MATURSKI RAD

SADRŽAJ

UOPŠTENO O VISOKONAPONSKIM OSIGURAČIMA

KONSTRUKCIJA I OPIS VISOKONAPONAPONSKIH OSIGURAČA

IZBOR VISOKONAPONSKIH OSIGURAČA

PREKIDANJE STRUJE

TOPLJENJE OSIGURAČA

1. Uopšteno o visokonaponskim osiguračima

Osigurač je sklopni aparat čiji je zadatak da toplenjem jednog ili više njegovih elemenata, koji su za tu svrhu izrađeni i kalibrisani, otvori strujno kolo u koje je ugrađen i da prekine struju kada ona u dozvoljenom vremenu pređe datu vrednost. Osnovna uloga osigurača je zaštita elemenata od kratkog spoja. Pored toga, mogu ad služe i za zaštitu od preopterećenja. U tom slučaju njihove karakteristike moraju da budu usaglašene sa karakteristikama elemenata koje štite. U kombinaciji sa rastavljačima mogu da zamene prekidače. Tada osigurač prekida struje kratkog spoja, a rastavna sklopka radne struje. Osigurač svojim pregorevanjem prekida strujno kolo. Ovo se obavlja vrlo efikasno i to sa vremenom koje je znatno kraće od vremena prekidanja prekidačem. Nedostak je jednostavan kriterijum delovanja, jer osigurač deluje isključivo na osnovu vrednosti struje, prekidač po nalogu zaštitnih uređaja koji obezbeđuju selektivnost. Druga negativna osobina je mogućnost javljanja prenapona pri prekidanju induktivnih struja, pošto je brzina uspostavljanja prenapona velika. Visokonaponski osigurači se korise u mrežama 50 ili 60 Hz nazivnih napona do 1 kV. Osigurači visokog napona prekidaju struju pre prve amplitude, tj. Pre nego što ona dostigne najveću vrednost. Stoga visokonaponski osigurači mogu prekinuti svaku struju kratkog spoja koja se praktično poljavljuje u mrežama do 36 kV.

Slika 1.1 Izgled visokonaponskih osigurača

2

2. Konstrukcija i opis visokonaponskih osigurača

Kao što se vidi sa slike 2.1 osigurač se sastoji od porculanske cevi u kojoj je smešten topljivi umetak. Topljivi umetak je nit okruglog preseka ili traka pravougaonog preseka, od legure srebra sa jednim ili više suženja po svojoj dužini. Srebro se koristi jer ima najmanju električnu otpornost u prirodi. Kod osigurača predviđenih za str većeg intezizeta, može da postoji više ovakvih paralelnih niti. Da bi se smanjili prenaponi pri pregorevanju osigurača, odnosno da bi se produžilo vreme prekidanja topljivi umeci se izrašuju od različito perforiranih plaočica.

Slika 2.1 – Presek visokonaponskog osigurača

Spiralno vlakno od volframa ima ulogu da smanji jačinu električnog polja u unutrašnjij čauri osigurača da ne bi došlo do nastanka korone, čije hemijsko i električno dejstvo može da ošteti umetak i da dovede do promene karakteristike reagovanja. Korona je svetlosni prsten koji se obrazuje oko visokonaponskih provodnika usled jakog električnog polja i jonizovanog vazduja. Korona predstavlja aktivne Džulove gubitle energije.Unutrašnjost kućišta je ispunjena kvarcnim peskom, čija je uloga da odvodi toplotu iz umetka kroz koji protiče velika struja kratkog spoja. Pošto pri topljenju srebra dolazi do njegovog isparavanja, kvarcni pesak imazadatak da apsorbuje nastale pare i spreči održavanje luka. Da nema kvarcnog peska, odnosno odvođenja toplote, u izvesnim slučajevima bi moglo da dođe do jonizacije srebrnih para, zbog čega prekidanje struje kratkog spoja ne bi bilo ostvareno. Pokazna značka ukazuje na stanje osigurača. U slučaju da osigurač pregori, ona pod dejstvom opruge ispada iz svog ležišta.

