ELEKTROTECHNIKA II ELEKTRICKÉ PŘÍSTROJE Ing. Tomáš Kostka Ondřej Topolánek

Transkript

1 STŘEDNÍ ODBORNÉ UČILIŠTĚ TECHNICKÉ HAVÍŘOV, SÝKOROVA 1 ELEKTROTECHNIKA II ELEKTRICKÉ PŘÍSTROJE Ing. Tomáš Kostka Ondřej Topolánek verze 2/2003

2 HYPERTEXTOVÝ OBSAH Elektrické přístroje Spínací přístroje bez zhášedel Elektrický oblouk a jeho zhášení Výkonové vypínače Kapalinové vypínače Tlakovzdušné vypínače Plynové vypínače (SF 6 ) Vakuové vypínače Magnetické vypínače Přístrojové transformátory Přístrojový transformátor napětí Přístrojový transformátor proudu Pojistka bleskojistka Pojitka Bleskojistka Kontrolní otázky Elektrické přístroje - 1

3 Elektrické přístroje Definice, druhy a stručná charakteristika Každý i ten nejjednodušší obvod musí obsahovat zdroj, spotřebič, vedení a ovládací přístroj (obr. 1.). Elektrické přístroje jsou tedy souborem všech různých zařízení, kterými ovládáme a řídíme elektrický obvod. zdroj přístroj spotřebič vedení obr. 1. Elektrický obvod Elektrické spínací přístroje vykonávají následující úkony: spojují a rozpojují elektrický obvod bez proudu (např. odpojovač) zapínají a vypínají proud v obvodu (např. výkonový vypínač, stykač, jistič, apod.) řídí elektrický obvod tak, aby vhodným způsobem dosáhl požadovaného stavu a parametrů (např. regulátory, kondenzátory, apod.) jistí elektrické zařízení, tj. zabraňují nežádoucím následkům poruchového stavu obvodu (např. pojistka, jistič, bleskojistka, apod.) slouží k měření a jištění elektrických obvodů (PTP, PTN) Název spínač je souhrnný a obecný název pro vypínač, odpínač, odpojovač, jistič, stykač, chránič, atd. Proto musíme jednotlivé přístroje - spínače rozlišovat názvy pro určité specializované funkční úkony: Vypínač - obecný název přístroje, který zapíná a vypíná elektrický obvod pod proudem, bez určení velikosti tohoto proudu. Odpojovač - spíná elektrický obvod bez proudu, zpravidla s viditelnou rozpojovací drahou; nemá zhášedlo, používá se u vn, vvn a zvn Odpínač - zapíná a vypíná menší (jmenovité) proudy s viditelnou rozpojovací drahou; není schopen vypínat zkratové proudy proto se obvykle kombinuje s pojistkami Jistič - zapíná a samočinně vypíná proudy poruchových stavů, tedy proudy nad jmenovitou hodnotu Stykač - jde vlastně o odpínač, je však určen pro velmi častou funkci, tedy až 1000 sepnutí za hodinu; zapíná a vypíná i malý násobek jmenovitého proudu; je ovládán převážně dálkově Pojistka - jednorázové zařízení, které přeruší obvod při nadproudu nebo zkratu Bleskojistka (svodič přepětí) - zabraňuje šíření přepětí krátkodobým uzemněním vedení (zkratem) Přístrojové transformátory - slouží pro účely měření (zvětšení rozsahu měřících přístrojů MTP, MTN), pro jištění a ochrany (PTP, PTN) Chránič - jistič nn malého výkonu, který samočinně vypíná při poruše izolace; chrání obsluhu před úrazem el. proudu; jsou proudové a napěťové Elektrické přístroje - 2

4 Spouštěč přístroj k ručnímu nebo samočinnému spouštění motorů (kombinace spínacího přístroje a rezistorů) Regulátor přístroj na spínacím principu, jímž udržujeme danou veličinu (proud, napětí, otáčky, aj.) na požadované hodnotě Kondenzátory, reaktory, tlumivky Konstrukční členění Vypínač můžeme rozdělit na několik konstrukčních dílů: části proudovodné - svorky přístroje, spojovací části, kontakty izolace přístroje mechanismus - zařízení, které přemisťuje kontakty z jedné základní polohy do druhé zhášedla - slouží k uhašení oblouku výzbroj (ověšení) např. pomocné kontakty, signalizace, podvozek s příslušenstvím, atd. První tři díly jsou nutnou součástí každého přístroje. Se zhášedly a výzbrojí se setkáváme jen u některých přístrojů. Každý přístroj musí spolehlivě fungovat i bez výzbroje. Funkční stavy Vypínač má dva statické (trvalé) stavy - polohu vypnuto (I=0; U=U S ) - polohu zapnuto (I=I N ; U=0) a dva stavy dynamické (přechodné) - zapínání (0 I) - vypínání (I 0) Provedení vypínače musí respektovat všechny čtyři stavy, jinak hrozí selhání vypínače. - vypnuto: izolační vzdálenost mezi kontakty musí být taková, aby za normálního stavu vedení nedošlo k průrazu mezi kontakty. - zapnuto: kontakty na sebe musí dobře doléhat, aby nedocházelo k oteplení vlivem přechodového odporu a tím ke svaření - zapínání: proces zapínání nesmí probíhat příliš rychle - odskočení kontaktu a vznik oblouku, ani příliš pomalu - při pomalém přibližování přeskočí oblouk (elektrický průraz), který bude intenzivně kontakty zahřívat a tím tepelně namáhat - hrozí svaření - vypínání: kontakty se začnou oddalovat - vznikne úžinový odpor - vzroste teplota a vznikne oblouk - kontakty se musí oddálit dostatečnou rychlostí na dostatečnou vzdálenost Kontakty Každý elektrický spínací přístroj musí mít přerušitelnou proudovodnou dráhu. Vodivé spojení oddělovaných částí proudovodné dráhy se realizuje pomocí kontaktů. Kontakty se řadí mezi nejdůležitější části přístroje. Požadavky na kontakty: malý stykový odpor velká odolnost proti mechanickému opotřebení velká odolnost proti svaření velká odolnost proti opalování elektrickým obloukem optimální vliv na vývoj deionizačních pochodů po uhasnutí vypínacího oblouku dobrá elektrická i tepelná vodivost Elektrické přístroje - 3

