Moderní přístroje pro jištění a ochranu sítí NN

ESKÉ VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ
Fakulta elektrotechnická
Katedra elektrických pohon a trakce
Moderní p ístroje pro jišt ní a ochranu sítí nn
bakalá ská práce
2008
bakalant: Tomáš JUKL
vedoucí: Doc.Ing. Pavel Mindl, CSc.
- - - - - - - - oficiální zadání - - - - - - - -
Prohlášení
Prohlašuji, že jsem svoji bakalá skou práci vypracoval samostatn a použil jsem pouze
podklady (literaturu, projekty, SW, apod.) uvedené v p iloženém seznamu.
Nemám závažný d vod proti užití tohoto školního díla ve smyslu § 60 Zákona
.121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o zm n
n kterých zákon (autorský zákon).
V Praze dne 9. ervna 2008
…………………………
podpis
Pod kování
D kuji p edevším vedoucímu této bakalá ské práce panu Doc.Ing. Pavlu Mindlovi, CSc.,
za mnoho podn t a rad p i jejím zpracování.
Další v elé pod kování pat í Doc.Dr. Janu Kynclovi za cenné rady a pomoc s programem
Mathematica 5 a dále Doc.Ing. Ji ímu Vodrážkovi, Ph.D. za poskytnutí materiál , které mi
umožnily hlubší zpracování této práce.
Anotace
Tato bakalá ská práce popisuje vlastnosti a principy základních jisticích a ochranných
p ístroj nízkého nap tí. Dále se zabývá m ením impedance t chto p ístroj v závislosti na
frekvenci a výpo tem jejich náhradních RLC obvod . Náhradní obvody jsou použity pro
výpo et útlumu signálu na modelu instalace nízkého nap tí. Vypo ítané a zm ené hodnoty
vypovídají o možnosti využití silových vedení pro p enos dat standardem PLC (BPL).
Summary
This bachelor thesis describes characteristics and principles of basic safety and protecting
low voltage electrical devices. Next it is concerned with measuring of impedance of these
devices depending on frequency and with calculating its substitute RLC circuits. Substitute
circuits are used to calculate signal attenuation on a low voltage instalation model. Calculated
and measured values predicate about possible usage of data transfer via power lines using
PLC (BPL) standard.
Obsah
1.
ÚVOD ................................................................................................................................8
2.
SÍT NÍZKÉHO NAP TÍ...............................................................................................9
3.
ELEKTRICKÉ P ÍSTROJE DOMOVNÍCH ROZVOD .........................................9
3.1
Ochrana lidského zdraví ..............................................................................................9
3.2
Jisticí p ístroje proti nadproudu a zkratu ...............................................................10
3.2.1 Pojistka .....................................................................................................................10
3.2.2 Jisti ..........................................................................................................................12
3.3
Dopl kové ochrany rozvod nn ................................................................................15
3.3.1 Proudový chráni ......................................................................................................15
3.3.2 Nap ový chráni .....................................................................................................18
3.4
Využití elektrických rozvod pro nesilové p enosy.................................................19
3.5
Powerline comunication .............................................................................................19
4.
MODEL INSTALACE NÍZKÉHO NAP TÍ ..............................................................22
4.1
Použité p ístroje..........................................................................................................22
4.1.1 Jisti ..........................................................................................................................22
4.1.2 Proudový chráni ......................................................................................................22
4.1.3 Svodi p ep tí 1 ........................................................................................................22
4.1.4 Svodi p ep tí 2 ........................................................................................................23
4.1.5 Kabel.........................................................................................................................23
4.1.6 Digitální relé .............................................................................................................23
4.1.7 Napájecí zdroj PC.....................................................................................................23
4.2
5.
5.1
Konstrukce modelu ....................................................................................................23
NÁHRADNÍ RLC OBVODY P ÍSTROJ ................................................................24
M ení impedance p ístroj ......................................................................................24
5.2
Výpo et náhradních obvod p ístroj .....................................................................24
5.2.1 Jisti Schrack BS017101 ..........................................................................................24
5.2.2
5.2.3
5.2.4
5.2.5
5.2.6
5.2.7
6.
Chráni Schrack BD094110 .....................................................................................26
Svodi p ep tí 1 ........................................................................................................28
Svodi p ep tí 2 ........................................................................................................29
Kabel CYKY 3x1,5 ..................................................................................................30
Digitální relé .............................................................................................................33
PC zdroj ....................................................................................................................35
VÝPO ET A M
ENÍ P ENOSU NA MODELU INSTALACE ...........................37
6.1
Popis m ení................................................................................................................37
6.2
Naprázdno za p ístroji ...............................................................................................38
6.3
Útlum kabelu...............................................................................................................42
6.4
Naprázdno s kabelem .................................................................................................44
6.5
Se zát ží .......................................................................................................................45
6.5.1 Styka .......................................................................................................................45
6.5.2 Digitální relé .............................................................................................................46
6.5.3 PC zdroj ....................................................................................................................48
7.
ZÁV R ............................................................................................................................50
Literatura ................................................................................................................................ 52
P ílohy ..................................................................................................................................... 53
Úvod
Ochrana lidského zdraví
Elektrický proud, aniž bychom si to uv domovali, je nejp ínosn jší forma energie
dodávané v dnešní dob do našich domov . Umož uje nám topit, svítit, zpracovávat a
uchovávat potraviny, p ináší informace i zábavu. Obsluhou elektrických spot ebi
ve v tšin p ípad
je ovšem
lov k, který ví jen málo o tom, jaké nebezpe í elektrický proud m že pro
lov ka p edstavovat. Proto se v domovních rozvodech instaluje celá ada jisticích a
chránících p ístroj , které t mto nebezpe ím p edcházejí anebo p i vzniku nebezpe í
postižený obvod samo inn odpojují od zdroje.
Hlavní d vody použití t chto p ístroj jsou t i. Na prvním míst je ochrana zdraví lidí.
Dále potom ochrana p ed nadm rnými proudy, které by mohly vést k poškození za ízení,
p ípadn
i vzniku požáru. Dalším d vodem je prevence proti p ípadným poruchám
v elektrické síti, nap íklad p ep tí.
Každá domácnost dnešního vysp lého sv ta se neobejde bez p ísunu energií a informací.
Elektrické domovní rozvody nízkého nap tí lze využít pro spln ní obou t chto požadavk .
Moderní datové p enosy pomocí technologie PLC (BPL) jsou schopny využít za provozu
stávající elektrické rozvody pro p enos dat, nap íklad vysokorychlostního internetu.
V první ásti této bakalá ské práce nejd íve popíšu principy a základní vlastnosti jisticích
a ochranných p ístroj . Ve druhé ásti se budu zabývat m ením a výpo tem p enosové
charakteristiky a útlumu vysokofrekven ního signálu na laboratorním modelu instalace
nízkého nap tí.
-8-
Sít nízkého nap tí
Ochrana lidského zdraví
Elektrické rozvodné sít nízkého nap tí jsou dle [1] sít stejnosm rné do nap tí 1500V a
sít st ídavého nap tí s mezifázovým (sdruženým) nap tím maximáln U n = 1000V , ili mezi
fází a zemí U f = 600V , o frekvenci f = 50Hz . Mluvíme-li o domovních rozvodech v eské
republice, máme tím na mysli rozvod st ídavého nap tí U f = 230V frekvence 50Hz.
Provedení jednofázových rozvod je ve starších instalacích dvouvodi ové a v nových
t ívodi ové, nebo n kdy kombinované. Mluvíme o sítích TN-C, TN-S a TN-C-S. V síti TN-C
spl uje vodi PEN jednak roli st edního pracovního vodi e a zárove i funkci ochrannou. Sí
TN-S naproti tomu rozlišuje pracovní vodi N a ochranný vodi PE. V kombinovaných
rozvodech TN-C-S je ást sít typu TN-C a za bodem rozd lení potom TN-S. Nové domovní
rozvody jsou dnes provád ny výhradn
typem TN-S. Hlavním d vodem je zvýšená
bezpe nost a možnost použití proudových chráni .
Prvo adým d vodem, pro
používáme ochranné a jisticí p ístroje v domovních
instalacích, je ochrana lidského zdraví.
Ú inky st ídavého proudu na lidské zdraví závisí p edevším na velikosti protékajícího
proudu a dob jeho p sobení. Za prahovou hodnotu, kdy jsme schopni v bec rozeznat
p ítomnost proudu v t le, se dle [4] považuje hodnota 0,5mA. Mez uvoln ní je 10mA. Je to
hranice, do které je postižená osoba schopna sama upustit elektrody, proto se tomuto proudu
íká bezpe ný proud. P sobení proud od 10 až do 30mA je bezpe né pouze tehdy, pokud
netrvá déle než n kolik desetin sekundy.
Tyto hodnoty jsou výchozími p edpoklady pro konstrukci jisticích a chránících p ístroj
z hlediska ochrany lidského zdraví.
-9-
Elektrické p ístroje domovních rozvod
!
Jisticí p ístroje proti nadproudu a zkratu
" "
"
#
Nejstarším a nejjednodušším p ístrojem v oblasti zkratového jišt ní je pojistka; anglicky
„fuse“. Pojistka p edstavuje um le vytvo ené nejslabší místo v obvodu. P i pr chodu
nadm rného proudu dojde k p erušení tavného drátku a tím se odpojí postižený obvod od
zdroje. Tavný drátek je umíst n v keramické nebo sklen né trubici napln né k emenným
pískem, který b hem vypínání napomáhá uhasit elektrický oblouk.
Díky velmi krátkým vypínacím as m má pojistka omezující schopnost. To znamená, že
vypne ješt d íve, než zkratový proud dosáhne maximální hodnoty, ímž ho omezí. Další
výhodou pojistky je její malá velikost a bezúdržbovost. Podstatnou nevýhodou je to, že nejistí
proti nadproudu do 1,3 – 1,6 násobku In. T sn nad touto oblastí proud pracuje, ale s velkým
asovým odstupem. Po každém zap sobení pojistky ji musí obsluha vym nit za novou. Je
tedy konstruována na jedno použití. Proto se nehodí pro jišt ní obvod s astými poruchami
nebo p etížením.
