Cum funcționează și funcționează protecția la scurtcircuit

Termenul „scurtcircuit” în inginerie electrică se referă la funcționarea de urgență a surselor de tensiune. Apare în cazul încălcării proceselor tehnologice de transmitere a energiei, atunci când bornele de ieșire sunt scurtcircuitate (scurtcircuit) ale unui generator de lucru sau ale unui element chimic.

În acest caz, întreaga putere a sursei este imediat aplicată scurtcircuitului. Prin el curg curenți uriași, care pot arde echipamentele și pot provoca răni electrice persoanelor din apropiere. Pentru a opri dezvoltarea unor astfel de incidente, se folosesc protecții speciale.

Care sunt tipurile de scurtcircuite

Anomalii electrice naturale

Ele apar în timpul descărcărilor de fulgere însoțite de fulger puternic.

Sursele formării lor sunt potențiale ridicate de electricitate statică de diferite semne și mărimi, acumulate de nori atunci când sunt deplasați de vânt pe distanțe lungi. Ca urmare a răcirii naturale, pe măsură ce se ridică în înălțime, umiditatea din nori se condensează, formând ploaie.

Un mediu umed are o rezistență electrică scăzută, ceea ce creează o defalcare a izolației aerului pentru trecerea curentului sub formă de fulger.

O descărcare electrică alunecă între două obiecte cu potențiale diferite:

• pe norii care se apropie;

• între un nor de tunet și pământ.

Primul tip de fulger este periculos pentru aeronave, iar descărcarea în sol poate distruge copacii, clădirile, instalațiile industriale, liniile electrice aeriene. Pentru a proteja împotriva acesteia, sunt instalate paratrăsnet, care îndeplinesc succesiv următoarele funcții:

1. primirea, atragerea potenţialului de fulger către un descărcător special;

2. trecerea curentului primit printr-o conductă către circuitul de împământare al clădirii;

3. descărcarea descărcării de înaltă tensiune din acest circuit la potențialul de masă.

Scurtcircuite în curenți continui

Sursele de tensiune galvanică sau redresoarele creează o diferență între potențialele pozitive și negative ale contactelor de ieșire, care în condiții normale asigură funcționarea circuitului, de exemplu, strălucirea unui bec de la o baterie, așa cum se arată în figura de mai jos.

Procesele electrice care au loc în acest caz sunt descrise printr-o expresie matematică Legea lui Ohm pentru un circuit complet.

Forța electromotoare a sursei este distribuită pentru a crea o sarcină în circuitele interne și externe prin depășirea rezistențelor «R» și «r».

În modul de urgență, se produce un scurtcircuit cu rezistență electrică foarte scăzută între bornele bateriei «+» și «-», care practic oprește fluxul de curent în circuitul extern, dezactivând această parte a circuitului. Prin urmare, în raport cu modul nominal, putem presupune că R = 0.

Tot curentul circulă numai în circuitul intern, care are o rezistență mică și este determinat de formula I = E / r.

Deoarece mărimea forței electromotoare nu s-a schimbat, valoarea curentului crește foarte brusc. Un astfel de scurtcircuit curge prin firul de scurtcircuitare și bucla interioară, provocând o generare enormă de căldură în ele și daune structurale ulterioare.

Scurtcircuite în circuitele de curent alternativ

Toate procesele electrice de aici sunt descrise și prin funcționarea legii lui Ohm și procedează conform unui principiu similar. Caracteristicile trecerii lor necesită:

• utilizarea rețelelor monofazate sau trifazate cu diferite configurații;

• prezența unei bucle de masă.

Tipuri de scurtcircuite în circuitele de curent alternativ

Curenții de scurtcircuit pot apărea între:

• faza si masa;

• două faze diferite;

• două faze diferite și împământare;

• trei faze;

• trei faze și pământ.