5 Materiály kontaktů: měď a slitiny mědi (např. mosaz) stříbro - výborná odolnost proti oxidaci a proti opotřebení; stříbro má malou mechanickou pevnost a tvrdost proto se užívají slitiny Ag-Cu, Ag-Ni ušlechtilé kovy (zlato, platina, aj.) wolfram a molybden odolné vysokým teplotám; pro vypínače vn a vvn nepravé slitiny, dvojkovové materiály (bimetal), grafit, rtuť v bance, atd. Vznik stykového odporu: Povrch kontaktu není dokonale rovný, proud tedy musí protékat jen vodivě spojenými úžinami. Čím větší je nerovnost povrchu kontaktu (malý stykový průřez S S ), tím větší je stykový odpor. Čím větší je stykový odpor, tím více se kontakt zahřívá. Čím více se kontakt zahřívá, tím více roste odpor kontaktu** a tedy jeho ohřev dostáváme se do začarovaného kruhu. Hrozí tedy tavení nebo svaření kontaktu. I R = ρ l S S Q = R I 2 t ** s rostoucí teplotou odpor vodiče roste obr. 2. Vznik úžiny Zapouzdření elektrických přístrojů, zapouzdřené rozvodny Moderním trendem je vyrábět elektrické přístroje zapouzdřené v ochranném krytu napuštěném fluoridem sírovým SF 6. Jedná se o plyn, který má z pohledu elektrotechniky výborné izolační vlastnosti (? str. 12.). Máme-li k dispozici zapouzdřené elektrické přístroje, můžeme stavět zapouzdřené rozvodny. Existují čtyři způsoby konstrukčního řešení: úplné jednofázové provedení (obr. 3.) úplné trojfázové provedení smíšené provedení jednofázově zapouzdřené přístroje a trojfázově zapouzdřené přípojnice hybridní provedení jednofázově zapouzdřené přístroje, přípojnice a vedení nezapouzdřené Přednosti zapouzdřených rozvoden: v jednofázově zapouzdřené rozvodně nemůže dojít ke zkratu úspora zastavěné plochy i prostoru výhoda při volbě umístění (např. podzemní rozvodny pro metro) omezení vlivu na obsluhu zapouzdření chrání proti dotyku i proti vlivu el. pole omezení vlivu na životní prostředí odstraněn problém znečištění izolace a přístrojů kratší doba vlastní montáže větší bezpečnost a spolehlivost jednoduchost a nenáročnost údržby a revizí; bezrevizní chod 7 let, doplňujeme pouze SF 6 Elektrické přístroje - 4

6 Nevýhody zapouzdřených rozvoden: malá přizpůsobivost změnám malá variabilita a možnost umístění prvků není možná zaměnitelnost prvků od různých výrobců obr. 3. Jednofázově zapouzdřená rozvodna v PVE Dlouhé stráně 420 kv foto: Bouchala Spínací přístroje bez zhášedel Hlavním představitelem skupiny přístrojů u nichž se při vypínání oblouk nevyskytuje jsou odpojovače. Odpojovač Odpojovač je přístroj, který spojuje a rozpojuje nezatížený (bez proudu!) elektrický obvod mechanicky s viditelnou rozpojovací drahou. Odpojovače se používají k odpojování vedení, strojů a zařízení za účelem revize, opravy nebo změny řazení. V sítích nízkého napětí se odpojovače používají méně, zatímco v zařízeních na vysoké a zvlášť vysoké napětí jsou pravidlem. V rozvodech vn, vvn a zvn se neuspokojujeme jen s vypnutím proudu vypínačem, ale vždy přerušujeme obvod ještě na druhém místě odpojovačem. Odpojovač slouží především k ochraně osob pracujících na odpojených částech zařízení musí tedy naprosto bezpečně zajistit, aby se napětí z živého úseku nepřeneslo do části, na níž se pracuje. Tento požadavek vede ještě k další úpravě odpojovačů odpojovač vybavujeme zpravidla ocelovým uzemňovacím nožem, který se po odpojení kontaktů uzemní. Toto blokování je nejčastěji realizováno mechanickou vazbou. Po odpojení odpojovače vznikne malý oblouk daný kapacitním proudem (viz. soubor odpojovače.mpg). Při současném vybíjení kondenzátoru (kapacita vedení) a natahování oblouku odpojovačem oblouk sám zhasne. Elektrické přístroje - 5

7 Provedení odpojovačů je závislé na hladině napětí a na umístění (vnitřní, venkovní). Základní druhy - vn: pákové (obr. 6.), nástěnné; vvn: dvouizolátorové, trojizolátorové (obr. 4.); zvn: sloupcové obr. 4. Odpojovač vvn a) dvouizolátorový b) trojizolátorový obr. 5. Odpojovač vvn a zvn ve sloupcovém provedení Odpínač úsekový vypínač (úsečník) Odpínač narozdíl od odpojovače je schopný vypnout malý nebo jmenovitý proud. U odpínačů nn i proud zkratový. Odpínačů je celá řada: např. pákový, nožový, kloubový, apod. Pro napětí vn se používá úsekový vypínač, stručněji úsečník. Je to výhradně přístroj venkovní, který se montuje na sloupy a stožáry vedení a ovládá se pákou (obr. 8.). Je upraven tak, aby s ním bylo možné spínat určité malé proudy. Jmenovitý proud je 200 nebo 400 A, jmenovitý vypínací proud je 40 A. Vyrábí se maximálně do napětí 38 kv, tedy praktické použití je především na vedení 22 a 35 kv. obr. 6. Odpojovač vn pro vnitřní montáž obr. 7. Trojizolátorový úsečník vn obr. 8. Dvouizolátorový úsečník vn Elektrické přístroje - 6

