[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Łukasz KOLIMAS
Politechnika Warszawska, Katedra Wysokich Napięć i Aparatów Elektrycznych
Analiza rozpływu prądu w sąsiadujących torach wielkoprądo-
wych i zestykach
Streszczenie.
Tory wielkoprądowe do przewodzenia dużych wartości ciągłych i chwilowych prądów znamionowych są zwykle budowane jako zbiór
wielu pojedynczych równoległych pasków, przy czym odstępy między nimi są niewielkie. Ma to na celu zapewnienie maksymalnie dużej obciążalno-
ści prądowej. W tego rodzaju konstrukcjach przepływ prądu przez każdy z szynoprzewodów jest, jak należało by się spodziewać, nierównomierny.
Abstract
. Gauges for leading big continuous value they are built as package many single parallel strip and spans are between them at that small. It
has big affirmation maximum on purpose current. Flow of current is in this kind by all of constructions gauges, as it were belonged to expect uneven.
(
Analysis of the current flow in the neighbouring parallel strips
)
Słowa kluczowe
: tory wielkoprądowe, zestyki aparatów elektrycznych
Keywords
: high current gauges, pin match of electric apparatuses
Wprowadzenie
Tory prądowe oraz układy zestykowe umożliwiają
przewodzenie określonych prądów roboczych, zaś układy
zestykowe łączników elektrycznych służą do dokonywania
łączeń w obwodach elektrycznych. Głównymi elementami
torów prądowych, zawierającymi również zestyki są szyno-
przewody. Podstawową grupę omawianych aparatów łą-
czeniowych, stanowią łączniki zestykowe mechanizmowe
[1]. Głównymi elementami łączników przewodzących prąd
elektryczny są przyłącza oraz układy zestykowe, tworzące
na ogół zespół składający się z poszczególnych styków,
elementów sprężynujących i obudowy. Są one bardzo waż-
nymi elementami składowymi rozdzielnic i stacji elektroe-
nergetycznych i współdecydują o jego dyspozycyjności i
niezawodności.
Zestykiem nazywamy część toru prądowego, w której
przepływ prądu jest umożliwiony dzięki styczności dwóch
przewodników, zwanych stykami. Z uwagi na pełnione
funkcje w torze prądowym, rozróżniamy następujące rodza-
je zestyków: zestyki łączeniowe (rozłączne) oraz niełącze-
niowe, które mogą być rozłączne lub nierozłączne, a te z
kolei mogą być ruchome lub nieruchome [2].
Zestyki łączeniowe (rozłączne) są stosowane w łącznikach
stykowych i umożliwiają załączanie i wyłączanie prądu w
danym obwodzie. Dzielimy je na zwierne (zamknięte w po-
łożeniu wymuszonym styku ruchomego) i rozwierne (otwar-
te w tym położeniu). Zwierne mogą występować jako zesty-
ki podstawowe (uniwersalne) lub zespołowe. Podział zesty-
ków zwiernych na podstawowe i opalne jest istotny w kon-
strukcjach zestyków wielkoprądowych. Zestyk podstawowy i
opalny, połączone równolegle tworzą zestyk zespołowy,
współdziałający w wykonywaniu czynności łączeniowych,
tak aby łuk elektryczny występował wyłącznie na stykach
opalnych, wykonywanych ze specjalnych materiałów kom-
pozytowych [3].
Zestyki niełączeniowe, nierozłączne, ruchome, tworzą
połączenie, którego styki mogą się względem siebie swo-
bodnie przemieszczać, nie tracąc połączenia elektrycznego.
Są to połączenia toczne lub ślizgowe pomiędzy częściami
ruchomymi i nieruchomymi toru prądowego łącznika lub
zestyku nierozłącznego odłącznika.
Zestyki niełączeniowe, rozłączne, ruchome to takie, w któ-
rym styki mogą nie tylko przemieszczać się względem sie-
bie, ale także schodzić się i rozdzielać, decydując w ten
sposób o zamknięciu lub otwarciu obwodu. Nie są jednak
przeznaczone do wykonywania czynności łączeniowych [5].
