Elektrické přístroje Obecné základy působení spínacích přístrojů Úvodní informace Základními funkčními stavy každého el.obvodu je zapnutý stav a vypnutý stav. V zapnutém stavu působí na všechny části obvodu tepelné a silové účinky procházejícího proudu a na tyto účinky musí být obvod dimenzován. V obou stavech musí zařízení splňovat podmínku izolační pevnosti mezi fázemi a vzhledem k potenciálu země. Přechod z jednoho stavu do druhého zajišťuje spínací přístroj. Zapínání a vypínání jsou základní úkony spínacího přístroje. Při obou úkonech vznikají v obvodu přechodné dynamické jevy a mezi kontakty elektrický oblouk. Tyto jevy mohou ztížit nebo i znemožnit vypnutí obvodu. Nejobtížnější stav pro obvod a spínací přístroj je vznik zkratového proudu a jeho vypínání. Při analýze spínacího obvodu se obvykle obvod nahrazuje lineárními obvody se soustředěnými parametry. Nejjednodušší náhradní schéma : R L Zapínání : LR obvod Vypínání : RLC obvod G C Analyzované výsledky se blíží skutečným tak, jak náhradní schéma odpovídá skutečnému obvodu. Zapínání : Průběh proudu odpovídá diferenciální rovnici di L R. i u dt Stejnosměrný obvod : proud narůstá exponenciálně k ustálené hodnotě I = U/R s časovou konstantou = L/R. 1
Střídavý obvod : výsledný proud je dán součtem střídavé ustálené složky a stejnosměrné přechodné složky i p, jejíž vývin závisí na okamžiku sepnutí. Složka i p upraví průběh tak, aby vycházel z hodnoty i = 0. Nejvyšší hodnota proudu se uvažuje I dyn 18. 2 I ust Elektrický oblouk Elektrický oblouk spadá do oblasti elektrických výbojů, kdy se vlivem změny stavu prostředí vytváří proudová dráha. Vznik výboje je spojen s ionizací prostředí - s plazmatem. Ionizací nazýváme řadu elementárních pochodů, při kterých vznikají volné náboje - ionty a elektrony (příčiny : vysoká teplota, působení pole, záření ap.). Obrácený proces nazýváme deionozace, rekombinace. Elektrický oblouk je tedy proudová dráha v ionizovaném prostředí. Zánik oblouku je spojen s rekombinací iontů. Teplota plazmatu oblouku bývá až 30000 K (v jádře oblouku). Napětí na oblouku a procházející proud jsou ve fázi, oblouk má činný charakter. Ua statická charakteristika Statická a dynamická V - A charakteristika oblouku A dynamická charakteristika Statická charakteristika (charakteristika při pomalých změnách) je negativní - se zvyšujícím se proudu klesá na oblouku napětí. Tento jev je způsoben zvýšením míry ionizace prostředí při zvýšení proudu a tedy i značným zvýšením vodivosti cesty oblouku; úbytek napětí se pak sníží i při vyšším proudu. B Ia Dynamická charakteristika (rychlý přechod z bodu A do bodu B nebo naopak) se liší od statické, protože oblouk upraví míru ionizace a následně vodivost cesty oblouku s určitým zpožděním. Při zvyšování proudu pak probíhá křivka při vyšších napětích, než by odpovídalo statické charakteristice, při snižování proudu je dynamická charakteristika posunuta k nižším napětím. 2
