Kako radi i radi zaštita od kratkog spoja

Pojam «kratki spoj» u elektrotehnici odnosi se na hitan rad izvora napona. Javlja se u slučaju kršenja tehnoloških procesa prijenosa energije, kada su izlazni terminali kratko spojeni (kratki spoj) radnog generatora ili kemijskog elementa.

U tom slučaju, puna snaga izvora odmah se primjenjuje na kratki spoj. Kroz njega teku jake struje koje mogu spaliti opremu i uzrokovati električne ozljede ljudima u blizini. Kako bi se spriječio razvoj takvih incidenata, koriste se posebne zaštite.

Koje su vrste kratkih spojeva

Prirodne električne anomalije

Pojavljuju se tijekom pražnjenja munje praćenih snažna munja.

Izvori njihova nastanka su visoki potencijali statičkog elektriciteta različitih predznaka i veličina, akumulirani u oblacima kada ih vjetar premješta na velike udaljenosti. Kao rezultat prirodnog hlađenja, dok se diže u visinu, vlaga u oblacima se kondenzira, stvarajući kišu.

Vlažna okolina ima nizak električni otpor, što stvara proboj zračne izolacije za prolaz struje u obliku munje.

Električno pražnjenje klizi između dva objekta različitih potencijala:

• na nadolazećim oblacima;

• između grmljavinskog oblaka i zemlje.

Prva vrsta munje je opasna za zrakoplove, a pražnjenje na tlo može uništiti drveće, zgrade, industrijske objekte, nadzemne dalekovode. Za zaštitu od njega ugrađeni su gromobrani koji sukcesivno obavljaju sljedeće funkcije:

1. primanje, privlačenje potencijala munje na poseban odvodnik;

2. prolaz primljene struje kroz vod do kruga uzemljenja zgrade;

3. pražnjenje visokonaponskog pražnjenja iz ovog kruga na potencijal uzemljenja.

Kratki spojevi u istosmjernim strujama

Galvanski izvori napona ili ispravljači stvaraju razliku u pozitivnim i negativnim potencijalima izlaznih kontakata, što u normalnim uvjetima osigurava rad kruga, na primjer, sjaj žarulje iz baterije, kao što je prikazano na donjoj slici.

Električni procesi koji se odvijaju u ovom slučaju opisani su matematičkim izrazom Ohmov zakon za kompletan krug.

Elektromotorna sila izvora raspoređuje se tako da stvara opterećenje u unutarnjim i vanjskim krugovima svladavanjem njihovih otpora «R» i «r».

U nuždi dolazi do kratkog spoja s vrlo niskim električnim otporom između izvoda baterije «+» i «-», što praktički prekida protok struje u vanjskom krugu, deaktivirajući ovaj dio kruga. Stoga, s obzirom na nominalni mod, možemo pretpostaviti da je R = 0.

Sva struja cirkulira samo u unutarnjem krugu, koji ima mali otpor i određuje se formulom I = E / r.

Budući da se veličina elektromotorne sile nije promijenila, vrijednost struje vrlo naglo raste. Takav kratki spoj teče kroz žicu kratkog spoja i unutarnju petlju, uzrokujući ogromno stvaranje topline u njima i naknadno oštećenje strukture.

Kratki spojevi u strujnim krugovima izmjenične struje

Svi električni procesi ovdje su također opisani djelovanjem Ohmovog zakona i odvijaju se po sličnom principu. Karakteristike njihovog prolaska zahtijevaju:

• korištenje jednofaznih ili trofaznih mreža s različitim konfiguracijama;

• prisutnost petlje uzemljenja.

Vrste kratkih spojeva u strujnim krugovima izmjenične struje

Struje kratkog spoja mogu se pojaviti između:

• faza i uzemljenje;

• dvije različite faze;

• dvije različite faze i uzemljenje;

• tri faze;

• tri faze i zemlja.

Za prijenos električne energije preko nadzemnih elektroenergetskih vodova, elektroenergetski sustavi mogu koristiti drugačiju neutralnu shemu spajanja:

1. izoliran;

2. gluho utemeljen.

U svakom od ovih slučajeva struje kratkog spoja formirat će vlastiti put i imati različitu vrijednost. Stoga se sve gore navedene opcije za sastavljanje električnog kruga i mogućnost struja kratkog spoja u njima uzimaju u obzir pri izradi konfiguracije strujne zaštite za njih.

Do kratkog spoja može doći i kod potrošača električne energije, primjerice elektromotora. U jednofaznim strukturama, fazni potencijal može probiti izolacijski sloj do kućišta ili neutralnog vodiča.U trofaznoj električnoj opremi može se pojaviti dodatni kvar između dvije ili tri faze ili između njihovih kombinacija s okvirom / uzemljenjem.

U svim tim slučajevima, kao iu slučaju kratkog spoja u istosmjernim krugovima, struja kratkog spoja vrlo velike veličine protjecat će kroz formirani kratki spoj i cijeli krug spojen s njim na generator, uzrokujući hitni način rada.

Kako bi se to spriječilo, koriste se zaštite koje automatski uklanjaju napon s opreme izložene povećanim strujama.

Kako odabrati radne granice zaštite od kratkog spoja

Svi električni uređaji konstruirani su za potrošnju određene količine električne energije u svom naponskom razredu. Prihvaćeno je procijeniti opterećenje ne snagom, već strujom. Lakše ga je mjeriti, kontrolirati i stvoriti zaštitu od njega.

Na slici su prikazani grafikoni struja koje se mogu pojaviti u različitim načinima rada opreme. Za njih se odabiru parametri za podešavanje i podešavanje zaštitnih uređaja.

Grafikon smeđe boje prikazuje sinusni val nominalnog načina rada, koji je odabran kao početni u dizajnu električnog kruga, uzimajući u obzir snagu ožičenja i odabir strujnih zaštitnih uređaja.