Zaciski przyłączowe aparatów należą do grupy zestyków
niełączeniowych, rozłącznych, nieruchomych, natomiast
zestyki rolkowe lub ślizgowe należą do grupy zestyków nie-
łączeniowych, rozłącznych, ruchomych.
Zestyki aparatów elektrycznych należą do najbardziej
obciążonych elementów torów prądowych. Powinny zatem
być tak zaprojektowane, wykonane i eksploatowane, aby
dopuszczalne ograniczenia na ich parametry techniczne,
wynikające z odpowiednich przepisów i norm, nie były prze-
kraczane [6].
Struktura analizowanego toru wielkoprądowego
Tory wielkoprądowe przeznaczone do przewodzenia
dużych wartości prądów znamionowych i chwilowych war-
tości prądów zwarciowych są zwykle budowane, jako zbiór
wielu pojedynczych równoległych pasków, przy czym od-
stępy między nimi są niewielkie. Ma to na celu zapewnienie
maksymalnie dużej obciążalności prądowej [7]. W tego ro-
dzaju konstrukcjach przepływ prądu przez każdy z szyno-
przewodów jest, jak należało by się spodziewać, nierówno-
mierny. Jest to skutek zjawiska naskórkowości i efektu zbli-
żenia. Tak więc, nie możemy zwiększać ich obciążalności
prądowej proporcjonalnie do ilości pasków w torze. Symu-
lacje komputerowe mają wyjaśnić i zobrazować, które z
szyn będą najbardziej narażone przy przepływie prądu, a
także pozwolą zrozumieć efekt zbliżenia.
Analizowane tory prądowe są to przewody elektryczne w
postaci sztywnych szyn na ogół zamkniętych we wspólnej
obudowie, o odpowiednio zaprojektowanej długości, kształ-
cie i przekroju łączonych w ciągi zestawianych modułów,
montowanych wzdłuż wytyczonych tras – od rozdzielnicy
(łączników elektrycznych) do odbiorników (rys. 1).
a)
b)
Rys. 1. Przykładowe układy torów wielkoprądowych: a) nieosłonię-
tych, b) osłoniętych
282
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 88 NR 7a/2012
Do wyznaczenia rozpływu prądu w torach wielkoprądo-
wych wykorzystano metody polowe. W stosunku do metod
analitycznych pozwalają one m.in. na wyznaczenie lokali-
zacji obszarów, o największej koncentracji ładunków i roz-
kładu temperatury. Oprogramowaniem wykorzystującym tę
metodę i dającym duże możliwości badania zjawiska wypie-
rania prądu, jest program QuickFiel, FEMM,ANSYS.
Dogodnym będzie posłużenie się problemem typu „AC Ma-
gnetics”, które służy analizie pola elektromagnetycznego
spowodowanego płynącym prądem przemiennym, jak rów-
nież analizie indukowanych prądów na skutek obecności
zmiennego pola magnetycznego (prądy wirowe). Model
układu jest płasko-równoległy.
Analizowano kształty torów wymienione w tablicy pod
numerem 1. Na rysunku 2 i 3 przedstawiono rozkład gęsto-
ści prądu dla różnych układów torów prądowych przy czę-
stotliwości prądu f= 50Hz jako częstotliwości sieciowej.
Zjawiska fizyczne w torach prądowych wielopaskowych
W konstrukcjach torów prądowych najczęściej stosuje
się szynoprzewody o przekroju prostokątnym, rurowym oraz
o kształcie dwóch ceowników. Szynoprzewody cechuje
również różna liczba pojedynczych torów składających się
na jego dany typ. Wybierając kształt szynoprzewodu dąży
się do zmniejszenia strat mocy czynnej w samym torze prą-
dowym przy jednoczesnym zachowaniu dobrych właściwo-
ści odprowadzania ciepła. Poniżej przedstawiono wybrane
profile torów prądowych o tych samych powierzchniach
przekrojów poprzecznych. W tabeli numer 1 przedstawiono
najczęściej wykorzystywane układy torów prądowych wielo-
paskowych.
