Equation Chapter (Next) Section 1
Wstępna analiza teoretyczna dotycząca oddziaływań elektrodynamicznych występujących w trakcie trójfazowego niskonapięciowego zwarcia łukowego w prostoliniowym układzie szyn ułożonych w jednej płaszczyźnie wykazała wzrost elementarnych sił elektrodynamicznych działających na szyny w porównaniu do sił, jakie by wystąpiły w takim samym układzie szynowym w trakcie zwarcia metalicznego.
Siły elektrodynamiczne działające na szyny i związane z nimi naprężenia zależą od geometrii układu szynowego, wartości chwilowych prądów zwarciowych płynących w poszczególnych fazach układu szynowego oraz od wzajemnego położenia kolumn łukowych trójfazowego zwarcia łukowego. W niskonapięciowych układach rozdzielczych na wartość prądu zwarcia łukowego istotny wpływ ma rezystancja łuku, która powoduje jego ograniczenie, w porównaniu do wartości prądu płynącego w trakcie zwarcia metalicznego. W celu określenia wpływu rezystancji łuku zwarciowego na wartości chwilowe prądów zwarciowych, dynamiki przemieszczania się łuku awaryjnego wzdłuż płaskiego, prostoliniowego układu szyn, jak również w celu wyznaczenia wzajemnego położenia kolumn łukowych, konieczne było przeprowadzenie badań laboratoryjnych prędkości łuku.
Niskonapięciowe układy rozdzielcze są bardzo zróżnicowane pod względem budowy. W typowych konstrukcjach układów szyn zbiorczych bardzo często stosuje się zmianę sposobu ułożenia układu szynowego, jak i samych szyn fazowych względem siebie. Ponadto wzdłuż ułożonego układu szynowego mogą występować w niewielkiej odległości od szyn metalowe konstrukcje wsporcze bądź obudowy aparatury, odpływy szynowe w polach liniowych, przegrody izolacyjne, mosty szynowe ułożone prostopadle do osi układu szynowego oraz aparatura łączeniowa i pomiarowa.
Stabilne palenie się łuku w trakcie niskonapięciowych zwarć łukowych występuje przy niewielkich odstępach, nieprzekraczających 60 mm, pomiędzy wewnętrznymi krawędziami szyn. W wielu konstrukcjach rozdzielnic odstępy pomiędzy szynami fazowymi a konstrukcją uziemioną, np. obudową rozdzielnicy, są znacznie większe niż pomiędzy samymi szynami fazowymi. Zwiększona odległość pomiędzy konstrukcjami uziemionymi a szynami fazowymi może spowodować niestabilne palenie się łuku.
W trakcie zwarcia rzeczywiście istnieje prawdopodobieństwo przeskoku łuku na części uziemione. Stan ten nie trwa długo, gdyż w momencie przejścia prądu przez zero następuje jego zgaszenie, a ponowny zapłon powstaje już pomiędzy szynami fazowymi [43].
Występowanie przegród lub warstw izolacyjnych na szynach powoduje spowolnienie lub nawet miejscowe zatrzymanie łuku na przeszkodzie. Silne oddziaływanie cieplne łuku na materiały izolacyjne zmienia warunki, w jakich się pali. Wywołana przez cieplne oddziaływanie łuku piroliza materiałów organicznych powoduje wytworzenie dużej ilości gazów, które dodatkowo chłodzą kolumnę łukową i mogą przyczynić się do zgaszenia łuku przy przejściu prądu przez zero, jak również do jego ponownego zapłonu w innej części układu szynowego.
Przeprowadzenie szczegółowych badań dotyczących wpływu poszczególnych czynników na prędkość chwilową łuku wiązałoby się ze sporym nakładem czasu i kosztów, i byłoby utrudnione ze względu na niekiedy losowy wpływ niektórych czynników na uzyskiwane wyniki. Dokładniejsza analiza wymagałaby przeprowadzenia bardzo dużej ilości prób. Stąd też w badaniach dynamiki łuku postanowiono wprowadzić uproszczenia eliminujące wpływ niektórych czynników, takich jak: konstrukcji ferromagnetycznych, sposobu ułożenia szyn, obecności części uziemionych lub warstw i przegród izolacyjnych. Takie podejście ułatwia jednoznaczną analizę teoretyczną dynamiki prędkości i zachowania się łuku w wybranej konfiguracji układu szynowego.
