Skripta Elektr.přístroje část II

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ



Vysoké napětí a elektrické přístroje
Laboratorní a numerická cvičení
Část II Elektrické přístroje

Garant předmětu:
Doc.Ing. Vladimír Blažek,CSc.


Autoři textu:
Doc.Ing. Zdeněk Vávra,CSc.
Ing. Jaromír Vaněk,CSc.

Vysoké napětí a elektrické přístroje : Laboratorní a numerická cvičení část II. 1
Obsah
1 ÚVOD ................................................................................................................................5
2 ZAŘAZENÍ PŘEDMĚTU VE STUDIJNÍM PROGRAMU ........................................5
2.1 ÚVOD DO PŘEDMĚTU ...................................................................................................5
3 NUMERICKÁ CVIČENÍ ................................................................................................5
3.1 ZAPÍNÁNÍ OBVODU STŘÍDAVÉHO PROUDU...................................................................6
3.1.1 Zadání.................................................................................................................6
3.1.2 Rozbor úlohy.......................................................................................................6
3.1.3 Příklad řešení .....................................................................................................7
3.2 VÝPOČET ELEKTRODYNAMICKÝCH SIL V RŮŽICOVÉM KONTAKTU...............................8
3.2.1 Rozbor úlohy: .....................................................................................................8
3.2.2 Síly snižující kontaktní sílu .................................................................................9
3.2.3 Síly zvyšující kontaktní silu...............................................................................10
3.2.4 Zadání...............................................................................................................12
4 LABORATORNÍ CVIČENÍ..........................................................................................12
4.1 MĚŘENÍ STATICKÉ VOLTAMPÉROVÉ CHARAKTERISTIKY ELEKTRICKÉHO OBLOUKU...12
4.1.1 Úvod .................................................................................................................12
4.1.2 Zadání...............................................................................................................15
4.1.3 Postup měření...................................................................................................15
4.1.4 Schéma zapojení ...............................................................................................16
4.1.5 Vyhodnocení měření a závěr.............................................................................16
4.2 STANOVENÍ PARAMETRŮ ZOTAVENÉHO NAPĚTÍ PŘI BEZOBLOUKOVÉM VYPÍNÁNÍ......17
4.2.1 Úvod .................................................................................................................17
4.2.2 Teoretický rozbor..............................................................................................17
4.3 MĚŘENÍ OTEPLENÍ ELEKTRICKÉHO PŘÍSTROJE ...........................................................21
4.3.1 Teoretický rozbor..............................................................................................21
4.3.2 Zadání...............................................................................................................22
4.3.3 Popis měření.....................................................................................................22
4.3.4 Zpracování měření a závěr...............................................................................24
4.4 MĚŘENÍ NA STEJNOSMĚRNÉM ELEKTROMAGNETU .....................................................25
4.4.1 Úvod .................................................................................................................25
4.4.2 Rozbor úlohy.....................................................................................................25
4.4.3 Měření na stejnosměrném elektromagnetu.......................................................27
4.4.4 Zadání úlohy.....................................................................................................28
4.4.5 Schéma zapojení ...............................................................................................29
4.4.6 Postup měření...................................................................................................29
4.5 MĚŘENÍ CHARAKTERISTIKY TEPELNÉHO RELÉ...........................................................31
4.5.1 Rozbor úlohy.....................................................................................................31
4.5.2 Popis zkoušeného přístroje...............................................................................32
4.5.3 Schéma zapojení ...............................................................................................32
4.5.4 Popis a postup měření ......................................................................................32
4.6 MĚŘENÍ NA JISTIČÍCH MODEION - BD250 A BL1600.............................................33
4.6.1 Úvod .................................................................................................................33
4.6.2 Jističe MODEION ............................................................................................34
4.6.3 Jistič MODEION BD250N ...............................................................................34
4.6.4 Zadání měření...................................................................................................34
2 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
4.6.5 Postup měření a zpracování výsledků.............................................................. 36
4.6.6 Závěr:............................................................................................................... 37
4.6.7 Jistič BL1600.................................................................................................... 37
4.6.8 Postup měření a zpracování výsledků.............................................................. 39
4.6.9 Zpracování měření:.......................................................................................... 40
4.7 MĚŘENÍ ELEKTRONICKÉ OCHRANY SPAJ.................................................................. 41
4.7.1 Zadání úlohy .................................................................................................... 42
4.7.2 Schéma zapojení úlohy..................................................................................... 43
4.7.3 Popis schématu ................................................................................................ 44
4.7.4 Postup měření .................................................................................................. 44
5 VÝSLEDKY KONTROLNÍCH OTÁZEK ................................................................. 49
5.1 KAPITOLA 3 .............................................................................................................. 49
5.2 KAPITOLA 4 .............................................................................................................. 49
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY.................................................................................. 50