8 Elektrický oblouk a jeho zhášení Elektrický oblouk Elektrický oblouk je elektrický výboj, který vzniká v ionizovaném plynu. Pro ionizovaný plyn zavádíme čtvrté skupenství - plazma. Látka z pevného skupenství (např. led) táním přechází do kapalného skupenství (např. voda) a přes bod varu do plynného skupenství (např. pára). Při dalším zvyšování teploty dochází k ionizaci plynu - plazma. Ionizace plynu je tedy převedení látky ze stavu plynného do stavu plazmatického. Ionizace plynu - zahříváním - elektrickým průrazem (např. blesk - nárazová ionizace plynu) Zahříváním vzniká el. oblouk například u pojistky nebo u kontaktních přístrojů u vypínání. Při oddalování kontaktů se zvětšuje stykový odpor a dochází k zhušťování proudu v úžinách. Podle vztahu P = R.I 2 dochází k velkému oteplení. Elektrickým průrazem vzniká oblouk například u bleskojistek nebo u kontaktních přístrojů při zapínání. Elektrický oblouk - elektrický výboj v ionizovaném prostředí - plazma - vysoká teplota (3000 K a více, s tlakem narůstá) - malý úbytek napětí (jednotky voltů na centimetr) - velká proudová hustota (MA na m 2 ) - oblouk je čistě činný prvek proud a napětí je ve fázi - velká intenzita vyzařování energie (od ultrafialového záření až po infračervené) Oblouk je nežádoucí především tepelnými účinky, kde "napadá" materiály kontaktů. Přípustná mez hoření oblouku je 30 ms. VA charakteristika oblouku: obr. 9. Charakteristiky elektrických oblouků Křivka 1 je nejdelší oblouk, křivka 2 kratší, atd. Místo, kde je křivka přerušovaná nazýváme oblast neklidného hoření. Elektrické přístroje - 7

9 Zhášení elektrického oblouku Zhášení oblouku je mnohem náročnější ve stejnosměrných obvodech než v obvodech střídavých. Ve střídavých obvodech "vyčkáváme" až bude proud procházet nulou. Po uhašení oblouku musíme zajistit takové podmínky, aby se znovu "nezapálil". Přerušení oblouku v jiném místě, než v nule proudu znamená vznik provozního přepětí. Oblouk můžeme přerušit - zvětšením jeho odporu natahováním R=(ρ.l)/S - zvětšením jeho odporu zmenšením průřezu R=(ρ.l)/S - dělením oblouku na n dílčích obloučků První možností, jak přerušit elektrický proud protékající obloukem, je natahování délky oblouku. Tato metoda je však účinná jen do určité hodnoty napětí a pro střídavé oblouky. (Stejnosměrný oblouk 110 kv bychom museli natáhnout 100 m). Natahování oblouku se provádí ve zhášedle s izolovanými rošty (obr. 11.). obr. 10. Schématické znázornění poměrů při zhášení oblouku v trysce vypínače Druhou možností je zmenšení průřezu oblouku (obr. 10.). To provádíme intenzivním chlazením oblouku v trysce vypínače (např. axiální kovová tryska u tlakovzdušného vypínače). Kolem oblouku proudí zhášecí médium a účinně jej ochlazuje. Průřez oblouku se zmenšuje. V nule proudu oblouk uhasne, protože vzrostl jeho odpor a ze zdroje není dodávána energie, která by oblouk udržela. Třetí možností je dělení oblouku na n-dílčích obloučků, které je už jednodušší zvládnout. Rozdělit oblouk můžeme například pomocí zhášecí komory s kovovým roštem (obr. 12.). Rozdělení oblouků vlastně znamená rozdělení odporu na několik menších odporů v sérii. Na každém dílčím odporu (oblouku) vzniká menší úbytek napětí. Při menším napětí se oblouk není schopen udržet. obr. 11. Zhášecí komora s izolačním roštem obr. 12. Zhášecí komora s kovovým roštem Elektrické přístroje - 8

10 Zhášení oblouku můžeme urychlit: a) zvětšováním vypínací rychlosti - mžikové vypínání (jen u nízkonapěťových vypínačů) b) vhodnou úpravou kontaktů (obr. 13.) c) několikanásobným přerušením proudu - proudovodnou dráhu rozpojíme na více místech řazených sériově (obr. 14.) d) dělením oblouku (obr. 15.) e) vyfukováním oblouku - vytlačování oblouku magnetickým polem nebo např. stlačeným vzduchem (tlakovzdušné vypínače) (obr. 16. a obr. 17.) f) zhášením cizím zhášecím prostředkem - olejem, vodou, stlačeným vzduchem a SF 6 Úpravy pro urychlení zhášení oblouku: Obr. 13. Rozšíření kontaktních per Obr. 14. Přerušení na dvou místech Obr. 15. Dělení oblouku Obr. 16. Vlastní vyfukování Obr. 17. Cizí vyfukování Obr. 18. Zhášecí komora s roztříšťovačem Elektrické přístroje - 9

11 Výkonové vypínače Podle principu můžeme vypínače rozdělit na - magnetické - kapalinové (kotlové, máloolejové, vodní) - s pevným hasivem - tlakovzdušné - plynové - vakuové - bezkontaktní Kapalinové vypínače Vypínače se zhášením oblouku v kapalině pracují tak, že využívají zplodin vznikajících tepelným rozkladem kapaliny při hoření oblouku. Využíváme přitom dvě kapaliny: olej a vodu. Kapalinové vypínače dělíme na - vypínače kotlové s volným zhášením oblouku v oleji - vypínače kotlové se zhášedly - vypínače s malým množstvím oleje - máloolejové - vypínače vodní (expanzní) Máloolejové vypínače Máloolejové vypínače jsou takové, které olej používají jen ke zhášení oblouku. Izolaci živých částí proti zemi obstarávají (na rozdíl od kotlových) tuhé izolanty. Kontakt má tvar štíhlého, vždy svisle orientovaného válce (obr. 20.). Vypínací roubík je ovládán klikovým mechanismem od hřídele natáčené vnějším pohonem. Máloolejové vypínače využívají zhášecí komory (obr. 22.). Teplem oblouku se olej zplyňuje a tlak ve zhášecí komoře narůstá. Při nejbližším průchodu proudu nulou oblouk zhasne. Páry a olej deionizují dráhu oblouku a znemožňují znovuzapálení oblouku. Obr. 19. Máloolejový vypínač Obr. 20. Řez pólem máloolejového vypínače vn s roubíkem vysouvaným a) nahoru b) dolů Elektrické přístroje - 10