Pojistky lze rozd lit podle n kolika hledisek. Z hlediska konstruk ního rozlišujeme
pojistky patronové (obr.3.1), nožové (obr.3.2), válcové (obr.3.3), závitové, trubi kové a jiné.
Podle vypínacích charakteristik je d líme na rychlé a pomalé. D ležitým parametrem pojistek
je vypínací schopnost, která udává maximální hodnotu zkratového proudu.
Obr. 3.1 Patronová pojistka
Obr. 3.2 Nožová pojistka
Obr. 3.3 Válcové pojistky
Pojistka je umíst na v rozvodnici v pojistkových pouzdrech a spodcích. Moderní
pojistkové odpína e umož ují jednak rychlou montáž na DIN lištu a také snadnou vým nu
použitých pojistek.
Normy p edepisují za jakou dobu pojistka vypíná násobky nadproudu. ím je nadproud
vyšší, tím rychleji pojistka vypíná. Normy zárove stanovují i as, b hem kterého nesmí
- 10 -
Elektrické p ístroje domovních rozvod
Jisticí p ístroje proti nadproudu a zkratu
pojistka zareagovat na krátkodobý nadproud, tedy p ibližn do 1,5 násobku In. Grafické
vyjád ení
závislosti
asu
vypnutí
na
velikosti
proudu
ukazuje
ampérsekundová
charakteristika, kterou výrobce konkrétní pojistky uvádí v jejím katalogovém listu. Nap íklad
obrázek 3.4 ukazuje tavnou ampérsekundovou charakteristiku válcových pojistek OEZ ady
PV10 charakteristiky gG pro jmenovité proudy 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25 a 32A.
Obr. 3.4 Tavná ampérsekundová charakteristika pojistky
- 11 -
Elektrické p ístroje domovních rozvod
!
Jisticí p ístroje proti nadproudu a zkratu
$
Hlavní slabiny pojistky jsou neschopnost ú inn jistit malý nadproud a nutnost vým ny
za novou po p etavení. P ístroj, který tyto slabiny odstra uje, a proto v mnoha aplikacích
pojistku nahradil, je jisti ; anglicky „circuit breaker“.
Jisti je samo inný vypína , který je schopen vypnout p i p etížení anebo zkratu a poté ho
lze op t zapnout. Jedná se o nedestruktivní odepnutí jišt ného obvodu od zdroje. Konstruk ní
ešení malých modulárních jisti
znázor uje obrázek 3.5.
1
2
3
14
4
6
4
7
5
10
5
8
12
10
13
9
11
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
ovládací pá ka
ukazatel stavu on/off
areta ní mechanismus
hlavi ka svorky
t mínek svorky
pevný kontakt
pohyblivý kontakt
tepelná spouš - bimetal
nastavovací šroub
opalovací plechy
montážní západka
zhášecí komora
deioniza ní m ížka
elektromag. spouš
Obr. 3.5 ez jisti em – konstrukce jisti e
Podrobn ji ke konstrukci jisti e. Ovládací pá kou (1) obsluha jisti zapíná nebo vypíná.
V tšina výrobc
umož uje aretaci plombou v obou polohách. Ovládací pá ka by ovšem
nem la sloužit zárove jako jediný ukazatel stavu jisti e. Barvou pá ky výrobci asto rozlišují
jmenovité hodnoty jisti e. U moderních jisti
v podob
lze nalézt optickou signalizaci stavu kontakt
erveného/zeleného ter íku (2). Tato signalizace však musí odrážet skute ný stav
kontakt , bez ohledu na polohu ovládací pá ky. Areta ní mechanismus (3) je mechanickým
propojením spouští, kontakt , signalizace a ovládací pá ky. Zajiš uje aretaci v poloze zapnuto
a mžikové oddálení kontakt p i vybavení. Velmi d ležitou a výrobci nepodce ovanou ástí
jisti e jsou i p ívorní svorky. Sestávají se z šroubu a t mínku. Vn jší obal jisti e je upraven
tak, aby bránil šroubu vypadnout. Hlava šroubu (4) je tzv. “pozi-drive“, což znamená, že má
dvojitou osmiramennou drážku, která je více odolná proti stržení. Výrobce by m l v katalogu
uvést rozm ry t menových svorek (5), a to zvláš pro pevné a slan né vodi e, protože slan ný
- 12 -
Elektrické p ístroje domovních rozvod
Jisticí p ístroje proti nadproudu a zkratu
vodi vyžaduje v tší prostor pro uchycení. B žn je v praxi pot eba do jedné svorky p ichytit
více vodi , n kdy i r zného pr ezu. Proto by m la být spodní ást svorky tvaru „U“. Oblý
spodní díl svorky zaru uje bezpe né uchycení, zatímco rovný nikoli. Také p í né drážkování
pohyblivé i pevné
ásti svorky umož uje lepší uchycení p ívod . Výrobce dále uvádí
maximální dotahovací moment svorky, aby nedošlo k jejímu stržení i poni ení. B žný
dotahovací moment se pohybuje v rozmezí od 2 do 4 Nm.
Nadproudovou spouští je bimetal (8) protékaný odebíraným proudem. Konstruk n je
navržen tak, aby s asovou prodlevou odpínal nadproudy do trojnásobku jmenovité hodnoty.
Vypínací asy udává norma. Bimetal je vyroben ze dvou kovových plátk s r znou teplotní
roztažností. P i proudovém p etížení se bimetal zah eje a ohne se. Tím zap sobí na
vybavovací táhlo tepelné spoušt , které je mechanicky spojeno s areta ním mechanismem a
jisti rozepne. Citlivost tepelné spoušt lze u n kterých jisti
nastavit dotažením areta ního
šroubu (9).
Elektromagnetickou spouš
tvo í cívka (14). Zkratový proud kolem cívky vybudí
magnetické pole, které p itáhne kotvu vypína e. Podle velikosti proudu pot ebného
k zap sobení zkratové spoušt se jisti e d lí na charakteristiky B, C a D takto:
- charakteristika B: pro jišt ní elektrických obvod se za ízeními, která nezp sobují
proudové rázy (sv telné a zásuvkové obvody atd.), zkratová
spouš nastavena na (3 ÷ 5) I n
- charakteristika C: pro jišt ní elektrických obvod
se za ízeními, která zp sobují
proudové rázy (žárovkové skupiny, motory atd.), zkratová spouš
nastavena na (6 ÷ 9) I n
- charakteristika D: pro jišt ní elektrických obvod
se za ízeními, která zp sobují
vysoké proudové rázy (transformátory, 2-pólové motory atd.),
zkratová spouš nastavena na (12 ÷ 16) I n
Charakteristika jisti e tedy vypovídá o jeho schopnosti krátkodob odolávat p etížení
velikosti násobk
jmenovité hodnoty proudu. Graf závislosti rychlosti reakce tepelné a
zkratové spoušt jisti e na velikosti násobku nadproudu p ehledn ukazuje obrázek 3.6.
D ležitým parametrem jisti e je jeho vypínací schopnost. Je to maximální hodnota
zkratového proudu, kterou jisti dokáže vypnout. Modulární p ístroje o jmenovitých proudech
0,2 – 63A mají vypínací schopnost 6kA anebo 10kA, kompaktní jisti e o jmenovitých
proudech 100 – 1600A dosahují vypínací schopnosti až 200kA.
- 13 -
Elektrické p ístroje domovních rozvod
Jisticí p ístroje proti nadproudu a zkratu
Obr. 3.6 Graf charakteristik jisti
Vybavení jisti e je spojeno se vznikem oblouku, který se zapálí mezi pevným a
pohyblivým kontaktem (6,7). Opalovací plechy protahují oblouk a p ivád jí ho do zhášecí
komory. Ta je tvo ena adou ocelových plech
opat ených vhodn tvarovanými vý ezy.
Ho ící oblouk zmagnetuje plechy a je vtažen do zhášecí komory, kde se chladí a t íští se na
sérii krátkých oblouk až uhasne. Ionizovaný vzduch odchází pry p es deioniza ní m ížku.
T ífázový jisti je konstruován jako t i jednofázové jisti e se spole ným vybavova em.
To znamená, že i v p ípad poruchy jenom v jedné fázi jsou od zdroje vypojeny všechny t i
fáze najednou.
- 14 -
Elektrické p ístroje domovních rozvod
%
Jisti
&
Dopl kové ochrany rozvod nn
'
ani pojistka nevypínají, dokud nep eroste proud nad ur itou velkou mez.
Podmínkou tedy je malá impedance zkratové smy ky. Pokud dojde ke kontaktu lov ka
s živou nebo neživou ástí pod nap tím, je spojen se zemí p es velkou impedanci svého t la.
Jeho t lem sice protéká t eba i smrteln velký proud, pro vybavení jisti e ani pojistky to ale
zdaleka nesta í. Proto byly vyvinuty ochrany, které i tato rizika pokrývají a p i správném
zapojení zajistí v asné odpojení od zdroje.
# "
(
) $
Prvním z nich je proudový chráni ; anglicky „residual-current device“, neboli RCD.
Pracuje na principu Prvního Kirchhoffova zákona o proudu, který zní: „Sou et proud
vstupujících do uzlu se rovná sou tu proud
z uzlu vystupujících“ neboli, sou et všech
proud uzlem je roven nule, viz rovnice (3.1).
i
n =1
Ii = 0
(3.1)
Tento zákon nám tedy íká, že všechen proud, který do spot ebi e p ite e fázovým
vodi em, musí odtéci pracovním vodi em. Toto platí v bezporuchovém stavu. Pokud však
dojde nap íklad k zestárnutí izolace spot ebi e nebo jeho p ívodu, m že se ást proudu vracet
jinudy než pracovním vodi em, a to bu to vodi em ochranným nebo p ímo zemí. V takovém
p ípad není sou et proud vodi
L a N nulový. To je výchozí podmínka pro konstrukci
proudového chráni e.