Vysoké napětí a elektrické přístroje : Laboratorní a numerická cvičení část II. 3
Seznam obrázků
OBRÁZEK 3.1: SCHÉMA OBVODU................................................................................................7
OBRÁZEK 3.2: PRŮBĚH PŘECHODNÉHO JEVU..............................................................................8
OBRÁZEK 3.3: KONFIGURACE PROUDOVÉ DRÁHY ......................................................................9
OBRÁZEK 3.4: KONFIGURACE KONTAKTNÍHO SYSTÉMU.............................................................9
OBRÁZEK 4.1: SCHÉMA OBVODU ..........................................................................................13
OBRÁZEK 4.2: STATICKÁ CHARAKTERISTIKA........................................................................14
OBRÁZEK 4.3: EXPERIMENTÁLNÍ ZÁVISLOSTI.......................................................................15
OBRÁZEK 4.4: SCHÉMA ZAPOJENÍ.........................................................................................16
OBRÁZEK 4.5: SCHÉMA ZAPOJENÍ ÚLOHY ................................................................................17
OBRÁZEK 4.6: ODEČET PARAMETRŮ ZOTAVENÉHO NAPĚTÍ......................................................18
OBRÁZEK 4.7: ODEČET PARAMETRŮ ZOTAVENÉHO NAPĚTÍ ......................................................19
OBRÁZEK 4.8: OTEPLOVACÍ KŘIVKA.....................................................................................21
OBRÁZEK 4.9: PROUDOVÝ ZDROJ TZPR...............................................................................23
OBRÁZEK 4.10: CEJCHOVNÍ KŘIVKA TERMOČLÁNKU MĚĎ – KONSTANTAN.........................23
OBRÁZEK 4.11: GRAFICKÁ KONSTRUKCE USTÁLENÉHO OTEPLENÍ......................................24
OBRÁZEK 4.12: NÁKRES MAGNETU..........................................................................................25
OBRÁZEK 4.13: ROZPTYLOVÉ TOKY.........................................................................................26
OBRÁZEK 4.14: TUPÁ A KUŽELOVÁ KOTVA..............................................................................27
OBRÁZEK 4.15: SCHÉMA ZAPOJENÍ ..........................................................................................29
OBRÁZEK 4.16: ROZMĚROVÝ NÁČRT .......................................................................................30
OBRÁZEK 4.17:CHRAKTERISTIKA TEPELNÉHO RELÉ T17I ........................................................31
OBRÁZEK 4.18: SCHÉMA ZAPOJENÍ ..........................................................................................32
OBRÁZEK 4.19: SCHÉMA ZAPOJENÍ ..........................................................................................34
OBRÁZEK 4.20: CHARAKTERISTIKA SPOUŠTĚ MTV8 ...............................................................35
OBRÁZEK 4.21: PŘEDNÍ PANEL SPOUŠTĚ MTV8 ......................................................................35
OBRÁZEK 4.22: PŘEDNÍ PANEL SPOUŠTĚ M001........................................................................38
OBRÁZEK 4.23: CHARAKTERISTIKY SPOUŠTĚ M001 ................................................................39
OBRÁZEK 4.24: PŘEDNÍ PANEL OCHRANY SPAJ 140 C............................................................41
OBRÁZEK 4.25: ZAPOJENÍ ÚLOHY ............................................................................................43
OBRÁZEK 4.26: PŘIPOJENÍ OCHRANY (ZADNÍ STRANA) SPAJ 140C ........................................46
OBRÁZEK 4.27: VNITŘNÍ ZAPOJENÍ OCHRANY SPAJ 140C.......................................................47
OBRÁZEK 4.28: NORMÁLNĚ ZÁVISLÉ CHARAKTERISTIKY ........................................................48
4 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
Seznam tabulek
TABULKA 4.1: MATERIÁLOVÉ KONSTANTY............................................................................ 14
TABULKA 4.2: TABULKY NAMĚŘENÝCH A VYPOČTENÝCH HODNOT ..................................... 17
TABULKA 4.3: NAMĚŘENÉ A VYPOČTENÉ HODNOTY................................................................ 29
TABULKA 4.4: TABULKA NAMĚŘENÝCH A VYPOČTENÝCH HODNOT......................................... 33
TABULKA 4.5: MĚŘENÍ SPOUŠTĚ.............................................................................................. 36
TABULKA 4.6: MĚŘENÍ ZKRATOVÉ SPOUŠTĚ............................................................................ 40
TABULKA 4.7: TABULKA NASTAVENÍ REGISTRŮ MODULU OCHRANY SPCJ4D29..................... 42
TABULKA 4.8: KOEFICIENTY α A β .......................................................................................... 44
TABULKA 4.9: PARAMETRY JEDNOTLIVÝCH CHARAKTERISTIK ................................................ 45
TABULKA 4.10: NAMĚŘENÉ A VYPOČTENÉ HODNOTY:............................................................. 45