Tabela 1. Porównanie torów prądowych o różnych kształtach.
Rys.2. Rozwiązanie problemu – powiększenie prezentacji wyników
(układ nr 1), rozkład gęstości prądu, f=50Hz.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Uwidoczniono nierównomierny rozkład gęstości prądu
jako skutek wypierania prądu ku zewnętrznym warstwom
przewodnika. Zjawisko to nasila się ze wzrostem częstotli-
wości. Z elektromagnetycznego punktu widzenia układ za-
chowuje się jak gdyby był jednym torem podzielonym na
kilka mniejszych. Wzajemne oddziaływanie pól magnetycz-
nych pochodzących od sąsiadujących torów jest wyraźnie
osłabiane w przestrzeniach pomiędzy torami, jest natomiast
dużo silniejsze wokół obwodu jako całości. Jest to spowo-
dowane współistnieniem zjawiska naskórkowości i zbliże-
nia. Zaprezentowane wyniki rozkładu gęstości prądu nie
uwzględniają warunków oddawania ciepła z układu. Podob-
ną analizę wykonano dla układu nr 4 z tabeli 1.
I
1,0 1,1 1,2 1,2 1,5 1,5 1,5 1,7
k
1,7 1,2 1,0 1,1 1,0 1,1 1,3 1,1
P
1,7 1,7 1,6 1,8 2,4 2,7 3,0 3,2
Porównując wybrane kształty i ułożenie torów prądo-
wych, pod uwagę wzięto obciążalność prądową ciągłą
względną
I
, współczynnik strat dodatkowych
k
w
oraz wy-
dzieloną moc czynną względną
P
w stosunku do układu
szyn nr 1. Wartości współczynników
I, k
w
, P
przyjęto z litera-
tury [4]. Zwiększenie obciążalności uzyskuje się już po-
przez prosty zabieg zwiększenia odległości pomiędzy tora-
mi (nr 2), gdzie mniejszy jest współczynnik zbliżenia i wy-
padkowy współczynnik strat dodatkowych. Najbardziej ko-
rzystnym jest tor prądowy o kształcie dwóch ceowników (nr
6) oraz tor o kształcie nr 8, cechujący się największa obcią-
żalnością prądową oraz pożądanym przez wykonawców ze
względu na małą ilość zajmowanego miejsca oraz korzyści
natury ekonomicznej. Podczas zwarć występujące siły elek-
trodynamiczne osiągają duże wartości i dla takiego przy-
padku winna być przeprowadzone osobne obliczenia, w
niniejszej pracy skupiono się na obciążalności ciągłej.
Rys. 3. Rozwiązanie problemu - układ nr 4, Tab. 1, rozkład gęstości
prądu, f=50Hz.
Wyniki
Obecnie zdecydowana większość przypadków
analizy problemów fizyki matematycznej rozwiązywana jest
przy użyciu metod numerycznych. W metodach tych układ
fizyczny będący przedmiotem analizy traktowany jest jako
układ dyskretny w odniesieniu do współrzędnych prze-
strzennych jak również i czasu. Oznacza to, że dane za-
gadnienie może być symulowane w pamięci komputera,
bez konieczności budowania prototypu, co znacznie ułatwia
proces projektowania. Analizowanym zagadnieniem będzie
zmienne pole elektromagnetyczne oraz jego wpływ na roz-
pływ prądu w sąsiadujących ze sobą torach prądowych.
Poza kolorową mapą rozkładu gęstości natężenia prą-
du, przedstawiono gęstość strumienia magnetycznego za
pomocą linii pola oraz wektorów:
B/ S
.
