43. Gyűjtősínek kiválasztása üzemi melegedés szempontjából

Átírás

1 43. Gyűjtősínek kiválasztása üzemi melegedés szempontjából A gyűjtősínek és csupasz leágazó sínek üzemi melegedésre történő méretezésekor is az alapterhelés adatából kell kiindulni. A szabvány adatai 35 C fok környezeti hőmérsékletre és 65 C fok vezetőhőmérsékletre vonatkoznak, azzal a feltételezéssel, hogy a sínek hossza vízszintes elrendezésben legfeljebb 2 m, függőleges elrendezésben legfeljebb 3 m. A megfelelő tompa színű festékkel festett sínek terhelhetősége %-kal nagyobb a csupasz felületűekéhez képest. A gyűjtősínek hő leadó képessége konvekcióval és sugárzással biztosított és a festék sugárzási tényezője 0,9. A k1 tényező értékeit a-tényleges környezeti hőmérséklet figyelembevételéhez- táblázatból kapjuk. (ábra helyett) A gyakorlati feladatok során természetesen az alapterhelésre megadott feltételek többnyire nem teljesülnek. A megengedett áramterhelés értéke eltérő körülmények esetén megfelelő módosító tényezők figyelembevételével állapítható meg: 1. Ha a környezeti hőmérséklet eltér 35 C foktól, vagy a sín hőmérséklete 65 C foktól eltérő, akkor az alapterhelés értékét a fenti ábra k1 tényezővel meg kell szorozni. A sín megengedhető hőmérséklete szabja meg. Biztonsági okokból maximum 90 C fok engedhető meg, de a gazdaságossági szempontokat is figyelembe véve C fok a szokásos érték. 2. Ha a hűtőfelület nagyságát, ill. a helyzetét megváltoztatjuk, a környezetnek áramlásos hőcserével leadott hőmennyisége megváltozik, és a sugárzás értéke is módosul. A lapjával vízszintesen elhelyezett (fekvő) sín terhelhetőségét csökkentő k2 tényező értékét csak 2m-nél nagyobb sínhossz esetén kell figyelembe venni. A fekvő gyűjtősín a zárlati áram dinamikus hatásával szemben tanúsított nagyobb mechanikai szilárdsága miatt előszeretettel alkalmazott elrendezés. 3 m-nél hosszabb függőleges sínvezetés esetén szintén módosulnak a konvekciós hőcsere feltételei a vízszintes sínvezetéshez képest, a függőleges szakasz felső része kevésbé hűl. Ilyen esetben megengedett áramterhelés értéke az alapterhelés 85 %-a. 3. Színalumínium helyett ötvözött vagy nemesített alumínium sínanyag alkalmazása esetén az alapterhelés értékét 10 %-kal csökkenteni kell.

2 44. Gyűjtősínek ellenőrzése zárlati melegedés szempontjából A villamos hálózat berendezéseit, vezetékeit megfelelő zárlatvédelemmel látják el. A zárlat fellépésétől megszüntetéséig, azaz a védelem működési ideje alatt a zárlati áram a hálózat soros elemeit így a vezetékeket és kábeleket is melegedés szempontjából is igénybe veszi. A zárlati áram az üzemi áram szorosa körül van, így az áram négyzetével arányos Joule-veszteség az üzemi áramhoz viszonyítva szoros. Ha ilyen áramértékre kiszámolnánk az elméleti állandósul hőmérsékletet, messze az anyag olvadáspontja feletti értékek kapnánk. Ezért a védelemnek igen rövid idő alatt működnie kell. E rövid ideig tartó igénybevétel alatt a vezetőben keletkező veszteség gyakorlatilag teljes egészében annak hőmérsékletét emeli, a környezet felé történő hőleadás elhanyagolható. Szigetelt vezetékek és kábelek esetén a szigetelésre rövid ideig megengedhető hőmérséklet, szabadvezetékek, sínek, ill. csupasz vezetékek esetében pedig a mechanikai és szilárdságtani szempontból megengedhető hőmérséklet határt szab a zárlati áram szempontjából megengedhető igénybevételnek. A tz legnagyobb megengedett zárlati hőmérséklet értékeket a tárgyalt vezetékfajtákra az alábbi táblázat tartalmazza. Az [ A ] = m 2 keresztmetszetű, [ I ] = m hosszú, [ r ] = Ωm fajlagos ellenállású vezetőn [ ] ideig áthaladó [ I z ] = A zárlati áram által létrehozott hőmennyiség: t = (s) Q = Iz 2 t A rl J Az a hőmennyiség viszont, amely a vezető a rövid idejű zárlati terhelés során üzemi hőmérsékletéről (tü) a megengedett zárlati hőmérsékletre (tz) emeli Ahol: Q = c m (tz-tü) J - c = J/(kg K) a vezető fajhője; - m = kg a vezető tömege; - (tz-t0) = K a megengedett zárlati túlmelegedés, amely C fokban is számítható. Ahhoz, hogy a vezető hőmérséklete tz fölé ne emelkedjen, szükséges, hogy a vezetőben keletkező hőmennyiség ne legyen nagyobb, mint az általa maximálisan felvehető. Miután a vezetőben keletkező hőmennyiség a vezető keresztmetszetével fordítottan arányos, adott zárlati áram és zárlati lekapcsolási idő esetén meghatározható a vezeték minimálisan szükséges keresztmetszete. Ekkor Iz 2 t r A l = c ρ A l(tz tü) Ahol: (ρ) = kg/m 3 a vezető anyagának sűrűsége. A fenti egyenletből a vezető zárlati melegedés szempontjából szükséges keresztmetszete:

