Πώς λειτουργεί και λειτουργεί η προστασία βραχυκυκλώματος

Ο όρος «βραχυκύκλωμα» στην ηλεκτρική μηχανική αναφέρεται στη λειτουργία έκτακτης ανάγκης πηγών τάσης. Συμβαίνει σε περίπτωση παραβιάσεων των τεχνολογικών διαδικασιών μετάδοσης ενέργειας, όταν οι ακροδέκτες εξόδου βραχυκυκλώνονται (βραχυκύκλωμα) μιας λειτουργικής γεννήτριας ή χημικού στοιχείου.

Σε αυτή την περίπτωση, η πλήρης ισχύς της πηγής εφαρμόζεται αμέσως στο βραχυκύκλωμα. Τεράστια ρεύματα ρέουν μέσα από αυτό, τα οποία μπορούν να κάψουν εξοπλισμό και να προκαλέσουν ηλεκτρικούς τραυματισμούς σε κοντινούς ανθρώπους. Για να σταματήσει η ανάπτυξη τέτοιων περιστατικών, χρησιμοποιούνται ειδικές προστασίες.

Ποιοι είναι οι τύποι βραχυκυκλωμάτων

Φυσικές ηλεκτρικές ανωμαλίες

Εμφανίζονται κατά τις αστραπιαίες εκκενώσεις που συνοδεύονται από δυνατός κεραυνός.

Οι πηγές σχηματισμού τους είναι υψηλά δυναμικά στατικού ηλεκτρισμού διαφορετικών σημείων και μεγεθών, που συσσωρεύονται από τα σύννεφα όταν μετακινούνται από τον άνεμο σε μεγάλες αποστάσεις. Ως αποτέλεσμα της φυσικής ψύξης, καθώς ανεβαίνει σε ύψος, η υγρασία στα σύννεφα συμπυκνώνεται, σχηματίζοντας βροχή.

Ένα υγρό περιβάλλον έχει χαμηλή ηλεκτρική αντίσταση, η οποία δημιουργεί διάσπαση της μόνωσης του αέρα για τη διέλευση ρεύματος με τη μορφή κεραυνού.

Μια ηλεκτρική εκκένωση ολισθαίνει ανάμεσα σε δύο αντικείμενα διαφορετικού δυναμικού:

• στα σύννεφα που πλησιάζουν.

• ανάμεσα σε ένα σύννεφο και το έδαφος.

Ο πρώτος τύπος κεραυνού είναι επικίνδυνος για τα αεροσκάφη και η εκκένωση στο έδαφος μπορεί να καταστρέψει δέντρα, κτίρια, βιομηχανικές εγκαταστάσεις, εναέρια καλώδια ρεύματος. Για την προστασία από αυτό, εγκαθίστανται αλεξικέραυνα, τα οποία εκτελούν διαδοχικά τις ακόλουθες λειτουργίες:

1. λήψη, προσέλκυση του δυναμικού κεραυνού σε ειδικό αλεξικέραυνο.

2. διέλευση του λαμβανόμενου ρεύματος μέσω ενός αγωγού στο κύκλωμα γείωσης του κτιρίου.

3. την εκφόρτιση της εκφόρτισης υψηλής τάσης από αυτό το κύκλωμα στο δυναμικό γείωσης.

Βραχυκυκλώματα σε συνεχή ρεύματα

Οι γαλβανικές πηγές ή οι ανορθωτές τάσης δημιουργούν μια διαφορά στα θετικά και αρνητικά δυναμικά των επαφών εξόδου, η οποία υπό κανονικές συνθήκες εξασφαλίζει τη λειτουργία του κυκλώματος, για παράδειγμα, τη λάμψη ενός λαμπτήρα από μια μπαταρία, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Οι ηλεκτρικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα σε αυτή την περίπτωση περιγράφονται με μια μαθηματική έκφραση Ο νόμος του Ohm για ένα πλήρες κύκλωμα.

Η ηλεκτροκινητική δύναμη της πηγής κατανέμεται για να δημιουργήσει ένα φορτίο στα εσωτερικά και εξωτερικά κυκλώματα ξεπερνώντας τις αντιστάσεις τους «R» και «r».

Στη λειτουργία έκτακτης ανάγκης, εμφανίζεται ένα βραχυκύκλωμα με πολύ χαμηλή ηλεκτρική αντίσταση μεταξύ των ακροδεκτών της μπαταρίας «+» και «-», το οποίο πρακτικά διακόπτει τη ροή του ρεύματος στο εξωτερικό κύκλωμα, απενεργοποιώντας αυτό το τμήμα του κυκλώματος. Επομένως, σε σχέση με τον ονομαστικό τρόπο, μπορούμε να υποθέσουμε ότι R = 0.

