Ako funguje a funguje ochrana proti skratu

Termín "skrat" v elektrotechnike sa vzťahuje na núdzovú prevádzku zdrojov napätia. Vyskytuje sa pri porušení technologických procesov prenosu energie, keď sú výstupné svorky skratované (skrat) pracovného generátora alebo chemického prvku.

V tomto prípade sa na skrat okamžite aplikuje plný výkon zdroja. Pretekajú ním obrovské prúdy, ktoré môžu spáliť zariadenie a spôsobiť zranenie osôb v blízkosti elektrickým prúdom. Na zastavenie vývoja takýchto incidentov sa používajú špeciálne ochrany.

Aké sú typy skratov

Prírodné elektrické anomálie

Objavujú sa pri výbojoch blesku sprevádzaných silný blesk.

Zdrojom ich vzniku sú vysoké potenciály statickej elektriny rôznych znakov a veľkostí, nahromadené mrakmi, keď ich vietor presúva na veľké vzdialenosti. V dôsledku prirodzeného ochladzovania, keď stúpa do výšky, vlhkosť v oblakoch kondenzuje a vytvára dážď.

Vlhké prostredie má nízky elektrický odpor, čo spôsobuje porušenie vzduchovej izolácie pre prechod prúdu vo forme blesku.

Elektrický výboj kĺže medzi dvoma objektmi s rôznym potenciálom:

• na blížiace sa oblaky;

• medzi búrkovým mrakom a zemou.

Prvý typ blesku je pre lietadlá nebezpečný a výboj do zeme môže zničiť stromy, budovy, priemyselné zariadenia, nadzemné elektrické vedenia. Na ochranu pred ním sú nainštalované bleskozvody, ktoré postupne vykonávajú tieto funkcie:

1. prijímanie, priťahovanie bleskového potenciálu do špeciálneho zvodiča;

2. prechod prijatého prúdu cez vedenie do uzemňovacieho obvodu budovy;

3. vybitie vysokonapäťového výboja z tohto obvodu na potenciál zeme.

Skraty v jednosmerných prúdoch

Galvanické zdroje napätia alebo usmerňovače vytvárajú rozdiel v kladnom a zápornom potenciáli výstupných kontaktov, ktorý za normálnych podmienok zabezpečuje činnosť obvodu, napríklad žiara žiarovky z batérie, ako je znázornené na obrázku nižšie.

Elektrické procesy prebiehajúce v tomto prípade sú opísané matematickým výrazom Ohmov zákon pre úplný obvod.

Elektromotorická sila zdroja je rozložená na vytvorenie záťaže vo vnútorných a vonkajších obvodoch prekonaním ich odporov «R» a «r».

V núdzovom režime dôjde ku skratu s veľmi nízkym elektrickým odporom medzi svorkami batérie «+» a «-», ktorý prakticky preruší tok prúdu vo vonkajšom obvode a deaktivuje túto časť obvodu. Preto vzhľadom na nominálny režim môžeme predpokladať, že R = 0.

Všetok prúd cirkuluje iba vo vnútornom obvode, ktorý má malý odpor a je určený vzorcom I = E / r.

Keďže sa veľkosť elektromotorickej sily nezmenila, hodnota prúdu sa veľmi prudko zvyšuje. Takýto skrat preteká skratovacím drôtom a vnútornou slučkou a spôsobuje v nich enormný vývin tepla a následné poškodenie konštrukcie.

Skraty v striedavých obvodoch

Všetky elektrické procesy sú tu tiež opísané fungovaním Ohmovho zákona a prebiehajú podľa podobného princípu. Charakteristiky ich prechodu vyžadujú:

• použitie jednofázových alebo trojfázových sietí s rôznymi konfiguráciami;

• prítomnosť uzemňovacej slučky.

Typy skratov v striedavých obvodoch

Skratové prúdy sa môžu vyskytnúť medzi:

• fáza a zem;

• dve rôzne fázy;

• dve rôzne fázy a uzemnenie;

• tri fázy;

• tri fázy a zem.