Obrázek 3.7 ukazuje blokovou
konstrukci
t ífázového
1
3
5
7N
proudového
3
chráni e. Ke svorkám 1, 3 a 5 jsou
p ivedeny fázové vodi e a k svorce 7N
vodi
pracovní. Odpovídající vývody
4
2
6
jsou 2, 4, 6 a 8N. Všechny vodi e vedou
skrz toroidní jádro cívky (1) sou tového
1
5
transformátoru. Za normálního stavu je
sou et proud
2
4
6
8N
t mito vodi i nulový,
tedy i magnetický tok jádra bude roven
Obr. 3.7 Proudový chráni – konstrukce (blokov )
nule a tudíž i nap tí na sekundáru bude nulové. Pokud dojde k poruše a sou et proud tím
pádem bude r zný od nuly, indukuje se magnetický tok v cívce a na sekundáru se objeví
nap tí, které uvede v innost vybavovací diferenciální relé (2), které sepne spínací
- 15 -
Elektrické p ístroje domovních rozvod
Dopl kové ochrany rozvod nn
mechanismus (3) a ten odpojí všechny vodi e fázové i vodi pracovní od zdroje. Dále je
sou ástí každého proudového chráni e zkušební tla ítko (5), kterým uživatel testuje
minimáln jednou za p l roku správnou funkci ochrany. Test je možné provést pouze, je-li
p ístroj pod nap tím. Odpor (6) zkušebního obvodu je volen výrobcem tak, aby se dosáhlo
p ibližn 2,5 násobku udávané hodnoty reziduálního (rozdílového) proudu.
Rtest =
Uf
2,5 ⋅ I ∆n
, ( ;V,A)
(3.2)
Nap íklad pro proudový chráni s jmenovitým reziduálním proudem I∆n = 30mA je tedy
dle rovnice 3.2 požadovaná velikost odporu p ibližn Rtest = 3000Ω.
D ležitými hodnotami p ístroje jsou jmenovitý proud, velikost a tvar reziduálního
proudu, jmenovité nap tí a frekvence, vypínací doba, zkratová odolnost, teplota okolí – tyto
hodnoty výrobce uvádí v katalozích.
Proudové chráni e lze rozd lit podle tvaru reziduálního proudu:
- typ AC
reaguje
na
st ídavé
sinusové
reziduální
proudy
(použití
v klasických sítích domovních rozvod )
- typ A
reaguje na sinusové st ídavé a pulzující stejnosm rné proudy
(použití jako AC a v sítích s fázovou regulací výkonu atd.)
- typ B
reaguje jak na sinusový, tak na stejnosm rný proud (liší se
konstrukcí, jelikož stejnosm rný transformátor neexistuje)
Podle délky asového zpožd ní p i vypnutí potom rozlišujeme:
- typ 0
-
bez
asového zpožd ní p i vypnutí, instaluje se tam, kde je
žádoucí okamžité vypnutí p i výskytu chybového proudu, spl uje
podmínky ochrany osob p ed p ímým i nep ímým dotykem
- typ G
zpožd ní p i vypnutí 10ms, omezuje po et nežádoucích vypnutí,
instaluje se p edevším p ed za ízení zp sobující krátkodobé (do
10ms) chybové proudy
- typ S
zpožd ní p i vypnutí 40ms, je ur en p edevším k selektivnímu
azení proudových chráni
a k omezení po tu nežádoucích
vypnutí, instaluje se p ed za ízení zp sobující krátkodobé (do
40ms) chybové proudy
R zné hodnoty asového zpožd ní p i vypnutí dovolují vytvá ení kaskádních zapojení,
která umož ují selektivní vypínání. To znamená, že pokud jsou chráni e zapojeny v sérii,
- 16 -
Elektrické p ístroje domovních rozvod
Dopl kové ochrany rozvod nn
vybaví pouze ten p ístroj, který je nejblíže vzniku vybavovacího reziduálního proudu vlivem
poruchy v chrán ném okruhu rozvodu. Tím je v ostatních okruzích, které jsou bez poruchy,
zachována dodávka elektrické energie.
Takové
kaskádní
zapojení
získáme nap íklad, když selektivní
chráni
zapojíme p ed proudové
chráni e standardní nebo typu G,
jak
ukazuje
obrázek
3.8.
Podmínkou správného fungování
takového zapojení však je, že
jmenovitý
reziduální
proud
nad azeného selektivního chráni e
musí být alespo trojnásobn v tší
než jmenovité reziduální proudy
chráni
Hlavní
standardních nebo typu G.
p í inou
selektivního
) *
) *
Obr. 3.8 P íklad selektivního zapojení proudových chráni
odpojení je tedy v tší asové zpožd ní selektivního proudového chráni e.
Velmi astou chybou p i renovování zastaralých instalací je, že chráni není dostate n
p edjišt n, anebo že jisti chybí úpln . Proudový chráni v žádném p ípad nenahrazuje jisti
a pojistku, které nadále z stávají jedinou ochranou proti nadproudu a zkratu. V poslední dob
se ale objevily takzvané kombinované „jisti e-chráni e“. Vznikly z proudového chráni e
p idáním nadproudové ochrany. Tím p ibyla chráni i i funkce ochrany proti zkratu.
V nenáro ných instalacích tak je možné ušet it prostor i peníze a slou it tyto p ístroje v
jednotlivých okruzích do jednoho. Nevýhodou ale je, že p i výpadku není z ejmé, zda
vybavila ást jisti ová, nebo chráni ová, což m že znesnadnit odstra ování poruchy.
Další podstatné omezení ve využití proudových chráni
je, že m že být bezpe n
provozován v síti TN-S, p ípadn TN-C-S. V mnoha starých instalacích TN-C je tedy jeho
pozd jší instalace bez stavebních úprav tém
vylou ena. Pro správnou funkci je totiž nutné,
aby rozvod byl pro daný okruh proveden se samostatnými vodi i N a PE. Pokud je rozd lení
provedeno dodate n , musí být z d vodu bezpe nosti bod rozd lení
ádn
uzemn n.
Neodbornou instalací proudového chráni e „za každou cenu“ m že zp sobit více škody než
užitku. Pokud je proudový chráni nap íklad umíst n v síti TN-C a rozd lení vodi e PEN je
provedeno až p ímo na svorkách chráni e, dostane se po náhodném p erušení vodi e PEN
p ed chráni em p i zapnutém spot ebi i t ídy I plné fázové nap tí p ímo na kostru spot ebi e.
- 17 -
Elektrické p ístroje domovních rozvod
Dopl kové ochrany rozvod nn
Spot ebi se nerozb hne a p i dotyku kostry obsluhou dojde k zásahu proudem. Z hlediska
jisti e i chráni e je však vše v po ádku a ani jeden nevybaví. Na trhu jsou k dostání zásuvky
se zabudovaným proudovým chráni em ur ené pro použití ve stávajících sítích TN-C. Jejich
funkce však není jist tak spolehlivá a diskutabilní je i rozpor s normami.
Jedin d sledným dodržováním všech požadavk na správnou instalaci m že proudový
chráni podstatn zvýšit bezpe nost a ochranu lidského zdraví p i práci na elektrických
za ízeních.
+
, (
) $
Další dopl kovou ochranou je nap ový chráni ; anglicky „voltage protector“. Nap ový
chráni kontroluje výskyt nap tí na neživých ástech za ízení. Schéma popisuje obrázek 3.9.
L1
L2
L3
PEN
2
1
3
2
1
3
a)
b)
Obr. 3.9 Schema nap ového chráni e a) t ífázového, b) jednofázového
V p ípad poruchy, nap íklad pr razu izolace, se na kostru p ístroje dostane nebezpe né
nap tí. Cívka (1) elektromagnetické spoušt nap ového chráni e je trvale p ipojena na zem a
kostru chrán ného p ístroje. Spouš je velice citlivá a reaguje na nap tí ádov 10 – 20V. P i
poruše tedy okamžit odepíná všechny p ívodní vodi e (2) za ízení od zdroje. Podmínkou je,
aby zemn ní chráni e bylo provedeno odd len
od zemnicí soustavy sít . Na kvalitu
uzemn ní chráni e ovšem nejsou kladeny p íliš velké nároky, maximální hodnota zemnícího
odporu zajiš ující bezchybnou innost je 200Ω.
Stejn jako chráni proudový je i chráni nap ový opat en zkušebním tla ítkem (3),
kterým je t eba v p lro ních intervalech kontrolovat správnou funkci nap ového chráni e.
Princip testu je jednoduchý – tla ítkem se p ivede na kostru chrán ného p ístroje p es
- 18 -
Elektrické p ístroje domovních rozvod
Využití elektrických rozvod pro nesilové p enosy
p ed adný odpor nap tí na kostru za ízení. Je-li nap ový chráni funk ní, potom ihned
odepne za ízení od zdroje. Vypínány jsou stejn jako u proudového chráni e vždy všechny
p ívodní vodi e, tedy fázové i pracovní.
Nap ový chráni na rozdíl od proudového není b žnou výbavou domovních instalací.
Jeho použití je spíše u speciálních za ízení, kde je velmi nízká úrove izolace, nap íklad u
velmi výkonných elektrických pecí a jiných za ízení, kde kv li velkému výkonu nelze použít
jiných ochran.
Nap ový chráni nechrání ani proti zkratu ani proti p etížení. Je tedy nutné p ed adit mu
odpovídající jišt ní - jisti nebo pojistky.
-
.'"*
(
'
Elektrické rozvody domovních instalací jsou primárn navrženy pro bezchybný provoz
na jmenovitých hodnotách sít . Zvláštní situace nastává, když na p vodn
silové síti
provozujeme ješt jiný než silový p enos energie. Jedná se zejména o p enos informací na
vyšších frekvencích než je jmenovitá frekvence sít .
Dle [2] byly silové rozvody za tímto vedlejším ú elem využívány odedávna, a to zejména
za ú elem hromadného dálkového ovládání (tzv. HDO) a mezielektrárenské telefonie.
Koncem minulého století k t mto tradi ním zp sob m využití silových rozvod p ibyl ješt
vysokorychlostní p enos dat. Elektrické p ístroje nejsou pro takový p enos navrženy a na
vyšších frekvencích než jmenovitých vykazují pro signál nezanedbatelné útlumy.
Tabulka 3.1 ukazuje rozd lení jednotlivých frekven ních pásem.