12 Kotlové (olejové) vypínače Podstatou vypínače je uzavřený ocelový kotel naplněný olejem. Olej má trojí funkci: působí jako zhášecí médium, jako izolační prostředí mezi kontakty a jako izolace proudovodných částí od konstrukce. Výhody: jednoduchá konstrukce odolnost proti korozivnímu prostředí olej zháší i izoluje Nevýhody: velké množství oleje hořlavost oleje výbušnost par při větších proudech selhává Při velmi velkých proudech může vznikat v kotli velký tlak exploze vypínače. Moderní vypínače se proto začaly vybavovat tlakovými zhášecími komorami (obr. 22.). Tlaková komora je zhotovena z izolačního válce, obklopujícího pevný kontakt. Při rozpojení kontaktů vznikne oblouk a část oleje se odpaří. Protože pohyblivý kontakt komoru uzavírá, vznikne v ní velký tlak. Ve chvíli, kdy kontakt opustí otvor ve zhášecí komoře, uvolní se tlak a směs par začne rychle unikat. Přitom tlak plynu intenzivně ochlazuje oblouk. Velkou výhodou je, že se oblouk stýká jen s olejem uvnitř komory, takže se olej méně znehodnocuje. obr obr. 22. Zhášecí tlaková komora a) sepnuto b) vznik oblouku c) zhášení oblouku Expanzní (vodní) vypínače Jejich celkové konstrukční provedení je obdobné jako u vypínačů máloolejových. Důvodem k záměně oleje za vodu je to, že voda neobsahuje uhlík. Elektrická pevnost vody je velmi dobrá, plně srovnatelná s pevností oleje. Tepelným rozkladem vody vzniká vodík a kyslík, tj. plyny, které se buď zpětně sloučí ve vodu, nebo prostě uniknou do ovzduší. Ve vypínači zůstává stále jen čistá voda. Destilovanou vodu však nemůžeme použít, protože by v zimě zmrzla. Navíc voda je průhledná a špatně by se zjišťoval stav hladiny v nádobě. Z uvedených důvodů přidáváme do vody glycerin (pak voda zamrzá až při -25 C), prostředek proti plísním a barvivo. Nevýhodou je, že i přes nehořlavost vody nemůžeme vyloučit výbušnost, neboť vzniká směs vodíku a kyslíku. Elektrické přístroje - 11

13 Tlakovzdušné vypínače V minulém desetiletí šlo o nejrozšířenější vysokonapěťové vypínače. Zhášecím prostředím v tlakovzdušných vypínačích je stlačený vzduch. Tento vzduch se zpravidla zajišťuje předem do zásoby pomocí kompresoru. Proto nedílnou součástí bývá zásobník tlakového vzduchu a jeho rozvod. Ofukovat oblouk proudem vzduchu lze dvojím způsobem: příčně a axiálně. Příčné ofukování (obr. 25.) je velmi účinné (lze vypnout proud až 100 ka), ale má velkou spotřebu vzduchu. Zhášedlo je tvořeno izolační roštovou komorou. Po vysunutí kontaktu vznikne oblouk, který se snažíme vyfouknout (natáhnout) co nejvíce. V praxi se však častěji používá axiální tryska (obr. 24.), která je co do množství spotřebovaného vzduchu hospodárnější. Mechanika zhášení je obdobná jako mechanika axiální komory kapalinových vypínačů (viz. obr. 22.). Tlakový vzduch je nashromážděn v prostoru pod tryskou. Jakmile se pohyblivý kontakt vysune z trysky, uvolní se cesta proudu vzduchu do prostoru pod kontaktem. obr. 23. Tlakovzdušný vypínač vvn s rozpojovačem obr. 25. Zhášedlo tlakovzdušného vypínače s příčným ofukováním oblouku obr. 24. Zhášedlo tlakovzdušného vypínače s jednoduchou axiální kovovou tryskou Mezi velké přednosti tlakovzdušného vypínače patří úplné vyloučení možnosti požáru a výbuchu. Tlakovzdušný vypínač je vhodný pro opětovné zapínání, tedy pro spolupráci s automatikou OZ. Jednou z velkých nevýhod těchto vypínačů je velký hluk, který vzniká při vypínání. Plynové vypínače (SF 6 ) Fluorid sírový SF 6 - elektronegativní - nehořlavý - má velkou chemickou stálost - má příznivé vlastnosti pro odvod tepla - bezbarvý - bez zápachu - nejedovatý, ale nedýchatelný - 5x těžší než vzduch - chemicky velmi neaktivní a stabilní i při teplotách, kdy se olej už rozpadá - má vysokou el. pevnost, která s rostoucím tlakem ještě roste Elektrické přístroje - 12