3

1. stezaljka2. udarni uređaj ili indikator pregrevanja3. držač toplivog umetka4. topljivi element5. toljivi umetak6. kontakt topljivog umetka7. kontakt osnove osigurača8. kontakt držača topljivog umetka9. osnova osigurača

Slika 2.2 – Delovi visokonaposkog osigurača

1. stezaljka je provodljivi deo osigurača, predviđen za električne spojeve spoljašnjih strujnih kola.

2. indikator pregrevanja je uređaj osigurača koji pokazuje da li je osigurač reagovao

3. držač toplivog umetka je odvojivi deo osigurača predviđen da drži topljivi umetak

4. topljivi osigurač je deo osigurača koji treba da se istopi za vreme reagovanja osigurača

5. topljivi umetak je deo osigurača koji sadrži topljivi element, koji posle reagovanja osigurača treba zameniti novim topljivim umetkom pre ponovnog stavljanja u rad

6. kontakt topljivog umetka je provodljivi deo topljivog umetka namenjen spajanju sa kontaktom osnove osigurača ili držača topljivog umetka

47. kontakt osnove osigurača je provodljivi deo osnove osigurača spojen sa

stezaljkama i namenjen spajanju sa kontaktom držača topljivog umetka ili sa kontaktom topljivog umetka

8. kontakt držača topljivog umetka je provodljivi deo držaća topljivog umetka namenjen spajanju sa kontaktom osnove osigurača i kontaktom topljivog umetka

9. osnova osigurača je učvršćeni deo osigurača opremljen stezaljkama za uključivanje u strujno kolo i ona obuhvata sve delove koji obezbeđuju izolaciju

3. Izbor visokonaponskih osigurača

Izbor osigurača vrši se prema nazivnom naponu mreže i prema nazivnoj struji. Visokonaponski osigurači izrađuju se za napone do 35 kV. Nazivna struja osigurača se odabira prema delu mreže koji će stititi osigurač. Za dalekovod se odabira osigurač prema najvećoj struji koja se može pojaviti u normalnom pogonu, a za kabl prema najvećoj dopuštenoj trajnoj struji koja je određena s obzirom na dopušteno zagrevanje.

Nazivni napon [kV] 3 6 10 20 35Nazivna struja osigurača [A] Rasklopna snaga (tropolno) [MVA] 6 450 800 1200 1000 1500 10 450 800 1200 1000 1500 15 450 800 1200 1000 1500 25 450 800 1200 1000 1500 40 450 800 1000 1000 60 450 700 1000 100 400 700 1000 150 400 700 200 400

Tabela 3.1 Rasklopne snage osigurača Spomenute rasklopne snage odnose se na struju kratkog spoja, koja bi protekla kada ne bi postojao osigurač koji će je prekinuti pre nego što postigne maksimalnu vrednost. Maksimalna struja osigurača zove se i još struja toljenja i t. Određivanje struje it vrši se iz

dva koraka. Prvi je određivanje struje topljenja pri efektivnoj vrednosti maizmenične komponente struje kratkog spoja ik=10 A. Ta struja topljenja it10 određije se iz tablice

5prema nazivnoj struji osigurača. Drugi korak je određivanje faktora f:

gde je Ik struja kratkog spoja u kA što možemo isčitati sa dijagrama. Struja topljenja i t

maksimalna struja kroz osigurač, određuju se tada iz obrasca:

In [A] It10 [kA] 6 0,70710 1,3315 1,9025 3,2540 5,4360 7,58100 12,4150 16,0200 18,5