Όλο το ρεύμα κυκλοφορεί μόνο στο εσωτερικό κύκλωμα, το οποίο έχει μικρή αντίσταση και καθορίζεται από τον τύπο I = E / r.

Δεδομένου ότι το μέγεθος της ηλεκτροκινητικής δύναμης δεν έχει αλλάξει, η τιμή του ρεύματος αυξάνεται πολύ απότομα. Ένα τέτοιο βραχυκύκλωμα ρέει μέσω του καλωδίου βραχυκυκλώματος και του εσωτερικού βρόχου, προκαλώντας τεράστια παραγωγή θερμότητας σε αυτά και επακόλουθη δομική βλάβη.

Βραχυκυκλώματα σε κυκλώματα AC

Όλες οι ηλεκτρικές διεργασίες εδώ περιγράφονται επίσης από τη λειτουργία του νόμου του Ohm και προχωρούν σύμφωνα με μια παρόμοια αρχή. Τα χαρακτηριστικά της διέλευσης τους απαιτούν:

• τη χρήση μονοφασικών ή τριφασικών δικτύων με διαφορετικές διαμορφώσεις·

• η παρουσία βρόχου γείωσης.

Τύποι βραχυκυκλωμάτων σε κυκλώματα AC

Ρεύματα βραχυκυκλώματος μπορεί να προκύψουν μεταξύ:

• φάση και έδαφος?

• δύο διαφορετικές φάσεις?

• δύο διαφορετικές φάσεις και γείωση?

• τρεις φάσεις?

• τρεις φάσεις και γη.

Για τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας μέσω εναέριων γραμμών ηλεκτρικής ενέργειας, τα συστήματα ισχύος μπορούν να χρησιμοποιούν διαφορετικό σχήμα ουδέτερης σύνδεσης:

1. απομονωμένος?

2. κωφώς γειωμένος.

Σε κάθε μία από αυτές τις περιπτώσεις τα ρεύματα βραχυκυκλώματος θα σχηματίσουν τη δική τους διαδρομή και θα έχουν διαφορετική τιμή. Επομένως, όλες οι παραπάνω επιλογές για τη συναρμολόγηση ενός ηλεκτρικού κυκλώματος και η πιθανότητα ρευμάτων βραχυκυκλώματος σε αυτά λαμβάνονται υπόψη κατά τη δημιουργία μιας διαμόρφωσης προστασίας ρεύματος για αυτά.

Βραχυκύκλωμα μπορεί επίσης να συμβεί σε καταναλωτές ηλεκτρικής ενέργειας, για παράδειγμα σε έναν ηλεκτροκινητήρα. Σε μονοφασικές κατασκευές, το δυναμικό φάσης μπορεί να διαπεράσει το στρώμα μόνωσης στο περίβλημα ή στον ουδέτερο αγωγό.Σε τριφασικό ηλεκτρολογικό εξοπλισμό, μπορεί να προκύψει επιπλέον σφάλμα μεταξύ δύο ή τριών φάσεων ή μεταξύ των συνδυασμών τους με το πλαίσιο / γείωση.

Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις, όπως και στην περίπτωση ενός βραχυκυκλώματος σε κυκλώματα συνεχούς ρεύματος, ένα ρεύμα βραχυκυκλώματος πολύ μεγάλου μεγέθους θα ρέει μέσω του βραχυκυκλώματος που σχηματίζεται και ολόκληρο το κύκλωμα συνδέεται με αυτό στη γεννήτρια, προκαλώντας λειτουργία έκτακτης ανάγκης.

Για να αποφευχθεί αυτό, χρησιμοποιούνται προστασίες που αφαιρούν αυτόματα την τάση από εξοπλισμό που εκτίθεται σε αυξημένα ρεύματα.

Πώς να επιλέξετε τα όρια λειτουργίας της προστασίας από βραχυκύκλωμα

Όλες οι ηλεκτρικές συσκευές έχουν σχεδιαστεί για να καταναλώνουν μια ορισμένη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας στην κατηγορία τάσης τους. Είναι αποδεκτό να αξιολογείται το φορτίο όχι με ισχύ, αλλά από ρεύμα. Είναι πιο εύκολο να μετρήσετε, να ελέγξετε και να δημιουργήσετε προστασία από αυτό.

Η εικόνα δείχνει γραφήματα των ρευμάτων που μπορεί να προκύψουν σε διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας του εξοπλισμού. Για αυτούς, επιλέγονται οι παράμετροι για τη ρύθμιση και τη ρύθμιση των προστατευτικών συσκευών.

Το γράφημα σε καφέ χρώμα δείχνει το ημιτονοειδές κύμα της ονομαστικής λειτουργίας, το οποίο επιλέγεται ως το αρχικό στο σχεδιασμό του ηλεκτρικού κυκλώματος, λαμβάνοντας υπόψη την ισχύ της καλωδίωσης και την επιλογή των συσκευών προστασίας ρεύματος.