Na prenos elektriny cez nadzemné elektrické vedenia môžu energetické systémy používať inú schému neutrálneho pripojenia:

1. izolovaný;

2. hlucho uzemnený.

V každom z týchto prípadov si skratové prúdy vytvoria svoju vlastnú cestu a budú mať inú hodnotu. Preto sa pri vytváraní konfigurácie prúdovej ochrany berú do úvahy všetky vyššie uvedené možnosti zostavenia elektrického obvodu a možnosť skratových prúdov v nich.

Skrat môže nastať aj u spotrebičov elektriny, napríklad elektromotora. V jednofázových konštrukciách môže fázový potenciál preniknúť cez izolačnú vrstvu do krytu alebo neutrálneho vodiča.V trojfázovom elektrickom zariadení sa môže vyskytnúť dodatočná porucha medzi dvoma alebo tromi fázami alebo medzi ich kombináciami s rámom / zemou.

Vo všetkých týchto prípadoch, ako v prípade skratu v jednosmerných obvodoch, cez vytvorený skrat a celý obvod pripojený k generátoru pretečie skratový prúd veľmi veľkej veľkosti, čo spôsobí núdzový režim.

Aby sa tomu zabránilo, používajú sa ochrany, ktoré automaticky odstraňujú napätie zo zariadení vystavených zvýšeným prúdom.

Ako zvoliť prevádzkové limity ochrany proti skratu

Všetky elektrické spotrebiče sú konštruované tak, aby spotrebovali určité množstvo elektriny vo svojej napäťovej triede. Je akceptované hodnotiť zaťaženie nie podľa výkonu, ale podľa prúdu. Je jednoduchšie ho merať, kontrolovať a vytvárať proti nemu ochranu.

Na obrázku sú znázornené grafy prúdov, ktoré sa môžu vyskytnúť v rôznych režimoch prevádzky zariadenia. Pre nich sa vyberajú parametre nastavenia a nastavenia ochranných zariadení.

Graf hnedej farby zobrazuje sínusovú vlnu nominálneho režimu, ktorý je zvolený ako počiatočný pri návrhu elektrického obvodu, berúc do úvahy výkon elektroinštalácie a výber prúdových ochranných zariadení.

Priemyselná frekvenčná sínusová vlna 50 hertzov v tomto režime je vždy stabilný a perióda jednej kompletnej oscilácie nastáva v čase 0,02 sekundy.

Sínusový priebeh prevádzkového režimu je na obrázku znázornený modrou farbou. Zvyčajne je menšia ako nominálna harmonická. Ľudia málokedy naplno využijú všetky rezervy im pridelenej kapacity.Napríklad, ak v miestnosti visí päťramenný luster, potom je na osvetlenie často zahrnutá jedna skupina žiaroviek: dve alebo tri, nie všetkých päť.

Aby elektrospotrebiče pri menovitej záťaži spoľahlivo pracovali, vytvárajú malú prúdovú rezervu pre nastavenie ochrán. Množstvo prúdu, pri ktorom sa prispôsobia vypnutiu, sa nazýva požadovaná hodnota. Po dosiahnutí spínača odpojí napätie zo zariadenia.

V rozsahu sínusových amplitúd medzi nominálnym režimom a nastavenou hodnotou obvod pracuje v režime mierneho preťaženia.

Možná časová charakteristika poruchového prúdu je v grafe znázornená čiernou farbou. Jeho amplitúda presahuje nastavenie ochrany a frekvencia oscilácií sa dramaticky zmenila. Zvyčajne má aperiodický charakter. Každá polvlna sa mení vo veľkosti a frekvencii.

Algoritmus nadprúdovej ochrany

Každá ochrana proti skratu zahŕňa tri hlavné fázy prevádzky:

1. neustále sledovanie stavu sledovanej prúdovej sínusoidy a určenie momentu poruchy;

2. rozbor situácie a vydanie príkazu výkonnému orgánu z logickej časti;

3. uvoľnenie napätia zo zariadenia pomocou spínacích zariadení.

V mnohých zariadeniach sa používa ďalší prvok — zavedenie oneskorenia odozvy. Používa sa na zabezpečenie princípu selektivity v zložitých, rozvetvených obvodoch.

