ELEKTRICKÉ PŘÍSTROJE SILNOPROUDÉ – studijní text pro E4
1. Základní pojmy a rozdělení elektrických přístrojů
Základní pojmy:
Elektrické přístroje jsou prvky elektrického obvodu, které slouží na ovládání toku el. energie.
Rozmanitost el. přístrojů je velká. Jednu z nejpočetnějších skupin tvoří přístroje určené ke spínání el.
obvodů (spínací přístroje), mnoho druhů mají i přístroje pro ochranu el. obvodů proti nadproudům
(jisticí přístroje) a přepětím (svodiče přepětí).
Rozvaděč je zařízení pro rozvod el. energie obsahující spínací, jisticí, měřicí i jiné přístroje.
Rozvodna je větší technický celek obsahující spínací přístroje, transformátory, rozváděče, budovy
atd., slouží k propojení částí elektrizační soustavy.
K el. přístrojům lze přiřadit i zařízení pro bezkontaktní spínání a regulaci toku el. energie – statické
měniče.
Rozdělení el. přístrojů:
Spínací přístroje nízkého napětí (dále jen nn) – užívají se v sítích nízkého napětí do 1000 V
• nesamočinné – spínání kontaktů se realizuje působením vnější síly na ovládací mechanismus
• stykače, relé – mechanismus je ovládán obvykle prostřednictvím elektromagnetu
Jisticí přístroje nízkého, popř. vysokého napětí – jistí proti nadproudům nebo přepětím
• jističe – samočinně vypínají při nadproudech
• proudové chrániče – samočinně vypínají při vzniku poruchového proudu tekoucího mimo obvod
• pojistky – samočinně vypínají při nadproudech
• svodiče přepětí – omezují přepětí a svádějí jeho náboj do země.
Spínací přístroje vysokého, velmi vysokého a zvlášť vysokého napětí (dále jen vn a vvn) – rozdělují
se dále podle vypínací schopnosti, tj. proudu, který mohou vypnout; nejdůležitější skupiny jsou:
• odpojovače - vypínají bez zatížení
• odpínače – vypínají provozní proudy
• výkonové vypínače – vypínají nadproudy, zvláště zkraty.
2. Spínací technika, teorie oblouku
Spínání je souhrnný název pro zapínání a vypínání.
Zapínání (uzavření el. obvodu spínačem) nepřináší obvykle větší problémy.
Vypínání je přechodový jev, kdy se impedance obvodu v krátké době výrazně změní z hodnoty
relativně malé na prakticky nekonečnou. Může být bezobloukové, ale v silnoproudých obvodech je
obvykle doprovázeno vznikem obloukového, popř. doutnavého výboje.
Ke vzniku výboje je nutná ionizace. Ionizované prostředí je schopno vést velké proudy i na dráze o
malém průřezu s malým odporem.
Nárazová ionizace: probíhá po oddálení kontaktů v důsledku působení elektrického pole od určité
(kritické) intenzity E v mezikontaktovém prostoru.
Doutnavý výboj: vznikne tehdy, nemůže-li vlivem vlastností obvodu vzniknout proud větší než asi
0,3 A. Katoda, z níž vystupují elektrony, zůstává studená. Ionizace je především nárazová, je k ní
potřeba poměrně velké napětí (300 V). Jeho největší část je katodový úbytek, v trupu výboje je spád
napětí malý a lineární, úbytek u anody je rovněž relativně malý.
Tepelná ionizace: elektrony vystupují z katody vlivem vysoké teploty. Spolupůsobí přitom
elektrické pole, ale hodnota potřebná k ionizaci je mnohem menší, takže je menší i úbytek napětí u
katody a na celém výboji.
Obloukový výboj může vzejít z doutnavého při vyšších hodnotách proudu, kdy proudová hustota a
ionizační pochody jsou tak značné, že se rozžhaví elektrody i sloupec výboje mezi nimi. Ionizace je
Elektrické přístroje
1
Ing. Pavel Kobrle, 2013
především tepelná, tedy efektivnější. Oblouk ale může také vzniknout bez doutnavého výboje přímo
díky tepelné ionizaci, např. v pojistkách či kontaktových přístrojích, při hodnotách napětí mnohem
nižších než doutnavý výboj.
I u oblouku je rozložení napětí podél oblouku nelineární, v blízkosti elektrod (kontaktů) jsou větší
úbytky napětí. Úbytek u anody je 5 – 10 V, u katody 5 – 15 V (obrázek vlevo).
Struktura průřezu oblouku: tenké jádro s vysokou proudovou hustotou a teplotou (nad 5000 K),
obal s klesající teplotou směrem k povrchu (obrázek vpravo).
Statická voltampérová charakteristika oblouku má přibližně hyperbolický průběh a závisí na jeho
délce. Oblouk má činný charakter, avšak nelineární – odpor se s rostoucím proudem snižuje. Poloha
charakteristika závisí na délce oblouku (obr. vlevo). Při vyšších proudech se již obloukové napětí
oproti idealizovanému tvaru křivky prakticky nemění a oblouk syčí.