14 SF 6 je nebezpečný pouze při svém rozkladu. Při rozpadu vlivem elektrického oblouku vzniká SF 2 - jedovatý plyn, S 2 F 2 - zapáchající plyn, SF 4 - velmi dráždivý plyn, S 2 F 10 - nebezpečný plyn po vdechnutí, HF, a další. Jednotlivé produkty se však mohou slučovat v SF 6. U vypínačů s SF 6 se využívá výborných vlastností fluoridu sírového. Existuje několik způsobů provedení vypínače. Nejjednodušší, ale nejméně efektivní, je prosté oddálení kontaktů v nádobě s SF 6. Kontakty se od sebe vzdálí a oblouk v prostředí s SF 6 zhasne. Efektivnější provedení je ofukování oblouku (podobně jako u tlakovzdušných) proudícím SF 6. Další variantou provedení vypínače je zhášení v kapalném SF 6. Plyn SF 6 má v kapalném stavu stejnou izolační pevnost jako v plynném stavu. Je však mnohem těžší. Mechanismus zhášení je potom stejný jako u vypínačů kapalinových. Vakuové vypínače Vakuové vypínače spolu s vypínači SF 6 patří k současným moderním vypínačům. Pracují tak, že k oddálení kontaktů při vypínání dochází ve vakuu, které obsahuje jen minimální množství vodivých částic. Tlak od 10-3 Pa a nižší nazýváme ve vakuové technice vysokým vakuem. Kontakty vakuových vypínačů jsou ve vakuu 10-4 až 10-6 Pa. Vakuum se chová jako izolant. Vypínání ve vakuu se podstatně liší od vypínání ve vzduchu, v jiných plynech či v oleji, protože kontakty se nacházejí v nevodivém prostředí, které se prakticky neionizuje. Při vypínání se oddálí pohyblivý kontakt od pevného o několik milimetrů až centimetrů. Oblouk mezi kontakty vznikne odpařením kovu stykových ploch kontaktu. Působením tepla oblouku mají kovové páry velmi vysoký tlak a při nejbližším průchodu proudu nulou velmi lehce expandují do okolního prostoru. Kovové páry kondenzují na povrchu kontaktu a na zvláštním stínícím štítu, který obklopuje kontaktní prostor. Výhody: nehořlavý tichý nevyfukuje ionizované plyny nebo plameny minimální opotřebení krátkou vypínací dráhu (oddálení kontaktů) Nevýhody: nutná mechanicky pevná a vakuově těsná nádoba obtížné technologické zpracování materiálu pro kontakty Hlavní předpoklady správné funkce vakuových vypínačů: a) Zachování vysoké úrovně čistoty vakua po celý život zhášedla, a to i při vypínacích pochodech zhášedla, kdy mezi kontakty hoří oblouk v parách kontaktního kovu b) Vytvoření optimálního kontaktu: - zásobujícího oblouk dostatečným množstvím kovových par, aby oblouk předčasně nezhasínal a v obvodu nevytvářel přepětí ** - s malým opalem - se značnou svarovou odolností ** oblouk se vždy u všech vypínačů snažíme vypnout až v nule proudu. Přerušíme-li proud dříve vznikne provozní přepětí, které se šíří po vedení. Elektrické přístroje - 13

15 Magnetické vypínače Magnetické vypínače používají magnetickou energii vlastního přerušovaného obvodu. Vypínače s magnetickým vyfukováním oblouku do zhášecích komor vykazují nejdelší natahování oblouku. Odpor oblouku tím značně narůstá. Tyto vypínače jsou proto vhodné i pro zhášení stejnosměrného proudu. Podstatou magnetického vyfukování oblouku je interakce magnetického pole oblouku s jiným magnetickým polem. Zdrojem druhého pole bývá zhášecí cívka vřazená do série s kontakty (obr. 26.). Oblouk tak hoří v magnetickém poli, a proto na něj působí síla, jejíž smysl můžeme určit pravidlem levé ruky (? str. 24.). Je-li cívka správně zapojena, směřuje síla nahoru a vhání oblouk do zhášecí komůrky. Vyfukovací cívka správně působí jen při vypínání proudů, které jsou stejné nebo větší než jmenovitý proud. Při vypínání menších proudů je vyfukovací účinek nedostatečný a kontakty se mohou opalovat. Z tohoto důvodu se k vyfukování oblouku používá i pevný permanentní magnet, který působí stejně při každém proudu. Magnetické pole není žádný přímý zhášecí prostředek. Vyvolává pouze rychlý pohyb elektrického oblouku napříč vzduchem, který jej obklopuje. Při pohybu oblouku od místa vzniku vzhůru po růžcích tvaru písmene V se oblouk neustále prodlužuje. Navíc čím silnější je magnetické pole, tím rychleji se oblouk pohybuje a tedy natahuje. Obr. 26. Magnetické vyfukování oblouku: 1 jádro zhášecí cívky, 2 plechový pól, 3 vyfukovací cívka, 4 zhášecí komůrka, 5 indukční čáry vyfukovacího pole, 6 roztříšťovač oblouku, 7 opalovací kontakt Elektrické přístroje - 14

16 Přístrojové transformátory Přístrojové transformátory (PT) patří mezi elektrické přístroje narozdíl od výkonových transformátorů, které se řadí mezi elektrické stroje. PT slouží ke změně rozsahu (zmenšují nebo zvětšují) napětí a proudu; případně ke galvanickému oddělení obvodů přístrojů od obvodů silových. PT tedy používáme všude tam, kde potřebujeme upravit napětí nebo proud pro další zpracování těchto veličin. Jinými slovy velmi vysoké nebo naopak velmi nízké hodnoty napětí a proudů je potřeba upravit tak, aby jejich hodnotu mohly zpracovat ochrany, jistící a měřící přístroje. Slouží-li transformátory výhradně pro změnu rozsahu veličin pro V-m, Hz-m, A-m, a W-m, pak hovoříme o měřících transformátorech (MT). Přístrojový transformátor napětí (PTN, MTN) Přístrojový transformátor napětí je přístroj, který slouží ke změně rozsahu střídavých voltmetrů a úpravě napětí pro ochrany a další elektronické prvky. Používá se převážně k úpravě napětí vyšších než 1 kv. Do obvodu se primární vinutí zapojuje jako voltmetr a na sekundární svorky se připojují paralelně přístroje (voltmetr, napěťové cívky wattmetru a ochran, kmitoměr, atd.). Jedna ze sekundárních svorek měřícího transformátoru napětí se musí uzemnit, protože měřené vysoké napětí by při průrazu izolace transformátoru proniklo na sekundární stranu a mohlo by ohrozit obsluhu nebo poničit přístroje připojené na sekundární straně. obr. 27. Zapojení přístrojového transformátoru pro měření napětí Vstupní svorky (primární vinutí) měřícího transformátoru napětí se označují M, N, výstupní svorky (sekundární vinutí) m, n. N1 U1 Převod je definován jako poměr napětí naprázdno p = = N 2 U 20 Je-li transformátor ve stavu naprázdno, neprotéká jeho sekundárním vinutím žádný proud a odpadají tedy úbytky napětí na R 21 a X σ21 (obr. 28.). Tento stav by byl ideální, protože by v transformátoru docházelo pouze k minimálním ztrátám a transformátor by se choval téměř jako ideální převodník napětí. obr. 28. Náhradní schéma transformátoru Elektrické přístroje - 15

