - Ilustrační obrázek tepelné spouště

Obrázek 15 - Detail vybavovacího mechanismu

32


33

5 VÝPOČET NÁHRADNÍHO SCHÉMATU JISTIČE 5.1 Přepočet měrného odporu Měrná tepelná vodivost Předpokládané oteplení Teplotní součinitel mědi Rezistivita mědi

5.2 Určení náhradní chladivosti povrchu 1. Chladivost radiací Protože tabulková hodnota je uváděna pro teplotu okolí a při praktickém měření byla okolní teplota ° , byla provedena lineární aproximace. Z udávaných vzorců v tabulce [8; str.52; tab. 2 – 44] bylo zjištěno, že spád prvního sčítance ve vzorci je 0,05/5 °C a druhého 0,001/5 °C. Činitel stínění byl odhadnut na N=0,8. Vyjádříme vzorec pro chladivost zářením:

a aproximace

2. Chladivost konvekcí Pro stěnu o šířce 10 mm: Pro stěnu o šířce 5 mm:

ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně Lineární aproximace pro stěnu o šířce 2,5 cm:


5.3 Díl sestavy PD LINE 5.3.1 Určení koeficientu proudnic Pro místa zúžení průřezu byly vypočítány koeficienty zúžení 1. Otvor ϕ 8,3 mm

2. Zúžení 19 mm – 14 mm

34


5.3.2 Určení střední délky proudnice Jedná se o myšlenou čáru mezi přívodními otvory.

Obrázek 16 - Střední délka proudnice PD LINE

5.3.3 Výpočet koeficientu skinefektu

Podle těchto hodnot určíme koeficient skinefektu [8; str.29; obr. 2 - 4]

5.3.4 Výpočet elektrického odporu

35


36

5.3.5 Určení chlazeného povrchu Při výpočtu bylo vycházeno z obrázku celého dílu. U obou přívodních otvorů z vnější strany nebyla plocha počítána, protože zde byl vzorek přimontován ke kontaktům zdroje. Hodnota byla použita z modelu části z programu SolidWorks. Celková plocha části: Plocha části bez kontaktních ploch:

Výpočet velikosti chladícího obvodu

5.3.6 Veličiny náhradního π-článku


Obrázek 17 - Schéma náhradního π-článku součásti PD LINE

37


5.4 Díl sestavy PD LOAD 5.4.1 Určení koeficientu proudnic Pro místa zúžení průřezu vypočítáme koeficienty zúžení 1. Otvor ϕ 6,4 mm

2. Zúžení 19 mm – 14 mm


Obrázek 18 - Střední délka proudnice PD LOAD

38


39

5.4.3 Výpočet koeficientu skinefektu Pro úplnost výpočtu byl zvažován koeficient skinefektu, avšak v praktickém měření bylo provedeno při stejnosměrném napětí, kde se skinefekt nevyskytuje.

Podle těchto hodnot byl určen koeficient skinefektu [8; str.29; obr. 2 - 4]


5.4.5 Určení chlazeného povrchu Při výpočtu bylo vycházeno z obrázku celého dílu. U obou přívodních otvorů z vnější strany nebyla plocha počítána, protože zde byl vzorek přimontován ke kontaktům zdroje. Hodnota byla použita z modelu části z programu SolidWorks. Celková plocha části: Plocha části bez kontaktních ploch:




Obrázek 19 - Schéma náhradního π-článku součásti PD LOAD

40


5.5 Díl sestavy CL 5.5.1 Určení koeficientu proudnic Pro místa zúžení průřezu byly vypočítány koeficienty zúžení 1. Otvor ϕ 5 mm

2. 2 x zúžení 8,1 mm – 5,7 mm

3. 2 x zúžení 5,7 mm – 7,88 mm

4. Zúžení 7,88 mm – 10,29 mm

41


42

5.5.2 Určení střední délky proudnice Jedná se o myšlenou čáru mezi přívodními kontakty.

Obrázek 20 - Střední délka proudnice CL

5.5.3 Výpočet koeficientu skinefektu Pro úplnost výpočtu byl brán v úvahu koeficient skinefektu, avšak v praktickém měření bylo provedeno při stejnosměrném napětí, kde se skinefekt nevyskytuje.

Podle těchto hodnot určíme koeficient skinefektu [8; str.29; obr. 2 - 4]


43


5.5.5 Určení chlazeného povrchu Bylo vycházeno z obrázku celého dílu. U obou přívodních otvorů z vnější strany nebyla plocha počítána, protože zde byl vzorek přimontován ke kontaktům zdroje. Hodnota byla použita z modelu části z programu SolidWorks. Celková plocha části: Plocha části bez kontaktních ploch:




Obrázek 21 - Schéma náhradního π-článku součásti CL

44


45

6 MODELOVÁNÍ PROUDOVÉ DRÁHY Pro zobrazení a simulaci proudové dráhy bylo využito možností programů SolidWorks a SolidWorks – Flow Simulation. V první řadě došlo nejdříve k vytvoření 3D modelu proudové dráhy v programu SolidWorks a poté byla provedena simulace za určitých podmínek okolního prostředí pro model. Díky této simulaci je možné detailně sledovat celou řadu veličin charakterizující průběh proudu jakýmkoli namodelovaným objektem pro jakékoli podmínky.