4. Prekidanje struje

Pri vrlo velikim gustinam astruje (10000 A/mm2 i više) topljiva žica u osiguraču trenutno će istopiti po čitavoj dužini i ispariti. Metalne pare se šire u okolni kvarcni pesak, pa presek rastopljene metalne žice gotovo trenutno postaje jednak nuli. Na slici 4.1 je prikazana provodnost srebra u zavisnosti od temperature. Električna provodnost srebra pada sa povišenjem temperature. Sa povećanjem provodnost pada do nule (postaje izolator) kada sva količina srebra ispari. Srebro se ponaša kao izolator sve dok ne nastupi jonizacija (oko 3200 ºC). Dalje povišenje temperature dovodi po povećanja provodnosti srebra. Prema tome, otpor žice se naglo povećava do neizmerno velike vrednosti kad ispari sva žica. S povećanjem otpora smanjuje se struja kroz osigurač od početne vrednosti struje topljenja i t na nulu i to i većini slučajeva pre nego što bi struja kratkoj spoja dostigla vrednost nulu.

Slika 4.1 – Provodljivost srebra u zavisnosti od temperature

Na slici 4.2 je prikazan tok struje i napona za vreme delovanja osigurača.

Slika 4.2 – Tok struje i napona pre i posle topljenja osigurača

Posle topljenja osigurača počinje da opada, a zbog indukcije L mreže, indukuje se napon koji se suprotstavljava naponu izvora Ug. Ako sa U označimo napon na osiguraču onda možemo napisati i:

Radni otpor mreže se može zanemariti. Budući da struja posle topljenja provodnika opada di/dt je negativno, pa je napon na osiguraču veći od napona mreže. Zbog naglog opadanja struje javiče se znatno povećanje napona. Do slične situacije može doći ako je gustina struje u osiguraču manja od navedene, ali veća od 1000 A/mm2.Tada će žica u osiguraču rastopiti po celoj dužini, ali neće doći do spontanog isparavanja. Tanki provodnik raspada se u kapljice zbog delovanja površinskih naprezanja i zbog delovanja elektromagnetnog polja. Zbog delovanja tih sila dolazi naglo do formiranja kapljica. Među kapljicama nastaju električni lukovi. Metalne kapljice delimično tonu u okolni kvarcni pesak, a delimično isparavaju. Zbog jakok hlađenja luk se gasi, i u tom slučaju dolazi do velikih prenapona. Pri još manji gustinama struje žica se topi na jednom ili više kraćih delova gde je presek slučajno bio manji. Zbog nastalog električnog luka žica se i

dalje topi, pa jedan deo rastopljene žice ponire u pesak, a drugi isparava. Radi povećanja otpora u osiguraču, struja opada sve dok se toplota razvijena u luku toliko ne smanji da se luk ohladi ispod temperature jonizacije. Zbog svega toga provodnik se u osiguraču pravi istog preseka na celoj dužini. Provodnici u starijim osiguračima imali su na polovini dužine nešto smanjen presek. Na taj način se postiže to da se najpre rastopi i ispari samo deo dužine provodnika, stvara se luk na celoj dužini provodnika pa je i povišenje napona manje. Nakon toga dolazi do topljenja i isparavanja delova većeg preseka, što dovodi do produženja luka i do ponovnog povišenja napona. Nastojalo se da se osigurač tako konstruiše da drugo povišenje napona napona ne bude veće od prvog. No i pored toga prenaponi koji su se javljali bili su visoki i premašivali dvostruku maksimalnu vrednost nazivnog napona. Da bi se povišenje napona sprečilo, današnji osigurači se prave sa različitim presecima. Najmanji presek ima provodnik na polovini dužine, pa se on sve više povećava što se ide ka krajevima. Na taj način ostvaruje se povišenje napona koje se kreće oko 1,5 maksimalnih vrednosti nazivnog napona.