Postanowiono skupić się na przypadku prostoliniowego układu szyn zbiorczych, obejmującego najczęściej stosowane rozwiązania niskonapięciowych układów szynowych pod względem materiału, z jakiego wykonywane są układy szynowe, jak również ich profilu i odstępu pomiędzy osiami szyn. Cały cykl badań laboratoryjnych został podzielony na dwie części.
Pierwsza część obejmuje badania prędkości łuku występującego podczas zwarcia dwufazowego, gdzie występuje jeden łuk palący się pomiędzy szynami fazowymi układu.
Szczegółowe badania prędkości łuku w takiej konfiguracji układu, ze względu na jego prostotę budowy, umożliwiają wyznaczenie prędkości łuku zależnej od materiału, po jakim porusza się łuk, w zależności od wartości prądów probierczych oraz odstępów pomiędzy osiami szyn. Przeprowadzone rejestracje przebiegów prądu i napięcia umożliwiają wyznaczenie współczynników do zaproponowanego modelu matematycznego. Wyniki pomiarów są niezbędne do obliczeń ze względu na brak w literaturze szczegółowych informacji dotyczących parametrów opisujących wpływ rezystancji łuku zwarciowego
na wartość chwilową prądu zwarciowego, jak również czynników decydujących o chwilowej prędkości przemieszczania się łuku awaryjnego wzdłuż szyn.
Drugi etap dotyczy badań prędkości trójfazowego łuku zwarciowego w prostoliniowym układzie szyn zbiorczych. Uzyskane wyniki prób trójfazowych posłużyły do weryfikacji założeń upraszczających, sprawdzenia procedur obliczeniowych i uzyskanych wyników obliczeń, jak również w celu wprowadzenia ewentualnych poprawek do użytego modelu obliczeniowego.
Analizę prędkości dwufazowego niskonapięciowego łuku awaryjnego poruszającego się wzdłuż szyn przeprowadzono dla układu, w którym spodziewany prąd zwarciowy Ik”
mieścił się w przedziale 2 ÷ 10 kA, przy odstępie pomiędzy osiami szyn a = 60 mm oraz 2 ÷ 16 kA, przy odstępie pomiędzy osiami szyn mieszczącym się zakresie 80 ÷ 100 mm. Górna granica zakresu prób dla najmniejszego z analizowanych odstępów a podyktowana była ograniczoną wytrzymałością elektrodynamiczną samego układu szynowego. W przypadku trójfazowego łuku awaryjnego badania prędkości przeprowadzono przy prądach zwarciowych Ik” z zakresu 2 ÷ 10 kA i odstępach a wynoszących 60 ÷ 80 mm.
Wartości analizowanych prądów zwarciowych odpowiadają wartościom prądów spotykanych w rozdzielnicach średniej mocy, w których układy szynowe zasilane są z transformatorów, których moc nie przekracza 630 kVA. Typowe wartości spotykanych prądów zwarciowych w układach rozdzielczych niskiego napięcia zasilanych z transformatorów o określonej mocy znamionowej Sn i napięciu zwarcia uk, zostały zamieszczone w tab. 5.1. Pogrubioną czcionką zaznaczono te wartości prądów znamionowych i zwarciowych, którym odpowiada założony przedział badań laboratoryjnych.
Tab. 5.1. Spodziewane prądy zwarciowe w niskonapięciowych układach rozdzielczych zasilanych z transformatorów [80]
Badania prędkości dwufazowego niskonapięciowego łuku zwarciowego przeprowadzono w układzie prostoliniowych szyn wykonanych z miedzi typu M1E lub aluminium typu A1 o profilu prostokątnym i wymiarach 40x5 mm. W przypadku badań trójfazowego niskonapięciowego łuku awaryjnego wykorzystano układ prostoliniowych szyn zbudowany tylko z szyn aluminiowych o profilu prostokątnym i wymiarach 40x5 mm. Szyny w badaniach łuku dwufazowego i trójfazowego ułożone są pionowo, w jednej płaszczyźnie, dłuższą krawędzią równolegle do płaszczyzny podstawy.
Pionowe ułożenie szyn w analizowanym zakresie odstępów a, w porównaniu do ułożenia poziomego, nie wpływa znacząco na wyniki pomiarów. Potwierdziły to wyniki badań wstępnych.