6.1 Modelování a simulace rotoaktivní části jističe NZMB2-A125 V programu SolidWorks byl vytvořen model proudovodné dráhy jističe pro jednu fázi. Avšak pro potřeby simulace byla zapotřebí pouze část rotujícího kontaktu a přívodní části pro oba kontakty. Do programu SolidWorks – Flow Simulation byl vložen model. Poté byly nastaveny podmínky okolního prostředí, kterými byly teplota okolního vzduchu, samotná počáteční teplota měřeného pásového vodiče, okolní vlhkost. Dále bylo nutné zadat směr a velikost působení gravitace, směr odvodu tepla, atd. Po nastavení všech nezbytností došlo ke spuštění simulace. Pro ukázku bylo vybráno několik obrázků s charakteristickými veličinami pro průběh proudu a oteplení proudovodné dráhy jističe. Zde jsou obrázky vybraných veličin vygenerované simulací.


Obrázek 22 - Teplota materiálu v řezu

Obrázek 23 - Teplota povrchu

46


Obrázek 24 - Proudová hustota

Obrázek 25 - Úbytek napětí

47


48

7 PRAKTICKÉ MĚŘENÍ – PÁSEK V praktickém měření byla provedena oteplovací zkouška, při které byl měřený prvek vystaven proudu, jehož měrná hodnota byla I=3,5A/mm2. V časovém intervalu 0-7590 sekund bylo provedeno měření termočlánkem typu K každých 30 sekund v jednotlivých bodech podle obrázku.

Obrázek 26 - Fotografie měřeného prvku s označením bodů


8 VÝPOČET NÁHRADNÍHO SCHÉMATU PÁSKU

Obrázek 27 - Nákres měřeného prvku

49


8.1.1 Přepočet měrného odporu Měrná tepelná vodivost Předpokládané oteplení Teplotní součinitel mědi Rezistivita mědi

8.1.2 Určení koeficientu proudnic Pro místa zúžení průřezu vypočítáme koeficienty zúžení 1. Otvor ϕ 8,5 mm

2. Otvor ϕ 11 mm

3. Otvor ϕ 11,7 mm

50



Obrázek 28 - Schéma střední délky proudnice




51


52

8.1.6 Určení náhradní chladivosti povrchu 1. Chladivost radiací Protože tabulková hodnota je uváděna pro teplotu okolí a při praktickém měření byla okolní teplota , musela být provedena lineární aproximace. Z udávaných vzorců v tabulce [8; str.52; tab. 2 – 44] bylo zjištěno, že spád prvního sčítance ve vzorci je 0,05/5 °C a druhého 0,001/5 °C. Činitel stínění byl odhadnut na N=0,8. Vzorec pro chladivost zářením je vyjádřen:

a aproximace

2. Chladivost konvekcí Pro stěnu o šířce 5 cm: Pro stěnu o šířce 1 cm:


53

Lineární aproximace pro stěnu o šířce 2,5 cm:


8.1.7 Určení chlazeného povrchu Při výpočtech bylo vycházeno z obrázku celého dílu. U obou přívodních otvorů z vnější strany nebyla plocha počítána, protože zde byl vzorek přimontován ke kontaktům zdroje. 1. Plocha prostřední části

2. Plochy bočních částí

3. Plochy otvorů

Celková velikost chlazeného povrchu




Obrázek 29 - Schéma náhradního π-článku pásku

54


55

8.2 Výpočet oteplení přípojnic transformátoru 1. Chladivost radiací

Protože tabulková hodnota je uváděna pro teplotu okolí a při praktickém měření byla okolní teplota ° , musela být provedena lineární aproximace. Z udávaných vzorců v tabulce [8; str.52; tab. 2 – 44] bylo zjištěno, že spád prvního sčítance ve vzorci je 0,05/5 °C a druhého 0,001/5 °C. Činitel stínění byl odhadnut na N=0,8. Vzorec pro chladivost zářením byl vyjádřen:

a aproximace

2. Chladivost konvekcí Pro stěnu o šířce 10 mm:




56



8.2.3 Určení chlazeného povrchu Bylo vycházeno z obrázku celého dílu. U obou přívodních otvorů z vnější strany nebyla plocha počítána, protože zde byl vzorek přimontován ke kontaktům zdroje. Hodnota byla použita z modelu části z programu SolidWorks. Celková plocha části: Plocha části bez kontaktních ploch:




Obrázek 30 - Schéma náhradního π-článku přípojnice

57


8.3 Modelování a simulace pásového vodiče

Obrázek 31 - Teplota v řezu[°C]

Obrázek 32 - Teplota ploch[°C]

58


Obrázek 33 - Proudová hustota[A/m2]

Obrázek 34 - Úbytek napětí[V]

59


Obrázek 35 - Jouleovy ztráty[W/m3]

