Jak działa i działa zabezpieczenie przeciwzwarciowe

Termin „zwarcie” w elektrotechnice odnosi się do awaryjnego działania źródeł napięcia. Występuje w przypadku naruszenia procesów technologicznych przesyłu energii, gdy zaciski wyjściowe są zwarte (zwarcie) pracującego generatora lub pierwiastka chemicznego.

W takim przypadku pełna moc źródła jest natychmiast przykładana do zwarcia. Przepływają przez nią ogromne prądy, które mogą spalić sprzęt i spowodować obrażenia elektryczne u znajdujących się w pobliżu osób. Aby powstrzymać rozwój takich incydentów, stosuje się specjalne zabezpieczenia.

Jakie są rodzaje zwarć

Naturalne anomalie elektryczne

Pojawiają się podczas wyładowań atmosferycznych, którym towarzyszą potężna błyskawica.

Źródłem ich powstawania są wysokie potencjały elektryczności statycznej o różnych znakach i wielkościach, gromadzone przez chmury przenoszone przez wiatr na duże odległości. W wyniku naturalnego ochłodzenia, gdy podnosi się na wysokość, wilgoć w chmurach skrapla się, tworząc deszcz.

Wilgotne środowisko ma niski opór elektryczny, co powoduje uszkodzenie izolacji powietrznej dla przepływu prądu w postaci wyładowań atmosferycznych.

Wyładowanie elektryczne przesuwa się między dwoma obiektami o różnych potencjałach:

• na zbliżających się chmurach;

• między chmurą a ziemią.

Pierwszy rodzaj wyładowań atmosferycznych jest niebezpieczny dla statków powietrznych, a wyładowania do ziemi mogą niszczyć drzewa, budynki, obiekty przemysłowe, napowietrzne linie energetyczne. Aby się przed nim zabezpieczyć, instalowane są piorunochrony, które kolejno pełnią następujące funkcje:

1. odbieranie, przyciąganie potencjału pioruna do specjalnego ogranicznika;

2. przejście odbieranego prądu przewodem do obwodu uziemiającego budynku;

3. rozładowanie wyładowania wysokiego napięcia z tego obwodu do potencjału ziemi.

Zwarcia w prądach stałych

Galwaniczne źródła napięcia lub prostowniki powodują różnicę potencjałów dodatnich i ujemnych styków wyjściowych, co w normalnych warunkach zapewnia działanie obwodu, np. świecenie żarówki z akumulatora, jak pokazano na poniższym rysunku.

Zachodzące w tym przypadku procesy elektryczne są opisane wyrażeniem matematycznym Prawo Ohma dla kompletnego obwodu.

Siła elektromotoryczna źródła jest rozdzielana w celu wytworzenia obciążenia w obwodach wewnętrznych i zewnętrznych poprzez pokonanie ich rezystancji „R” i „r”.

W trybie awaryjnym dochodzi do zwarcia o bardzo małej rezystancji elektrycznej między zaciskami „+” i „-” akumulatora, co praktycznie odcina przepływ prądu w obwodzie zewnętrznym, dezaktywując tę ​​część obwodu. Dlatego w odniesieniu do modu nominalnego możemy założyć, że R = 0.

Cały prąd krąży tylko w obwodzie wewnętrznym, który ma mały opór i jest określony wzorem I = E / r.

Ponieważ wielkość siły elektromotorycznej nie uległa zmianie, wartość prądu wzrasta bardzo gwałtownie. Takie zwarcie przepływa przez przewód zwierający i pętlę wewnętrzną, powodując w nich wydzielanie się ogromnego ciepła i późniejsze uszkodzenia konstrukcji.

Zwarcia w obwodach prądu przemiennego

Wszystkie procesy elektryczne są tutaj również opisane przez działanie prawa Ohma i przebiegają według podobnej zasady. Charakterystyka ich przejścia wymaga:

• wykorzystanie sieci jednofazowych lub trójfazowych o różnych konfiguracjach;

• obecność pętli uziemienia.

Rodzaje zwarć w obwodach prądu przemiennego

Prądy zwarciowe mogą wystąpić między:

• faza i ziemia;

• dwie różne fazy;

• dwie różne fazy i uziemienie;

• trzy fazy;

• trzy fazy i uziemienie.

