Kako deluje in deluje zaščita kratkega stika

Izraz "kratek stik" v elektrotehniki se nanaša na zasilno delovanje napetostnih virov. Pojavi se v primeru kršitev tehnoloških procesov prenosa energije, ko pride do kratkega stika (kratek stik) izhodnih sponk delovnega generatorja ali kemičnega elementa.

V tem primeru se v kratkem stiku takoj uporabi polna moč vira. Skozi njega tečejo ogromni tokovi, ki lahko zažgejo opremo in povzročijo električne poškodbe ljudi v bližini. Da bi preprečili razvoj takšnih incidentov, se uporabljajo posebne zaščite.

Kakšne so vrste kratkih stikov

Naravne električne anomalije

Pojavijo se med razelektritvami strele, ki jih spremlja močna strela.

Viri njihovega nastanka so visoki potenciali statične elektrike različnih predznakov in velikosti, ki jih kopičijo oblaki, ko jih veter premika na velike razdalje. Zaradi naravnega ohlajanja, ko se dviguje v višino, se vlaga v oblakih kondenzira in nastane dež.

Vlažno okolje ima nizek električni upor, kar povzroči razpad zračne izolacije za prehod toka v obliki strele.

Električna razelektritev drsi med dvema objektoma različnih potencialov:

• na bližajoče se oblake;

• med nevihtnim oblakom in zemljo.

Prva vrsta strele je nevarna za letala, izpust v tla pa lahko uniči drevesa, zgradbe, industrijske objekte, nadzemne daljnovode. Za zaščito pred njim so nameščeni strelovodi, ki zaporedno opravljajo naslednje funkcije:

1. sprejem, privabljanje potenciala strele na poseben odvodnik;

2. prehod prejetega toka skozi vod do ozemljitvenega kroga stavbe;

3. odvajanje visokonapetostne razelektritve iz tega tokokroga v ozemljitveni potencial.

Kratki stiki v enosmernem toku

Galvanski napetostni viri ali usmerniki ustvarjajo razliko v pozitivnih in negativnih potencialih izhodnih kontaktov, kar v normalnih pogojih zagotavlja delovanje vezja, na primer sij žarnice iz baterije, kot je prikazano na spodnji sliki.

Električni procesi, ki v tem primeru potekajo, so opisani z matematičnim izrazom Ohmov zakon za popolno vezje.

Elektromotorna sila vira se porazdeli tako, da ustvari obremenitev v notranjih in zunanjih tokokrogih s premagovanjem njihovih uporov «R» in «r».

V zasilnem načinu pride do kratkega stika z zelo nizkim električnim uporom med sponkama akumulatorja «+» in «-», ki praktično prekine tok v zunanjem tokokrogu in deaktivira ta del tokokroga. Zato lahko glede na nominalni način predpostavimo, da je R = 0.

Ves tok kroži samo v notranjem tokokrogu, ki ima majhen upor in je določen s formulo I = E / r.

Ker se velikost elektromotorne sile ni spremenila, se vrednost toka zelo močno poveča. Takšen kratek stik teče skozi kratkostično žico in notranjo zanko, kar povzroči ogromno nastajanje toplote v njih in posledično strukturno poškodbo.

Kratki stiki v AC tokokrogih

Tudi tukaj so vsi električni procesi opisani z delovanjem Ohmovega zakona in potekajo po podobnem principu. Značilnosti njihovega prehoda zahtevajo:

• uporaba enofaznih ali trifaznih omrežij z različnimi konfiguracijami;

• prisotnost zemeljske zanke.

Vrste kratkih stikov v izmeničnih tokokrogih

Tokovi kratkega stika lahko nastanejo med:

• faza in tla;

• dve različni fazi;

• dve različni fazi in ozemljitev;

• tri faze;

• tri faze in zemlja.

