Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 11/2016 vyšlo tiskem
7. 11. 2016. V elektronické verzi na webu od 1. 12. 2016. 

Téma: Rozváděče a rozváděčová technika; Točivé stroje a výkonová elektronika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu

Aktuality

Svítící fasáda FEL ČVUT nabídne veřejnosti interaktivní program s názvem Creative Colours of FEL Dne 13. prosince v 16.30 hodin se v pražských Dejvicích veřejnosti představí interaktivní…

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Více aktualit

Technická analýza možné příčiny poškození stykačů

prof. Jiří Pavelka, DrSc.,
katedra elektrických pohonů a trakce ČVUT-FEL Praha
 
(český tisk, březen 2008) Jen něco málo přes rok od přírodní katastrofy v podobě orkánu Kirill čelila naše republika novému řádění přírodního živlu. O prvním březnovém víkendu tohoto roku přešla přes naše území směrem od západu tlaková níže Emma, provázená bouřkami a krupobitím, zejména však silným větrem, který v nárazech dosahoval rychlosti 120 až 140 km/h. Vichřice Emma zabíjela a ničila na značné části evropského kontinentu.
 

1. Úvod

Po vichřici Emma bylo následně v jednom významném průmyslovém podniku zjištěno, že v elektrických rozváděčích pro klimatizační komory došlo k poškození několika stykačů s napájením budicích cívek ze střídavé sítě 230 V. Stykače (obr. 1) měly přerušená vinutí budicích cívek. Po jejich rozebrání se ukázalo, že došlo k vytečení izolační hmoty do vzduchové mezery stykače (obr. 2). To bránilo přitažení kotvy stykače. Z vytečení izolační hmoty do mezery magnetického obvodu lze usuzovat, že stykače nebyly z nějakého důvodu přitaženy a k vytečení došlo následkem nedovoleného zvýšení teploty budicích cívek stykačů.
 

2. Hypotéza příčiny

Za běžných okolností mají stykače dva normální pracovní stavy:
  • budicí cívka je vypnuta a neprotéká jí proud, kotva stykače je odpadlá,
  • budicí cívka je připojena na napájecí síť, cívkou protéká její jmenovitý proud a kotva stykače je přitažena.
K přitažení kotvy stykače dochází při určitém napětí, nazývaném napětí přítahu. Jeho hodnota bývá kolem 0,8 Un. Naopak k odpadnutí kotvy dochází při jiném napětí, nazývaném napětí odpadu. Jeho hodnota bývá kolem 0,6 Un.
 
Impedance budicí cívky ZBC je dána především reaktancí budicí cívky XBC. Z elektrotechniky je známo, že reaktance cívky je závislá na napájecí frekvenci f a indukčnosti cívky LBC.
 
XBC = ω · LBC = 2πf · LBC          (1)
 
Napájecí frekvence f je v našem případě dána frekvencí v síti a v analyzovaném případě byla určitě konstantní. Indukčnost cívky LBC je závislá na počtu závitů budicí cívky NBC a na magnetickém odporu magnetického obvodu cívky RmBC podle vztahu
 
LBC = N2BC/Rm          (2)
 
Zatímco počet závitů budicí cívky NBC je konstantní, magnetický odpor RmBC se mění.
 
Magnetický odpor je obecně dán vztahem
 
(3)
 
Délka magnetického obvodu lmBC je tvořena jednak délkou magnetického obvodu v jeho plechách, jednak délkou magnetického obvodu přes jeho vzduchovou mezeru. Poměrná permeabilita materiálu plechů μFe je o tři řády větší, než je poměrná permeabilita vzduchu μδ, a proto lze magnetický odpor cesty železem plechů zanedbat oproti magnetickému odporu vzduchové mezery.
 
Proud protékající budicí cívkou stykače je dán vztahem:
 
(4)
 
Jestliže je stykač odpadlý, je délka vzduchové mezery lmBC velká, a tedy i odebíraný proud IBC je velký. Po připnutí stykače na napětí Usítě o velikosti zaručující jeho přítah se jedná pouze o krátkodobý, přechodový jev, protože vlivem přitažlivé síly ve vzduchové mezeře dojde okamžitě k přitažení kotvy stykače, vzduchová mezera lmBC se zmenší a proud IBC se také zmenší na hodnotu, pro kterou je vinutí budicí cívky stykače navrženo.
 
