Anotácia
Hlavnou témou článku je vytváranie a pôsobenie elektrodynamických síl v prúdovej dráhe ističa.
Elektrodynamické sily majú nepriaznivý vplyv na prúdovú dráhu, hlavne na kontaktný systém a miesta záhybu prúdovej dráhy. Tieto sily vznikajú v dôsledku prechodu prúdu cez istič a ich hodnota závisí od veľkosti pretekajúceho prúdu. Najvyššie elektrodynamické sily sú spôsobené bleskovým prúdom a môžu mať deštrukčný účinok na istič.
Kľúčové slová
Elektrodynamická sila, istič, bleskový prúd, prúdová dráha, kontakty
1 ÚVOD
Výrobcovia zvodičov bleskových prúdov môžu odporučiť na istenie svojich výrobkov okrem poistiek aj ističe.
To znamená, že istič je vystavený vysokému prúdu od bleskového výboja. Vplyvom prechodu prúdu cez istič vznikajú v prúdovej dráhe ističa elektrodynamické sily. Tieto sily sú úmerné druhej mocnine pretekajúceho prúdu. Z toho vyplýva, že najvyššie hodnoty dosiahnu pri prúdových vlnách spôsobených bleskovými výbojmi.
Istič použitý ako istenie zvodiča prepätia je vystavený odlišným podmienkam ako sú tie na ktoré je jeho konštrukcia navrhnutá a to hlavne pri prechode impulzného prúdu. Istič musí zniesť tento vysoký impulzný prúd bez poškodenia a bez zapôsobenia spúští na vypínací mechanizmus. Sily spôsobené prechodom prúdu pôsobia na jednotlivé podsystémy ističa rozdielne. Najviac ohrozený je kontaktný systém. Elektrodynamické sily majú smer proti prítlačnej sile kontaktov a teda majú snahu kontakty oddialiť. Po oddialení kontaktov dochádza k vzniku elektrického oblúka. Elektrický oblúk, ktorý horí medzi kontaktmi má erozívne účinky na povrch a materiál kontaktov ako aj nepriaznivý vplyv na celý zhášací systém ak dôjde k pohybu oblúka smerom ku zhášacej komore. Pôsobenie elektrodynamických síl je tiež evidentné v miestach záhybu prúdovej dráhy, kde vzniknuté sily majú snahu záhyb narovnať.
2 VZNIK ELEKTRODYNAMICKÝCH SÍL
Coulombov zákon je jeden zo základných zákonov elektrostatiky a popisuje silové pôsobenie medzi dvoma elektrickými nábojmi. Pri pohybe nábojov sa okrem síl vyvolaných elektrického poľom, objavia aj sily magnetické. Keďže ide o transformáciu Coulombovej elektrickej sily na pohybujúce sa náboje, nazývajú sa tiež silami elektrodynamickými.
Pohyb elektrických nábojov predstavuje elektrický prúd. Prechod prúdu vyvoláva v prúdovej dráhe ističa elektrodynamické sily. Vzťah pre elektrodynamickú silu medzi dvoma elementmi dV
1 a dV
2 je:
2 2 0 1 3 1 4
J r
dF J dV dV
r
(1) Kde:
J- prúdová hustota r- vzdialenosť elementov µ0-permeabilita vákua
Elektrodynamické sily sa prakticky počítajú pomocou vektoru magnetickej indukcie B a elementárna sila je potom:
dF J BdV (2) Na výslednú silu má vplyv najmä veľkosť prúdu, ktorý preteká prúdovou dráhou a tvar prúdovej dráhy ističa.
Niektoré tvary prúdových dráh vybraných kompaktných ističov sú na obrázku 1.
Obr1. Časť prúdovej dráhy ističov MODEION (OEZ) a NS160(Schneider) 2.1 Sily medzi rovnobežnými vodičmi
Príčinou vzniku síl medzi dvoma vodičmi je magnetické pole, ktoré sa vytvára okolo každého vodiča, ktorým preteká elektrický prúd. Ak sa nachádzajú vo vzájomnej blízkosti dva vodiče, ktorými preteká prúd, pôsobia ich magnetické polia navzájom na seba. Podľa toho, ako sú tieto polia voči sebe orientované, tj. podľa toho, akým smerom preteká vodičmi prúd, vznikajú príťažlivé alebo odpudivé sily. Ak vodičmi preteká prúd rovnakým smerom, medzi vodičmi dochádza k zoslabeniu magnetického poľa a vodiče sú k sebe priťahované. Ak prúdy pretekajú vodičmi v opačnom smere, medzi vodičmi dochádza k zosilneniu poľa a vodiče sa odpudzujú.
Obr. 2 Elektrodynamické sily medzi vodičmi
Výsledná sila medzi dvoma rovnobežnými vodičmi o dĺžke l, ktorými preteká prúd I a ich vzájomná vzdialenosť je a :
2.107 l 2
F I
a
(3) Vzorec platí v prípade že uvažovaná vzájomná vzdialenosť je oveľa väčšia ako priemer vodičov.
2.2 Sily v záhybe
Prúdová dráha v ističi často tvorí záhyby ako je vidieť na obrázku 1. Sily vznikajúce v mieste záhybu prúdovej dráhy majú taký smer, že sa snažia záhyb narovnať.
Obr. 3 Elektrodynamické sily v záhybe prúdovej dráhy
kontaktnému prítlaku a zmenšuje ju. Táto sila je úmerná štvorcu prúdu. Veľkosť vzniknutej elektrodynamickej sily závisí od zakrivenia prúdnic. Pri menšej kontaktnej sile je menšia plocha, väčšie zakrivenie prúdnic, a tým aj väčšia vzniknutá elektrodynamická sila. Ak je výsledná elektrodynamická odpudivá sila na pohyblivý kontakt väčšia než prítlačná, dôjde k odskoku kontaktov. Pri odskoku kontaktov dochádza k zapáleniu elektrického oblúka medzi kontaktmi. Oblúk má silné erózne účinky na kontaktný materiál ako aj na povrch kontaktov.
Znekvalitnenie povrchu má za následok zhoršenie stykových podmienok a tým pádom aj k následnému vzniku ešte väčších elektrodynamických síl. Jednotlivé zložky elektrodynamickej sily ako aj zakrivenie prúdnic je vidieť na obrázku 4.
Obr. 4 Zložky elektrodynamickej sily 3 DEŠTRUKČNÝ ÚČINOK ELEKTRODYNAMICKÝCH SÍL NA ISTIČ
Konštrukcia ističa je navrhnutá tak, aby zvládala prechod skratových prúdov bez poškodenia a teda aj elektrodynamické sily vyvolané skratovými prúdmi. Pri návrhu konštrukcie ističa však nemuselo byť zohľadnené využitie ističa na istenie zvodičov prepätia. Istič slúžiaci na istenie zvodičov bleskových prúdov pracuje vo výrazne odlišných podmienkach ako je to pri skratoch. Pri prepäťovej udalosti v sieti ističom preteká prúdová vlna, ktorá má oveľa vyššie prúdové maximum ako skratové prúdy. Tieto vysoké prúdy vyvolávajú veľké elektrodynamické sily, ktoré pôsobia na jednotlivé podsystémy ističa ako aj na časti prúdovej dráhy.
V záhyboch prúdovej dráhy môžu elektrodynamické sily spôsobiť mechanické poškodenie alebo prasknutie materiálu prúdovej dráhy. Materiál by mal byť preto pevný, ale s dostatočnou pružnosťou. Najnáchylnejšia k poškodeniu vplyvom elektrodynamických síl je cievka tvoriaca elektromagnetickú spúšť ističa, ktorá sa môže vplyvom veľkej sily roztiahnuť. Na kontaktný systém pôsobia elektrodynamické sily nepriamo. Vzniknuté sily pôsobia proti prítlačnej sile kontaktov a snažia sa ich oddialiť. Pri oddialení kontaktov dôjde k vzniku elektrického oblúka. Oblúk poškodzuje plochu kontaktov a pri opätovnom spojení môže dôjsť k ich zvareniu. Ak sa oblúk z kontaktov začne presúvať smerom ku zhášacej komore veľmi rýchlo, dochádza ku zvyšovaniu tlaku vo vnútri puzdra ističa a ak plyny nie sú vyfukované dostatočne rýchlo, môže vysoký tlak zapríčiniť explóziu ističa.