Stejnosměrný oblouk hoří stále, střídavý zhasíná vždy při průchodu proudu nulou (nesleduje
statickou charakteristiku). Uhasnutí vždy v nule může usnadnit jeho uhašení.
V obvodu se zdrojem a zatěžovacím odporem R s lineární charakteristikou podle obr. vpravo může
oblouk hořet stabilně jen v bodě A. Bod B je labilní, oblouk buď zhasne, nebo přejde do bodu A.
Vypínání stejnosměrných obvodů
Podmínka uhašení oblouku: zvýšení napětí na oblouku blízko k napětí zdroje. To lze dosáhnout
• natažením oblouku do délky
• rozdělením na řadu dílčích oblouků
• chlazením (či kombinací některých způsobů).
1
Ve spínači se přeměňuje na teplo energie nahromaděná v indukčnostech obvodu W = LI 2 . Při
2
di
vypínání zaniká proud a v obvodu se indukuje spínací přepětí u i = L , které závisí na strmosti
dt
proudu – rychlejší vypnutí přináší s sebou větší přepětí (obr. vlevo).
Elektrické přístroje
2
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Vypínání střídavých obvodů
Mohou se objevit dva případy:
Vypínání se synchronizací: oblouk hoří až do průchodu proudu nulou, kdy uhasne. Pak se zajistí, aby
se opětovně nezapálil.
Podmínka: obnovení elektrické pevnosti mezikontaktového prostoru tak, aby rostla rychleji než
zotavené napětí uzot, tj. napětí na kontaktech spínače (obr. vpravo). To lze dosáhnout intenzivní
deionizací
• mechanickým odnášením iontů – vyfouknutím
• intenzivním chlazením – nastávají rekombinace iontů
Vypínání s odtržením: oblouk nemá dost energie pro dohoření do nuly a zaniká s velkou strmostí již
dříve. Tím se shoduje s vypínáním stejnosměrného proudu, vzniká spínací přepětí.
3. Zhášecí systémy spínacích přístrojů
Mžikové vypínání
Spočívá v akumulaci energie pohonu spínacího přístroje v pružině a jejím náhlém uvolnění. Dojde
tak k rychlému oddálení kontaktů, což napomáhá uhašení oblouku. Některé spínače (např.
nesamočinné nn) používají pouze mžikové vypínání.
Magnetické vyfukování
Využívá Ampérova zákona – na oblouk v magnetickém poli působí síla F = I (l x B), která ho
natahuje a vhání do zhášecí komory.
Magnetické pole vytváří
• permanentní magnet (použitelné pouze pro stejnosměrné obvody)
• elektromagnet protékaný vypínaným proudem (menší proud – slabší účinek)
• vhodné zakřivení proudové dráhy (např. o 180° nebo 90°)
Zhášecí komory
Vhání se do nich a následně zháší oblouk vlivem zvýšení obloukového napětí. Jsou to např.
• izolační štěrbinová komora – natažení oblouku a chlazení
• komora s kovovým roštem či deionová komora – oblouk se tříští a dělí na dílčí oblouky
Užití: stykače, jističe, stejnosměrné výkonové vypínače.
Cizí zhášecí prostředky
Kapalné a plynné látky zaručují deionizaci a obnovení elektrické pevnosti prostoru mezi kontakty po
zhasnutí střídavého oblouku. Jde zejména o
• vzduch, stlačený vzduch
• olej
• plyn SF6 – vysoká el. pevnost, chladivost; nejmodernější výkonové vypínače vn a vvn na
střídavý proud a zapouzdřené rozvaděče.
Křemičitý písek SiO2 – žárem oblouku se taví a chladí oblouk, zvyšuje obloukové napětí;
stejnosměrný i střídavý proud; pojistky.
Elektrické přístroje
3
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Vakuum – neobsahuje nosiče proudu – ionty, oblouk v něm nehoří; odtržení proudu; vakuové
vypínače vn.
4. Kontakty
Druhy styku kontaktů
Je třeba najít kompromis mezi přítlačným tlakem a opotřebením. Styk bodový a plošný z tohoto
pohledu vyhovuje méně, používá se především přímkový styk. Pojmenování druhů styku je
zidealizované, vlivem nerovností povrchu se kontakty dotýkají v malých náhodně rozložených
ploškách.
Stykový odpor
Jde o odpor v místě styku kontaktů, skládá se z úžinového odporu (obr.) vlivem
zmenšení průřezu a přechodového odporu cizích vrstev vlivem nečistot a oxidů. Závislost stykového
k
odporu na přítlačné síle se vypočítá podle vztahu Rs = n , kde konstanta k závisí na materiálu a
F
poměrech v místě styku a n na druhu styku.
Provedení kontaktů
Rozlišujeme vždy pevný a pohyblivý kontakt. Základní druhy dle uspořádání: nožové, lamelové,
palcové, můstkové, růžicové.
Materiál kontaktů
Kontakty hlavní – dobře vedou proud, špatně odolávají oblouku – měď, postříbřená měď, slitiny
mědi.
Kontakty opalovací – při vypínání se na ně elektrodynamickými silami přenáší oblouk – wolfram,
molybden, uhlík.