Keďže sínusová vlna dosiahne svoju amplitúdu za čas 0,005 s, táto perióda je minimálne potrebná na jej meranie ochranami. Ďalšie dve etapy práce sa tiež nevykonávajú okamžite.

Z týchto dôvodov je celkový prevádzkový čas najrýchlejších prúdových ochrán o niečo kratší ako perióda jedného harmonického kmitu 0,02 sek.

Konštrukčné prvky ochrany proti skratu

Elektrický prúd pretekajúci každým vodičom spôsobuje:

• tepelné zahrievanie vodiča;

• usmerňovanie magnetického poľa.

Tieto dve činnosti sa berú ako základ pre návrh ochranných zariadení.

Prúdová ochrana

Tepelný účinok prúdu, ktorý opísali vedci Joule a Lenz, sa využíva na ochranu poistiek.

Bezpečnostná stráž

Je založená na inštalácii poistky v prúdovej dráhe, ktorá optimálne odoláva menovitému zaťaženiu, ale pri prekročení vyhorí a preruší obvod.

Čím vyššia je hodnota núdzového prúdu, tým rýchlejšie sa vytvorí prerušenie obvodu - odstránenie napätia. Ak je prúd mierne prekročený, môže sa po dlhšom čase vypnúť.

Poistky úspešne fungujú v elektronických zariadeniach, elektrických zariadeniach automobilov, domácich spotrebičoch, priemyselných zariadeniach do 1000 voltov. Niektoré z ich modelov sa používajú v obvodoch vysokonapäťových zariadení.

Ochrana založená na princípe elektromagnetického vplyvu prúdu

Princíp indukcie magnetického poľa okolo vodiča s prúdom umožnil vytvoriť obrovskú triedu elektromagnetických relé a spínačov pomocou vypínacej cievky.

Jeho cievka je umiestnená na jadre - magnetickom obvode, do ktorého sa pridávajú magnetické toky z každého závitu. Pohyblivý kontakt je mechanicky spojený s kotvou, ktorá je výkyvnou časťou jadra. Silou pružiny je pritlačený k stacionárnemu kontaktu.

Menovitý prúd pretekajúci závitmi špirálovej cievky vytvára magnetický tok, ktorý nedokáže prekonať silu pružiny. Preto sú kontakty trvalo zatvorené.

V prípade núdzových prúdov sa kotva pritiahne k stacionárnej časti magnetického obvodu a preruší obvod vytvorený kontaktmi.

Jeden z typov ističov pracujúcich na báze odstránenia elektromagnetického napätia z chráneného obvodu je znázornený na fotografii.

Používa:

• automatické vypnutie núdzových režimov;

• elektrický oblúkový hasiaci systém;

• manuálny alebo automatický štart.

Digitálna ochrana proti skratu

Všetky vyššie diskutované ochrany pracujú s analógovými hodnotami. Okrem nich sa v poslednom čase v priemysle a najmä v energetike na základe práce aktívne zavádzajú digitálne technológie mikroprocesorové zariadenia a statické relé. Pre potreby domácnosti sa vyrábajú rovnaké zariadenia so zjednodušenými funkciami.

Meranie veľkosti a smeru prúdu prechádzajúceho chráneným obvodom je realizované vstavaným znižovacím transformátorom prúdu s vysokou presnosťou. Ním meraný signál je digitalizovaný superpozíciou vysokofrekvenčné pravouhlé impulzy podľa princípu amplitúdovej modulácie.

Potom prejde k logickej časti ochrany mikroprocesora, ktorý pracuje podľa určitého, vopred nakonfigurovaného algoritmu. V prípade núdzových situácií vydá logika zariadenia príkaz vypínaciemu aktuátoru, aby odstránil napätie zo siete.

Na ochrannú prevádzku sa používa napájací zdroj, ktorý odoberá napätie zo siete alebo autonómnych zdrojov.

Digitálna ochrana proti skratu má veľké množstvo funkcií, nastavení a schopností až po registráciu havarijného stavu siete a jej vypnutia.