Název pásma
podhovorové
Rozsah pásma
f < 300 Hz
hovorové
st edofrekven ní vysokofrekven ní
f = 300 Hz – 4 kHz
300 Hz – 2500 Hz
300 Hz – 3400 Hz
P íklady užívaných 0 Hz, 50 Hz
166 Hz, 217 Hz 316 Hz, 425 Hz
kmito t a pásem
1050 Hz
f = 4 –150 kHz
f > 150 kHz
3 – 95 kHz
9 – 95 kHz
95 – 148,5 kHz
40 kHz – 750 kHz
1 MHz – 30 MHz
Tabulka 3.1: Rozd lení p enosových kmito tových pásem na elektrických sítích
/
# 0
"
S rozvojem internetu a jeho masovým rozší ením nastává otázka drahé kabeláže, nutné
pro zasí ování dom a k vytvo ení p ístupových bod . Jedno z možných ešení spo ívá ve
využití stávající elektroinstalace jako p enosové cesty vysokofrekven ního signálu.
Powerline comunication (zkratka PLC),
esky: „p enos dat po elektrické síti“, je
vysokofrekven ní p enos informací po silových rozvodech. N kdy je týž systém p enosu
- 19 -
Elektrické p ístroje domovních rozvod
Powerline comunication
ozna ován zkratkou BPL – Broadband over Power Lines. V síti nízkého nap tí je provozován
v pásmu 1,6 – 13MHz pro venkovní (tzv. „outdoor“) p enos a v pásmu 15 – 38MHz pro
vnit ní (tzv. „indoor“) p enos v budovách. Jednotlivá využívaná pásma nosných frekvencí
názorn ukazuje následující obrázek 3.10.
Indoor
Outdoor
0
2,4
MHz
4,8
MHz
2
4
8,4
MHz
6
8
19,8
MHz
10
12
14
16
18
20
22,8
MHz
22
25,2
MHz
24
26
28
30
frekvence (MHz)
Obr. 3.10 Nosné frekvence PLC (BPL) pro Outdoor/Indoor
Signál PLC m že být do vedení injektován t emi r znými zp soby. Jedná se o
Conductive coupling (p ímé navázání), Inductive coupling (induktivní navázání) a Capacitive
coupling (kapacitní navázání). Jejich principy jsou znázorn ny na obrázku 3.11.
Conductive coupling
Inductive coupling
Capacitive coupling
PLC
modem
PLC
modem
PLC
modem
L
L
L
N
N
N
Obr. 3.11 Možné principy jak injektovat PLC signál do silových vedení
Silové kabely jsou navrženy pro co nejlepší p enos energie, nespl ují ovšem p edpoklady
pro p enos vysokofrekven ního signálu co se tý e elektromagnetické kompatibility. Jelikož
nejsou stín né, chovají se jako dobrá anténa a p enášený signál vyza ují do svého blízkého
okolí. To zp sobuje rušení a interferenci p edevším s radiovým p enosem v krátkovlnných
pásmech, která se nachází rovn ž mezi 1,5 – 30MHz. Pásma krátkých vln byly a jsou hojn
- 20 -
Elektrické p ístroje domovních rozvod
Powerline comunication
využívány po celém sv t pro r zné služby. Jedná se totiž o pásmo, ve kterém se radiové vlny
vlivem odraz atmosféry mohou ší it velmi dob e podél celé zem koule.
Mezi hlavní služby, které fungují v pásmu krátkých vln pat í:
vojenská komunikace
rozhlasové vysílání
letecké a námo ní služby
radionavigace
radiolokace
radioamatérská komunikace
Dalším velikým úskalím jsou parametry p enosových cest. Samotná vedení vykazují
velký útlum signálu, který se ješt
navíc m že
asov
m nit v závislosti na velikosti
p enášené silové energie. Tím se výrazn zkracuje dosah signálu oproti speciálním kabel m
koaxiálním nebo krouceným. Výrobci PLC modem uvádí b žný dosah signálu uvnit budov
v rozmezí od 50 až do 200m po kabelové cest .
asto je však v t chto úvahách zanedbáváno p ístrojové vybavení domovních rozvád
.
Elektrické p ístroje domovních rozvod na daných frekvencích už také p edstavují pro signál
výraznou bariéru a jejich útlum se negativn
projeví na možném dosahu a zejména
dosažitelných p enosových rychlostí. Práv b žné elektrické p ístroje a jejich p enosové
charakteristiky jsou p edm tem této bakalá ské práce.
- 21 -
Model instalace nízkého nap tí
Použité p ístroje
- 1
M ení p enosových charakteristik na reálné instalaci
domovního rozvodu by bylo zna n
komplikované. Pro
p iblížení takové situace byl navržen a sestrojen model
instalace. Použité p ístroje a vedení blíže popíši v této
kapitole.
-
# "*
!
Obr. 4.1 Jisti Schrack, typ BS
$
Použitý jisti
je od firmy Schrack, typ BS017101
charakteristiky C. Jedná se o b žný jednofázový jisti
modulární (jednopólový), s možností uchycení na DIN lištu.
Jmenovité nap tí Un = 230/400V AC, 50/60Hz, jmenovitý
proud In = 1A, vypínací schopnost 10kA.
-
# "
(
Proudový chráni
) $
je rovn ž od firmy Schrack, typ
BD094110. Jedná se o t ífázový selektivní proudový chráni
Obr. 4.2 Chráni Schrack, typ BD
typu S – zpožd ní p i vypínání 40ms (speciální pro použití s frekven ními m ni i), a typu A
(citlivý na sinusový st ídavý a na pulsní stejnosm rný proud), odolný proudovým ráz m až
5kA. Je to op t b žný p ístroj domovních rozvod . Tento modulární ty pólový p ístroj má
jmenovitý proud In = 40A a jmenovitý reziduální proud I∆n = 100mA.
-
$
První svodi p ep tí je od výrobce Schrack, typ AD2.
Tento ochranný svodi t ídy ochrany III zajiš uje p ep ovou
ochranu i t ch nejcitliv jších elektronických za ízení.
Instaluje se co nejblíže chrán nému spot ebi i nebo skupin
spot ebi . Je tvo en spodkem a dv ma samostatnými
vym nitelnými varistorovými vložkami L/N a PE/N. Vývody
pro vodi N jsou kv li snazší montáži standardn spojeny
propojovací lištou. Jmenovitý rázový svodový proud jedné
vložky je Isn = 2,5kA.
- 22 -
Obr. 4.3 Svodi p ep tí, typ AD2
Model instalace nízkého nap tí
-
-
Konstrukce modelu
$
Druhým svodi em je kompaktní jednopólový svodi
p ep tí rovn ž od firmy Schrack, typ IS010025. Tento p ístroj
se používá k ochran el. spot ebi
proti p ep ovým špi kám
vyvolaným nep ímým úderem blesku. Uvnit p ístroje je ZnO
varistor, tedy nap ov závislý odpor, který p i nár stu nap tí
sníží sv j odpor a tak spolu s impedancí p ívodní sít vytvá í
d li nap tí, který omezuje p ep tí. Jmenovitý impulsní proud
Isn = 25kA, reak ní doba 25ns, t ída ochrany II.
-
Obr. 4.4 Svodi p ep tí, typ IS
/ 2 3
Pro model instalace byl použit b žný silový kabel pro vnit ní rozvody o délce 10m,
ozna ení CYKY 3x1,5. Jedná se o t ížilový kabel v m di o pr ezu 1,5mm2, izolace PVC.
-
4 %5 )
Jako spot ebi
za kabelem bylo použito digitální
multifunk ní programovatelné asové relé Schrack, typ ZR3
68000. Používá se k r zným
k ovládání styka
ídícím funkcím, nap íklad
p i p epojování asynchronních motor
s kotvou nakrátko mezi zapojením do hv zdy a do
trojúhelníku. Napájecí nap tí DC 12V až 240V nebo AC 24V
Obr. 4.5 Digit. asové relé ZR3
až 240V.
-
6 +
)
#7
Jako druhý modelový spot ebi byl vybrán b žný napájecí zdroj z PC od výrobce Emko,
model JS-200 o výkonu 200W. Zdroj je typu ATX.
-
2
"
"
Návrh konstrukce a výroby modelu byl dle p edlohy od vedoucího této práce vytvo en
v programu AutoCAD. Prostor na podkladové d ev né desce o rozm rech 150cm x 30cm byl
rozd len do t ech funk ních ástí – ást „rozvád ovou“, kabelovou a zát žovou. P ístroje
v ásti rozvád ové i zát žové byly uchyceny pomocí DIN lišty. Kabel o délce 10m byl do
vymezeného prostoru na desce upevn n pomocí plastových kabelových montážních
p íchytek. Kabel bylo nutno sto it z d vodu ušet ení místa. Byl zvolen tvar bifilární smy ky.
Návrh modelu v etn výkresu pro montáž je uveden v p íloze.
- 23 -
Náhradní RLC obvody p ístroj
/ +)
/
897 3
M ení impedance p ístroj
'
1
P ístroje byly prom eny na moderním vysokofrekven ním m stku HP 4285A. M en
byl modul a fáze impedance všech výše uvedených p ístroj na rozsahu hodnot frekvence od
100kHz do 30 MHz.
P ístroje vykazovaly v zapnutém stavu r zné pr b hy, objevovaly se rezonance. Vypnuté
p ístroje se dle p edpokladu shodn chovají jako veliká kapacitní impedance.
/
.(
$
)
3
M ení prob hlo pomocí po íta ového rozhraní automaticky. Soubory hodnot byly
zpracovány do graf a na základ pr b h byla odhadnuta typová náhradní RLC schémata a
hodnoty náhradních obvod . Tyto hodnoty byly numericky zp esn ny pomocí programu
Mathematica 5.0. Tím bylo dosaženo veliké p esnosti parametr náhradních RLC obvod .
Numerické zp esn ní bylo vypo ítáváno metodou nejmenších tverc
tak, aby výsledné
hodnoty prvk náhradního obvodu vykazovaly co nejvíce odpovídající pr b h jako nam ené
hodnoty. Pr m rná relativní chyba se u v tšiny p ístroj pohybuje kolem 5%.
/
!
$
:; 6 ;
Frekven ní závislost modulu a fáze impedance m eného jisti e vykazovala
nejzajímav jší pr b h ze všech m ených p ístroj , viz graf 5.1.