Pentru transportul energiei electrice prin liniile electrice aeriene, sistemele de alimentare pot utiliza o schemă diferită de conectare la neutru:

1. izolat;

2. întemeiat surd.

În fiecare dintre aceste cazuri, curenții de scurtcircuit își vor forma propria cale și vor avea o valoare diferită. Prin urmare, toate opțiunile de mai sus pentru asamblarea unui circuit electric și posibilitatea unor curenți de scurtcircuit în ele sunt luate în considerare atunci când se creează o configurație de protecție a curentului pentru ele.

Un scurtcircuit poate apărea și la consumatorii de energie electrică, de exemplu un motor electric. În structurile monofazate, potențialul de fază poate străpunge stratul de izolație până la carcasă sau conductorul neutru.În echipamentele electrice trifazate, poate apărea o defecțiune suplimentară între două sau trei faze sau între combinațiile acestora cu cadrul / masă.

În toate aceste cazuri, ca și în cazul unui scurtcircuit în circuitele de curent continuu, un curent de scurtcircuit de magnitudine foarte mare va curge prin scurtcircuitul format și întregul circuit conectat la acesta la generator, determinând un mod de urgență.

Pentru a preveni acest lucru, sunt utilizate protecții care elimină automat tensiunea din echipamentele expuse la curenți crescuti.

Cum să alegeți limitele de funcționare ale protecției la scurtcircuit

Toate aparatele electrice sunt proiectate să consume o anumită cantitate de energie electrică în clasa lor de tensiune. Se acceptă evaluarea sarcinii nu după putere, ci după curent. Este mai ușor de măsurat, controlat și de a crea protecție împotriva acestuia.

Imaginea prezintă grafice ale curenților care pot apărea în diferite moduri de funcționare ale echipamentului. Pentru ei sunt selectați parametrii pentru setarea și setarea dispozitivelor de protecție.

Graficul de culoare maro arată unda sinusoidală a modului nominal, care este selectată ca cea inițială în proiectarea circuitului electric, ținând cont de puterea cablajului și de selecția dispozitivelor de protecție a curentului.

Undă sinusoidală de frecvență industrială 50 hertzi în acest mod este întotdeauna stabil, iar perioada unei oscilații complete are loc într-un timp de 0,02 secunde.

Unda sinusoidală a modului de funcționare este afișată cu albastru în imagine. Este de obicei mai mică decât armonica nominală. Oamenii folosesc rareori pe deplin toate rezervele capacității lor atribuite.De exemplu, dacă într-o cameră atârnă un candelabru cu cinci brațe, atunci un grup de becuri este adesea inclus pentru iluminare: două sau trei, nu toate cele cinci.

Pentru ca aparatele electrice să funcționeze fiabil la sarcina nominală, ele creează o mică rezervă de curent pentru setarea protecțiilor. Cantitatea de curent la care se ajustează pentru a declanșa se numește punct de referință. Când sunt atinse, comutatoarele elimină tensiunea din echipament.

În intervalul de amplitudini sinusoidale dintre modul nominal și punctul de referință, circuitul funcționează într-un mod de suprasarcină ușoară.

O posibilă caracteristică de timp a curentului de defect este prezentată în grafic cu negru. Amplitudinea sa depășește setarea de protecție, iar frecvența de oscilație s-a schimbat dramatic. De obicei este de natură aperiodică. Fiecare jumătate de undă se schimbă în mărime și frecvență.

Algoritm de protecție la supracurent

Fiecare protecție la scurtcircuit include trei etape principale de funcționare:

1. monitorizarea constantă a stării sinusoidei curentului monitorizat și determinarea momentului defecțiunii;

2. analiza situației și emiterea unei comenzi organului executiv din partea logică;

3. eliberarea tensiunii din echipament prin intermediul dispozitivelor de comutare.

În multe dispozitive, este utilizat un alt element - introducerea întârzierii timpului de răspuns. Este folosit pentru a furniza principiul selectivității în circuite complexe, ramificate.