Za prenos električne energije po nadzemnih električnih vodih lahko elektroenergetski sistemi uporabljajo drugačno shemo nevtralne povezave:

1. izoliran;

2. gluho prizemljen.

V vsakem od teh primerov bodo tokovi kratkega stika oblikovali svojo pot in imeli drugačno vrednost. Zato se pri izdelavi konfiguracije tokovne zaščite zanje upoštevajo vse zgornje možnosti za sestavljanje električnega tokokroga in možnost tokov kratkega stika v njih.

Do kratkega stika lahko pride tudi pri porabnikih električne energije, na primer elektromotorju. V enofaznih strukturah lahko fazni potencial prebije izolacijsko plast do ohišja ali nevtralnega vodnika.Pri trifazni električni opremi lahko pride do dodatne napake med dvema ali tremi fazami ali med njihovimi kombinacijami z okvirjem/ozemljitvijo.

V vseh teh primerih, tako kot v primeru kratkega stika v enosmernih tokokrogih, bo skozi nastali kratek stik in celotno vezje, ki je z njim povezano, stekel tok kratkega stika z generatorjem, kar bo povzročilo zasilni način.

Da bi to preprečili, se uporabljajo zaščite, ki samodejno odstranijo napetost iz opreme, izpostavljene povečanim tokovom.

Kako izbrati meje delovanja zaščite kratkega stika

Vse električne naprave so zasnovane za porabo določene količine električne energije v svojem napetostnem razredu. Sprejeto je, da se obremenitev oceni ne po moči, ampak po toku. Lažje je meriti, nadzorovati in ustvariti zaščito pred njim.

Na sliki so prikazani grafi tokov, ki se lahko pojavijo v različnih načinih delovanja opreme. Za njih so izbrani parametri za nastavitev in nastavitev zaščitnih naprav.

Graf v rjavi barvi prikazuje sinusni val nominalnega načina, ki je izbran kot začetni pri načrtovanju električnega tokokroga, ob upoštevanju moči ožičenja in izbire tokovnih zaščitnih naprav.

Sinusni val industrijske frekvence 50 hercev v tem načinu je vedno stabilen, obdobje enega popolnega nihanja pa se pojavi v času 0,02 sekunde.

Sinusni val načina delovanja je na sliki prikazan modro. Običajno je manjši od nazivnega harmonika. Ljudje le redko v celoti izkoristijo vse rezerve svojih dodeljenih zmogljivosti.Na primer, če v sobi visi lestenec s petimi kraki, je za razsvetljavo pogosto vključena ena skupina žarnic: dve ali tri, ne vseh pet.

Da bi električni aparati zanesljivo delovali pri nazivni obremenitvi, ustvarijo majhno tokovno rezervo za nastavitev zaščit. Količina toka, pri kateri se prilagodijo izklopu, se imenuje nastavljena točka. Ko jih dosežete, stikala odstranijo napetost iz opreme.

V območju sinusnih amplitud med nazivnim načinom in nastavljeno točko vezje deluje v načinu rahle preobremenitve.

Možna časovna karakteristika toka napake je prikazana na grafu v črni barvi. Njegova amplituda presega zaščitno nastavitev, frekvenca nihanja pa se je močno spremenila. Običajno je aperiodične narave. Vsak polval se spremeni v velikosti in frekvenci.

Algoritem za zaščito pred prevelikim tokom

Vsaka zaščita kratkega stika vključuje tri glavne stopnje delovanja:

1. stalno spremljanje stanja nadzirane tokovne sinusoide in določanje trenutka okvare;

2. analiza stanja in izdaja ukaza izvršilnemu organu iz logičnega dela;

3. sprostitev napetosti iz opreme s pomočjo stikalnih naprav.

V mnogih napravah se uporablja še en element — uvedba zakasnitve odzivnega časa. Uporablja se za zagotavljanje načela selektivnosti v kompleksnih, razvejanih vezjih.

Ker sinusni val doseže svojo amplitudo v času 0,005 s, je to obdobje potrebno vsaj za njegovo merjenje z zaščitami. Naslednji dve fazi dela se prav tako ne izvajata takoj.

Iz teh razlogov je skupni čas delovanja najhitrejših tokovnih zaščit nekoliko krajši od periode enega harmoničnega nihanja 0,02 s.

Konstrukcijske značilnosti zaščite pred kratkim stikom

Električni tok, ki teče skozi vsako žico, povzroča:

• toplotno segrevanje prevodnika;

• usmerjanje magnetnega polja.

Ti dve akciji sta osnova za načrtovanje zaščitnih naprav.

Trenutna zaščita

Toplotni učinek toka, ki sta ga opisala znanstvenika Joule in Lenz, se uporablja za zaščito varovalk.

Varnostnik

Temelji na vgradnji varovalke v tokovno pot, ki optimalno prenese nazivno obremenitev, vendar pri prekoračitvi izgori in prekine tokokrog.

Višja kot je vrednost zasilnega toka, hitreje se ustvari prekinitev tokokroga - odstranitev napetosti. Če je tok nekoliko presežen, se lahko po daljšem času izklopi.

Varovalke uspešno delujejo v elektronskih napravah, električni opremi avtomobilov, gospodinjskih aparatih, industrijskih napravah do 1000 voltov. Nekateri njihovi modeli se uporabljajo v tokokrogih visokonapetostne opreme.

Zaščita na principu elektromagnetnega vpliva toka

Načelo indukcije magnetnega polja okoli žice, po kateri teče tok, je omogočilo ustvarjanje velikega razreda elektromagnetnih relejev in stikal z uporabo sprožilne tuljave.

Njegova tuljava je nameščena na jedru - magnetnem krogu, v katerem se magnetni tokovi dodajajo iz vsakega zavoja. Premični kontakt je mehansko povezan z armaturo, ki je nihajni del jedra. S silo vzmeti je pritisnjen proti mirujočemu kontaktu.

Nazivni tok, ki teče skozi zavoje spiralne tuljave, ustvarja magnetni tok, ki ne more premagati sile vzmeti. Zato so stiki trajno zaprti.

V primeru zasilnih tokov se armatura pritegne k mirujočemu delu magnetnega tokokroga in prekine tokokrog, ki ga ustvarjajo kontakti.

Na fotografiji je prikazana ena od vrst odklopnikov, ki delujejo na podlagi odstranitve elektromagnetne napetosti iz zaščitenega vezja.

Uporablja:

• samodejni izklop zasilnih načinov;

• sistem za gašenje električnega obloka;

• ročni ali samodejni zagon.

Digitalna zaščita pred kratkim stikom

Vse zgoraj obravnavane zaščite delujejo z analognimi vrednostmi. Poleg teh se v zadnjem času v industriji in predvsem v energetiki aktivno uvajajo digitalne tehnologije, ki temeljijo na delu mikroprocesorske naprave in statični releji. Enake naprave s poenostavljenimi funkcijami se proizvajajo za gospodinjske potrebe.

Merjenje velikosti in smeri toka, ki teče skozi zaščiteno vezje, se izvaja z vgrajenim padajočim tokovnim transformatorjem z visoko stopnjo natančnosti. Signal, ki ga meri, se digitalizira s superpozicijo visokofrekvenčni pravokotni impulzi po principu amplitudne modulacije.

Nato gre na logični del zaščite mikroprocesorja, ki deluje po določenem, vnaprej nastavljenem algoritmu. V primeru izrednih situacij logika naprave izda ukaz izklopnemu aktuatorju za izklop napetosti iz omrežja.

Za zaščitno delovanje se uporablja napajalnik, ki jemlje napetost iz omrežja ali avtonomnih virov.

Digitalna zaščita kratkega stika ima veliko število funkcij, nastavitev in zmožnosti do registracije izrednega stanja omrežja in njegovega načina zaustavitve.