Spékané kovy – dobré vlastnosti v obou směrech, složka vodivá a vysokotavitelná.
Svaření kontaktů
Může nastat vlivem nedovoleného oteplení (při náhlém vývinu asi 200 J tepla v místě styku)
• při vypínání vlivem oblouku
• při sepnutém kontaktu vlivem průchodu zkratového proudu stykovým odporem.
Při nevhodném uspořádání kontaktů mohou elektrodynamické síly působící ve směru oddálení
kontaktů zvýšit stykový odpor a zapříčinit jejich svaření.
5. Spínací přístroje nízkého napětí nesamočinné
Nesamočinné spínací přístroje nn představují nejrozsáhlejší skupinu spínacích přístrojů vůbec.
Nejsystematičtější rozdělení je podle konstrukce.
Nožové spínače – nožové kontakty, dvojitý nebo jednoduchý nůž se zasouvá do jednoduchého nebo
lamelového pevného kontaktu, může mít i opalovací nůž. Mechanismus pákový či kloubový. Užití:
v rozvodnách nn.
Otočné spínače – pevná a rotační část
Elektrické přístroje
4
Ing. Pavel Kobrle, 2013
•
•
válcové – otočná část nese kontaktové segmenty, pevná má palcové kontakty. Užití: spínání
motorů, přepínání Y – D aj.
vačkové – otočná část s vačkou spíná dvojice kontaktů na pevné části; bývá více spínacích
jednotek. Velká rozmanitost. Užití: spínání motorů a jiných spotřebičů, spínání obvodů v určitém
pořadí.
válcový spínač
vačkový spínač
stiskací spínač
Tlačítkové spínače – můstkové kontakty, spínají se tlakem, popř. tahem.
• stiskací spínače - troj- či jednopólové. Užití: spínání motorů, hlavní domovní spínače,
slaboproudé obvody.
• tlačítka – jen jedna stabilní poloha, zapínací či vypínací kontakt; tlačítkový ovladač – spojení
více tlačítek do jednoho celku. Užití: ovládací a signalizační obvody.
Domovní instalační spínače – jsou určeny do domovních instalací; rozdělení je podle ovládacího
systému (kolébkové, páčkové, otočné), podle způsobu montáže (zapuštěné nástěnné), podle krytí
(obyčejné, do vlhka, venkovní, nepromokavé), podle počtu pólů, podle řazení.
Ostatní spínače – ty, které nebyly zařazeny výše, např.
• mikrospínače – malý zdvih kontaktů, slaboproudé aplikace
• koncové spínače – na omezení pohybu elektricky poháněných zařízení
• tlakové spínače – spínají změnou tlaku plynu či kapaliny
• plovákové spínače – ovládání a signalizace výšky hladiny
• rtuťové spínače – spínají naklápěním baňky se rtutí
6. Stykače a relé
Stykače
Stykač je samočinný spínač nízkého napětí s jednou klidovou polohou, obvykle vypnutou. Zdrojem
síly potřebné na spínání je obvykle elektromagnet. Stykače slouží zejména
• k dálkovému spínání spotřebičů pomocí tlačítek
• ke spínání obvodů pomocí koncových, tlakových, plovákových aj. spínačů
• ve spojení s tepelným relé k jištění proti přetížení
Rozsah proudů je velmi široký, od jednotek do tisíců ampér.
Třída stykače – určuje mechanickou trvanlivost kontaktů, např. třída 10 – 10 miliónů sepnutí
Kategorie použití – charakterizuje různé spínací podmínky, např. AC 1 – spínání střídavé
neinduktivní zátěže, AC 3 – spínání asynchronních motorů s kotvou nakrátko.
Funkční části stykačů
• hlavní kontakty – silové, obvykle zapínací, můstkové nebo palcové
• zhášecí systém – deionová zhášecí komora (střídavé), magnetické vyfukování (stejnosměrné), u
malých stykačů nemusí být
• pomocné kontakty – pro ovládací a signalizační obvody, můstkové
• stykačový elektromagnet – zdroj pohybové energie a přítlačné síly kontaktů; střídavý –
magnetický obvod z plechů, závit nakrátko; stejnosměrný – mag. obvod z plného železa.
• tepelné relé – působí při přetížení silového obvodu, kdy prostřednictvím vypínacího pomocného
kontaktu vypíná elektromagnet a tím silový obvod.
Modulový systém umožňuje sestavit kombinaci z příslušenství podle požadavků na funkce (příklad
na obr. na další stránce)
Zvláštní druhy stykačů – stykače vn, vakuové stykače, stykače s pneumatickým pohonem apod.
Elektrické přístroje
5
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Relé
Relé je elektromagneticky ovládaný spínač určený pro spínání menších proudů, než stykač.
• pomocné relé – pomocí nepatrného proudu ovládacího elektromagnetu svými kontakty spíná
obvod s větším proudem; zvláštní konstrukce do desek s plošnými spoji
• časové relé – zapíná, vypíná nebo zapíná i vypíná obvody s časovým zpožděním
• návěstní relé – slouží k optické signalizaci stavu
• tepelné relé – odlišná konstrukce; tepelná spoušť reaguje na nadproud a po určité době vypíná
kontakt.