Întrucât unda sinusoidală își atinge amplitudinea într-un timp de 0,005 sec, această perioadă este cel puțin necesară pentru măsurarea ei de către protecții. De asemenea, următoarele două etape de lucru nu sunt efectuate imediat.

Din aceste motive, timpul total de funcționare al celor mai rapide protecții de curent este puțin mai mic decât perioada unei oscilații armonice de 0,02 sec.

Caracteristici de proiectare ale protecției la scurtcircuit

Curentul electric care circulă prin fiecare fir provoacă:

• încălzirea termică a conductorului;

• dirijarea unui câmp magnetic.

Aceste două acțiuni sunt luate ca bază pentru proiectarea dispozitivelor de protecție.

Protecție curentă

Efectul termic al curentului, descris de oamenii de știință Joule și Lenz, este folosit pentru a proteja siguranțe.

Paznic

Se bazează pe instalarea unei siguranțe în calea curentului, care rezistă optim la sarcina nominală, dar se arde la depășire, întrerupând circuitul.

Cu cât valoarea curentului de urgență este mai mare, cu atât se creează mai rapid întreruperea circuitului - eliminând tensiunea. Dacă curentul este ușor depășit, acesta se poate opri după o perioadă lungă de timp.

Siguranțele funcționează cu succes în dispozitive electronice, echipamente electrice ale mașinilor, aparate de uz casnic, dispozitive industriale de până la 1000 de volți. Unele dintre modelele lor sunt utilizate în circuitele echipamentelor de înaltă tensiune.

Protecție bazată pe principiul influenței electromagnetice a curentului

Principiul inducerii unui câmp magnetic în jurul unui fir care transportă curent a făcut posibilă crearea unei clase uriașe de relee și comutatoare electromagnetice folosind o bobină de declanșare.

Bobina sa este situată pe un miez - un circuit magnetic în care se adaugă fluxuri magnetice de la fiecare tură. Contactul mobil este conectat mecanic la armătură, care este partea oscilantă a miezului. Este presat împotriva contactului staționar de forța arcului.

Curentul nominal care curge prin spirele spiralei creează un flux magnetic care nu poate depăși forța arcului. Prin urmare, contactele sunt închise definitiv.

În cazul curenților de urgență, armătura este atrasă de partea staționară a circuitului magnetic și întrerupe circuitul creat de contacte.

Unul dintre tipurile de întrerupătoare care funcționează pe baza eliminării tensiunii electromagnetice din circuitul protejat este prezentat în fotografie.

Folosește:

• oprirea automată a modurilor de urgență;

• sistem de stingere a arcului electric;

• pornire manuală sau automată.

Protecție digitală la scurtcircuit

Toate protecțiile discutate mai sus funcționează cu valori analogice. Pe lângă acestea, recent în industrie și mai ales în sectorul energetic, tehnologiile digitale sunt introduse în mod activ pe baza muncii dispozitive cu microprocesor și relee statice. Aceleași dispozitive cu funcții simplificate sunt produse pentru nevoile casnice.

Măsurarea mărimii și direcției curentului care trece prin circuitul protejat este efectuată de un transformator de curent coborâtor încorporat cu un grad ridicat de precizie. Semnalul măsurat de acesta este digitizat prin suprapunere impulsuri dreptunghiulare de înaltă frecvență conform principiului modulatiei de amplitudine.

Apoi se trece la partea logică a protecției microprocesorului, care funcționează conform unui anumit algoritm preconfigurat. În caz de situații de urgență, logica dispozitivului emite o comandă către actuatorul de oprire pentru a elimina tensiunea din rețea.

Pentru funcționarea de protecție se folosește o sursă de alimentare, care preia tensiune de la rețea sau surse autonome.

Protecția digitală la scurtcircuit are un număr mare de funcții, setări și capacități până la înregistrarea stării de urgență a rețelei și a modului de oprire a acesteia.