Slika 4.3 – Presek žice Smanjenje povišenja napona dovodi do produženja trajanja prekida struje koje ima za posledicu povećanje količine enrgije koju treba u osiguraču pretvoriti u toplotu. Ako prethodnu jednačinu pomnožimo sa trenutnom vrednošću struje i diferencijalom vremena dt, dobićemo

Integriranjem leve strane i prvog člana na desnoj strani od 0 do tt, a drugog člana na desnoj strani od i=it do i=0, dobićemo:

Pri član na desnoj strani predstavlja energiju koju daje generator, dok je drugi član jednak magnetnoj energiji mreže, koja je akumulirana u mreži u trenutku topljenja osigurača, jer u tom trenutku kroz osigurač protiče struja it. Zbir tih dvaju količina jednak je količini energije gašenja. Što je ta količina energija veća, teže će se odvesti luk u osiguraču ugasiti, jer će se razviti veća količina toplote koju treba odvesti, da bi se dovoljno snizila temperatura u osiguraču kako bi pala temperatura jonizacije. Na hlađenje znatno utiče i kvarcni pesak koji se nalazi oko provodnika. Posle isparavanja provodnika, električni luk

ima na raspolaganju u pesku kanal vrlo malog preseka, pa se radi dobrog kontakta sa peskom intezivno hladi. Kvarcni pesak određene veličine zrnaca pokazao se najpogodniji zbog dobtog odvođenja i velike brine kojom se unjega difundiraju metalne pare. Sposobnost prekidanja struje osiguračem karakteristična je energijom gašenja. Ako neki osigurač može prekinuti energiju koja ima W1 energiju gašenja, moći će prekinuti i struju sa energijom gašenja W2, ako je:

Teoretska i ekperimentalna ispitivanja pokazala su da energija gašenja zavisi od veličine struje kratkog spoja, uz ostale najnepovoljnije okolnosti. Najnepovoljnije je za osigurač ako njegovo topljenje nastupi 0,5 do 1,5 ms pri 50 Hz, pre nego što je napon generatora postigao maksimalnu vrednost zbog relativno velikog udela energije iz generatora. Maksimalnu energij gašenja postižemo pri kritičnoj struji kratkog spoja Ikr, koja se može prikazati kao proizvod nazivne struje osigurača In. Moderni osigurači imaju sledeću meru Ikr/n u zavisnosti od nazivne struje:

nazivna struja In [A] odnos Ikr/In

6 ~3010 ~4015 ~5025 ~6040 ~6560 ~75100 ~90150 ~90200 ~90

Tabela 4.1 – Odnos Ikr/In

Pri većim strujama kratkog spoja energija gašenja postaje sve manja, u prvom redu radi smanjenja magnetne energije , što mogu pokazati sledeća razmatranja. Struja tropolnog kratkog spoja određuje se iz jednačine:

pa je:

Veličinu It imamo u jednačini 5. Topljenje osigurača

Prolaskom struje kroz provodnike osigurača zbog radnog otpora razvija toplota od koje deo zagreva provodnik, dok drugi predaje okolini Tu pojavu možemo pokazati jednačinom:

gde su

Integriranjem u granicama od 0 do T, gde je T vreme potrebno da provodnik dostigne temeraturu topljenja i deljenjem sa T, dobijamo:

U razlomku na desnoj strani osim prečnika d su samo konstante zavisne od materijala provodnika, pa se može postaviti:

Oz ove formule može se izvesti zavisnost preseka provodnika u osiguraču od nazivne struje In[A] osigurača može se ostaviti jednačina:

gde je k3 konstanta koja je obično veće od 1. Uvrštavanjem u i uzimanjem u obzir odnos između prečnika i preseka, dolazimo do relacije:

gde je k4 konstanta. Ispitivanjem visokonaponskih osigurača ustanovljeno je da vredi idnos:

odakle dobijamo q u mm2. Razmotrimo drugi granični slučaj, kada je struja tako velika da izaziva topljenje osigurača u vrlo kratkom vremenu. U tom slučaju možemo pretpostaviti da se toplota ne dovodi, pa možemo pisati:

Integriranjem leve strane od t=0do tt gde je tt vreme topljenja provodnika osigurača, te integriranjem desne strane od 0 do t,dobijamo:

Na desnoj strani su sve veličine konstante i zavisne od materijala provodnika, pa se može napisati:

I struja Ig vrednost ovog integrala zavise od prečnika provodnika pa uvrštavanjem vrednosti d iz formule možemo doći do izraza: