SKLOPNI APARATI

1. SKLOPNI APARATI SKLOPNI I ZAŠTITNI UREĐAJI

2. Funkcija sklopnih aparata kao komponenti električnih postrojenja • Sklopni aparat: aparat namijenjen uklapanju i/ili prekidanju struje u jednom ili više strujnih krugova, tj. za uspostavljanje, održavanje i prekidanje kontinuiteta ili diskontinuiteta strujnih krugova. Vrše funkciju uklapanja i isklapanja, pokretanja i regulacije, zaštite i komande. • Sklopni aparati upravljaju radom uređaja za proizvodnju, transformaciju, konverziju, prijenos i potrošnju električne energije. • Djelovanje aparata – SKLAPANJE: promjena vlastite impedancije i dielektrične čvrstoće. To se postiže u sklopkama i relejima time što se otvaraju i zatvaraju kontakti, u osiguračima time što pregaraju rastalnice, u odvodnicima prenapona time što se probijaju i gase iskrišta i što reagiraju nelinearni otpori

3. Podjela sklopnih aparata prema namjeni • rastavljači • sklopke • prekidači • pokretači • regulatori • osigurači • odvodnici prenapona • releji • pribor • sklopni blokovi

4. Uloga aparata • Rastavljači – otvaranje i zatvaranje strujnih krugova zanemarivo malih struja • Sklopke – uklapanje i isklapanje struja normalnog napona • Prekidači – uklapanje i isklapanje + uklapanje i prekidanje struja kratkog spoja • Pokretači – pokretanje motora ili puštanje u pogon drugih trošila • Osigurači – taljenjem rastalnice automatski otvaraju strujni krug • Odvodnici prenapona – zaštita električnih postrojenja od prenaponskih valova • Releji – djeluju na druge uređaje pod utjecajem mjerene veličine • Pribor – obuhvaća potporne i provodne izolatore, kabelske uvodnice, otpornike, prigušnice, kondenzatore, mjerne i signalne uređaje i drugo • Sklopni blokovi – kompleksni uređaji sastavljeni od raznovrsnih sklopnih aparata i pribora

5. Podjela sklopnih aparata prema funkciji (sustavi gašenja luka)

6. Osnovna podjela sklopnih aparata prema funkciji • Kontaktni - djelovanje vezano uz mehaničko kretanje kontakata • Beskontaktni - nema mehaničkog kretanja kontakata • Hibridni - kombinacije kontaktnih i beskontaktnih aparata • Lučni – pri djelovanju nastaje električni luk • Bezlučni - sa zanemarivo malom energijom luka.

7. Podjela prema načinu kojim se upravlja prolazom struje ili paljenjem i gašenjem luka • Rastalni i probojni – rastalni osigurači i odvodnici prenapona gdje luk nastaje pregaranjem tankih vodiča i probojem iskrišta • Kontakti otporskih prekidača - premošteni su u početku otvaranja malim otporom koji se naglo povećava, tako da se prije definitivnog prekida struja smanjuje na neznatni iznos • Sinkroni prekidači - otvaraju kontakte u prvoj prirodnoj nultočki izmjenične struje nakon isklopnog impulsa • Beskontaktni aparati s poluvodičkim elementima - sadrže upravljive silicijske ventile (tiristore) • Hibridni poluvodički aparati – serijska kombinacija dvaju brzih kontakata, sinkroniziranih s promjenom polariteta, od kojih je jedan premošten diodom i koji se prvi otvara u intervalu vođenja diode, a odmah zatim i drugi u intervalu blokiranja

8. Podjela sklopnih aparata prema nazivnom naponu • Niskonaponski • Visokonaponski • Gornja granica napona niskonaponskih aparata za: • Izmjeničnu struju 1 kV • istosmjernu struju 1,2 kV • Visokonaponski aparati: • za srednje napone (3-35 kV) • za visoke napone (preko 35 kV do 400 kV) • za vrlo visoke napone (preko 400 kV)

9. Kontaktni otpor sklopnih aparata Rk • Razlika između otpora kombinacije kontakata i otpora homogenog vodiča koji je uzrokom dodatnog ugrijavanja dodirnog mjesta povećanom Jouleovom toplinom. suma je slojnog i provlačnog otpora: • Rk=Rs+Rp.