7. Jističe a chrániče
Jističe
Jističe jsou spínací přístroje nízkého napětí, které samočinně
vypínají při nadproudu.
Nadproud:
• zkrat (Ik >> In)
• přetížení (Ik > In)
Vypínací charakteristiky:
• závislost vypínacího času tv na nadproudu – násobku
jmenovitého proudu x In
• osy jsou logaritmické, aby se znázornily veličiny ve
velkém rozmezí hodnot
Skládají se z části časově závislé a časově nezávislé.
Druhy charakteristik:
B – jištění zařízení, kde nevznikají proudové nárazy (vedení,
tepelné spotřebiče)
C – jištění zařízení, kde vznikají proudové nárazy (motory
s lehkým rozběhem, skupiny žárovek)
D – jištění zařízení, kde vznikají velké proudové nárazy
(motory s těžkým rozběhem, transformátory)
Elektrické přístroje
6
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Kompaktní jističe (obr.):
• spouště: elektromagnetická - proti zkratu (časově
nezávislá), tepelná (bimetalová) – proti přetížení
(časově závislá)
• kontaktní systém
• zhášecí systém – deionová zhášecí komora
(střídavé); magnetické vyfukování (stejnosměrné)
Výkonové jističe:
Spouště: tepelná a elektromagnetická, anebo
elektronická (lze nastavit vypínací charakteristiky)
Další příslušenství (často volitelné): zapínací spoušť
(umožňuje místní či dálkové zapnutí), napěťová –
vypínací (po přivedení napětí jistič vypne),
podpěťová (vypíná při poklesu napětí), střadačový a
ruční pohon (napínání pružin), signalizační spínače
(pomocné kontakty)
Chrániče
(Jde pouze o proudové chrániče, napěťové
jsou zastaralé a neužívají se.)
Proudové chrániče jsou samočinné spínací
přístroje nízkého napětí, které samočinně
vypínají, jestliže reziduální proud dosáhne
jmenovité hodnoty (nebo vyšší).
Reziduální (rozdílový, poruchový) proud –
efektivní hodnota z fázorového součtu
všech proudů tekoucích hlavním obvodem
(diferenciálním transformátorem).
Princip: v bezporuchovém stavu je součet
proudů primárních vodičů diferenciálního
transformátoru nulový, tudíž v mag.
obvodu není mag. tok. Při poruše je součet
proudů nenulový, vznikne mg. tok, do
měřicího vinutí se indukuje napětí a
vybavovací relé připojené k tomuto vinutí
vypíná.
Chrániče slouží dle normy jako ochrana
před nebezpečným dotykem neživých částí
(reziduální proud Id), ale mohou ochránit, a
to je hlavní, i při dotyku se živou částí
(reziduální proud Ic).
Jmenovité reziduální proudy bývají často
10 nebo 30 mA, kdy již mohou dobře
ochránit člověka.
Reziduální proudy nemusejí být jen střídavé, ale např. pulsující, fázově řízené, hladké stejnosměrné.
Pak je nutno chránič vybavit elektronickou spouští, která reaguje na ostatní druhy poruchových
proudů.
Elektrické přístroje
7
Ing. Pavel Kobrle, 2013
8. Pojistky nízkého a vysokého napětí
Pojistky jsou nejstarší jisticí přístroje pro jištění el. obvodů proti nadproudům. Nejrozšířenější jsou
pojistky s křemičitým pískem.
Princip: při nadproudu dojde k přerušení tavného vodiče, vznikne
oblouk, který taví písek, oblouk je chlazen odvodem tepla, čímž
roste obloukové napětí a oblouk zhasne.
Úprava tavného vodiče pro přerušení (na obr.): zmenšení průřezu,
perforace, nanesení pájky.
Porovnání pojistek s jističi: Pojistky jistí výborně proti zkratu, hůře proti přetížení; jsou jednorázové,
neopravitelné; mají obvykle vyšší vypínací schopnost (proud, který mohou bez poškození přerušit);
mají vždy omezující charakter – vypínají s odtržením proudu.
Vypínací charakteristiky lze velmi hrubě rozdělit na normální čili rychlé (na obr.) a pomalé, i když je
jich celá řada.
Pojistky nn:
• závitové nn – pojistkový spodek s vymezovacím
kroužkem kvůli nezaměnitelnosti patrony za vyšší
hodnotu, hlavice, nejčastěji závit E27, vlastní
pojistka - patrona s indikátorem stavu (terčík);
řada jmenovitých hodnot a barvy; jištění
jednotlivých okruhů.
• nožové nn – pojistkový spodek, patrona
s indikátorem stavu (plíšek), nevyžaduje se
nezaměnitelnost (výměna jen odborníkem);
vysoká vypínací schopnost; jištění skupin okruhů,
budov.
• válcové nn
• velmi rychlé pro jištění polovodičů
• automobilové
• trubičkové vzduchové (přístrojové) aj.