Do przesyłania energii elektrycznej przez napowietrzne linie elektroenergetyczne systemy elektroenergetyczne mogą wykorzystywać inny schemat połączeń neutralnych:

1. odizolowany;

2. głucho uziemiony.

W każdym z tych przypadków prądy zwarciowe będą tworzyć własną ścieżkę i mieć inną wartość. Dlatego wszystkie powyższe opcje montażu obwodu elektrycznego i możliwość wystąpienia w nich prądów zwarciowych są brane pod uwagę przy tworzeniu dla nich konfiguracji ochrony prądowej.

Zwarcie może również wystąpić w odbiornikach energii elektrycznej, na przykład w silniku elektrycznym. W konstrukcjach jednofazowych potencjał fazowy może przebić się przez warstwę izolacyjną do obudowy lub przewodu neutralnego.W trójfazowych urządzeniach elektrycznych dodatkowa usterka może wystąpić między dwiema lub trzema fazami lub między ich kombinacjami z ramą / uziemieniem.

We wszystkich tych przypadkach, podobnie jak w przypadku zwarcia w obwodach prądu stałego, prąd zwarciowy o bardzo dużej wartości przepłynie przez utworzone zwarcie i cały obwód podłączony do niego do generatora, powodując tryb awaryjny.

Aby temu zapobiec stosuje się zabezpieczenia, które automatycznie usuwają napięcie z urządzeń narażonych na zwiększone prądy.

Jak wybrać granice działania zabezpieczenia przed zwarciem

Wszystkie urządzenia elektryczne są zaprojektowane do zużywania określonej ilości energii elektrycznej w swojej klasie napięcia. Przyjmuje się ocenę obciążenia nie według mocy, ale według prądu. Łatwiej jest mierzyć, kontrolować i tworzyć zabezpieczenia przed nim.

Na rysunku przedstawiono wykresy prądów, które mogą wystąpić w różnych trybach pracy urządzenia. Dla nich wybierane są parametry ustawiania i ustawiania urządzeń ochronnych.

Wykres w kolorze brązowym pokazuje sinusoidę trybu nominalnego, który jest wybierany jako początkowy w projekcie obwodu elektrycznego, biorąc pod uwagę moc okablowania i dobór urządzeń zabezpieczających prąd.

Sinusoida o częstotliwości przemysłowej 50 Hz w tym trybie jest zawsze stabilna, a okres jednej pełnej oscylacji przypada na czas 0,02 sekundy.

Sinusoida trybu pracy jest pokazana na rysunku w kolorze niebieskim. Zwykle jest mniejsza niż nominalna harmoniczna. Ludzie rzadko wykorzystują w pełni wszystkie rezerwy przydzielonej im mocy.Na przykład, jeśli w pokoju wisi pięcioramienny żyrandol, często do oświetlenia dołączana jest jedna grupa żarówek: dwie lub trzy, a nie wszystkie pięć.

Aby urządzenia elektryczne działały niezawodnie przy obciążeniu znamionowym, tworzą niewielką rezerwę prądu do ustawiania zabezpieczeń. Wielkość prądu, przy której dostosowują się do wyłączenia, nazywana jest wartością zadaną. Po osiągnięciu przełączniki odłączają napięcie od sprzętu.

W zakresie amplitud sinusoidalnych pomiędzy trybem nominalnym a zadanym obwód pracuje w trybie lekkiego przeciążenia.

Możliwa charakterystyka czasowa prądu zwarciowego jest pokazana na wykresie w kolorze czarnym. Jego amplituda przekracza ustawienie ochrony, a częstotliwość oscylacji zmieniła się dramatycznie. Zwykle ma charakter aperiodyczny. Każda półfala zmienia wielkość i częstotliwość.

Algorytm zabezpieczenia nadprądowego

Każde zabezpieczenie zwarciowe obejmuje trzy główne etapy działania:

1. stałe monitorowanie stanu monitorowanej sinusoidy prądu i określanie momentu wystąpienia awarii;

2. analiza sytuacji i wydanie polecenia organowi wykonawczemu z części logicznej;

3. uwolnienie napięcia z urządzeń za pomocą urządzeń przełączających.

W wielu urządzeniach stosowany jest jeszcze jeden element — wprowadzenie opóźnienia czasu reakcji. Służy do zapewnienia zasady selektywności w złożonych, rozgałęzionych obwodach.