Dojde-li ale ke stavu, že budicí cívka stykače je napájena sníženým napětím, při kterém ještě nedojde k přitažení kotvy stykače, potom cívkou protéká zvětšený proud díky malé impedanci obvodu cívky. Na tento zvětšený proud není ale vinutí budící cívky dimenzováno. Ztráty ve vinutí budicí cívky vzrostou natolik, že může dojít k nadměrnému zvýšení teploty vinutí budící cívky a následkem toho k jejímu zničení. Konkrétní hodnoty tohoto zvětšeného proudu závisejí na konkrétním typu stykače, ale v poměrných hodnotách se nebudou příliš lišit.
 

3. Výsledky měření na stykači

V laboratoři katedry elektrických pohonů a trakce Elektrotechnické fakulty ČVUT v Praze bylo provedeno měření zvětšení proudu při napájení stykače sníženým napětím. Měření byla provedena na stykači 25 A firmy Schrack, typ LA3-0101 25 A, 3× 380 V. K maximálnímu zvýšení proudu budicí cívky dochází tedy těsně před přitažením kotvy stykače a toto zvýšení představuje (110/20) = 5,5násobek jmenovitého proudu. Tepelné ztráty ve vinutí budicí cívky jsou úměrné kvadrátu proudu vinutím. 5,5násobnému zvětšení proudu budicí cívkou odpovídá tedy 5,52 = 30,25násobné zvětšení ztrát v budícím vinutí cívky stykače. Takto veliké zvětšení ztrát po delší dobu musí vést zcela jistě k nadměrnému zvětšení teploty vinutí budicí cívky s následným zničením izolace, a tím i celého stykače.
 

4. Možná příčina hlubokého poklesu napájecího napětí

Každý odběr v nízkonapěťové síti je napájen ze sítě vn přes třífázový napájecí transformátor. S ohledem na lepší rozložení nerovnoměrného odběru z jednotlivých fází mají tyto tzv. distribuční transformátory do výkonu 160 kV·A obvykle zapojení Yz1, popř. Yz11. Transformátory většího výkonu od 250 kV·A mají většinou zapojení Dy1 nebo Dy11. Schéma zapojení vinutí Yz1 je na obr. 3. Sekundární vinutí je rozděleno na dvě části. Na společném sloupku každé fáze je kromě primárního vinutí a jedné části sekundárního vinutí také druhá část sekundárního vinutí sousední fáze. Jedna z obvyklých poruch ve venkovních sítích vn je přerušení napájení jedné fáze z důvodu přetržení vodiče jedné fáze nebo přepálení pojistky v jedné fázi. Takovýto stav je na obr. 3 vyznačen přerušením fáze W1. V tomto případě se změní napájecí soustava z třífázové na jednofázovou.
 
Odpovídající fázorový diagram pro třífázovou napájecí soustavu je na obr. 4 a pro případ přerušení fáze W1 je na obr. 5. Vidíme, že fázová napětí na UU1 a UW1 se snížila na polovinu sdruženého napětí tj. v poměru √3/2 = 0,866 původních fázových napětí a fázové napětí UV1 kleslo na nulu.
 
Následkem toho klesne na fázovém vinutí fáze V1 napětí na nulu a fázová napětí zbylých dvou fází U1, W1 klesnou na polovinu sdruženého napětí. Jak je zřejmé z fázorového diagramu (obr. 5), klesnou tato fázová napětí na √3/2 = 0,866 původního fázového napětí Ufn.
 
Pro plné sdružené napětí Us mezi zbývajícími dvěma fázemi na primárním vinutí transformátoru klesne na dvou fázích sekundárního vinutí transformátoru fázové napětí na velikost:
 
0,577 · 0,5 · Us = 0,577 · 0,5 · 400 =115 V
 
Na třetí fázi bude napětí:
 
0,577 · Us = 0,577 · 400 = 230,8 V
 

5. Závěr

Provedené výpočty a měření potvrzují hypotézu, že možnou příčinou poškození stykačů bylo přerušení jedné fáze přívodu primárního vinutí distribučního transformátoru.
 
Pokles napětí ve dvou fázích z 230 na 115 V způsobil, že stykače nepřitáhly a jimi odebíraný pětinásobně větší proud způsobil nadměrné zvýšení teploty budicích cívek stykačů a následné zničení izolace. Podobný pokles napětí nastává i pro zapojení trafa Dy1 nebo Dy11.
 
Obr. 1. Pohled na poškozený stykač
Obr. 2. Pohled do otevřeného stykače s viditelným vytečením isolační hmoty
Obr. 3. Schéma zapojení primárního a sekundárního vinutí třífázového transformátoru Yz1
Obr. 4. Fázorový diagram primárních napětí třífázového systému pro stav připojení všech tří fází
Obr. 5. Fázorový diagram primárních napětí třífázového systému pro stav přerušené fáze W1