Przedstawione powyżej rysunki 2 – 3 obrazują rozkład
gęstości prądu dla różnych kształtów przekroju torów prą-
dowych. Uwidaczniają zjawiska naskórkowości i zbliżenia
oraz charakterystyczne rozkłady prądu dla poszczególnych
układów torów.
Program Finie Element Method Magnetics (FEMM) jest
środowiskiem rozwiązywania zagadnień elektromagnetycz-
nych niskich częstotliwości na dwuwymiarowej płaszczyź-
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 88 NR 7a/2012
283
nie. Skupiono się jedynie na ukazaniu rozkładów gęstości
prądu w wybranym układzie torów dla częstotliwości 400Hz.
W torach wielkoprądowych przemysłu lotniczego lub hutni-
czego wykorzystywane częstotliwości prądu są krotnością
50Hz, nawet do 3kHz. Poniżej przedstawiono wybrany
układ torów prądowych.
Rys. 6a Rozkład gęstości prądu w zestyku wielopaskowym, widok
poglądowy.
Rys. 4. Rozwiązanie problemu –układ nr 8, Tab. 1, f = 400Hz, roz-
kład gęstości prądu.
Na rysunku 4 przedstawiono przykład wpływu częstotli-
wości na rozkład prądu, i tak, dla f = 400 Hz zjawisko wypie-
rania prądu jest dużo silniejsze w stosunku do f = 50Hz.
Układy torów wyższych częstotliwości powinny być zatem
możliwie cienkie, gdyż nieuwzględnienie tego zjawiska bę-
dzie skutkować dużym niewykorzystaniem materiału toru,
będzie to zatem nieekonomiczne.
Analizę rozkładu gęstości prądu w zestykach wykonano
na przykładzie zestyku wielopaskowego przedstawionego
na rysunku (5) zaimplementowanym w programie ANSYS.
Rys. 6b Rozkład gęstości prądu w zestyku wielopaskowym, widok
od strony przyłącza.
Rys. 5 Implementacja analizowanego zestyku wielopaskowego w
programie ANSYS.
Głównym celem było zobrazowanie rozkładu gęstości
prądu w układzie zestykowym składającym się z kilku lame-
lek. Rysunki od 6d do 6e przedstawiają rozwiązanie układu
w postaci barwnej mapy wokół konturu modelu, pozostałe
ukazują wektory gęstości prądu. W miejscach kontaktu la-
melek z umieszczonym środkowo większym płaskownikiem
wektory gęstości prądu
są największe. Oznacza to, że wy-
stępują tam największe narażenia prądowe oraz obrazuje to
miejsca, szczególnie istotne podczas konstrukcji – powinny
cechować się możliwie małą rezystancją przejścia. W miarę
dalszego zachodzenia lamelek na płaskownik zmniejsza się
prąd przez nie przepływający, zatem układy takie nie po-
winny się cechować dużą powierzchnią zachodzenia. Na
rysunkach 6a i 6b poprzez rozkład gęstości prądu przed-
stawiono podstawowe elementy konstrukcyjne, na które
należy zwrócić uwagę.
Rys. 6c Rozkład gęstości prądu w zestyku wielopaskowym, widok z
góry
Przez skrajne brzegi środkowego płaskownika przepły-
wa znikoma ilość prądu, co może być sugestią aby obszary
te ściąć i odpowiednio wyprofilować, dzięki temu zmniejszy
się ilość zużytego materiału oraz koszt układu. Dobrze
przedstawiono zjawisko naskórkowości środkowego pła-
skownika. Na ostatnim rysunku dobrze zaprezentowano
przewodzenie prądu w miejscach pierwszej styczności la-
melek z płaskownikiem oraz przepływ po jak najkrótszej
284
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 88 NR 7a/2012
drodze do kolejnych ze słabym wykorzystaniem miejsc na-
rożnych. Uwagi pozwalają na przyjęcie ogólnych wytycz-
nych podczas konstrukcji torów prądowych i pozwalają na
dobór ich optymalnego kształtu.
wpływ zjawiska naskórkowości w zależności od kształtu i
pola przekroju przewodu na gęstość prądu. Dokonano ana-
lizy wpływu oddawania ciepła na drodze unoszenia
i promieniowania na nagrzewanie torów prądowych. Roz-
ważano przypadki torów o różnych przekrojach
i materiałach wykonania. Przedstawiono najbardziej opty-
malne kształty szynoprzewodów.