Ponieważ sinusoida osiąga swoją amplitudę w czasie 0,005 s, okres ten jest co najmniej niezbędny do jej pomiaru przez zabezpieczenia. Kolejne dwa etapy prac również nie są realizowane od razu.

Z tych powodów łączny czas działania najszybszych zabezpieczeń prądowych jest nieco krótszy od okresu jednej harmonicznej oscylacji 0,02 sek.

Cechy konstrukcyjne zabezpieczenia przed zwarciem

Prąd elektryczny płynący przez każdy przewód powoduje:

• ogrzewanie termiczne przewodnika;

• kierowania polem magnetycznym.

Te dwa działania są traktowane jako podstawa do projektowania urządzeń ochronnych.

Bieżąca ochrona

Efekt termiczny prądu, opisany przez naukowców Joule'a i Lenza, służy do ochrony bezpieczników.

Ochroniarz

Polega na zainstalowaniu w torze prądowym bezpiecznika, który optymalnie wytrzymuje obciążenie nominalne, ale po przekroczeniu przepala się, przerywając obwód.

Im wyższa wartość prądu awaryjnego, tym szybciej powstaje przerwa - usunięcie napięcia. Jeśli prąd zostanie nieznacznie przekroczony, może się wyłączyć po dłuższym czasie.

Bezpieczniki z powodzeniem pracują w urządzeniach elektronicznych, wyposażeniu elektrycznym samochodów, AGD, urządzeniach przemysłowych do 1000 woltów. Niektóre z ich modeli są stosowane w obwodach urządzeń wysokiego napięcia.

Ochrona oparta na zasadzie elektromagnetycznego wpływu prądu

Zasada indukowania pola magnetycznego wokół przewodu z prądem umożliwiła stworzenie ogromnej klasy przekaźników i przełączników elektromagnetycznych z wykorzystaniem cewki wyzwalającej.

Jego cewka znajduje się na rdzeniu — obwodzie magnetycznym, w którym z każdego zwoju dodawane są strumienie magnetyczne. Ruchomy styk jest mechanicznie połączony ze zworą, która jest wahliwą częścią rdzenia. Jest dociskany do styku stacjonarnego siłą sprężyny.

Prąd znamionowy przepływający przez zwoje cewki spiralnej wytwarza strumień magnetyczny, który nie jest w stanie pokonać siły sprężyny. Dlatego styki są trwale zamknięte.

W przypadku prądów awaryjnych twornik jest przyciągany do nieruchomej części obwodu magnetycznego i przerywa obwód utworzony przez styki.

Na zdjęciu jeden z typów wyłączników działających na zasadzie usuwania napięcia elektromagnetycznego z zabezpieczanego obwodu.

To używa:

• automatyczne wyłączanie trybów awaryjnych;

• system gaszenia łuku elektrycznego;

• start ręczny lub automatyczny.

Cyfrowe zabezpieczenie przed zwarciem

Wszystkie omówione powyżej zabezpieczenia działają z wartościami analogowymi. Oprócz tego w ostatnim czasie w przemyśle, a zwłaszcza w energetyce, aktywnie wprowadzane są technologie cyfrowe w oparciu o pracę urządzenia mikroprocesorowe i przekaźniki statyczne. Te same urządzenia o uproszczonych funkcjach są produkowane na potrzeby gospodarstwa domowego.

Pomiar wielkości i kierunku prądu przepływającego przez zabezpieczany obwód jest realizowany przez wbudowany przekładnik prądowy obniżający napięcie z dużą dokładnością. Zmierzony przez niego sygnał jest przetwarzany na postać cyfrową przez superpozycję prostokątne impulsy o wysokiej częstotliwości zgodnie z zasadą modulacji amplitudy.

Następnie przechodzi do części logicznej ochrony mikroprocesora, która działa według określonego, wstępnie skonfigurowanego algorytmu. W sytuacjach awaryjnych układ logiczny urządzenia wydaje do siłownika wyłączającego polecenie usunięcia napięcia z sieci.

Do pracy ochronnej wykorzystywany jest zasilacz pobierający napięcie z sieci lub źródeł autonomicznych.

Cyfrowe zabezpieczenie przeciwzwarciowe posiada ogromną liczbę funkcji, ustawień i możliwości aż do rejestracji stanu awaryjnego sieci i jej stanu wyłączenia.