Vysoké napětí a elektrické přístroje : Laboratorní a numerická cvičení část II. 5
1 Úvod
Učební text Laboratorní a numerická cvičení z elektrických přístrojů navazuje na
základní učební text předmětu Vysoké napětí a elektrické přístroje, Část II – elektrické
přístroje. V předloženém textu je uveden soubor numerických a laboratorních cvičení, který
doplňuje a rozšiřuje teoretickou část. Numerická cvičení jsou v úvodní části pojata jako
řešené příklady s výkladem postupu řešení, zadání pro konkrétní příklad poté představuje
samostatné řešení studentem. Laboratorní cvičení nejprve vysvětlují danou konkrétní
problematiku, a poté následuje zadání úlohy s postupem práce.
V textu jsou zpracovány úlohy nad rámec rozsahu výukových hodin. Důvodem je snaha
o variabilnost úloh v jednotlivých letech.
2 Zařazení předmětu ve studijním programu
Předkládaný studijní materiál je určen studentům distanční formy bakalářského
studijního programu „Elektrotechnika, elektronika, komunikační a řídící technika“ studijního
oboru „Silnoproudá elektrotechnika a elektroenergetika“. Předmět „Vysoké napětí a
elektrické přístroje“ je zařazen jako povinný předmět pro studenty oboru „Silnoproudá
elektrotechnika a elektroenergetika“ v letním semestru 2. ročníku. Studenti v něm využívají
znalostí získaných v základních teoretických předmětech a budují si základnu pro studium
dalších odborných předmětů.
2.1 Úvod do předmětu
Náplň cvičení je zaměřena na prohloubení zejména praktických znalostí a dovedností
z oboru elektrických přístrojů. Těžiště spočívá v laboratorních cvičeních, která jsou zaměřena
(s ohledem na vybavení Laboratoře elektrických přístrojů zdroji) na přístroje nízkého napětí a
základní ověření teoretických znalostí o elektrickém oblouku. Numerická cvičení doplňují
laboratorní část a zahrnují základní výpočetní postupy pro řešení přechodných jevů a silových
účinků proudu.

3 Numerická cvičení
Cíle kapitoly: Cílem kapitoly je ověření teoretických postupů pro řešení jednoduchých
přechodných dějů v obvodech se soustředěnými parametry a dále aplikace teoretických vztahů
pro výpočet silových účinků proudu. Úlohy jsou koncipovány jako aplikace teorie na
konkrétní podmínky elektrických přístrojů.





6 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
Vstupní test:
1. Jakými účinky působí elektrický proud na proudovou dráhu, kterou protéká?
2. Co je příčinou vzniku přechodných jevů při spínání v elektrických obvodech a které
prvky obvodu přechodný děj ovlivňují?
3. V jakém okamžiku zapnutí elektrického obvodu podle Obrázek 3.1 dochází
k extrémním průběhům elektrického proudu?
4. Jaká je teoretická a jaká je praktická velikost amplitudy střídavého proudu po
zapnutí obvodu se zdrojem střídavého napětí?
5. Na základě kterých teoretických vztahů je možné vyjádřit velikost elektrodynamické
síly působící mezi dvěma nekonečně dlouhými proudovými vlákny?


3.1 Zapínání obvodu střídavého proudu
3.1.1 Zadání
Nakreslete průběh proudu, stanovte velikost jeho největší špičky a dobu, za kterou tato
nastane po zapnutí symetricky zatížené trojfázové sítě o frekvenci f = 50 Hz a napětí
U = ….. V, je-li odpor obvodu R = …Ω, cos ϕ = ……, a to pro fázi, ve které nastalo zapnutí
za dobu t
z
= …. ms po nule napětí.
3.1.2 Rozbor úlohy
V případě, že jsou parametry obvodu, tj. odpor a indukčnost stálé a neproměnné a
všechny tři fáze spínají ve stejném časovém okamžiku, lze pro pochod zapínání považovat
trojfázový systém za tři nezávislé obvody. V takovém případě jsou napětí ve všech fázích
stejná, avšak časově posunutá o 120 elektrických stupňů, tj. o 2/3 π a pokud jsou zátěže
stejné, pak je stejně velká i ustálená složka proudu a ve všech fázích posunutá o úhel ϕ oproti
napětí. Velikost ustálené složky proudu tedy je
)sin()sin( ϕχωϕχω −+=−+⋅= tIt
Z
U
i
m
m
p
( 3.1 )

kde
222
LRZ ω+=
( 3.2 )
Rozdílný je však průběh přechodné (stejnosměrné) složky proudu, neboť jejich
počáteční velikosti v jednotlivých fázích jsou různě velké. Proto i výsledný zapínací proud má
po přechodnou dobu po zapnutí rozdílný průběh (viz obr. 3.2d učebního textu).
Teoretické řešení provedeme pro zjednodušený odvod se soustředěnými parametry se
zdrojem střídavého napětí (Obrázek 3.1)
Vysoké napětí a elektrické přístroje : Laboratorní a numerická cvičení část II. 7

Obrázek 3.1: Schéma obvodu
Po zapnutí spínače V v čase t = 0 je obvod popsán rovnicí druhého Kirchhoffova zákona
uuu
RL
=+ ( 3.3 )
která po dosazení za jednotlivá napětí přejde do tvaru
)sin( χω +==+ tUuRi
dt
di
L
m
( 3.4 )
Je to diferenciální rovnice 1. řádu s konstantními koeficienty a pravou stranou, která je funkcí
času t. Pro řešení, které provedeme klasickým způsobem platí počáteční podmínka (pro t = 0)
i(0) = 0.
Obecné řešení rovnice ( 3.4 ) je součtem řešení i
0
(t) rovnice homogenní, kterou
dostaneme z rovnice ( 3.4 ) po vynulování pravé strany tj. pro u = 0 a partikulárního řešení i
p
,
které představuje poměry v ustáleném stavu podle rovnice ( 3.1 ).
Platí tedy:
)()()(
0
tititi
p
+=
( 3.5 )
Řešení homogenní rovnice je
τ
t
ekti
−
= .)(
0

( 3.6 )
kde τ = L/R je časová konstanta.
Obecné řešení tedy je
)sin(.)( ϕχω
τ
−++=
−
tIekti
m
t

( 3.7 )
kde k je integrační konstanta, kterou určíme z počáteční podmínky pro t = 0
)sin(0)0( ϕχ −+==
m
Iki
( 3.8 )
odkud
)sin( ϕχ −−=
m
Ik
( 3.9 )
a tedy po dosazení do rovnice ( 3.7 )dostaneme řešení






−−−+=
−
)sin()sin()( ϕχϕχω
τ
t
m
etIti
( 3.10 )
Obecné řešení je součtem ustálené složky i´= i
p
a přechodné složky i
´´
= i
0
. Na průběh
přechodného jevu má vliv počáteční fáze χ napětí, tzn. touto fází určená okamžitá hodnota
napětí zdroje v čase t = 0 kdy spínač sepne.
3.1.3 Příklad řešení
U = 7,2 kV, R = 0,04Ω, cos ϕ = 0,2 , t
z
= 8 ms

8 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
Impedance obvodu Ω=== 2,0
2,0
04,0
cosϕ
R
Z
Amplituda napětí
kV
U
U
m
88,5
3
22,7
3
2
===

Amplituda proudu kA
Z
U
I
m
m
4,29
2,0
88,5
===
Časová konstanta ms
f
tgtg
6,15
2
)(arccos
=
××
==
π
ϕ
ω
ϕ
τ
Indukčnost mHRL 624,004,06,15 =×=×=τ
Úhel proudu v okamžiku sepnutí
o
54,6546,78144 =−=−= ϕχψ
Grafický průběh celého jevu je znázorněn na obr. 3.2.



Obrázek 3.2: Průběh přechodného jevu
3.2 Výpočet elektrodynamických sil v růžicovém kontaktu
3.2.1 Rozbor úlohy:
V takovémto uspořádáni kontaktu vznikají při průtoku proudu elektrodynamické síly, z
nichž některé působí proti kontaktní síle, jiné ji naopak zvyšuji. Přívodem a roubíkem protéká
dynamický proud - vztah ( 3.11 )
I
D
=2,54.I
kn
( 3.11 )

Proud jedním palcem
Vysoké napětí a elektrické přístroje : Laboratorní a numerická cvičení část II. 9
I
D1
=
n
I
D
( 3.12 )

kde n je počet palců.
a) b)
Obrázek 3.3: Konfigurace proudové dráhy

a) b)
Obrázek 3.4: Konfigurace kontaktního systému

3.2.2 Síly snižující kontaktní sílu
a) Síla od záhybu proudu
Záhyb proudu je tvořen přívodem, palcem a roubíkem (Obrázek 3.4a) přičemž celým
úsekem protéká dílčí proud I
D1
. Velikost výšky záhybu h' je určena polohou místa střední
siločáry, které volíme v těžišti příslušné části kruhu (kruhové výseče), pokud rozložení
10 Fakul