17 Ve skutečnosti však transformátor nikdy naprázdno nepracuje, protože jsou na jeho sekundárních svorkách připojeny přístroje, kterými jakýsi proud (byť malý) protéká. obr. 29. Fázorový diagram činného přístrojového transformátoru při zatížení obr. 30. Fázorový diagram přístrojového transformátoru ve stavu naprázdno Protože při měření je PT vždy zatížen proudem přístrojů, nemůžeme jeho převod považovat za přesný poměr. Z fázorového diagramu vyplývá, že dochází nejen k chybě napětí (převodu), ale i k fázovému posunu mezi U 1 a U 21 (úhel ε u v obr. 29.). Tyto chyby se nazývají chyba převodu a chyba úhlová. Chyba bude tím větší, čím větší bude sekundární proud. PTN má být málo zatížený, musí tedy pracovat v blízkosti stavu naprázdno. Celková spotřeba všech paralelně připojených měřících přístrojů na sekundární straně PTN nesmí přesáhnout tzv. dovolené zatížení transformátoru. PTN se vyrábějí se jmenovitým zatížením (dle ČSN): VA PTN mají stanoveny i třídy přesnosti (dle ČSN): 0,1-0,2-0, % Chyba úhlu: řádově několik desítek minut Jmenovité sekundární napětí je normalizováno na 100 V Převod PTN se vždy udává ve tvaru zlomku, např., nebo, atd POZOR! Při práci s PTN je nutno se vyvarovat zkratu na sekundárních svorkách transformátoru. Sekundární vinutí je dimenzováno pouze na malé hodnoty proudu a zkratový proud by mohl izolaci vinutí spálit a PT tak zničit. PTN jsou běžnou součástí rozvoden vn, vvn a zvn. Elektrické přístroje - 16

18 Přístrojový transformátor proudu (PTP, MTP) Přístrojový transformátor proudu je přístroj, který slouží ke změně rozsahu střídavých ampérmetrů a úpravě proudu pro ochrany a další elektronické prvky. Používá se jak ke zmenšení, tak i ke zvětšení proudu. Do obvodu se primární vinutí připojí do série se zátěží, kterou protéká měřený proud a na sekundární vinutí se připojují jednotlivé přístroje sériově (ampérmetr, proudové cívky wattmetru a ochran, elektroměr, atd.). obr. 31. Zapojení přístrojového transformátoru pro měření proudu Vstupní (primární) svorky PTP se označují písmeny K, L, výstupní (sekundární) k, l. N1 I 2 Převod PTP je dán p = = N I 2 1 Podobně jako PTN má i PTP chybu převodu a chybu úhlovou. Z fázorového diagramu (obr. 32.) je zřejmé, že aby byla chyba co nejmenší, musí být co nejmenší magnetizační proud I µ (proud I Fe lze u PTP zanedbat). Proto musí být sekundární zatěžovací impedance co nejmenší, aby se při daném sekundárním proudu I 2 vystačilo s malým indukovaným napětím na sekundární straně. Malému indukovanému napětí U i odpovídá malý magnetický tok Φ a tím i malý potřebný magnetizační proud I µ.. Aby malý magnetizační proud I µ vytvořil potřebný magnetický tok Φ, musí být magnetický odpor jádra co nejmenší dostatečný průřez, kvalitní feromagnetický materiál, velká permeabilita, bez vzduchové mezery. obr. 32. Fázorový diagram obr. 33. Prstencové provedení PTP a) princip b) provedení Elektrické přístroje - 17

19 Celková spotřeba všech přístrojů připojených na sekundární vinutí nesmí přesáhnout dovolené zatížení PTP. Pokud toto dovolené zatížení překročíme, přestane transformátor pracovat v blízkosti stavu nakrátko, změní se převod a vznikne značná chyba. PTP se vyrábějí se jmenovitým zatížením (dle ČSN): 2, VA PTP mají stanoveny i třídy přesnosti (dle ČSN): 0,1-0,2-0, % Chyba úhlu: řádově několik desítek minut Jmenovitý sekundární proud je normalizován na 5 A (výjimečně 1A) Převod PTP se vždy udává ve tvaru zlomku, např , nebo, atd POZOR! U PTP nikdy nesmí dojít k rozpojení sekundárního obvodu. Při normálním chodu tvoří magnetizační proud jen velmi malou část primárního proudu. Pokud sekundární obvod rozpojíme (I 20 =0), dojde k tomu, že celý proud primárního vinutí se stane proudem magnetizačním (I µ = I 1 ) a v sekundárním vinutí se bude indukovat značně vysoké napětí, které může způsobit poškození izolace vinutí nebo způsobit úraz obsluhy. Proto jsou všechny PTP vybaveny tzv. spojovačem nakrátko. Provedení: tyčové, v podpěrné konstrukci (v izolátoru), prstencové, násuvné obr. 34. Tyčové provedení obr. 35. Princip a provedení v podpěrné konstrukci Elektrické přístroje - 18