Pri experimentálnom zisťovaní vlastností modulárnych ističov s IN=125A počas prechodu prepäťových prúdových vĺn dochádzalo k výraznému poškodzovaniu ističov. Pri pokusoch sa vychádzalo zo všeobecnej schémy podľa obrázku 5, kde sa do RLC obvodu vybíjali kapacity s generátora impulzov. Priebehy prúdu a napätia boli zaznamenávané pomocou osciloskopu.
Obr. 5 Schéma obvodu
Zo získaných záznamov je zrejmé, že pri prechode prúdovej vlny dochádza k vzniku oblúku medzi kontaktmi.
Pri krátkom časovom trvaní, rádovo desiatky mikrosekúnd, je zrejmé že kontakty neboli oddialené vypínacím mechanizmom po zapôsobení skratovej spúšte, ale boli oddialené vplyvom elektrodynamických síl. Priebeh prúdu a napätia je zobrazený na obrázku 6.
Obr. 6 Priebeh prúdu a napätia
Porovnanie kontaktov pred meraním a po aplikovaní niekoľkých impulzov prúdových vĺn je na obrázku 7.
Použité vzorky vykazovali po experimente známky značného opálenia, čo potvrdilo prítomnosť elektrického oblúka. V jednom prípade došlo vplyvom veľkej sily k zlomeniu mechanickej časti vypínacieho systému ističa.
Opálenie ako aj poškodenie mechanickej časti je vidieť na obrázkoch 8, 9 a 10. [2,3,4]
Obr.7 Poškodenie kontaktov
Obr.8 Opálenie ističa Obr.9 Poškodenie mechanickej časti
Obr.10 Opálenie kontaktov a kanála ku zhášacej komore 4 ZÁVER
Elektrodynamické sily sú neoddeliteľnou súčasťou ističov, pretože vznikajú pri prechode elektrického prúdu cez prúdovú dráhu ističa. Pri návrhu ističa je dôležité, aby ho vzniknuté sily nepoškodili a nespôsobovali zmenu jeho vlastností. Pri využití ističa na istenie zvodičov prepätia sa často stáva, že dochádza k poškodeniu podsystémov, pretože impulzný prúd tečúci ističom vyvoláva sily, na ktoré nemusí byť konštrukcia ističa navrhnutá. Okrem poškodzovania podsystémov môže dochádzať aj k vypínaniu ističov pri prechode impulzného prúdu, čo je z hľadiska funkčnosti celého systému ochrany pred prepätím nepriaznivé. Je preto potrebné elektrodynamické sily vzniknuté impulznými prúdmi skúmať a zohľadniť ich pri návrhu konštrukcie ističa.
5 ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY
[1] Valenta, J.: Modelling of electrodynamic forces in MODEION circuit breaker http://www.feec.vutbr.cz/EEICT/2003/fsbornik/99-CD/02-Mgr/04-Power_Electrical_Engineering/10- valenta_jiri.pdf, 1-17
[2] Stuckenholz, A., Berger, F.: Investigation of the lightning current behavior of miniature circuit breaker, 29th International Conference on Lightning Protection, Upsalla, Sweden, 6c-1-1-9
[3] Kertesz, I.,: Nové trendy v oblasti prístrojov na ochranu pred prepätím v rozvodoch nn, Diplomová práca.
Bratislava FEI STU 2010. 29-39
[4] Kertesz, I.,: Ochrana pred prepätím v rozvodoch nn, Písomná časť dizertačnej skúšky. Bratislava FEI STU 2012. 32-44
[5] Havelka, O.: Stavba elektrických přístrojů I. Učební texty vysokých škol. Brno VUT. 1984. 47