Pojistky vn:
• válcové výkonové – pojistkový spodek, patrona s indikátorem stavu; jištění vývodů vn,
přístrojových transformátorů vn, v pojistkových odpínačích.
9. Přepětí
Přepětí
Přepětí je jakékoliv napětí vyšší než tzv. nejvyšší napětí soustavy Unej, což je hodnota přiřazená ke
jmenovitému napětí Un. (Např. v soustavě s Un = 22 kV je Unej = 25 kV). Přepětí může nastat mezi
fázovými vodiči navzájem nebo mezi fázovým vodičem a zemí. Přepětí může způsobit poškození či
zničení el. zařízení i úraz el. proudem.
Druhy přepětí
• Provozní přepětí
o spínací přepětí – vznikají při spínacích pochodech, mají oscilační charakter, jde o
přechodové jevy (viz kap. 3); největší jsou při vypínání kapacit, malých induktivních
proudů a zkratů.
o dočasná přepětí – vznikají při změnách některých parametrů sítí, mají relativně dlouhé
trvání při síťové frekvenci; příklady: dlouhé vedení velmi vysokého vedení naprázdno,
ztráta zatížení, zemní spojení v soustavách vysokého napětí s izolovaným uzlem.
• Atmosférická přepětí – vznikají přo atmosférických výbojích – blescích;
Druhy úderů: přímý úder do fázového vodiče (nejnebezpečnější)
Elektrické přístroje
8
Ing. Pavel Kobrle, 2013
nepřímý úder do zemnícího lana či v blízkosti vedení a naindukování přepětí
nepřímý úder do stožáru či zemnícího lana a zpětný přeskok po izolátoru
nepřímý úder v atmosféře a uvolnění náboje vázaného na vedení nabitým mrakem.
Charakter přepětí: rázová vlna se strmým čelem šířící se od místa vzniku na obě strany
příklad rázové vlny
Ochrana proti přepětí
Je úkolem svodičů přepětí. Spočívá ve snížení napěťové hladiny na fázových vodičích na určitou
úroveň, která již zařízení neohrozí – tzv. ochrannou hladinu. To se provede ve svodiči krátkodobým
spojením fázového vodiče se zemí přes minimální impedanci či výbojem (obloukem) – to musí
vzniknout dostatečně rychle, aby se přepětí nedostalo za svodič. Do země pak teče proud v řádu
desítek A až stovek kA. Toto spojení se po svedení náboje přepětí do země, kdy svodičem protéká
již jen menší, tzv. následný proud vyvolaný síťovým napětím, přeruší.
10. Svodiče přepětí
Účel použití svodičů: snížit přepětí vzniklé účinkem blesku (atmosférické) nebo vlivem provozu
sítě (spínací) na hodnotu, která nepoškodí elektrická zařízení; svést proud vyvolaný přepětím do
země.
Princip: svodič se připojí mezi fázový (i střední) vodič a zem. Jeho impedance je velmi vysoká. Při
vzniku přepětí se sníží impedance rychle na minimální velikost, jde prakticky o zkrat. Náboj přepětí
se prostřednictvím proudu odvede svodičem do země. Poté se impedance svodiče opět zvýší na
původní hodnotu, čímž se přeruší následný proud vyvolaný sítí a obnoví se izolační stav.
Svodiče přepětí nízkého napětí
Důležité pojmy: svodič přepětí – SPD (Surge Protective Device); zóny ochrany před bleskem LPZ (Lightning Protection Zone); zbytkové napětí, napěťová ochranná hladina – nejvyšší napětí,
které se může objevit na svodiči; maximální impulsní proud – nejvyšší hodnota proudu, který svodič
spolehlivě odvede; následný proud – proud tekoucí svodičem ze sítě po svedení přepětí do země;
proudová rázová vlna – amplituda proudu, doba čela a týlu, nejblíže přírodnímu průběhu
bleskového proudu je vlna 10/350.
Elektrické přístroje
9
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Koordinace svodičů: Při ochraně budov je nutno svodiče odstupňovat (koordinovat); jen tak se
zaručí svedení větší části náboje do země a postupné snížení ochranné hladiny na potřebnou mez.
Koordinace vychází z rozdělení chráněného objektu na zóny ochrany před bleskem (LPZ –
Lightning Protection Zone).
SPD typ 1 (svodič bleskových proudů): umisťuje se na rozhraní LPZ 0 a LPZ 1, tj. na vstup do
budovy, kde je hlavní rozváděč. Svede velký impulsní proud (odvede do země nejvíc energie), ale
vykazuje i vysokou napěťovou ochrannou hladinu (např. 4 kV). Poskytuje základní stupeň ochrany
před bleskem a přepětím.
SPD typ 2: umisťuje se na rozhraní LPZ 1 a 2, např. v podružných rozváděčích uvnitř budovy, kde
jsou již účinky přepětí zmírněny. Nemusí se dimenzovat na tak velký impulsní proud, mají nižší
ochrannou napěťovou hladinu (2,5 kV). Pro správnou koordinaci ochran se předpokládá mezi SPD
typu 1 a 2 vedení s jistou minimální indukčností (délkou), které lze nahradit přídavnou tlumivkou.