10. Provlačni otpor Rp i slojni otpor Rs • Provlačni otpor Rp- niti precizno obrađene kontaktne površine ne mogu biti potpuno glatke pa se stoga dodiruju samo u pojedinim izbočinama • ρ - specifični otpor • H - tvrdoća kontakta • F - sila • Slojni otpor Rs - posljedica je slabo vodljivih stranih slojeva na dodirnim plohama koji potječu od nečistoća, sredstva za podmazivanje ili kemijskih spojeva. σ – specifični slojni otpor (za metale oko 10-12Ωm) • U aparatima slabe struje zbog malih tlakova prevladava slojni otpor, a u aparatima jake struje provlačni.

11. Svojstva kontaktnih materijala • Mali kontaktni otpor • Loša zavarljivost • Neznatno nagaranje od električnog luka • Mali otpor omogućuje trajno vođenje normalnih pogonskih struja bez prekomjernog zagrijavanja. • Teško zavarivanje traži se od kontakata koji moraju trenutno voditi ili povremeno uklapati izuzetno velike struje (kratki spoj). • Slabo nagaranje posebno je važno za lučne kontakte na koje se prebacuje korijen luka u procesu prekidanja.

12. Skupine materijala za izradu kontakata • Čisti metali • Legure • Sinterirane kombinacije (ovise o načinu izrade i strukturi materijala) Čisti metali: • Cu nije prikladan za trajno zatvorene kontakte, ali se primjenjuje za klizne kontakte u aparatima bez intenzivnog luka • Ag – za trajno vođenje struje, ima svojstvo rekuperacije (ponovno taloženje isparenog metala na kontaktne plohe u zraku) koja omogućuje da se poveća električna trajnost aparata. Legirani materijali – imaju bolje mehaničke osobine i veću kemijsku otpornost, ali nižu električnu vodljivost i talište, a to su Ag-Ni, Ag-Cd, Ag-Pd

13. Naprezanja u sklopnim aparatima i aparaturama • Termičko naprezanje kontakata • Utjecaj elektrodinamičkih sila na kontakte • Naprezanja u procesu prekidanja

14. Termičko naprezanje kontakata • Jo – temperatura okoline • Jv – zagrijavanje vodiča zbog njihova otpora • Jk – zagrijavanje zbog kontaktnog otpora • A i B – vodiči koji se dodiruju • Termičko naprezanje ovisi o struji, ali i o naponu, o kojem ovisi hoće li doći do paljenja luka. • Kratki spoj - velika struja, a time je i velika mogućnost zavarivanja kontakata. Kontaktna sila Fk ≥ ku Iu2 , ku = 0,6 N/(kA)2 za bakar

15. Elektrodinamičke sile na kontakte • Elektrodinamička naprezanja ovise o konstrukciji -mogu u slučaju većih strujnih udara opasno smanjiti kontaktni tlak ili čak otvoriti kontakt jer se javljaju paralelne strujnice suprotnog smjera A – nepomični kontakt B – pomični kontakt F – smjer djelovanja elektrodinamičke sile • Odbojne sile među zatvorenim kontaktima nastaju zbog neizbježne koncentracije struje na mjestima stvarnog dodira. Odbojna sila koja se javlja na kontaktu je:

16. Naprezanja u procesu prekidanja • Naprezanja ovise o povratnom naponu i prekidnoj struji koji otežavaju gašenje luka. Mjerilo za ovo naprezanje je prekidna snaga: • Up = efektivna vrijednost linijskog povratnog napona pogonske frekvencije • k = 1 za jednofazni sustav • k = za trofazni sustav • Dinamička i termička naprezanja aparata prilikom uklapanja ovise u prvom redu o uklopnoj struji koja se pojavljuje neposredno nakon uklopa, te o naponu o kojem ovisi hoće li se među kontaktima i na kojem razmaku upaliti električni luk.