3 Amin = Iz t r cρ( t z tü ) m 2 Az összefüggést a gyakorlat számára könnyen kezelhető formában írva: Amin = BIz t mm 2 Ahol: - [ I z ] = ka a zárlati áram effektív értéke; - [ ] t = s a zárlati áramátfolyás ideje, ( a védelem működési ideje); - B a vezetékre jellemző állandó, értékét a leggyakrabban alkalmazott vezetékek táblázat tartalmazza. A zárlati melegedésre történő ellenőrzés elhagyható, ha a vezetékek védelmét biztosító, vagy pillanatműködésű (késleltetés nélküli) zárlatvédelem látja el. Szigetelt vezeték Vezetékfajta Papírszigetelésű kábel Műanayg szig 99,5% Al sín, ill. merev vezető Ötvözött Al sín, ill merev vezető Al vezeték Ötvözött Al vezeték AcélAl vezeték Üzemi hőfok C Zárlati hőfok C gumi szig műanyag szig kV Cu ,4 1kV Al ,8 3-6kV Cu ,7 3-6kV Al , kV Cu , kV Al ,7 PVC 1kV 13,2 PVC 6kV 13,7 PE 10kV 14 B , , ,

4 45. tétel Gyűjtősínek mechanikai méretezése A sínek szükséges keresztmetszetét és alakját, valamint a sínek helyes távolságát az üzemi melegedési, zárlati melegedési, mechanikai szilárdsági, feszültségesési és gazdaságossági számítások eredményeinek összevetése alapján lehet meghatározni. A sínek fő jellemzőinek egyegy szempontból történő megváltoztatása más szempontból ellentétes irányú következményeket okoz. A vezető Legkisebb megengedett Legnagyobb megengedett A vezető anyaga keresztmetszete, mm 2 húzófeszültsége, N/mm 2 kisfeszültségen- nagyfeszültségen kisfeszültségen nagyfeszültségen Alumíniumsodrony Nemesített alumíniumsodrony Acélalumínium-sodrony, ha az acél és alumínium keresztmetszetek viszonya: 1: \ : 7, : 1, Acélsodrony Ac. I Acélsodrony Ac. II Acélsodrony Ac. III Acélsodrony Ac. IV A fázistávolság növelésével csökken a zárlati erőhatás, de nő a feszültségesés, sőt; e változtatás gazdasági következményekkel is jár, változhat a kapcsoló-berendezés mérete. Mechanikai méretezés szempontjából a sodronyszerkezetű gyűjtősínek kis oszlopközű szabadvezetéknek tekinthetők azzal a különbséggel, hogy a méretezés során a szigetelőláncok súlya is figyelembe veendő. A belsőtéri, ill. a tokozott kapcsoló-berendezések merev gyűjtősínjei a cellaosztásnak megfelelő távolságban támszigetelőkön vannak elhelyezve. A belsőtéri gyűjtősíneket minden esetben ellenőrizni kell zárlati mechanikai igénybevétel szempontjából, a három fázisának közelsége miatt a zárlati áramok dinamikus erőhatása igen jelentős lehet. A 3 10 kv-os feszültségű gyűjtősínek kritikusak, ahol a zárlati áramok nagyok, a fázistávolság viszont kicsi. Gyűjtősínek legkisebb megengedett fázistávolságai, mm U(kV) Belsőtéri* Szabadtéri ÍOO *Légköri túlfeszültség által nem veszélyeztetett.

