Jak funguje a funguje ochrana proti zkratu

Pojem «zkrat» v elektrotechnice označuje nouzový provoz zdrojů napětí. Vyskytuje se při narušení technologických procesů přenosu energie, kdy jsou výstupní svorky zkratovány (zkrat) pracovního generátoru nebo chemického prvku.

V tomto případě je na zkrat okamžitě aplikován plný výkon zdroje. Protékají jím obrovské proudy, které mohou spálit zařízení a způsobit zranění elektrickým proudem blízkým lidem. K zastavení rozvoje takových incidentů se používají speciální ochrany.

Jaké jsou typy zkratů

Přirozené elektrické anomálie

Objevují se při výbojích blesku doprovázených silný blesk.

Zdrojem jejich vzniku jsou vysoké potenciály statické elektřiny různého znamení a velikosti, akumulované mraky, když je přemisťuje vítr na velké vzdálenosti. V důsledku přirozeného ochlazování, jak stoupá do výšky, vlhkost v mracích kondenzuje a tvoří déšť.

Vlhké prostředí má nízký elektrický odpor, který vytváří průraz vzduchové izolace pro průchod proudu ve formě blesku.

Elektrický výboj klouže mezi dvěma objekty různého potenciálu:

• na blížící se mraky;

• mezi bouřkovým mrakem a zemí.

První typ blesku je pro letadla nebezpečný a výboj do země může zničit stromy, budovy, průmyslová zařízení, nadzemní elektrické vedení. K ochraně před ním jsou instalovány hromosvody, které postupně plní následující funkce:

1. přijímání, přitahování potenciálu blesku do speciálního svodiče;

2. průchod přijímaného proudu vedením do uzemňovacího obvodu budovy;

3. vybití vysokonapěťového výboje z tohoto obvodu do zemního potenciálu.

Zkraty ve stejnosměrných proudech

Galvanické zdroje napětí nebo usměrňovače vytvářejí rozdíl v kladném a záporném potenciálu výstupních kontaktů, který za normálních podmínek zajišťuje činnost obvodu, například žhavení žárovky z baterie, jak je znázorněno na obrázku níže.

Elektrické procesy probíhající v tomto případě jsou popsány matematickým výrazem Ohmův zákon pro úplný obvod.

Elektromotorická síla zdroje je rozložena tak, aby vytvořila zátěž ve vnitřních a vnějších obvodech překonáním jejich odporů «R» a «r».

V nouzovém režimu dojde ke zkratu s velmi nízkým elektrickým odporem mezi svorkami baterie «+» a «-», který prakticky přeruší tok proudu ve vnějším obvodu a deaktivuje tuto část obvodu. Proto s ohledem na nominální mód můžeme předpokládat, že R = 0.

Veškerý proud cirkuluje pouze ve vnitřním obvodu, který má malý odpor a je určen vzorcem I = E / r.

Protože se velikost elektromotorické síly nezměnila, hodnota proudu velmi prudce roste. Takový zkrat protéká zkratovacím drátem a vnitřní smyčkou a způsobuje v nich enormní vývin tepla a následné poškození konstrukce.

Zkraty ve střídavých obvodech

Všechny elektrické procesy jsou zde také popsány působením Ohmova zákona a probíhají podle podobného principu. Charakteristiky jejich průchodu vyžadují:

• použití jednofázových nebo třífázových sítí s různými konfiguracemi;

• přítomnost zemní smyčky.

Typy zkratů ve střídavých obvodech

Zkratové proudy se mohou objevit mezi:

• fáze a zem;

• dvě různé fáze;

• dvě různé fáze a uzemnění;

• tři fáze;

• tři fáze a zem.

Pro přenos elektřiny přes nadzemní elektrické vedení mohou energetické systémy používat jiné schéma neutrálního připojení:

1. izolovaný;

2. hluchozemně.

V každém z těchto případů si zkratové proudy vytvoří svou vlastní cestu a budou mít jinou hodnotu. Proto se při vytváření konfigurace proudové ochrany pro ně berou v úvahu všechny výše uvedené možnosti pro sestavení elektrického obvodu a možnost zkratových proudů v nich.

Zkrat může nastat i u spotřebičů elektřiny, například elektromotoru. V jednofázových konstrukcích může fázový potenciál prorazit izolační vrstvu do pouzdra nebo nulového vodiče.U třífázových elektrických zařízení může dojít k další poruše mezi dvěma nebo třemi fázemi nebo mezi jejich kombinacemi s rámem / zemí.

Ve všech těchto případech, stejně jako v případě zkratu ve stejnosměrných obvodech, protéká vytvořeným zkratem a celým obvodem připojeným ke generátoru zkratový proud velmi velké velikosti, což způsobí nouzový režim.

Aby se tomu zabránilo, používají se ochrany, které automaticky odstraňují napětí ze zařízení vystavených zvýšeným proudům.

Jak zvolit provozní limity ochrany proti zkratu

Všechny elektrické spotřebiče jsou konstruovány tak, aby spotřebovávaly určité množství elektřiny ve své napěťové třídě. Je akceptováno hodnotit zátěž nikoli podle výkonu, ale podle proudu. Jednodušší je měřit, kontrolovat a vytvářet ochranu proti němu.

Obrázek ukazuje grafy proudů, které se mohou vyskytnout v různých režimech provozu zařízení. U nich se volí parametry pro nastavení a nastavení ochranných zařízení.

Graf v hnědé barvě ukazuje sinusový průběh jmenovitého režimu, který je zvolen jako výchozí při návrhu elektrického obvodu s přihlédnutím k výkonu elektroinstalace a výběru proudových ochran.