Ημιτονοειδής βιομηχανική συχνότητα 50 Hertz σε αυτόν τον τρόπο λειτουργίας είναι πάντα σταθερός και η περίοδος μιας πλήρους ταλάντωσης εμφανίζεται σε χρόνο 0,02 δευτερολέπτων.

Το ημιτονοειδές κύμα του τρόπου λειτουργίας εμφανίζεται με μπλε χρώμα στην εικόνα. Συνήθως είναι μικρότερη από την ονομαστική αρμονική. Οι άνθρωποι σπάνια χρησιμοποιούν πλήρως όλα τα αποθέματα της χωρητικότητας που τους έχει ανατεθεί.Για παράδειγμα, εάν ένας πολυέλαιος με πέντε βραχίονες κρέμεται σε ένα δωμάτιο, τότε συχνά περιλαμβάνεται μια ομάδα λαμπτήρων για φωτισμό: δύο ή τρεις, όχι και οι πέντε.

Προκειμένου οι ηλεκτρικές συσκευές να λειτουργούν αξιόπιστα με ονομαστικό φορτίο, δημιουργούν ένα μικρό απόθεμα ρεύματος για τη ρύθμιση των προστασιών. Η ποσότητα του ρεύματος στο οποίο προσαρμόζονται για να διακοπεί ονομάζεται σημείο ρύθμισης. Όταν φτάνουν, οι διακόπτες αφαιρούν την τάση από τον εξοπλισμό.

Στο εύρος των ημιτονοειδών πλατών μεταξύ του ονομαστικού τρόπου λειτουργίας και του σημείου ρύθμισης, το κύκλωμα λειτουργεί σε κατάσταση ελαφράς υπερφόρτωσης.

Ένα πιθανό χρονικό χαρακτηριστικό του ρεύματος σφάλματος φαίνεται στο γράφημα με μαύρο χρώμα. Το πλάτος του υπερβαίνει τη ρύθμιση προστασίας και η συχνότητα ταλάντωσης έχει αλλάξει δραματικά. Συνήθως έχει απεριοδικό χαρακτήρα. Κάθε μισό κύμα αλλάζει σε μέγεθος και συχνότητα.

Αλγόριθμος προστασίας από υπερένταση

Κάθε προστασία βραχυκυκλώματος περιλαμβάνει τρία κύρια στάδια λειτουργίας:

1. συνεχής παρακολούθηση της κατάστασης του ημιτονοειδούς ρεύματος που παρακολουθείται και προσδιορισμός της στιγμής της δυσλειτουργίας.

2. ανάλυση της κατάστασης και έκδοση εντολής προς το εκτελεστικό όργανο από το λογικό μέρος.

3. απελευθέρωση τάσης από τον εξοπλισμό μέσω διατάξεων μεταγωγής.

Σε πολλές συσκευές, χρησιμοποιείται ένα άλλο στοιχείο — η εισαγωγή της καθυστέρησης χρόνου απόκρισης. Χρησιμοποιείται για την παροχή της αρχής της επιλεκτικότητας σε πολύπλοκα, διακλαδισμένα κυκλώματα.

Εφόσον το ημιτονοειδές κύμα φτάνει στο πλάτος του σε χρόνο 0,005 sec, αυτή η περίοδος είναι τουλάχιστον απαραίτητη για τη μέτρησή του από τις προστασίες. Τα επόμενα δύο στάδια εργασίας επίσης δεν πραγματοποιούνται αμέσως.

Για αυτούς τους λόγους, ο συνολικός χρόνος λειτουργίας των πιο γρήγορου ρεύματος προστασίας είναι ελαφρώς μικρότερος από την περίοδο μιας αρμονικής ταλάντωσης 0,02 sec.

Σχεδιαστικά χαρακτηριστικά προστασίας από βραχυκύκλωμα

Το ηλεκτρικό ρεύμα που διαρρέει κάθε καλώδιο προκαλεί:

• θερμική θέρμανση του αγωγού.

• κατευθύνοντας ένα μαγνητικό πεδίο.

Αυτές οι δύο ενέργειες λαμβάνονται ως βάση για το σχεδιασμό των προστατευτικών διατάξεων.

Τρέχουσα προστασία

Η θερμική επίδραση του ρεύματος, που περιγράφεται από τους επιστήμονες Joule και Lenz, χρησιμοποιείται για την προστασία των ασφαλειών.

Φύλακας

Βασίζεται στην εγκατάσταση μιας ασφάλειας στη διαδρομή ρεύματος, η οποία αντέχει βέλτιστα το ονομαστικό φορτίο, αλλά καίγεται σε περίπτωση υπέρβασης, διακόπτοντας το κύκλωμα.

Όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή του ρεύματος έκτακτης ανάγκης, τόσο πιο γρήγορα δημιουργείται η διακοπή κυκλώματος - αφαιρώντας την τάση. Εάν το ρεύμα υπερβεί ελαφρά, μπορεί να απενεργοποιηθεί μετά από μεγάλο χρονικό διάστημα.

Οι ασφάλειες λειτουργούν με επιτυχία σε ηλεκτρονικές συσκευές, ηλεκτρικό εξοπλισμό αυτοκινήτων, οικιακές συσκευές, βιομηχανικές συσκευές έως 1000 βολτ. Μερικά από τα μοντέλα τους χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα εξοπλισμού υψηλής τάσης.

Προστασία με βάση την αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επίδρασης του ρεύματος

Η αρχή της επαγωγής ενός μαγνητικού πεδίου γύρω από ένα καλώδιο που μεταφέρει ρεύμα κατέστησε δυνατή τη δημιουργία μιας τεράστιας κατηγορίας ηλεκτρομαγνητικών ρελέ και διακοπτών χρησιμοποιώντας ένα πηνίο διακοπής.

Το πηνίο του βρίσκεται σε έναν πυρήνα — ένα μαγνητικό κύκλωμα στο οποίο προστίθενται μαγνητικές ροές από κάθε στροφή. Η κινητή επαφή συνδέεται μηχανικά με τον οπλισμό, ο οποίος είναι το αιωρούμενο τμήμα του πυρήνα. Πιέζεται στην ακίνητη επαφή με τη δύναμη του ελατηρίου.

Το ονομαστικό ρεύμα που διαρρέει τις στροφές του σπειροειδούς πηνίου δημιουργεί μια μαγνητική ροή που δεν μπορεί να υπερνικήσει τη δύναμη του ελατηρίου. Επομένως, οι επαφές είναι οριστικά κλειστές.

Σε περίπτωση ρευμάτων έκτακτης ανάγκης, ο οπλισμός έλκεται στο ακίνητο τμήμα του μαγνητικού κυκλώματος και διακόπτει το κύκλωμα που δημιουργείται από τις επαφές.

Ένας από τους τύπους διακοπτών κυκλώματος που λειτουργούν με βάση την αφαίρεση της ηλεκτρομαγνητικής τάσης από το προστατευμένο κύκλωμα φαίνεται στη φωτογραφία.

Χρησιμοποιεί:

• Αυτόματος τερματισμός λειτουργίας έκτακτης ανάγκης.

• σύστημα πυρόσβεσης ηλεκτρικού τόξου.

• χειροκίνητη ή αυτόματη εκκίνηση.

Ψηφιακή προστασία από βραχυκύκλωμα

Όλες οι προστασίες που συζητήθηκαν παραπάνω λειτουργούν με αναλογικές τιμές. Πέραν αυτών, πρόσφατα στη βιομηχανία και ιδιαίτερα στον ενεργειακό τομέα, εισάγονται ενεργά οι ψηφιακές τεχνολογίες με βάση την εργασία συσκευές μικροεπεξεργαστή και στατικά ρελέ. Οι ίδιες συσκευές με απλοποιημένες λειτουργίες παράγονται για οικιακές ανάγκες.

Η μέτρηση του μεγέθους και της κατεύθυνσης του ρεύματος που διέρχεται από το προστατευμένο κύκλωμα πραγματοποιείται από έναν ενσωματωμένο μετασχηματιστή ρεύματος βαθμίδας με υψηλό βαθμό ακρίβειας. Το σήμα που μετράται από αυτό ψηφιοποιείται με υπέρθεση ορθογώνιους παλμούς υψηλής συχνότητας σύμφωνα με την αρχή της διαμόρφωσης πλάτους.

Στη συνέχεια πηγαίνει στο λογικό μέρος της προστασίας του μικροεπεξεργαστή, ο οποίος λειτουργεί σύμφωνα με έναν συγκεκριμένο, προδιαμορφωμένο αλγόριθμο. Σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης, η λογική της συσκευής εκδίδει μια εντολή στον ενεργοποιητή τερματισμού λειτουργίας για την αφαίρεση της τάσης από το δίκτυο.

Για την προστατευτική λειτουργία χρησιμοποιείται μονάδα τροφοδοσίας, η οποία λαμβάνει τάση από το δίκτυο ή τις αυτόνομες πηγές.

Η ψηφιακή προστασία βραχυκυκλώματος διαθέτει μεγάλο αριθμό λειτουργιών, ρυθμίσεων και δυνατοτήτων μέχρι την καταγραφή της κατάστασης έκτακτης ανάγκης του δικτύου και τη λειτουργία τερματισμού λειτουργίας του.