5 Új gyűjtősín tervezésekor az üzemi és a zárlati melegedés alapján választják meg a sín keresztmetszetét, majd a fázistávolságot a megengedett legkisebb fázistávolságra vagy annál valamivel nagyobb értékre veszik fel, és ennek alapján kiszámítják a lehetséges legnagyobb zárlati áram okozta erőhatást, majd a sínprofil keresztmetszeti tényezőjének figyelembevételével meghatározzák a sín mechanikai feszültségét. Utolsó lépésként önrezgésszámra kell ellenőrizni a gyűjtősín. Nem kielégítő eredmény esetén a fázistávolságot, vagy a sínprofilt esetleg mindkettőt meg kell változtatni. A zárlati áram erőhatásának számításakor a gyűjtősíneket párhuzamos végtelen hosszú áramvezetőknek tételezzük fel: F = µ0* * = 0, 2 * * l * 10-6 N. 2π*d d Ahol : [Iı] = A [ d ]= m, a vezetők közötti távolság. [I2] = A, a két vezetető árama. [l] = m, a vezetők hossza. I1I2 Egysíkú elrendezésnél a középső sínre, és egyenlő oldalú háromszögben való elrendezésnél bármely sínre ható legnagyobb erő: I²zcs I1I2 F 0,87 * 0,2 * * l * 10-6 d N Egysíkú elrendezésnél a két szélső sínre ható legnagyobb erő kisebb, mint az előbb: I²zcs F = 0,81 * 0,2 * * l * 10-6 d N Ahol: [Izcs] = A, a zárlati csúcsáram. A háromfázisú zárlatok számításakor a háromfázisú zárlati áram effektív értékét számítjuk_ki. legnagyobb zárlati csúcsáram: Izcs = κ 2*Izeff A, Ahol: κ a csúcstényező, amelyet legkedvezőtlenebb esetre a már ismert 1,8 értékkel szokás figyelembe venni. A zárlati erőhatás a gyűjtősínt egyenletesen megosztó terhelésként támadja. Az l hossz a gyűjtősín két szomszédos támszigetelője közötti távolság. Az erő a gyűjtésinek síkjában lép fel és a síneket hajlításra veszi igénybe. Az l hosszúságú sínszakaszra ható F erő nyomatéka függ: a gyűjtősínnek a támszigetelőkön való felerősítési módjától. A gyűjtősínt a támszigetelőre erősítő bilincsek lazán fogják (hődilatáció). A sínt mindkét végén befogott rúdnak lehet, tekintem, amikor is a legnagyobb hajlítónyomaték: Fl M = Nm. 12

6 Zárlatkor a gyűjtősínben a legnagyobb nyomaték helyén fellépő mechanikai feszültség: M Fl σ = = K 12K Ahol: [l] = m, a megfogási pontok távolsága; [K] = m 3, a keresztmetszeti tényező. N/m² Ha a gyűjtősíneket fázisonként több lapos sínből állítják össze, akkor az egy fázisban összefogott párhuzamos sínek között járulékos erőhatások lépnek fel, hiszen a zárlati áram a két sín között megoszlik és a párhuzamos sínszálakat, összeszorítja. Ezért nemcsak a támszigetelőkre való felerősítésnél, hanem a sínszakasz közepén is el kell helyezni a távolságtartó betéteket. A gyűjtősín rugalmas volta, és a rá ható erők periodikus jellege következtében rezgések lépnek fel, amelyek esetén annál nagyobb alakváltozás, igénybevétel következik be, minél jobban megközelíti a rezgéseket keltő zárlati erő periódusa a gyűjtősín önrezgésszámát. Ha a sín önrezgésszáma a váltakozó áram 50 Hz frekvenciájához vagy annak kétszereséhez közel van, a sínköteg már üzemi áramnál is rezonanciába kerülhet, ami fáradási törést okozhat. Az önrezgésszám merev befogásúnak tekintett gyűjtősín esetén: 111 EI n * ( ) l² S 1/s,

7 Ahol: [l] = cm, a támaszköz; [E] =N/m 2, [I] = cm 4, [S] = N a rugalmassági tényező; a sínidom tehetetlenségi nyomatéka; sín egységnyi hosszának (l cm) a súlya. Elegendő, ha az így kiszámított önrezgésszám nem esik , és közé. Ha adott esetben az önrezgésszám nem megfelelő, úgy meg kell változtatni, ami a következő szabványos sínkeresztmetszetre való áttéréssel megvalósul. Lapos sínek esetében a sín 90 -os elfordítása, azaz a tehetetlenségi nyomaték ugrásszerű megváltoztatása a legegyszerűbb.