Graf 5.1 Zm ená kmito tová charakteristika jisti e Schrack BS017101
- 24 -
Náhradní RLC obvody p ístroj
Výpo et náhradních obvod p ístroj
Z grafu nam ených hodnot vyplývají tyto p edpoklady pro náhradní schéma: bude se
jednat o paralelní spojení více RLC v tví. Jedna z nich je patrn RL, jelikož na nízkých
kmito tech se impedance blíží nule, druhá a t etí v tev bude RCL, protože se objevují dv
menší rezonance a poslední v tev bude obsahovat pouze kapacitor, to proto, že podstatná ást
m eného frekven ního rozsahu vykazuje tém
ist kapacitní impedanci.
První p iblížení pr b hu m lo za úkol co nejblíže odpovídat požadovaném tvaru a
vypadalo takto:
Graf 5.2 První modelové p iblížení kmito tové charakteristiky jisti e Schrack BS017101
Docílilo se správného tvaru pr b hu, zp esn ní dosáhneme numerikou.
První numerický výpo et vykazoval pr m rnou relativní chybu 3%, ale objevila se
záporná hodnota induk nosti L1. Byla ru n dosazena malá hodnota cívky L1 = 0,1 · 10-12 H
a numerický výpo et byl zopakován. Pr m rná relativní chyba vzrostla sice na 9%, ale pro
další kalkulace to bude dostate n p esný model.
1
R1
L1
C1
R2
L2
C2
R0
2
L0
C3
R0 = 7273,78
R1 = 7212,79
R2 = 7236,25
L0 = 7229,13 · 10-62 H
L1 = 7220,13 · 10-12 H
L2 = 7223,03 · 10-62 H
C1 = 7221,82 · 10-32 F
C2 = 7210,82 · 10-12 F
C3 = 7228,75 · 10-12 F
Obr. 5.3 Náhradní schema jisti e Schrack BS017101
- 25 -
Náhradní RLC obvody p ístroj
Výpo et náhradních obvod p ístroj
Pr b h modulu impedance výsledného náhradního schématu jisti e ukazuje graf 5.4.
Graf 5.4 Kmito tová charakteristika modelu jisti e Schrack BS017101
/
7 ) $
:%;<-
;
Zm eny byly nejprve samostatn charakteristiky pro zapojení svorek 1-2 (fázový vodi )
a 7N-8N (nulový vodi ) a poté dohromady pro smy kové zapojení 1-2-7N-8N.
Graf 5.5 Zm ená kmito tová charakteristika chráni e Schrack BD094110 (1-2)
Všechny pr b hy mají stejný charakter jaký ukazuje graf 5.5 pro zapojení svorek 1-2.
Fáze impedance se v celém m eném frekven ním pásmu výrazn nem ní a z stává tém
- 26 -
Náhradní RLC obvody p ístroj
Výpo et náhradních obvod p ístroj
ist induktivní, modul stoupá z nuly po p ímce. Jedná se tedy nutn o velmi jednoduché
náhradní schéma, a to pouze jednu cívku. To je zp sobeno p ítomností sou tové cívky uvnit
proudového chráni e, jak bylo popsáno v kapitole 3.2.1.
Prvním p iblížením byl odhad induk nosti dle rovnice 5.1:
Im{Z } Im{Z 30MHz }
=
2π ⋅ f
2π ⋅ 30 ⋅106
(5.1)
70, 7823
= 3, 755 ⋅10−7 H
6
2π ⋅ 30 ⋅10
(5.2)
L=
Po dosazení:
L=
Poté následoval zp es ující numerický výpo et.
Výsledná náhradní schemata ukazuje obrázek 5.6.
1
7N
1
L
L
L
2
L = 384,75 · 10-9 H
8N
L = 441,02 · 10-9 H
8N
L = 503,91 · 10-9 H
Obr. 5.6 Náhradní schema chráni e Schrack BD094110
Graf 5.7 Kmito tová charakteristika modelu chráni e Schrack BD094110
- 27 -
Náhradní RLC obvody p ístroj
/
Výpo et náhradních obvod p ístroj
$
U svodi e AD2 (t ída III) byly prom eny všechny kombinace zapojení, ili L-N, N-PE a
L-N-PE. Všechny vykazují podobný charakter jako ukazuje graf 5.8.
Graf 5.8 Zm ená kmito tová charakteristika svodi e p ep tí Schrack AD2 (L-N)
Impedance je na dolní frekvenci vysoká, poté klesá po hyperbole, v rezonanci jde tém
k nule a poté mírn stoupá po p ímce. Takový pr b h má sériový obvod RLC.
Induk nost se výrazn ji projeví až na horních kmito tech fh, kde už je impedance
kapacity zanedbatelná, takže odhad induk nosti vypo ítáme dle 5.3 takto
Im{Z h } Im{Z 30MHz }
=
2π ⋅ f h 2π ⋅ 30 ⋅106
(5.3)
44, 0908
= 233,91⋅10−9 H
2π ⋅ 30 ⋅106
(5.4)
L=
Po dosazení pro zapojení L-N:
L=
Hodnotu kapacity musíme p izp sobit rezonan nímu kmito tu, pro který v sériovém
obvodu RLC platí vztah 5.5.
f rez =
1
2π ⋅ L ⋅ C
, (Hz; H, F)
(5.5)
Hodnota rezonan ního kmito tu je dle grafu 5.8 rovna frez = 5,88·106 Hz. Odhad hodnoty
kapacity tedy je:
C=
1
1
=
= 3,132 ⋅10−9 F
2
2
2
6
−
9
4π ⋅ f rez ⋅ L 4π ⋅ ( 5,88 ⋅10 ) ⋅ 233,91⋅10
2
- 28 -
(5.6)
Náhradní RLC obvody p ístroj
Výpo et náhradních obvod p ístroj
Poté následoval numerický výpo et pro zp esn ní odhadnutých hodnot. Po numerickém
zp esn ní klesla pr m rná relativní chyba dokonce pod 1%.
Výsledná náhradní schemata (obr.5.9) a graf impedance (obr.5.10) modelu:
L
N
L
R
L
C
R
L
C
R
L
C
N
PE
PE
R=0
L = 248,32 · 10-9 H
C = 242,95 · 10-9 F
R=0
L = 244,99 · 10-9 H
C = 242,78 · 10-9 F
R=0
L = 253,60 · 10-9 H
C = 241,43 · 10-9 F
Obr. 5.9 Náhradní schema svodi e p ep tí Schrack AD2
Graf 5.10 Kmito tová charakteristika modelu svodi e p ep tí Schrack AD2 (L-N)
/
-
$
Svodi p ep tí typu ISO (t ída II) vykazoval shodné nam ené pr b hy jako svodi typu
AD2. Aproximace jeho náhradního obvodu v etn všech krok výpo tu je tedy analogická
s tímto p ístrojem. Rozdíl je pouze v tom, že se jedná o jednopólový p ístroj, tím pádem jeho
vypo ítané náhradní parametry vypadají tak, jak ukazuje obrázek 5.11. Jedná se o nejp esn jší
vypo ítanou aproximaci, pr m rná chyba po numerickém zp esn ní je 0,8%.
- 29 -
Náhradní RLC obvody p ístroj
L
Výpo et náhradních obvod p ístroj
R
L
C
N
R=0
L = 258,04 · 10-9 H
C = 245,19 · 10-9 F
Obr. 5.11 Náhradní schema svodi e p ep tí Schrack AD2
/
/ 2 3
7=2= > ?/
P enosové parametry silového kabelu jsem neprom il, ale vyšel jsem z výsledk
Ing.Ji ího Vodrážky, Ph.D., z Katedry telekomunika ní techniky
VUT, které uve ejnil
v lánku s názvem „Modelování vlastností silových vedení“ v roce 2006. V této práci se
zabýval m ením a modelováním t ížilových silových kabel
m d ný kabel s plným jádrem) o pr ezu vodi
CYKYLO (plochý silový
1,5 a 2,5mm2, dále t ížilových kabel CYKY
(silový m d ný kabel kruhového pr ezu s plným jádrem) o pr ezu vodi
dále p tižilový kabel CYKY o pr ezu vodi
2,5mm2.
1,5 a 2,5mm2 a
lánek obsahuje mimo jiné také
m ení primárních parametr silového vedení CYKY 3x1,5 v pásmu kmito t od 100kHz do
50MHz. Z teorie homogenního vedení víme, že mezi primární parametry vedení pat í odpor R
( ·km-1), induk nost L (H·km-1), kapacita C (F·km-1) a svod G (S·km-1). Jelikož jsou zde jako
výsledky uvedeny pouze grafy, musel jsem pr b hy hodnot aproximovat. K tomu jsem
v programu Mathematica využil funkci NonLinearFit.
1. Aproximace odporu vedení
Nejprve ode tu z grafu n kolik hodnot, vložím je do matice a v pam ti si vytvo ím
bodový graf. Do prom nných fmin a fmax si uložím horní a dolní mez frekvence.
dataKabelR
0, 100 , 1, 1000 , 2, 1400 , 3, 1700 , 4, 1950 , 5, 2200
a_, b_
a 107, b ;
plR1 ListPlot dataKabelR, AxesLabel
"f Hz ", "R km " ,
PlotJoined False, PlotStyle
Hue 0 , PointSize 0.02 ,
DisplayFunction Identity ;
fmin dataKabelR 1, 1 ;
fmax dataKabelR 1, 1 ;
.
Dále je nutné zvolit nejvhodn jší funkci k proložení získaných hodnot. Nejvhodn jší se
zdá závislost na odmocnin z frekvence. Ta samotná ale ješt nesta í, a proto p idám další
konstantu, ta však již na frekvenci nezávisí. Model tedy vypadá takto:
R ( f ) = k1 + k2 ⋅ f ,
- 30 -
(Ω ⋅ km −1 )
(5.7)
Náhradní RLC obvody p ístroj
Výpo et náhradních obvod p ístroj
Výpo et konstant k1 a k1 provedu v Mathematice funkcí NonLinearFit takto:
v i_ : i;
params expr_ : Cases expr, _, 0,
;
12
model v 1 v 2
f
;
nahrKabelR NonlinearFit dataKabelR, model, f, params model
Výsledná aproximace je
R ( f ) = 84,266 + 0,296 ⋅ f , (Ω ⋅ km −1 ).
(5.8)
Graf získaných hodnot i s proložením touto náhradní funkcí je na obrázku 5.12.
V programu Mathematica ho vytisknu použitím této syntaxe:
plR2 Plot nahrKabelR, f, fmin, fmax ,
AxesLabel
"f Hz ", "R km " ,
PlotStyle
GrayLevel 0.5 , Thickness 0.008 ,
DisplayFunction Identity,
PlotRange
0, 50 106 , 0, 4000 ;
plotikR Show plR2, plR1, DisplayFunction $DisplayFunction ;
Graf 5.12 Závislost odporu vedení na frekvenci
2. Aproximace induk nosti vedení
Jelikož grafem induk nosti je prostá konstanta, lze ji p ímo ode íst z grafu.
L ( f ) = 4,742
H ⋅ km −1
Z toho vyplývá, že je nezávislá na frekvenci.
- 31 -
(5.9)
Náhradní RLC obvody p ístroj
Výpo et náhradních obvod p ístroj
3. Aproximace kapacity vedení
Také graf kapacity je konstanta, tudíž op t nezávisí na frekvenci a je rovna
C ( f ) = 1,125
F ⋅ km −1.
(5.10)
4. Aproximace svodu vedení
Posledním parametrem je svod. Analogicky jako v p ípad odporu nejprve ode tu n kolik
hodnot, vytvo ím z nich matici a následn graf.
dataKabelG
0, 0 , 1, .175 , 2, .297 , 3, .4 , 4, .496 , 5, .574
.
7
a_, b_
a 10 , b ;
plG1 ListPlot dataKabelG, AxesLabel
"f Hz ", "G S km " ,
PlotJoined False, PlotStyle
Hue 0 , PointSize 0.02 ,
DisplayFunction Identity ;
fmin dataKabelG 1, 1 ;
fmax dataKabelG 1, 1 ;
Oproti závislosti odporu na frekvenci bude zde ke správnému proložení pot eba náhradní
rovnici rozší it ješt o lineární len. Tím p ibude další konstanta k3 a rovnice bude mít tvar:
G ( f ) = k1 + k2 ⋅ f + k3 ⋅ f ,
(S ⋅ km −1 ).
(5.11)
Výpo et konstant k1, k2 a k3 op t provedu funkcí NonLinearFit
v i_ : i;
params expr_ : Cases expr, _, 0,
;
12
model v 1 v 2
f
v 3 f;
nahrKabelG NonlinearFit dataKabelG, model, f, params model
Výsledkem je rovnice 5.12. Konstrukce grafu ode tených hodnot svodu a jejich proložení
následuje na obrázku 5.13.
(
)
G ( f ) = −1, 684 ⋅10−3 + 38, 675 ⋅10−6 ⋅ f + ( 6,18 ⋅10−9 ⋅ f ) ,
- 32 -
(S ⋅ km −1 ).
(5.12)
Náhradní RLC obvody p ístroj
Výpo et náhradních obvod p ístroj
plG2 Plot nahrKabelG, f, fmin, fmax ,
"f Hz ", "G S km " ,
AxesLabel
PlotStyle
GrayLevel 0.5 , Thickness 0.008 ,
DisplayFunction Identity, PlotRange
0, 50 106 , 0, 0.8
plotikG Show plG2, plG1, DisplayFunction $DisplayFunction ;
;
Graf 5.13 Závislost svodu vedení na frekvenci
Tím jsem si vytvo il náhradní rovnice pro všechny zmín né primární parametry kabelu
CYKY 3x1,5. Tyto parametry budou také dále použity k modelování p enos na laboratorním
p ípravku instalace nízkého nap tí, v kapitole 6 této práce.
/
4 %5 )
Zm ená impedance asového relé Schrack ZR368000 z stává v celém frekven ním
pásmu ist kapacitní. Modul klesá po hyperbole, fáze se nem ní, viz obrázek 5.14.
Graf 5.14 Zm ená kmito tová charakteristika digitálního relé Schrack ZR368000 (A1-A2)
- 33 -
Náhradní RLC obvody p ístroj
Výpo et náhradních obvod p ístroj
Tato charakteristika na první pohled budí pocit podstatné nesrovnalosti s fyzikální
podstatou b žného relé – tedy s faktem, že mezi svorkami A1-A2 je u b žného relé spínací
cívka. Tudíž impedance by m la mít zásadn opa ný charakter, než jaký ukazuje m ení.
Vysv tlit to lze tím, že se nejedná o b žné relé, ale o digitální p ístroj ve vypnutém stavu.
Spínací cívka se nachází uvnit a není p ímo zapojena na svorky A1 a A2. Místo ní jsou zde
logické obvody, které ídí chod relé podle zvoleného programu.
Odhad hodnoty kapacity vychází z p edpokladu, že kapacita se výrazn
projeví na
dolních kmito tech fd, takže dobrý odhad bude rovnice
C=
1
1
=
6
2π ⋅ f h ⋅ Im{Z d } 2π ⋅ 2, 6 ⋅10 ⋅ Im{Z 2,6MHz }
(5.13)
Po dosazení zm ené hodnoty vyjde odhad
C=
1
= 66,834 ⋅10−12 F.
6
2π ⋅ 2, 6 ⋅10 ⋅ 915,901
(5.14)
Po numerickém zp esn ní vyjde náhradní zapojení dle obrázku 5.15 a pr b h impedance
tohoto náhradního ovodu graf 5.16.
A1
C
A2
C = 295,28 · 10-12 F
Obr. 5.15 Náhradní schema digitálního relé Schrack ZR368000 (A1-A2)
Graf 5.16 Kmito tová charakteristika modelu digitálního relé Schrack ZR368000 (A1-A2)
- 34 -
Náhradní RLC obvody p ístroj
/
Výpo et náhradních obvod p ístroj
6 #7
Jedná se o standardní PC zdroj typu ATX. Je to spot ebi t ídy ochrany I, takže má
t ížilový p ívodní kabel. Prom eny a zpracovány byly všechny možné kombinace zapojení,
tedy L-N, L-PE a N-PE. Všechny vykazovaly obdobné nam ené pr b hy. Jako p íklad tu je
na obrázku 5.17 pr b h L-PE.
Graf 5.17 Zm ená kmito tová charakteristika PC zdroje EMKO JS-200 (L-PE)
Vidíme, že impedance je na dolním kmito tu vysoká, pak klesá po hyperbole. Rezonance
dosahuje na 21,2MHz, kde je impedance tém
nulová, a poté mírn stoupá po p ímce.
Náhradním obvodem tedy bude sériový obvod RLC.
Výpo et p ibližné hodnoty kapacity provedeme dosazením do výše odvozené rovnice
5.13.
C=
1
= 149,848 ⋅10−12 F
6
2π ⋅ 3,5 ⋅10 ⋅ 303, 459
(5.15)
Dále ze vzorce 5.5 odvodíme výpo et induk nosti a dosazením známé rezonan ní
frekvence a výsledku rovnice 5.15 dostaneme hodnotu
L=
1
1
=
= 376,111 ⋅10−9 H.
2
2
2
6
−
12
4π ⋅ f rez ⋅ C 4π ⋅ ( 21, 2 ⋅10 ) ⋅149,848 ⋅10
2
(5.16)
U ostatních zapojení (L-N a N-PE) byly nam eny velice podobné hodnoty, tudíž byl
aplikován stejný postup odhadu a výpo tu hodnot prvk . Numerickým výpo tem byly
dosaženy hodnoty, které shrnuje obrázek 5.18.
- 35 -
Náhradní RLC obvody p ístroj
L
N
L
Výpo et náhradních obvod p ístroj
R
L
C
R
L
C
R
L
C
N
PE
PE
R = 003,77 · 10-92
L = 334,59 · 10-92 H
C = 286,46 · 10-12 F
R = 004,19 · 10-92
L = 395,62 · 10-92 H
C = 142,46 · 10-12 F
R = 004,10 · 10-92
L = 383,12 · 10-92 H
C = 141,05 · 10-12 F
Obr. 5.18 Náhradní schema PC zdroje EMKO JS-200
Grafický pr b h modulu impedance vypo teného náhradního obvodu PC zdroje je na
obrázku 5.19.
Graf 5.19 Kmito tová charakteristika modelu PC zdroje EMKO JS-200 (L-PE)
- 36 -
Výpo et a m ení p enosu na modelu instalace
4 .( $
4
Popis m ení
"
"
#
V p edchozí kapitole jsem na základ zm ených pr b h modulu a fáze impedance
p ístroj vypo ítal jejich náhradní RLC obvody. Nyní pomocí t chto náhradních zapojení
vypo ítám p enosovou charakteristiku celého modelu instalace, který má simulovat reálné
zapojení domovního rozvodu nízkého nap tí. Vypo ítané pr b hy budou porovnány
s nam enými.
M ení na vyrobeném modelu instalace prob hlo v laborato i H108.
Schéma m ení ukazuje obrázek 6.1.
1.
L
2.
1
2
3
4
5
N
3.
7N
4.
5.
6.
L
6
8N
10m CYKY 3x1,5
PE
N
PE
7., 8.
Obr. 6.1 Schema m ení
Ve schematu jsou použity tyto p ístroje ( íslování odpovídá obrázku 6.1):
1. jisti Schrack BS017101, charakteristika C
2. proudový chráni Schrack BD094110
3. svodi p ep tí t ídy D Schrack AD2
4. svodi p ep tí kompaktní Schrack IS010025
5. b žný silový kabel CYKY 3x1,5 délka 10m
6. 200W PC zdroj typu ATX, EMKO model JS-200
7. styka Sprecher+Schuh model CA3-16
8. digitální asové relé Schrack ZR368000
- 37 -
Výpo et a m ení p enosu na modelu instalace
Naprázdno za p ístroji
Použité m ící p ístroje jsou tyto:
- generátor signálu Rhode&Schwarz SML 01, 9kHz-1,1GHz
- osciloskop Tektronix THS720P (napájený bateriemi)
Postup m ení
Generátor p ipojený na vstupní svorky L a N do obvodu p ivádí sinusový signál zvolené
frekvence v rozsahu od 0,1 do 30MHz. Amplituda signálu je nastavena tak, aby efektivní
hodnota nap tí vstupního signálu byla vždy rovna
U 0 RMS = 100 mV.
Bateriovým
osciloskopem Tektronix se v r zných místech schematu snímá hodnota p eneseného signálu
(velikost špi ka-špi ka). Z této hodnoty spo ítám efektivní hodnotu takto
U RMS =
U ŠŠ
2⋅ 2
(6.1)
P enos systému, resp. útlum, lze standardn vyjád it pomocí pom rné jednotky dB.
Útlum nap tí je definován
A = 20 ⋅ log
U1
U0
(dB; V, V),
(6.2)
kde U0 je hodnota vstupního a U1 hodnota výstupního nap tí.
Zm eno bylo celkem 5 pr b h
útlumu v t chto místech schematu: za p ístroji
naprázdno, p ístroje + kabel naprázdno, p ístroje + kabel + 3 r zné zát že (viz schema m ení
na obrázku 6.1).
4
+
)
Schema zapojení lze z p vodního schematu na obr.6.1 p ekreslit na základ znalosti
náhradních obvod p ístroj . Výsledkem bude náhradní schema pro toto m ení, jak ukazuje
obrázek 6.2.
Výpo ty budou provedeny op t pomocí software Mathematica 5. Pro snazší po ítání si
nejprve v programu zavedu funkci na výpo et sériových a paralelních impedancí. Všechny
impedance jsou funkcí frekvence.
ser : Plus # &;
par : Plus # 1
1
&;
- 38 -
Výpo et a m ení p enosu na modelu instalace
Naprázdno za p ístroji
Tyto funkce vyjad ují totéž co definice paralelního a seriového azení impedancí.
1.
2.
R1
C1
L1
R2
C2
L2
3.
4.
L4
L3
R3
C4
C5
C3
U1
U0
L6
L7
L5
Obr. 6.2 Náhradní schema m ení naprázdno (za p ístroji)
Nyní mám náhradní schema a mohu ho za ít zjednodušovat. Nejprve se tu impedance
jednotlivých paralelních v tví jisti e (1.), zavedu impedance z1, z2, z3 a z4.
1
z1 ser R1,
z2 ser R2,
2
2
2
z3 ser R3,
1
z4
;
2
f C3
1
f C1
,
,
f C2
f L3 ;
2
f L1 ;
2
f L2 ;
Paralelní kombinací z1, z2, z3 a z4 získám kone n celkovou impedanci jisti e z5, do
které je vhodné ješt zapo ítat i sériovou cívku L5 proudového chráni e (2.).
z5 ser par z1, z2, z3, z4 ,
1
2
f L4 ;
Svodi e p ep tí (3. a 4.) nahradím impedancemi z6 a z7.
z6 ser
z7 ser
1
2
2
1
f C4
f C5
,
2
f L6 ;
,
2
f L7 ;
- 39 -
Výpo et a m ení p enosu na modelu instalace
Impedance svodi
Naprázdno za p ístroji
p ep tí z6 a z7 se tu paraleln . Výsledkem je z8. Poslední, co
v obvodu zbývá, je druhá cívka proudového chráni e. Tu nahradím impedancí z9 a mohu ji
p i íst k z5.
z8 par z6, z7 ;
z9
2
f L5;
z10 ser z5, z9 ;
Tím jsem dosp l od náhradního schematu na obrázku 6.2 ke zjednodušenému
náhradnímu schematu, který je na následujícím obrázku 6.3.
z10
z8
U0
U1
Obr. 6.3 Zjednodušené náhradní schema m ení naprázdno (za p ístroji)
Mezi nap tím U0 a U1 platí tento vztah
U1 = U 0 ⋅
z8
z8 + z10
(6.3)
Ze vzorce 6.2 a 6.3 tedy plyne pro p enos následující výpo et
p enos1dB( f ) = 20 ⋅ log
z8( f )
z8( f ) + z10( f )
Stejný výpo et v syntaxi programu Mathematica vypadá takto:
z8
;
z8 z10
prenos1bB 20 Log 10, Abs prenos1 ;
prenos1
- 40 -
(6.4)
Výpo et a m ení p enosu na modelu instalace
Naprázdno za p ístroji
Graf pr b hu p enosu v mezích zkoumaných frekvencí, tedy od 0,1 do 30MHz,
dostaneme následujícím p íkazem.
prenos1list Table i, 1 prenos1bB . f
i, 0.1 106, 30. 106, 0.1 106 ;
i
1
,
prenos1graf ListPlot prenos1list,
AxesLabel
"f Hz ", "utlum A dB " , PlotJoined True,
Hue 1. , Thickness 0.004 , ImageSize 600,
PlotStyle
PlotLabel
StyleForm "MODEL: Útlum naprázdno za p ístroji bez kabelu ",
FontFamily "Arial", FontSize 12, FontWeight "Bold" ,
Frame False,
GridLines
Automatic, Dashing 0.005, 0.007 ,
Automatic, Dashing 0.005, 0.007
,
6
PlotRange
0, 30 10 , 0, 100 ;
Výsledek matematického výpo tu p enosu je graf 6.4.
Graf 6.4 Výpo et útlumu naprázdno za p ístroji
Na základ výsledku tohoto modelu lze p edpokládat, že pro signál v kmito tovém pásmu
p ibližn od 1 do 15MHz p edstavují použité p ístroje podstatnou bariéru. Provoz datových
p enos v této oblasti by byl zna n komplikovaný. Srovnejme nyní matematický model na
obrázku 6.4 se skute n nam eným pr b hem útlumu, který je na obrázku 6.5
- 41 -
Výpo et a m ení p enosu na modelu instalace
Útlum kabelu
Graf 6.5 Zm ený útlum naprázdno za p ístroji
Oba grafy 6.4 a 6.5 jsou na první pohled zna n odlišné. Musíme ovšem vzít v úvahu, že
p i m ení pr b hu nešlo danou metodou ode ítat vysoké hodnoty útlumu, které na
osciloskopu p edstavovaly p íliš nízké hodnoty nap tí. Proto nešlo s jistotou odm it útlum
v tší než 20dB. Podíváme-li se na oba grafy spíš z hlediska jejich trend , je již nesporná
souvislost vid t lépe. Oba pr b hy, jak odm ený tak matematický, stoupají od dolní hranice
frekvence stejným tempem, v pásmu od 1 do 15MHz vykazují velký útlum, poté klesají do
rezonan ní frekvence, která je p ibližn na 25MHz a poté op t útlum stoupá.
4
"
3 "
K výpo tu útlumu kabelového vedení zavádí teorie homogenního vedení veli inu m rná
míra p enosu, viz rovnice 6.5.
γ=
( R + jω L ) + ( G + jωC )
(Np; Ω, H, S, F)
(6.5)
Primární parametry kabelu R, L, G a C, které pot ebujeme pro výpo et m rné míry
p enosu, byly stanoveny v kapitole 5.2.5.
Dále je nutné si všimnout, že jednotkou m rné míry p enosu je Neper. Musíme tedy
provést p epo et na deciBell dle následujícího vztahu 6.6:
1dB =
ln 10
1
Np =
Np ≈ 0,115129Np
20
20 log10 e
- 42 -
(6.6)
Výpo et a m ení p enosu na modelu instalace
Útlum kabelu
Výpo et útlumu použitého kabelu bude tedy vypadat takto:
miraPrenosuKabelu
nahrKabelR
nahrKabelG
2
2
nahrKabelL
nahrKabelC ;
miraPrenosuKabeludB Abs miraPrenosuKabelu
Log 10
;
20
Graf pr b hu útlumu pro frekvence od 0,1 do 30MHz dostaneme následujícím p íkazem.
prenosKabelulist Table i, miraPrenosuKabeludB . f
i, 0.1 106, 30. 106, 0.1 106 ;
i
1
prenosKabeluTgraf ListPlot prenosKabelulist,
AxesLabel
"f Hz ", "utlum A dB " , PlotJoined True,
Hue 1. , Thickness 0.004 , ImageSize 600,
PlotStyle
PlotLabel
StyleForm "MODEL p es
: Útlum kabelu CYKY 3x1,5",
FontFamily "Arial", FontSize 12, FontWeight "Bold" ,
Frame False,
GridLines
Automatic, Dashing 0.005, 0.007 ,
Automatic, Dashing 0.005, 0.007
,
PlotRange
0, 30 106 , 0, 5 ;
Výsledek matematického výpo tu p enosu je graf 6.6.
Graf 6.6 Výpo et útlumu kabelu CYKY
- 43 -
,
Výpo et a m ení p enosu na modelu instalace
4-
+
)
Naprázdno s kabelem
3
Tento krok je výpo tov pouze sou et útlumu kabelu a p ístroj . V Mathematice to bude
tedy vypadat takto:
prenos2dB prenos1bB miraPrenosuKabeludB;
i 1
prenos2list Table i, prenos2dB . f
6
6
6
i, 0.1 10 , 30. 10 , 0.1 10 ;
,
Graf vypo ítaného pr b hu útlumu na obrázku 6.7 dostanu následující syntaxí.
prenos2graf ListPlot prenos2list,
AxesLabel
"f Hz ", "utlum A dB " , PlotJoined True,
PlotStyle
Hue 1. , Thickness 0.004 , ImageSize 600,
PlotLabel
StyleForm "MODEL: Útlum naprázdno za p ístroji s kabelem",
FontFamily "Arial", FontSize 12, FontWeight "Bold" ,
Frame False,
GridLines
Automatic, Dashing 0.005, 0.007 ,
Automatic, Dashing 0.005, 0.007
,
6
PlotRange
0, 30 10 , 0, 100 ;
Graf 6.7 Výpo et útlumu naprázdno s kabelem
Pro srovnání je na obrázku 6.8 odm ený pr b h útlumu. Od pr b hu 6.5 se p íliš neliší.
Je na n m ale patrný mírný posun rezonan ní frekvence na p ibližn 20MHz.
- 44 -
Výpo et a m ení p enosu na modelu instalace
Se zát ží
Graf 6.8 Zm ený útlum naprázdno s kabelem
4/
) *
Zát ží p ipojenou ke svorkám na konci kabelu byl styka , digitální relé a PC zdroj. Dá se
p edpokládat, že r zná zát ž r zn ovlivní i p enosové vlastnosti obvodu.
4/
' $
Styka byl mezi zát že p idán dodate n . Protože již poté nebyl prom en a vypo ítán
jeho náhradní RLC obvod, nelze s ním po ítat ani matematický model. Uvedu zde pouze graf
nam ených hodnot útlumu. Ten je na obrázku 6.9.