Dnes se nabízejí i kombinované ochrany typu 1 a 2 jako jeden přístroj.
SPD typ 3: může poskytovat jemnou ochranu koncových zařízení, např. jednotlivých zásuvkových
obvodů nebo jednotlivých spotřebičů. Umožňuje další snížení ochranné napěťové hladiny (1,5 kV).
v podružných rozvaděčích.
Součástky používané ve svodičích:
Přepěťová ochrana obsahuje alespoň jeden nelineární, napěťově závislý prvek. Často se používá
kombinace několika prvků dohromady, aby se zajistily optimální vlastnosti. Nelineárním prvkem
může být součástka s voltampérovou charakteristikou podle obrázku vpravo. Jsou dvě možnosti
provedení:
A – prvek spínající, např. jiskřiště, plynem plněná výbojka (bleskojistka)
B – prvek omezující napětí, například varistor nebo supresorová dioda.
Elektrické přístroje
10
Ing. Pavel Kobrle, 2013
• Jiskřiště
Jiskřiště tvoří elektrody, na kterých vzniká oblouk; ten se musí jako následný proud spolehlivě
uhasit.
Otevřené jiskřiště - vyfukuje oblouk, musí se na to brát ohled při instalaci.
Zapouzdřené jiskřiště - nevyfukuje oblouk, jsou různé konstrukce, např. s klouzavým výbojem,
zhášeným zplynující látkou (obr. vlevo).
Řízené jiskřiště má pomocný zapalovací obvod, tím se zmenšuje zpoždění při zapálení (obr.
uprostřed a vpravo).
Výhody: Odolnost proti dočasným přepětím (nezapálí při nich), svádí velký impulsní proud.
Nevýhody: vysoká napěťová ochranná hladina, následný proud.
Užití: SPD typ 1, svodič bleskových proudů. např. 50 kA, 4 kV; je vhodné předjištění pojistkou.
• Varistor
Je to nelineární odpor, který s rostoucím napětím klesá. Je tvořen hmotou - spékaným granulátem
ZnO s příměsemi.
Výhody: vysoká rychlost působení, není problém s následnými proudy.
Nevýhody: trvalý, i když malý proud; omezená
schopnost odolat impulsním proudům, žádná
odolnost proti dočasným přepětím; omezená
živostnost, kdy při častějším působení či stárnutím
klesá odpor, roste klidový proud a vzniká oteplení.
Proto mívá tepelnou pojistku a indikátor stavu (na
schématu vpravo). Modul varistoru v přístroji může
být výměnný (obrázek).
Užití: SPD typ 2, v kombinaci s jiskřištěm i typ 1.
• Plynová výbojka
Je to uzavřené jiskřiště plněné inertním plynem se sníženým tlakem. Tím se dosahuje nízkých
ochranných hladin při nízkých impulsních proudech.
Užití: SPD typ 3, ochrana datových sítí.
• Supresorová dioda
Má podobné vlastnosti jako Zenerova dioda v obou směrech. Je velmi rychlá, má nízkou ochrannou
napěťovou hladinu, např. 1 kV.
Užití: ochrana datových sítí.
Kombinovaná přepěťová ochrana
Je tvořena například jiskřištěm a varistorem, plynovou výbojkou
a supresorovou diodou (schéma) apod.
Elektrické přístroje
11
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Provedení přepěťových ochran
Konstrukčně mohou být přepěťové ochrany řešeny jako samostatné přístroje obsahující jeden nebo
více svodičů (pólů). Často jsou určeny k montáži na lištu DIN a tvarově jsou přizpůsobeny jiným
takto instalovaným přístrojům – jističům, chráničům apod. SPD typu 3 mohou být ve vestavném
provedení, určené k zabudování do chráněných zařízení. Umísťují se také přímo do instalačních
krabic nebo zásuvek – zde mohou být společně přepěťové ochrany síťového i datového rozvodu.
Nabízejí se i kombinace přepěťové ochrany typu 3 s vysokofrekvenčním odrušovacím filtrem.
Svodiče přepětí vysokého a velmi vysokého napětí
• Omezovače ZnO
V současné době hlavní ochranné prvky, které vytlačily starší ventilové, popř. vyfukovací
bleskojistky.
Hlavní aktivní hmotou jsou zrna ZnO s obalem ze speciálních sloučenin, která se
chovají jako nelineární odpor – při zvyšování napětí klesá odpor. Vyhovují tak
spolehlivě v oblastech spínacích i atmosférických přepětí. Délka sloupce omezovače
je úměrná napětí soustavy.
Další svodiče zajišťují jen záložní nebo velmi hrubou ochranu:
• Zemnící lana
Na vrcholech příhradových stožárů; zabraňují přímému úderu blesku do fázových
vodičů.
• Koordinační jiskřiště
Na izolátorech; záměrně zeslabená izolační hladina sítě; při selhání svodičů na nich vzniká oblouk.