Stabilita oblouku Ua R Ia U A U G Ua statická charakteristika charakteristika obvodu B Ia V obvodu platí dvě rovnice : - statická stabilita oblouku U a = f(i a ) dána graficky - charakteristika obvodu U a = U - R.I a (II.K.zákon) Grafickým řešením jsou body A a B, z nichž pouze bod B je stabilní, protože při vychýlení z tohoto bodu se nastalou nerovnováhou napětí obvod znovu vrátí do tohoto rovnovážného bodu (při snížení proudu je U > U a + R.I a a proud se zvýší a naopak). Z těchto úvah vyplývá, že obvod zhasne tehdy, nebudou-li mít obě charakteristiky společný bod. Charakteristiku obvodu nelze dost dobře změnit, protože je dána napětím zdroje a parametry vypínaného zařízení (R). Charakteristiku obvodu lze posunout k vyšším napětím prodloužením délky oblouku nebo intenzivním chlazením oblouku (zmenší se vodivost cesty) - čárkovaná charakteristika. Uvedené úvahy platí pro stejnosměrné obvody. Podobné úvahy s uvažováním dynamiky oblouku lze provést i pro střídavé obvody. Obecně lze však konstatovat, že oblouk ve střídavém obvodu lze uhasit snáze, neboť dvakrát za periodu prochází proud nulou a oblouk tedy zhasíná. Vypínání ss proudu Průběh napětí na kontaktech při vypnutí ss obvodu Při vypínání se již uplatní kapacity obvodu, napětí obvykle zakmitá okolo napětí zdroje. V obvodu se tak objevuje přepětí. čas 3
Vypínání stř. proudu Vypínání střídavých proudů je ve své podstatě jednodušší, neboť proud prochází periodicky nulou a v tomto okamžiku ustávají ionizační pochody. Je-li vhodně podpořen rekombinační proces, oblouk již nezapálí. Předpokládejme, že v čase t = 0 se odtrhly kontakty a došlo k zapálení oblouku. Další jevy při vypínání lze rozdělit do 3 intervalů Silnoproudý interval ts Obloukem prochází značný proud daný parametry obvodu, napětí na oblouku je poměrně malé a poměry v obvodu neovlivní. Interakční interval t i Tento interval je rozhodující pro úspěšný zánik oblouku. Proud klesá k nule, napětí na oblouku stoupá a začíná ovlivňovat poměry v obvodu. Ionizační procesy zanikají, prostor oblouku je intenzivně chlazen zhášecím mediem (vzduch, olej ap.), které musí odvádět více energie, než je do oblouku přiváděno. Pokud tato podmínka není splněna, dojde k tzv.tepelnému selhání zhášedla a oblouk znovu zapálí, které může vést až ke zničení spínače. Po průchodu nulou při úspěšném vypnutí oblouk zhasíná, projeví se pouze malý překmit proudu daný zbytkovou vodivostí. a zotavené napětí b Dielektrický interval t d Začíná v okamžiku zániku proudu. Prostor mezi kontakty nabývá vlivem rekombinačních pochodů elektrické pevnosti. Napětí na kontaktech rychle stoupá a po zakmitání vlive La C obvodu se ustálí na napětí zdroje. Průběh napětí během tohoto přechodného jevu nazýváme zotavené napětí U zot, napětí na kontaktech po odeznění přechodných jevů pak obnovené napětí U ob. Podínkou úspěšného vypnutí v tomto časovém úseku je, aby průrazné napětí mezi kontakty bylo v každém okamžiku vyšší než napětí zotavené. V opačném případě dojde k průrazu mezi kontakty a oblouk znovu zapálí. Tento případ se nazývá dielektrické selhání zhášedla a opět může v nepříznivém případě vést až k destrukci spínače. c Narůstá-li průrazné napětí mezi kontakty podle křivky a, oblouk již nezapálí. V případě křivky b dojede k situaci kdy U zot > U p, dojde k průrazu mezi kontakty a oblou znovu zapálí. Napětí mezi kontakty pak klesne podle křivky c. Umax Zotavené napětí je určeno těmito parametry : strmost s = Umax/t1 [kv/ s] překmit p = Umax/Uobmax vlastní frekvence [khz] t1 4