Graf 6.9 Zm ený útlum se styka em Sprecher+Schuh
- 45 -
Výpo et a m ení p enosu na modelu instalace
4/
Se zát ží
%5 )
Schema na obrázku 6.3 se rozší í o náhradní schema digitálního relé na výstupních
svorkách. Nové schema ukazuje následující obrázek 6.10, kde impednace z21 p edstavuje
práv tento náhradní obvod digitálního relé.
z10
z8
U0
z21
U1
Obr. 6.10 Zjednodušené náhradní schema m ení pro zát ž s digitálním relé
Výstupní nap tí U1 lze tedy vypo ítat analogicky dle vzorce 6.4 s tím rozdílem, že
impedance zát že bude paralelní kombinace z8 a z21. Do výpo tu útlumu je nutné jako
v p edchozím p ípad
zapo ítat také útlum kabelu v dB. Syntaxe t chto matematických
operací je následující.
par z8, z21
;
z10 par z8, z21
prenos3bB 20 Log 10, Abs prenos3
prenos3
miraPrenosuKabeludB;
Graf vypo ítaného pr b hu útlumu na obrázku 6.11 získám takto
prenos3list Table i, 1 prenos3bB . f
i, 0.1 106, 30. 106, 0.1 106 ;
i
1
,
prenos3graf ListPlot prenos3list,
AxesLabel
"f Hz ", "utlum A dB " , PlotJoined True,
PlotStyle
Hue 1. , Thickness 0.004 , ImageSize 600,
PlotLabel
StyleForm "MODEL: Utlum pri zatezi : digi rele Schrack",
FontFamily "Arial", FontSize 12, FontWeight "Bold" ,
Frame False,
GridLines
Automatic, Dashing 0.005, 0.007 ,
Automatic, Dashing 0.005, 0.007
,
6
PlotRange
0, 30 10 , 0, 100 ;
- 46 -
Výpo et a m ení p enosu na modelu instalace
Se zát ží
Graf 6.11 Výpo et útlumu pro zát ž s digitálním relé Schrack
Graf nam ených hodnot útlumu se stejnou zát ží je na obrázku 6.12.
Graf 6.12 Zm ený útlum s digitálním relé Schrack
Zde je vid t, že ani srovnání trend
obou graf
se zcela neshoduje. Na nízkých
frekvencích je v trendu shoda, ale na vyšších frekvencích se p i m ení neprojevila rezonance
tak výrazn , jak by odpovídalo matematickému modelu. Lze íci, že nam ený pr b h
vykazuje v celém rozsahu útlum minimáln 10dB, s výjimkou dolní kmito tové meze.
- 47 -
Výpo et a m ení p enosu na modelu instalace
4/
Se zát ží
#7
Výpo et p enosu pro zát ž s PC zdrojem je podobný jako pro digitální relé. Tentokrát
k p vodnímu schematu z obrázku 6.3 p ibyde k výstupu paralelní impedance z20, která
p edstavuje vypo ítané náhradní schema PC zdroje, tedy seriový rezonan ní obvod RLC.
Výsledné schema je na obrázku 6.13.
z10
z8
U0
z20
U1
Obr. 6.13 Zjednodušené náhradní schema m ení pro zát ž s PC zdrojem
Výpo et výstupního nap tí i útlumu je zcela shodné s postupem výpo tu v p edchozí
kapitole 6.5.2.
Výsledný graf útlumu ukazuje obrázek 6.14, zm ený pr b h potom obrázek 6.15.
Graf 6.14 Výpo et útlumu pro zát ž s PC zdrojem Emko
Vypo ítaný pr b h lze s nam eným op t srovnat pouze podle trend . Na nižších
kmito tech jsou zachyceny porovnatelné trendy. Od 20MHz výše není mezi zm eným a
- 48 -
Výpo et a m ení p enosu na modelu instalace
Se zát ží
vypo ítaným pr b hem patrná shoda. V obou p ípadech, kdy byl obvod zatížen, se tyto
pr b hy zna n lišily práv na vyšších kmito tech. Dobrou shodu lze zachytit na dolní
frekvenci 0,1MHz, kde útlum nejprve nar stá. Poté z stává vysoký a pak klesá až na
p ibližnou rezonan ní frekvenci kolem 20MHz.
Graf 6.15 Zm ený útlum s PC zdrojem Emko
- 49 -
Záv r
Se zát ží
6 @)
V teoretické
ásti této bakalá ské práce jsem shrnul základní vlastnosti a principy
p ístroj používaných k jišt ní a chrán ní sítí nízkého nap tí. Tyto p ístroje se nacházejí
v každém b žném domovním elektrickém rozvodu. D vodem je zejména ochrana zdraví
obsluhy a také prevence proti možným požár m a jiným haváriím, které mohou být
zp sobeny nesprávným zacházením anebo poruchou na elektrickém za ízení.
Ve druhé polovin teoretické ásti je rozebrána možnost využití silových elektrických
rozvod pro p enos dat ve form vysokofrekven ního signálu. Tento p enos je ozna ován
zkratkou PLC anebo BPL. V poslední dob je tato možnost využití metalických vedení asto
diskutována. Ov ení možnosti využití této technologie je hlavním pilí em této práce.
Praktická ást této práce je pon kud rozsáhlejší a jejím cílem je práv zmi ované ov ení
možnosti p enosu dat po elektrickém rozvodu. Byl navržen a sestrojen laboratorní model ásti
domovní instalace nízkého nap tí. Ten je osazen b žnými p ístroji domovních rozvod a lze
na n m odm it útlum vysokofrekven ního signálu na jeho jednotlivých ástech.
Jednotlivé p ístroje byly nejprve zkoumány diskrétn . Z nam ených pr b h závislosti
impedance na frekvenci byly navrženy a vypo ítány matematické modely p ístroj pomocí
náhradních sério-paralelních RLC obvod . Díky správným odhad m náhradních obvod a
díky výkonným numerickým metodám zp es ování hodnot RLC prvk bylo dosaženo velmi
p esných model . Tyto modely lze aplikovat p i dalších možných výpo tech. Metoda
získávání matematických model p ístroj , popsaná v této bakalá ské práci, je použitelná i na
širokou škálu dalších jiných elektrických p ístroj .
Další výpo ty se týkaly již sestav použitých p ístroj . Byly spo ítány matematické
modely p enos jednotlivých konfigurací zapojení použitých p ístroj . Všechny výpo ty a
numerické operace jsou zpracovány v moderním výpo tovém programu Mathematica 5 od
firmy Wolfram Research. Jedná se o silný a výkonný nástroj k provád ní matematických
výpo t pomocí po íta e.
Nakonec prob hla na sestrojeném modelu domovní instalace p ímá m ení útlumu
signálu pro porovnání s p edpokládanými vypo ítanými hodnotami. Porovnání obou pr b h
ukazuje, že s p ihlédnutím na zvolenou metodu m ení se zm ené a vypo tené
charakteristiky v mnohém shodují. Trendy obou pr b h odpovídají. Na dolní mezi m eného
kmito tového pásma útlum rychle roste, poté klesá až k rezonan nímu kmito tu, který se u
všech m ení pohyboval kolem 20 až 25 MHz. Z tohoto hlediska lze íci, že frekven ní
pásma, na kterých je provozován p enos PLC (BPL) uvit budov (Indoor), jsou zvolena ve
- 50 -
Záv r
Se zát ží
správné oblasti, tedy tam, kde je útlum na instalaci domovních rozvod nejmenší. Provedená
m ení i modelový výpo et jsou v tomto záv ru zajedno.
Rozdíly mezi m ením a výpo tem jsou zp sobeny nep esnostmi v provedených
m eních. P i vysokofrekven ních m eních se také negativn
projevuje zejména
nehomogenita vedení a odrazy signálu. Zp esn ní vypo ítaných hodnot by bylo dosaženo,
pokud by do modelu byly zapo ítány také instala ní svorky, upev ovací DIN lišty a jiné
prvky, které byly z d vodu zjednodušení v tomto modelu zanedbány.
Rozší ením této práce a dobrým podkladem k získání lepšího ov ení použitelnosti PLC
(BPL) by mohlo být m ení na reálné domovní instalaci, kde se krom p ístroj
také
negativn projeví odbo ky a v tvení elektrických rozvod .
Další podstatné zlepšení by p ineslo m ení chybovosti datového p enosu, namísto
pouhého m ení útlumu. Bylo by k tomu pot eba nejmén dvou PLC modem a alespo dvou
PC. Chybovost p enosu výrazn snižuje p enosovou rychlost dat, která je v dnešní dob
prvo adým požadavkem na jakýkoli moderní datový p enos.
- 51 -
Literatura
Literatura
[1] norma SN 33 0010 (Elektrická za ízení, Rozd lení a pojmy)
[2] Doc.Ing.J. Svoboda,CSc.: PLC – p enosové systémy po energetických vedeních, 2007
[3] Doc.Ing.František Fencl, CSc.: Elektrický rozvod a rozvodná za ízení, VUT 2006
[4] M.Cipra, M.K íž, V.K la: Úvod do elektrotechniky, VUT 2004
[5] Ing. Ji í Vodrážka, Ph.D.: lánek - Modelování vlastností silových vedení, 2006
[6] http://www.oez.cz - webové stránky firmy OEZ Letohrad
[7] http://www.moeller.cz – webové stránky firmy Moeller Pardubice
[8] http://www.elektrika.cz – elektrotechnický portál o silnoproudé elektrotechnice
[9] odborný asopis Elektro
- 52 -
P ílohy
P ílohy
P íloha 1 – Schema laboratorního modelu domovní instalace nízkého nap tí
- 53 -
P ílohy
P íloha 2 – Schema montáže laboratorního modelu
- 54 -
P ílohy
P íloha 3 – CD s podklady k této bakalá ské práci
obsah CD:
- elektronická podoba této práce ve formátu PDF
- soubory z programu Mathematica 5 se všemi výpo ty
- datové soubory s hodnotami z jednotlivých m ení
- schemata laboratorního modelu v programu AutoCad 2006
- fotodokumentace laboratorního modelu a m ení
- 55 -