Průmyslová frekvenční sinusovka 50 hertzů v tomto režimu je vždy stabilní a perioda jednoho úplného kmitu nastává v čase 0,02 sekundy.

Sinusovka provozního režimu je na obrázku znázorněna modře. Obvykle je menší než nominální harmonická. Lidé zřídkakdy plně využijí všechny rezervy své přidělené kapacity.Například, pokud v místnosti visí pětiramenný lustr, pak je pro osvětlení často zahrnuta jedna skupina žárovek: dvě nebo tři, ne všech pět.

Aby elektrospotřebiče při jmenovité zátěži spolehlivě pracovaly, vytvářejí malou proudovou rezervu pro nastavení ochran. Velikost proudu, při které se přizpůsobí vypnutí, se nazývá žádaná hodnota. Po dosažení spínače odpojí napětí ze zařízení.

V rozsahu sinusových amplitud mezi jmenovitým režimem a nastavenou hodnotou obvod pracuje v režimu mírného přetížení.

Možná časová charakteristika poruchového proudu je v grafu znázorněna černě. Jeho amplituda přesahuje nastavení ochrany a frekvence oscilací se dramaticky změnila. Obvykle má aperiodický charakter. Každá půlvlna se mění ve velikosti a frekvenci.

Algoritmus nadproudové ochrany

Každá ochrana proti zkratu zahrnuje tři hlavní fáze provozu:

1. neustálé sledování stavu hlídané proudové sinusoidy a stanovení okamžiku poruchy;

2. rozbor situace a vydání příkazu výkonnému orgánu z logické části;

3. uvolnění napětí ze zařízení pomocí spínacích zařízení.

V mnoha zařízeních se používá další prvek — zavedení zpoždění odezvy. Používá se k zajištění principu selektivity ve složitých, rozvětvených obvodech.

Protože sinusovka dosáhne své amplitudy za čas 0,005 sec, je tato perioda minimálně nezbytná pro její měření ochranami. Další dvě fáze práce se také neprovádějí okamžitě.

Z těchto důvodů je celková doba provozu nejrychlejších proudových ochran o něco kratší než perioda jednoho harmonického kmitu 0,02 sec.

Konstrukční prvky ochrany proti zkratu

Elektrický proud protékající každým vodičem způsobuje:

• tepelné zahřívání vodiče;

• směrování magnetického pole.

Tyto dvě akce jsou brány jako základ pro návrh ochranných zařízení.

Proudová ochrana

Tepelný účinek proudu, který popsali vědci Joule a Lenz, se využívá k ochraně pojistek.

Ochranka

Je založena na instalaci pojistky v proudové cestě, která optimálně odolává jmenovité zátěži, ale při překročení vyhoří a přeruší obvod.

Čím vyšší je hodnota nouzového proudu, tím rychleji se vytvoří přerušení obvodu - odstranění napětí. Pokud je proud mírně překročen, může se po dlouhé době vypnout.

Pojistky úspěšně fungují v elektronických zařízeních, elektrických zařízeních automobilů, domácích spotřebičích, průmyslových zařízeních do 1000 voltů. Některé z jejich modelů se používají v obvodech vysokonapěťových zařízení.

Ochrana založená na principu elektromagnetického ovlivnění proudu

Princip indukce magnetického pole kolem vodiče s proudem umožnil vytvořit obrovskou třídu elektromagnetických relé a spínačů pomocí vypínací cívky.

Jeho cívka je umístěna na jádru — magnetickém obvodu, ve kterém jsou magnetické toky přidávány z každého závitu. Pohyblivý kontakt je mechanicky spojen s kotvou, která je kyvnou částí jádra. Silou pružiny je přitlačován proti nehybnému kontaktu.

Jmenovitý proud protékající závity spirálové cívky vytváří magnetický tok, který nemůže překonat sílu pružiny. Kontakty jsou proto trvale uzavřeny.

V případě nouzových proudů je kotva přitahována ke stacionární části magnetického obvodu a přeruší obvod vytvořený kontakty.

Jeden z typů jističů pracujících na bázi odstranění elektromagnetického napětí z chráněného obvodu je na fotografii.

Používá:

• automatické vypínání nouzových režimů;

• elektrický obloukový hasicí systém;

• manuální nebo automatický start.

Digitální ochrana proti zkratu

Všechny výše popsané ochrany pracují s analogovými hodnotami. Kromě toho se v poslední době v průmyslu a zejména v energetice na základě práce aktivně zavádějí digitální technologie mikroprocesorová zařízení a statická relé. Pro potřeby domácnosti se vyrábějí stejná zařízení se zjednodušenými funkcemi.

Měření velikosti a směru proudu procházejícího chráněným obvodem je prováděno vestavěným snižovacím transformátorem proudu s vysokou přesností. Jím měřený signál je digitalizován superpozicí vysokofrekvenční obdélníkové pulsy podle principu amplitudové modulace.

Poté přechází k logické části ochrany mikroprocesoru, která pracuje podle určitého, předem nakonfigurovaného algoritmu. V případě nouzových situací vydá logika zařízení příkaz vypínacímu akčnímu členu, aby odpojil napětí ze sítě.

Pro ochranný provoz se používá napájecí zdroj, který odebírá napětí ze sítě nebo autonomních zdrojů.

Digitální ochrana proti zkratu má velké množství funkcí, nastavení a schopností až po registraci havarijního stavu sítě a jejího režimu vypnutí.