Z przytoczonych w pracy zagadnień wynika, że dobór
odpowiednich kształtów torów prądowych jest zadaniem
ważnym i uzasadnionym ekonomicznie. Szczególną uwagę
należy zwrócić na miejsca zawierające zestyki, gdyż to one
są najbardziej narażonymi na trudne warunki eksploatacji
elementami torów prądowych.
Omówione w pracy podstawy teoretyczne są punktem
wyjściowym do określenia obciążalności prądowej szyno-
przewodów.
Obecnie układy szynoprzewodów są coraz częściej stoso-
wane ze względu na ich większa obciążalność oraz możli-
wość ponownego montażu z wykorzystaniem tych samych
elementów, co znacznie obniża koszty.
O ważności i aktualności problemów związanych z za-
stosowaniem układów zestykowych, mogą świadczyć cy-
kliczne konferencje międzynarodowe i krajowe, a także
liczne publikacje naukowe.
W książce pod redakcją P. Slade [4], Autorzy zawarli teore-
tyczne i praktyczne informacje na temat zjawisk fizycznych
zachodzących w zestykach i torach wielkoprądowych.
Rys. 6d Rozkład wektorów gęstości prądu w zestyku wielopasko-
wym,
LITERATURA
[1] Maksymiuk J.: Aparaty elektryczne w pytaniach i odpowie-
dziach, WNT, Warszawa, 1997.
[ 2 ] Ciok Z.: Procesy łączeniowe w układach elektroenergetycz-
nych, WNT, Warszawa, 1983.
[3] Kuffel J., Zaengel W.: Hight voltage engineering,
Bytter
worth-Heinemann
, Oxford 2000
[4] S l a d e P.: Electrical contacts,
Manel Dekker Inc
., New York
1999
[5] B a l l a t J., K o n i g D.: “Insulation characteristics and welding
behaviour of butt contacts made of CuCr different processes”,
15
th
Int. Symp. On DEIV
,
Darmstadt 1992
[6] D o l i n s k i e j M., P o l j a k o w a S.: Issljiedowanje silnotocznych
kontaktow pri skwoznych tokach korotogo zamykania,
„Elektri-
czeskije kontakty i elektrody”,
Kijew 1977
[7] Kulas S., Kolimas Ł.: Badania symulacyjne wielkoprądowego
układu stykowego załącznika zwarciowego; Przegląd Elektro-
techniczny, nr 3, 2007, str. 137-140.
Rys. 6e Rozkład wektorów gęstości prądu w zestyku wielopasko-
wym, widok z góry
Podsumowanie
Na podstawie obliczeń należałoby rozważyć ewentual-
ność wykonania środkowych torów (tych mniej obciążo-
nych), o mniejszym przekroju niż pozostałych. Na etapie
projektowym, można uwzględnić różne kształty szynoprze-
wodów, przy tym samym przekroju. Na etapie produkcji
dałoby to duże oszczędności materiałowe.
W niniejszej pracy przedstawiono analizę obciążalności
torów prądowych oraz układów zestykowych. Uwzględniono
Autor
: dr inż. Łukasz Kolimas, Politechnika Warszawska, Katedra
Wysokich Napięć i Aparatów Elektrycznych, ul. Koszykowa 75, 00-
662 Warszawa, E-mail:
lukaszpw@o2.pl
,
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 88 NR 7a/2012
285
[ Pobierz całość w formacie PDF ]