20 Pojistka - bleskojistka Rozdíl mezi pojistkou a bleskojistkou: pojistka - do obvodu se zapojuje sériově - vnitřní odpor 0, při poruše Ω - chrání el. zařízení před nadproudem - při poruše přeruší el. obvod I=0 bleskojistka - do obvodu se zapojuje paralelně - vnitřní odpor, při poruše 0 Ω - chrání el. zařízení před přepětím - při poruše uzemní el. vedení U 0 Pojistka Způsob zhášení oblouku Odlišnost mezi pojistkou a obvyklými spínacími přístroji spočívá v tom, že rozpojení kontaktů je nahrazeno přetavením vodiče. Pojistky jsou provedeny jako utěsněné komory, v nichž elektrický oblouk hoří mezi konci přetaveného vodiče. Oblouk zaniká: 1.) odtavováním konců vodičů se natahuje roste délka roste odpor 2.) na oblouk působí vysoký tlak klesá průřez roste odpor Jak vznikne vysoký tlak? Odpověď: z kovových par podobně jako u vakuového vypínače. Páry roztaveného kovu současně prudce expandují do prostoru mezi zrna hasiva z křemičitého písku průměru 0,2 až 0,5 mm a kondenzují na jejich povrchu roste tlak, který znesnadňuje termickou ionizaci plynu (opakovaní: ionizace termická - tepelná nebo lavinová - el. průraz). Oblouk vzniklý v prostoru roztavené a vypařené části vodiče se současně prodlužuje postupným odtavováním konců zbytků tavného vodiče. Použití pojistek pro chránění přístrojů se vyrábějí přístrojové pojistky v rozsahu obvykle 0,1-2 A pro domovní a prům. rozvody malého výkonu se vyrábějí závitové pojistky v rozsahu 2-50 A pro proudy 100A - desítky kase vyrábějí výkonové pojistky nejčastěji v nožovém provedení pojistky se používají obvykle při napětí desítek V - 22 kv (výjimečně 35 kv) Provedení pojistek Přístrojové pojistky Nejjednodušší provedení - skleněný válec opatřený kontakty s tavným vodičem Elektrické přístroje - 19

21 Závitové pojistky obr. 36. Závitová pojistka pro domovní rozvody a průmyslové rozvody malého příkonu: 1 hlavice, 2 spodek, 3 přívod, 4 terčík ukazatele stavu, 5 víko vložky, 6 vložka, 7 patka vložky, 8 vymezovací kroužek, 9 - přívod Na dně pojistkového spodku je zašroubován vymezovací kroužek odpovídajícího průměru znemožňující vložení vložky na větší jmenovitý proud. Na horním víčku je k vodiči připevněn ukazatel stavu ve tvaru barevného terčíku odtlačovaného od víčka pružinkou. Terčík po zapůsobení pojistky odpadne. Výkonová pojistka nn s nožovými kontakty Pojistka do obvodů vn V obvodech vn se používají pojistky do 22 kv. Tavný vodič je mnohem delší a je "namotán" dokola. obr. 37. Pojistka do obvodů vn obr. 38. Výkonová pojistková vložka nn s nožovými kontakty: 1 nožový kontakt, 2 víka, 3 patrona 4 okénko, 5 ukazatel stavu, 6 páskové tavné vodiče, 7 třmen pro uchycení vložky při výměně Elektrické přístroje - 20

22 Bleskojistka (svodič přepětí) Opakování Přepětí - je napětí větší než jmenovité napětí U N. Je-li však napětí v povelené toleranci (± 5% nn a ± 10% vn), hovoříme o úbytku napětí a podpětí (-) nebo o nadpětí (+). O přepětí hovoříme tedy tehdy platí-li U > 1,1 U N Na ochranu před přepětím používáme následující prostředky - tyčové hromosvody - zemnící a výběhová lana - ochranná jiskřiště - bleskojistky se stálým odporem - bleskojistky pro stejnosměrné obvody - ventilové bleskojistky Jak pracují svodiče přepětí? Při normálním jmenovitém napětí U N nebo při přepětí je elektrické pole E mezi hroty jiskřiště menší než průrazná elektrická pevnost vzduchu E p. Jiskřiště má tedy mezi hroty izolační odpor řádově stovky MΩ. Při přepětí překročí intenzita elektrického pole elektrickou pevnost vzduchu, který je mezi hroty a vznikne el. oblouk. Vedení postižené přepětím tedy uzemníme - způsobíme zkrat. Přepětí (šíří se po vedení jako přepěťová vlna) "svedeme" do země - způsobíme tak na nezbytně nutnou dobu úmyslný zkrat. Nevýhodu je tzv. následný proud - tedy proud, který teče do země (zkratový) po odeznění přepětí. Jinými slovy po odeznění přepětí se oblouk mezi jiskřištěm okamžitě sám neuhasí a než se tak stane teče do země následný proud. Ten je potřeba omezit na minimum a proto se někdy jiskřiště a bleskojistky neuzemňují natvrdo, ale přes odpor. Nejjednodušším svodičem přepětí je ochranné jiskřiště, které je často součástí izolátorů (obr. 39.) a vysokonapěťových přístrojů. Jejich význam spočívá zejména v tom, že průrazná dráha vzduchu se posune od povrchu izolátoru, takže se zabrání zničení povrchu izolátoru tepelným účinkem oblouku. obr. 39. Ochranné jiskřiště na izolátorech Bleskojistka Bleskojistky umožňují nejúčinnější ochranu před atmosférickým přepětím, a to zejména automatickým zhášením následného proudu. Jinými slovy můžeme říct, že jsou to jiskřiště, která sama zhasnou (uhasí el. oblouk). Odpor bleskojistky má být při vysokém napětí (přepětí) malý a naopak při nízkém napětí (slabé přepětí, jmenovité napětí, podpětí) velký. Elektrické přístroje - 21