17. Procesi uklapanja i prekidanja struje • Pri sklapanju strujnih krugova javlja se među kontaktima aparata električni luk • Uklopni luk – javi se kad se kontakti približe na probojni razmak • Isklopni luk – nastaje prekidom metalnog dodira i traje do trenutka gašenja

18. Električni luk istosmjerne struje • Gašenje nastupa kad se otpor toliko poveća da struja opadne da ne može više održavati stabilni luk

19. Gašenje istosmjernog luka Up napon paljenja pA napon luka Ug napon gašenja tA trajanje luka

20. Gašenje istosmjernog luka • Uvjet gašenja: di/dt < o tj. struja se mora stalno smanjivati Kako za krug vrijedi: slijedi: što se postiže npr. razvlačenjem luka!

21. Gašenje istosmjernog luka Položaj karakteristika pA i E-Ri za slučaj nestabilnosti luka

22. Električni luk izmjenične struje • Luk izmjenične struje se sam od sebe gasi u svakoj nultočki struje • Ali, kako među kontaktima ostaje vruć i ionizirani medij – rezidualni stupac – lako ponovno dolazi do paljenja luka. • Definitivno gašenje luka se postiže kad se rezidualnom stupcu naglo poveća otpor i dielektrička čvrstoća čime se onemogući ponovno paljenje luka.

23. Gašenje izmjeničnog luka Nadomjesna shema Shema uz tumačenje gašenja izmjeničnog luka

24. Gašenje izmjeničnog luka • Primjenom Kirchhoffovih zakona t=0; up=-Ug

25. Gašenje izmjeničnog luka Koeficijent prigušenja ki kružna frekvencija povratnog napona ω0 .

26. Gašenje izmjeničnog luka Koeficijent prigušenja ki kružna frekvencija povratnog napona ω0 .

27. Gašenje izmjeničnog luka Definitivno gašenje luka Ponovno paljenje luka

28. Osnovne karakteristike aparata • Povratni napon i prekidna struja su glavni faktori koji otežavaju prekidanje struje. • Prirodni povratni napon i prirodna struja kratkog spoja su te veličine kruga uz idealni prekidač (do prekida struje otpor mu je nula, nakon prekida otpor mu je beskonačan) • U pogonu se javljaju prilike kad je povratni napon posebno velik: prekidanje malih kapacitivnih struja neopterećenih vodova, prekidanje malih induktivnih struja neopterećenih transformatora, sklapanje kondenzatorskih baterija npr.

29. Osnovne karakteristike aparata • Prekidna struja je mjerodavna za stupanj ionizacije prostora (rezidualni stupac) • Prekidna struja je efektivna vrijednost simetrične komponente struje u trenutku paljenja luka. • Najveća vrijednost prekidne struje je prekidna moć prekidača, odn. sklopke

30. Osnovne karakteristike aparata • Produkt prekidne struje i povratnog napona je mjerilo naprezanja aparata i naziva se prekidna snaga k=1 za jednofazni sustav k=V3 za trofazni sustav Najveća dopuštena prekidna snaga je prekidna moć, analogno pri uklopu uklopna moć

31. Sustavi gašenja luka • Električni luk je povoljni isklopni element: sprečava prenagli prekid struje koji bi izazvao previsoke prenapone te omogućava prekidanje izmjenične struje u prirodnoj nultočki • Konstrukciju sklopnog aparata treba načiniti tako da reducira trajanje električnog luka kako bi se smanjilo njegovo razorno djelovanje

32. Sustavi gašenja luka