Sinusni val industrijske frekvencije 50 herca u ovom načinu rada uvijek je stabilan, a period jednog potpunog titraja događa se u vremenu od 0,02 sekunde.

Sinusni val načina rada prikazan je plavom bojom na slici. Obično je manji od nazivnog harmonika. Ljudi rijetko u potpunosti koriste sve rezerve dodijeljenog kapaciteta.Na primjer, ako u sobi visi luster s pet krakova, tada se za rasvjetu često uključuje jedna grupa žarulja: dvije ili tri, a ne svih pet.

Kako bi električni uređaji radili pouzdano pri nazivnom opterećenju, stvaraju malu rezervu struje za podešavanje zaštite. Količina struje pri kojoj se prilagođavaju za isključivanje naziva se zadana vrijednost. Kada se dosegnu, prekidači uklanjaju napon iz opreme.

U području sinusoidalnih amplituda između nominalnog načina rada i zadane vrijednosti, krug radi u načinu rada s blagim preopterećenjem.

Moguća vremenska karakteristika struje kvara prikazana je na grafikonu crnom bojom. Njegova amplituda premašuje zaštitnu postavku, a frekvencija osciliranja dramatično se promijenila. Obično je aperiodične prirode. Svaki poluval mijenja veličinu i frekvenciju.

Algoritam prekostrujne zaštite

Svaka zaštita od kratkog spoja uključuje tri glavne faze rada:

1. stalno praćenje stanja nadzirane strujne sinusoide i određivanje trenutka kvara;

2. analiza stanja i izdavanje zapovijedi izvršnom tijelu iz logičkog dijela;

3. oslobađanje napona iz opreme pomoću rasklopnih uređaja.

U mnogim uređajima koristi se još jedan element — uvođenje odgode vremena odziva. Koristi se za pružanje principa selektivnosti u složenim, razgranatim krugovima.

Budući da sinusni val postiže svoju amplitudu u vremenu od 0,005 sekundi, to je razdoblje potrebno barem za njegovo mjerenje zaštitama. Sljedeće dvije faze rada također se ne izvode odmah.

Iz tih razloga ukupno vrijeme rada najbržih strujnih zaštita je nešto manje od perioda jednog harmonijskog titranja od 0,02 sec.

Konstruktivne značajke zaštite od kratkog spoja

Električna struja koja teče kroz svaku žicu uzrokuje:

• toplinsko zagrijavanje vodiča;

• usmjeravanje magnetskog polja.

Ove dvije radnje su uzete kao osnova za projektiranje zaštitnih uređaja.

Strujna zaštita

Toplinski učinak struje, koji su opisali znanstvenici Joule i Lenz, koristi se za zaštitu osigurača.

Zaštitar

Temelji se na ugradnji osigurača u strujni put, koji optimalno podnosi nazivno opterećenje, ali izgara kada se prekorači, prekidajući strujni krug.

Što je veća vrijednost struje u nuždi, to se brže stvara prekid strujnog kruga - uklanjanje napona. Ako je struja malo prekoračena, može se isključiti nakon dužeg vremena.

Osigurači uspješno rade u elektroničkim uređajima, električnoj opremi automobila, kućanskih aparata, industrijskih uređaja do 1000 volti. Neki od njihovih modela koriste se u krugovima visokonaponske opreme.

Zaštita na principu elektromagnetskog utjecaja struje

Načelo induciranja magnetskog polja oko žice kojom teče struja omogućilo je stvaranje ogromne klase elektromagnetskih releja i sklopki pomoću okidačke zavojnice.

Njegova zavojnica nalazi se na jezgri — magnetskom krugu u koji se iz svakog zavoja dodaju magnetski tokovi. Pokretni kontakt je mehanički povezan s armaturom, koja je njihajući dio jezgre. Pritišće se na nepomični kontakt silom opruge.

Nazivna struja koja teče kroz zavoje spiralne zavojnice stvara magnetski tok koji ne može nadvladati silu opruge. Stoga su kontakti trajno zatvoreni.

U slučaju hitnih struja, armatura se privlači na nepomični dio magnetskog kruga i prekida strujni krug koji stvaraju kontakti.

Na fotografiji je prikazan jedan od tipova prekidača koji rade na temelju uklanjanja elektromagnetskog napona iz zaštićenog kruga.

Koristi:

• automatsko isključivanje hitnih načina rada;

• sustav za gašenje električnog luka;

• ručni ili automatski start.

Digitalna zaštita od kratkog spoja

Sve gore spomenute zaštite rade s analognim vrijednostima. Osim ovih, u posljednje vrijeme u industriji, a posebno u energetskom sektoru, aktivno se uvode digitalne tehnologije temeljene na radu mikroprocesorski uređaji i statičkih releja. Za potrebe kućanstva proizvode se isti uređaji s pojednostavljenim funkcijama.

Mjerenje veličine i smjera struje koja prolazi kroz štićeni krug provodi se pomoću ugrađenog silaznog strujnog transformatora s visokim stupnjem točnosti. Njime izmjereni signal digitalizira se superpozicijom visokofrekventni pravokutni impulsi prema principu amplitudne modulacije.

Zatim se prelazi na logički dio zaštite mikroprocesora koji radi po određenom, unaprijed konfiguriranom algoritmu. U slučaju izvanrednih situacija, logika uređaja izdaje naredbu pokretaču isključivanja za uklanjanje napona iz mreže.

Za zaštitni rad koristi se jedinica za napajanje koja uzima napon iz mreže ili autonomnih izvora.

Digitalna zaštita od kratkog spoja ima velik broj funkcija, postavki i mogućnosti sve do registracije hitnog stanja mreže i njezinog isključivanja.