23 Růžková bleskojistka Nejjednodušší bleskojistka tzv. růžková bleskojistka (obr. 40.) je tvořena dvěma kovovými růžky tvaru V uchycenými na podpěrných izolátorech. Jeden růžek je připojen na vedení, které chráníme a druhý je uzemněn. Zhášení oblouku vytvořeného následným proudem je realizováno prodlužováním oblouku na oddalujících se V-růžcích, které vyplývá z teplotního vztlaku a elektrodynamických sil. Pro lepší uhašení následného oblouku se růžek uzemňuje přes odpor. Použití: nejčastěji jako záložní ochrana dokonalejším bleskojistkám Ventilová bleskojistka obr. 40. Růžková bleskojistka Ventilová bleskojistka se skládá z jiskřišť zapojených do série a z nelineárních, do série zapojených rezistorů. Nelineární rezistory jsou vyrobeny z SiC (karbid křemíku). Jiskřiště i rezistory se vkládají buď do porcelánového pouzdra - keramický izolátor nebo do pouzdra opatřeného gumovou izolací - gumový izolátor (obr. 41.). Obr. 41. Bleskojistka 22 kv délka: cca 40 cm izolátor: gumový foto: Kostka Nelineární rezistor z SiC splňuje základní požadavek pro správnou funkci bleskojistky. Při vysokém napětí má malý odpor, při sníženém napětí naopak odpor vzrůstá na vysokou hodnotu. Tím je zajištěno uhašení oblouku a tedy omezení následného proudu. SiC jiskřiště Obr. 42. Náhradní schéma bleskojistky nelineární odpor + jiskřiště Obr. 43. Sloupcové provedení bleskojistky vn; SJ soustava jiskřišť Elektrické přístroje - 22

24 VA charakteristika ventilové bleskojistky Obr. 44. VA-charakteristika bleskojistky: U zap zapalovací napětí U N jmenovité napětí I násl následný proud I m maximální (zkratový) proud bleskojistkou U zbmax maximální zbytkové napětí (přepětí) Kontrolní otázky 1. Vysvětli pojem elektrický stroj a elektrický přístroj. 2. Vysvětli rozdíl mezi odpojovačem, odpínačem a výkonovým vypínačem. 3. Vyjmenuj požadavky kladené na kontakty. 4. Vyjmenujte výhody zapouzdřených rozvoden. 5. Které proudy je odpojovač schopný vypnout: jmenovité nebo zkratové? 6. Proč se v rozvodnách zvn používá odpojovač ve sloupcovém provedení? 7. Pro které napěťové hladiny vedení se používá úsekový vypínač? 8. Jaký je rozdíl mezi odpínačem a úsečníkem? 9. Co je to elektrický oblouk? 10. Vyjmenuj hlavní možnosti zhášení elektrického oblouku? 11. Vysvětlete rozdíl mezi roštovou izolační a roštovou kovovou zhášecí komorou. 12. Vysvětlete princip zhášení oblouku u kapalinových vypínačů. 13. Vysvětlete výhody a nevýhody kotlového vypínače. 14. Jaký je základní rozdíl mezi vodním a expanzním vypínačem? 15. Vysvětlete výhody a nevýhody expanzního vypínače. 16. Vysvětlete rozdíl mezi příčným a axiálním ofukováním oblouku tlakovzdušného vypínače. 17. Vysvětlete výhody a nevýhody tlakovzdušného vypínače. 18. Vyjmenujte vlastnosti SF Jak je možné, že ve vakuu vakuového vypínače vznikne oblouk? 20. Jak zháší oblouk vakuový vypínač? 21. Jak určíme u magnetického vypínače směr síly, která vychyluje oblouk? 22. Odkud vycházejí siločáry a odkud vycházejí indukční čáry? Siločáry v elektrickém poli (značíme intenzitou elektrického pole E) vycházejí z kladně nabitého tělesa a končí v záporně nabitém tělese. Indukční čáry v magnetickém poli (značíme intenzitou magnetického pole H) vycházejí ze severního pólu a končí v pólu jižním. Elektrické přístroje - 23

25 23. Jak zní Flamigovo pravidlo levé ruky? Položíme-li levou ruku pod vodič (obr. 45.) tak, aby indukční čáry směřovaly do dlaně a prsty ukazovaly směr proudu (na obr. 45. prsty směrem do papíru), odchýlený palec ukáže směr síly, kterou působí magnetické pole na vodič. Obr. 46. Pravidlo pravé ruky Obr. 45. Silové působení magnetického pole 24. Jak zní Ampérovo pavidlo pravé ruky (nebo taky tzv. cívkové pravidlo)? Uchopíme-li cívku do pravé ruky tak, aby prsty ukazovaly směr proudu, odkloněný palec ukáže severní pól cívky (obr. 46.). 25. Jaký je rozdíl mezi měřícím, přístrojovým a výkonovým transformátorem? 26. Jaké je jmenovité sekundární napětí u PTN? 27. Jaký je jmenovitý sekundární proud u PTP? 28. Proč u PTP nikdy nesmí dojít k rozpojení sekundárního obvodu? 29. Jak se značí vstupní a výstupní svorky u PTN a PTP? 30. Vysvětli chybu převodu a chybu úhlovou. 31. Vysvětli rozdíl mezi konstrukcí a chováním pojistky a bleskojistky. 32. Použití pojistek. 33. Vysvětli pojem přepětí a následný proud. 34. Popiš princip vzniku a princip zániku el. oblouku u pojistky. 35. Popiš princip vzniku a princip zániku el. oblouku u bleskojistky. Učební materiál určený studentům SOUT Havířov - slouží pouze pro vnitřní potřebu školy. Neprodejné. Použitá literatura a obrázky: Otto Havelka a kol.; Elektrické přístroje, SNTL Praha 1985 Animace odpojovače.mpg použita z výukového CD-ROM Elektroenergetika v Českých zemích. Verze 2/2003, zpracoval: Ing. Tomáš Kostka a Ondřej Topolánek Elektrické přístroje - 24