11. Odpojovače a odpínače
Odpojovače
Odpojovače jsou spínací přístroje vn a vvn, které spínají el. obvody bez zatížení, popř. s proudem
podstatně menším než jmenovitým. Nemají zhášecí systém. Slouží k bezpečnému a viditelnému
odpojení části sítě. V zapnutém stavu musí bez poškození snést zkratový proud. Ve vypnutém stavu
nesmí dojít k přeskoku ani při přepětí.
Provedení: vnitřní (vn), venkovní (vn i vvn).
Kontakty: nožové, lamelové, kontaktní tělesa různých tvarů.
Pohon: motorový (přímý převod momentu motoru na kontaktní systém), ruční (nouzový),
tlakovzdušný (zastaralý).
Hlavní druhy: sklápěcí, posuvné, rotační, pantografické.
Zvláštní provedení: uzemňovač (mají uzemňovací kontakt)
Příklady: vnitřní sklápěcí vn
venkovní rotační vvn
pantografický vvn
Odpínače
Odpínače jsou spínací přístroje vn, které spínají el. obvody při zatížení až do své vypínací
schopnosti. Nemohou vypínat zkraty. Ve vypnutém stavu splňují bezpečnou vzdálenost jako
odpojovače.
Provedení: vnitřní, venkovní.
Elektrické přístroje
12
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Kontakty: hlavní např. nožové – vedou v zapnutém stavu; opalovací – zháší se na nich oblouk.
Pohon: ruční, motorový.
Zhášecí systém: vzniklý oblouk je zhášen
• působením plynů vznikajících žárem oblouku ze zplynující látky (nejnovější systém);
• proudem vzduchu vyvolaným pohybem pístu ve válci při vypínacím pohybu;
• ve vakuové nebo máloolejové zhášecí komoře.
Po uhašení oblouku musí kontakty dosáhnout bezpečnou a viditelnou vzdálenost.
Kombinací odpínače s výkonovou pojistkou vn vznikne pojistkový odpínač, který může vypínat
provozní proudy i nadproudy a nahradí tak dražší výkonový vypínač.
Příklady: venkovní plynotvorný
vnitřní vzduchový
růžkový úsečník
Úsečníky
Úsečníky (úsekové odpínače) jsou přístroje podobné venkovním odpínačům. Slouží k odpojení úseků
vedení. Umisťují se na stožár vn, oblouk se přenáší z hlavních kontaktů na růžkové opalovací a zháší
volně ve vzduchu. Pohon je ruční pákou ze spodku stožáru. Používají se též v el. trakci; pojem
úsečník a odpínač někdy splývá.
12. Výkonové vypínače
Výkonové vypínače jsou spínací přístroje vn a vvn, které spínají el. obvody při zatížení i
nadproudech. Mohou vypínat i zkraty, a to až do své vypínací schopnosti. Nezaručují však
bezpečnou a viditelnou odpojovací vzdálenost.
Musí být konstruovány tak, aby spolehlivě odolávaly elektrickým, mechanickým a tepelným vlivům
při své funkci.
Rozdělení se zpravidla provádí podle zhášecího systému.
Tlakovzdušné vypínače – oblouk je ve zhášecí komoře podélně ofukován proudem stlačeného
vzduchu; jsou zastaralé, již se nevyrábějí.
Máloolejové vypínače – oblouk je příčně ofukován plyny a parami vznikajícími žárem oblouku
z oleje; zastaralé.
V současné době se používají zejména na vvn tlakoplynové vypínače a na vn vakuové vypínače.
tlakoplynový vypínač vvn
Elektrické přístroje
vakuový vypínač vn
13
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Tlakoplynové vypínače – zhášecím médiem je
plyn fluorid sírový SF6, který má vynikající
elektroizolační vlastnosti. Zhášecí komora je jím
naplněna pod tlakem. Používá se tzv.
autopneumatické zhášení oblouku, při kterém
plyn proudí vzhledem k oblouku.
Popis zhášení oblouku (obr): Po rozpojení
hlavních kontaktů 7 a 8 se oddálí i opalovací
kontakty 2 (pevný) a 3 (pohyblivý). Přitom se
uvede do pohybu válec 9 proti pístu 11, čímž se
stlačuje plyn ve vnitřní části komory; plyn proudí
do části komory s nižším tlakem, přičemž ofukuje
oblouk.
Na vyšší napětí se zhášecí komory řadí sériově.
Pohon: obvykle střadačový; motor napíná
pružiny, které akumulují dostatek energie nejen
na mžikové vypnutí, ale na tzv. cyklus
opětovného zapínání (OZ), tedy vyp – zap – vyp.
Použití: zejména v oblasti vvn pro nejvyšší vypínací parametry.
Vakuové vypínače – vypínání probíhá ve vakuové
zhášecí komoře.
Pohyblivý kontakt je připojen
vlnovcem, aby se zachovalo vakuum.
Popis zhášení oblouku: Po oddálení kontaktů může
oblouk hořet jen v parách materiálů kontaktů, neboť ve
vakuu chybějí plynné ionty. Dochází proto k odtržení a
rychlému uhašení oblouku. Při odtržení vzniká spínací
přepětí. Speciální úpravou kontaktů lze dosáhnout
prodloužení doby hoření oblouku až do návratu proudu
k nule a omezit tak přepětí.