60


61

9 POROVNÁNÍ VÝSLEDKŮ Porovnání hodnot oteplení z analytického výpočtu a simulace jističe [K] . PD LINE

PD LOAD

CL

Výpočet

7,1967

7,473

39,139

Simulace

25,84

24,25

29,55

Tabulka 2 - Tabulka hodnot oteplení jističe Porovnání hodnot z praktického měření a simulace pásku [K]. Měřený bod

1

2

3

4

5

6

Simulace

22,9

26,5

30,9

30,1

23,3

21,0

Praktické měření

20,5

23,5

29,2

29,6

24,4

18,8

Tabulka 3 - Tabulka hodnot oteplení pásku


Obrázek 36 - Průběh oteplení jednotlivých bodů na pásku a střední hodnota

62


63

10 ZÁVĚR Cílem této práce bylo seznámení se s teorií, vlastnostmi, jednotlivými částmi, funkcemi, výhodami a nevýhodami kompaktního jističe nízkého napětí. Dále byl vedoucím práce vybrán vzorek pro praktické měření, na kterém proběhlo samotné měření ustálenou oteplovací zkouškou. V programu SolidWorks byl vytvořen model jedné fáze jističe NZMB2-A125 společnosti EATON Elektrotechnika s.r.o. Z celého modelu pak proběhla simulace (SolidWorks Flow Simulation) pouze rotoaktivní části jističe za podobných podmínek jako při praktickém měření. Nakonec byl proveden analytický výpočet pro stejný vzorek. V praktické části měření byla naměřena maximální ustálená hodnota oteplení Tmax=24,533K. Z této hodnoty oteplení byla vypočtena časová konstanta τ = 960 s. Při porovnání hodnot naměřených v semestrální práci bodovou metodou a při měření přístrojem ALMEMO 5690-2, bylo zjištěno, že rozdíl mezi jednotlivými hodnotami jsou jednotky kelvinů. Tato odchylka mohla být způsobena nepřesným odečítáním naměřených hodnot. Z důvodů komplikovanosti nebylo možné provést praktické měření oteplení proudovodné dráhy jističe NZMB2-A125. Tato dráha je v jističi zapouzdřena a zabudována přímo do šasi jističe což téměř znemožňuje přístup, kde jedinou možností by bylo jistič zničit a jednotlivé části poté změřit bez šasi. To by však znehodnotilo celé měření, protože jistič by nebyl ve stavu, pro který je jeho výroba a produkce určena. Dalším problémem by byly přípojnice pro oteplovací zkoušku, jejichž cena a dostupnost jsou pro laboratorní podmínky závratné. Proto bylo provedeno náhradní měření se vzorkem měděného pásku s několika otvory. Při porovnání hodnot z praktického měření a hodnot simulace pásku, byla zaznamenána dost velká podobnost obou výsledků. U analytického výpočtu bylo využito literatury Podklady a příklady pro navrhování elektrických přístrojů I, která je uvedena v seznamu literatury. Z kapitoly 9 porovnáním výsledných hodnot oteplení bylo zjištěno, že mezi vypočtenou hodnotou oteplení v simulaci a výsledky analytického výpočtu je rozdíl u přípojnic přibližně ΔT=18 K, u rotoaktivní části ΔT=10 K. Při takto složitém analytickém výpočtu nelze dosáhnout přesných výsledků. Je možné se jim přiblížit, ale je zapotřebí přesných dat z elementárního prvku, nejen rozměrových, ale i materiálových vlastností. Námi měřený pásek byl značně nesymetrický, v několika místech zoxidovaný a zohýbaný. Navíc je ve výpočtu použito mnoho zjednodušení a koeficientů.


64

LITERATURA [1] Česká republika. ZMĚNA ZÁKONA O METROLOGII (§2, odstavec 2d zákona č.119/2000 Sb). In: Sbírka zákonů. 2000. Dostupné z : http://www.pravnipredpisy.cz/predpisy/ZAKONY/2000/119000/Sb_119000_------_.php [2] OEZ s.r.o. Příručka elektrotechnika. Jistící přístroje I. Interní dokumenty. Letohrad : [s.n.], 2012. s. 92 [3] MINDL, Pavel. Moderní elektronické jističe v rozvodech nn. SCHRANCK. 2008, 27.3.2008. [cit. 26.11.2012] Dostupné z : http://elektrika.cz/data/clanky/schrack- modernielektronicke-jistice-v-rozvodech-nn [4] DOSTÁL, Martin. Selektivita – výjimečné vlastnosti výkonových jističů. Elektro Dostupné z : http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=25193 [5] SolidWorks – software – studentská licence [6] SolidWorks – Flow Simulation – software – studentská licence [7] Katalog. Výkonové jističe. Praha: Eaton Elektrotechnika s.r.o., Březen 2009. 343 s. Dostupné z : http://www.eatonelektrotechnika.cz/pdf/tiskoviny_pdf_358.pdf/ . [8] HAVELKA, Otto, VÁVRA, Zdeněk a SVOBODA Dalibor. Podklady a příklady pro navrhování elektrických přístrojů I. Brno: Ediční středisko VUT Brno, 1985.

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Recommend Documents