Metody zhášení oblouku V silnoproudých zařízeních zapálí oblouk při každém vypnutí. Zhášení oblouku lze podpořit a urychlit několika způsoby. a) Vhodnou úpravou kontaktů. Používá se pro nn a menší proudy. Oblouk se vhodným úkosem kontaktů roztříští a uhasne. b) Vícenásobným přerušením proudu. Oblouk je přerušen na více místech v obvodu (např. můstkové kontakty). Na udržení více oblouků namísto jednoho je potřeba vlivem úbytků na elektrodách větší napětí, při nezměněném napětí tedy oblouk dříve uhasíná. c) Dělením oblouku. Jedná se o stejný princip jako v minulém případě. Oblouk je vytažen do zhášecí komory s kovovými přepážkami, kde se rozdělí na více dílčích oblouků. d) Vlastním vyfukováním oblouku. Vhodné uspořádání kontaktů vytvoří s obloukem proudovou smyčku. Oblouk je pak dynamickým působením protékajícího proudu vytahován do větší délky. Do cesty oblouku lze umístit nevodivou přepážku, která napomůže většímu prodloužení oblouku (f). e) Cizím zhášecím prostředkem. Do prostoru oblouku se vhání zhášecí medium, které deionizuje prostředí, intenzivně chladí a formuje oblouk. Těmito prostředky jsou především vzduch, olej, elektronegativní plyn SF6 a dříve to bývala i upravená voda. g) Zvýšením vypínací schopnosti. Téměř všechny spínací přístroje mají zařízení, které eliminuje vliv rychlosti obsluhy na rychlost odtržení kontaktů. Obvykle jsou kontakty ovládány mžikově pomocí napjatých pružin, které aretuje západkový mechanizmus. Kontakty Teoreticky lze rozlišit 3 typy dotyku : bodové (špička kužele na ploše), přímkové (válec - plocha) a plošné (plocha - plocha). Tento styk vykazuje určitý přechodový - stykový odpor. Tento odpor je dán součtem úžinového odporu Ru daném nerovností ploch dosedajících na sebe a odporu cizích vrstev Rw (znečištění, chemické změny povrchu). Rs = R u + R w Zatímco R u lze snadno teoreticky zjistit (R u = /d), R w lze zjisti jen obtížně, neboť vrstvy mají různý charakter a tloušťku. Stykový odpor se pak zjišťuje pomocí empirických vztahů. Podle Cigánka Rs = kn. F -n kde F je kontaktní síla a kn a n koeficienty dané měřením. Al : k n = (2-6).10-4 Cu : (6-50).10-4 n = 0.5 pro bodový styk, n = 0.7-0,8 pro přímkový styk a n=1 pro čelní Stykový odpor je dále závislý i na teplotě a napětí styku. Materiály kontaktů Měď základní materiál, někdy se pro zlepšení vlastností stříbří, v oblouku se rozstřikuje a tvoří krupičky Stříbro drahé, v silnoproudé elektrotechnice pouze jako v malých vrstvách na základním (stříbření) Slinuté materiály např. WCu, spojují dobré kontaktní (Cu) a mechanické (tvrdost W) vlastnosti 5
Druhy používaných kontaktů Elektrodynamické síly v přístrojích Pro okamžitou hodnotu síly na vodič platí vztah 2 i Příklady nepříznivého silového působení l a 7 1 i2 10 kde l je sledovaná délka, a je osová vzdálenost a i 1, i 2 jsou proudy sinusového průběhu obecně s fázovým posunem φ. Souhlasné proudy vyvolávají přitažlivé síly, nesouhlasné vyvolávají odpudivé síly a vzhledem k časovému průběhu proudů pulzují tyto síly s dvojnásobným kmitočtem. Pulzace sil může způsobit mechanickou rezonanci, která značně zvětšuje mechanické namáhání. Proudovou dráhu spínače je nutné navrhovat tak, aby se chovala jako adynamická, tj. aby elektrodynamické síly neměly nepříznivé účinky. Adynamická uspořádání Elektrodynamické síly snižují kontaktní tlak Proudová smyčka se snaží rozevřít (odpojovač se může otevřít) 6