Technická analýza možné příčiny poškození stykačů

 

 

Po vichřici Emma bylo následně v jednom významném průmyslovém podniku zjištěno, že v elektrických rozváděčích pro klimatizační komory došlo k poškození několika stykačů s napájením budicích cívek ze střídavé sítě 230 V. Stykače (obr. 1) měly přerušená vinutí budicích cívek. Po jejich rozebrání se ukázalo, že došlo k vytečení izolační hmoty do vzduchové mezery stykače (obr. 2). To bránilo přitažení kotvy stykače. Z vytečení izolační hmoty do mezery magnetického obvodu lze usuzovat, že stykače nebyly z nějakého důvodu přitaženy a k vytečení došlo následkem nedovoleného zvýšení teploty budicích cívek stykačů.

 

Za běžných okolností mají stykače dva normální pracovní stavy:

K přitažení kotvy stykače dochází při určitém napětí, nazývaném napětí přítahu. Jeho hodnota bývá kolem 0,8 U_n. Naopak k odpadnutí kotvy dochází při jiném napětí, nazývaném napětí odpadu. Jeho hodnota bývá kolem 0,6 U_n.

 

Impedance budicí cívky Z_BC je dána především reaktancí budicí cívky X_BC. Z elektrotechniky je známo, že reaktance cívky je závislá na napájecí frekvenci f a indukčnosti cívky L_BC.

 

X_BC = ω · L_BC = 2πf · L_BC          (1)

 

Napájecí frekvence f je v našem případě dána frekvencí v síti a v analyzovaném případě byla určitě konstantní. Indukčnost cívky LBC je závislá na počtu závitů budicí cívky N_BC a na magnetickém odporu magnetického obvodu cívky R_mBC podle vztahu

 

L_BC = N²_BC/R_m          (2)

 

Zatímco počet závitů budicí cívky N_BC je konstantní, magnetický odpor R_mBC se mění.

 

Magnetický odpor je obecně dán vztahem

 

(3)

 

Délka magnetického obvodu l_mBC je tvořena jednak délkou magnetického obvodu v jeho plechách, jednak délkou magnetického obvodu přes jeho vzduchovou mezeru. Poměrná permeabilita materiálu plechů μ_Fe je o tři řády větší, než je poměrná permeabilita vzduchu μ_δ, a proto lze magnetický odpor cesty železem plechů zanedbat oproti magnetickému odporu vzduchové mezery.

 

Proud protékající budicí cívkou stykače je dán vztahem:

 

(4)

 

Jestliže je stykač odpadlý, je délka vzduchové mezery l_mBC velká, a tedy i odebíraný proud I_BC je velký. Po připnutí stykače na napětí U_sítě o velikosti zaručující jeho přítah se jedná pouze o krátkodobý, přechodový jev, protože vlivem přitažlivé síly ve vzduchové mezeře dojde okamžitě k přitažení kotvy stykače, vzduchová mezera l_mBC se zmenší a proud I_BC se také zmenší na hodnotu, pro kterou je vinutí budicí cívky stykače navrženo.

 

Dojde-li ale ke stavu, že budicí cívka stykače je napájena sníženým napětím, při kterém ještě nedojde k přitažení kotvy stykače, potom cívkou protéká zvětšený proud díky malé impedanci obvodu cívky. Na tento zvětšený proud není ale vinutí budící cívky dimenzováno. Ztráty ve vinutí budicí cívky vzrostou natolik, že může dojít k nadměrnému zvýšení teploty vinutí budící cívky a následkem toho k jejímu zničení. Konkrétní hodnoty tohoto zvětšeného proudu závisejí na konkrétním typu stykače, ale v poměrných hodnotách se nebudou příliš lišit.

 

V laboratoři katedry elektrických pohonů a trakce Elektrotechnické fakulty ČVUT v Praze bylo provedeno měření zvětšení proudu při napájení stykače sníženým napětím. Měření byla provedena na stykači 25 A firmy Schrack, typ LA3-0101 25 A, 3× 380 V. K maximálnímu zvýšení proudu budicí cívky dochází tedy těsně před přitažením kotvy stykače a toto zvýšení představuje (110/20) = 5,5násobek jmenovitého proudu. Tepelné ztráty ve vinutí budicí cívky jsou úměrné kvadrátu proudu vinutím. 5,5násobnému zvětšení proudu budicí cívkou odpovídá tedy 5,5² = 30,25násobné zvětšení ztrát v budícím vinutí cívky stykače. Takto veliké zvětšení ztrát po delší dobu musí vést zcela jistě k nadměrnému zvětšení teploty vinutí budicí cívky s následným zničením izolace, a tím i celého stykače.

 

Každý odběr v nízkonapěťové síti je napájen ze sítě vn přes třífázový napájecí transformátor. S ohledem na lepší rozložení nerovnoměrného odběru z jednotlivých fází mají tyto tzv. distribuční transformátory do výkonu 160 kV·A obvykle zapojení Yz1, popř. Yz11. Transformátory většího výkonu od 250 kV·A mají většinou zapojení Dy1 nebo Dy11. Schéma zapojení vinutí Yz1 je na obr. 3. Sekundární vinutí je rozděleno na dvě části. Na společném sloupku každé fáze je kromě primárního vinutí a jedné části sekundárního vinutí také druhá část sekundárního vinutí sousední fáze. Jedna z obvyklých poruch ve venkovních sítích vn je přerušení napájení jedné fáze z důvodu přetržení vodiče jedné fáze nebo přepálení pojistky v jedné fázi. Takovýto stav je na obr. 3 vyznačen přerušením fáze W1. V tomto případě se změní napájecí soustava z třífázové na jednofázovou.

 

Odpovídající fázorový diagram pro třífázovou napájecí soustavu je na obr. 4 a pro případ přerušení fáze W1 je na obr. 5. Vidíme, že fázová napětí na U_U1 a U_W1 se snížila na polovinu sdruženého napětí tj. v poměru √3/2 = 0,866 původních fázových napětí a fázové napětí U_V1 kleslo na nulu.

 

Následkem toho klesne na fázovém vinutí fáze V1 napětí na nulu a fázová napětí zbylých dvou fází U1, W1 klesnou na polovinu sdruženého napětí. Jak je zřejmé z fázorového diagramu (obr. 5), klesnou tato fázová napětí na √3/2 = 0,866 původního fázového napětí Ufn.

 

Pro plné sdružené napětí U_s mezi zbývajícími dvěma fázemi na primárním vinutí transformátoru klesne na dvou fázích sekundárního vinutí transformátoru fázové napětí na velikost:

 

0,577 · 0,5 · U_s = 0,577 · 0,5 · 400 =115 V

 

Na třetí fázi bude napětí:

 

0,577 · U_s = 0,577 · 400 = 230,8 V

 

Provedené výpočty a měření potvrzují hypotézu, že možnou příčinou poškození stykačů bylo přerušení jedné fáze přívodu primárního vinutí distribučního transformátoru.

 

Pokles napětí ve dvou fázích z 230 na 115 V způsobil, že stykače nepřitáhly a jimi odebíraný pětinásobně větší proud způsobil nadměrné zvýšení teploty budicích cívek stykačů a následné zničení izolace. Podobný pokles napětí nastává i pro zapojení trafa Dy1 nebo Dy11.