Vakuové komory se vyznačují malým zdvihem
kontaktů, kompaktností, spolehlivostí a malými
rozměry.
Pohon: obvykle střadačový, někdy elektromagnetický.
Použití: vakuové zhášecí komory – zhášedla –
převládají v oblasti vn jak u samostatných vypínačů,
tak v zásuvných modulech pro skříňové rozváděče, též
ve vakuových stykačích.
13. Rozvaděče
Rozvaděč je zařízení, které slouží k ekonomickému a bezpečnému rozvodu el. energie. V současné
době se používají výhradně skříňové rozvaděče, vyrobené obvykle z ocelového plechu s povrchovou
úpravou, menší i z plastu. Rozvaděče se často vyrábějí modulárním způsobem a požadovaná
konfigurace přístrojů se dá vytvořit jednoduše.
Přípojnice – skupiny vodičů, jimiž se přivádí energie do skříní; bývají rozvaděče s jedním nebo
dvěma systémy přípojnic.
Pole – představuje jednu skříň rozvaděče, nejčastěji je vývodové, vychází z něj kabel. Další druhy
polí: měřicí pole, transformátorové pole, pole spojky přípojnic.
Elektrické přístroje
14
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Popis typického vývodového pole rozvaděče vn izolovaného vzduchem (pohled ze strany):
15 – systém přípojnic
16 - průchodka
17 – průchodkový přístrojový transformátor
proudu
18 – uzemňovač - zkratovač
19 – připojení kabelu 20
24 – pohon vakuového vypínače
26 – kontakty vakuového vypínače 25
E – skříň nn s ovládacími obvody
Přístrojové transformátory proudu a napětí
napájejí měřicí přístroje (měřicí) nebo
ochrany (jisticí). Slouží ke galvanickému
oddělení silových obvodů od měřicích a
přizpůsobení jejich napětí a proudu měřicím
přístrojům a ochranám (ty mívají 5 A nebo 1
A a 100 V).
Ochrany chrání zařízení vn a vvn před
poruchovými stavy, např. nadproudy.
Z přední strany (obr.)
se ovládají veškeré přístroje při uzavřených dveřích a bývá zde jednopólové
schéma zapojení pole s vyznačením aktuálního stavu. Rovněž lze odečítat
měřené veličiny, eventuálně se lokálně připojit na sběrnici.
Další volitelné příslušenství skříňových rozvaděčů: pomocné pohony, pojistky
vn, blokování aj.
Rozvaděčové systémy bývají často pomocí sběrnic napojené na centrální
měřicí a řídicí systém a provádění úkonů může být dálkové.
Zapouzdřené rozvaděče: většina aktivních částí je hermeticky uzavřena
v prostoru naplněném plynem SF6. To přináší zmenšení rozměrů a zvýšení
bezpečnosti.
14. Rozvodny velmi vysokého napětí
Rozvodny vvn slouží k propojování částí sítí vvn navzájem. Jde o páteřní sítě elektrizační soustavy.
Rozvodny tvoří nejpodstatnější část elektrických stanic (ty se dají rozdělit podle účelu na
transformovny, spínací stanice a měnírny). Podobně jako rozvaděče i rozvodny vvn jsou izolované
vzduchem nebo zapouzdřené. Převážná většina rozvoden je venkovních izolovaných vzduchem,
protože jsou nejlevnější. Těmi se budeme zabývat.
Rozvodny vvn obsahují:
systémy přípojnic, přívodová, vývodová i jiná pole; v polích jsou
• spínací přístroje (odpojovače, uzemňovače, výkonové vypínače);
• jisticí prvky (omezovače přepětí);
• měřicí zařízení (přístrojové transformátory napětí a proudu).
Elektrické přístroje
15
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Další elektrická zařízení stanic mohou tvořit transformátory, měniče aj. Stanice bývají doplněny
budovami s dozornami s měřicími a řídicími přístroji a ochranami, akumulátorovnami a dalším
zařízením. Dnes již je většina stanic bezobslužných, dálkově řízených z dispečinků.
Popis typického vývodového pole rozvodny vvn:
1 – přípojnice
2 – přípojnicový odpojovač
3 – výkonový vypínač
4 – přístrojový transformátor proudu
5 – přístrojový transformátor napětí
6 – vývodový odpojovač
7 – uzemňovač
8 – omezovač přepětí
9 – vývod
Výkonový vypínač musí mít z obou stran odpojovače, aby bylo možno po
vypnutí na něm pracovat, provést revizi apod.
Rozvodny mívají obvykle dvojitý systém přípojnic, který je
spolehlivější než jednoduchý. Musí být vybaven příčným
spínačem přípojnic, aby se převedení vývodů na druhý
systém mohlo provést bez přerušení provozu.
Výjimečně se používá i trojitý systém přípojnic.
Zjednodušené schéma rozvodny
přípojnic W1 a W2 (obr.):
Elektrické přístroje
s dvojitým
systémem
16
Ing. Pavel Kobrle, 2013
Download

ELEKTRICKÉ PŘÍSTROJE SILNOPROUDÉ – studijní text pro E4 1