Zkrat: výpočet zkratových proudů, metody ochrany, vyhledávání zkratů

Zkrat (ZZ) je zvláštní případ, kdy jsou dva vodiče elektrického proudu s různými potenciály nebo fázemi elektrického zařízení spojeny navzájem nebo se zemí. V místě spojení vodičů dochází k prudkému nárůstu hodnoty elektrického proudu, který překračuje maximální přípustný parametr. To vede k zastavení normální funkce zařízení a sousedních prvků.

Zjednodušeně řečeno, prezentovaný typ zkratu je jakékoli abnormální a neplánované spojení elektrických vodičů s různými hodnotami potenciálu. Může se jednat například o fázi a nulu, což vede ke vzniku destruktivních proudů.

Tento jev je nebezpečný pro lidské zdraví a majetek. Zkraty způsobují nejen poruchy zařízení a výpadky elektrických spotřebičů. Pokud se ignorují bezpečnostní pravidla, může to vést k úplnému selhání zařízení nebo jejich jednotlivých částí s nemožností jejich obnovení. Může také dojít k požáru, který má katastrofální následky pro životy lidí, jejich majetek a životní prostředí.

Výpočet zkratového proudu

Abychom pochopili, proč k tomuto procesu dochází, je nutné vypočítat hodnoty zkratových proudů. K tomu je třeba znát Ohmův zákon: „Hodnota proudu v určitém intervalu elektrického obvodu je přímo úměrná hodnotě napětí a nepřímo úměrná odporu proudu v tomto intervalu.“ Toto je základní zákon elektřiny, který se studuje i ve školních osnovách. Pro větší přehlednost by měl být označen vzorcem: I = U / R, kde:

• I – síla proudu;
• U — napětí na úseku obvodu;
• R – odpor.

Jakékoli elektrické zařízení připojené k domácímu nebo průmyslovému elektrickému obvodu je aktivní odpor. Parametr napětí domácí sítě je 220 V (v některých případech 230 V). Uvedená hodnota je konstantní. Čím vyšší je hodnota odporu zařízení (vodiče nebo nějakého materiálu) připojeného k napájení, tím nižší bude elektrický proud.

Pro výpočet zkratového proudu je lepší použít „pokročilejší“ formu Ohmova zákona, tzv. Ohmův zákon pro úplný obvod.

Tato forma Ohmova zákona se také studuje ve školních osnovách, ale jen málokdo si ji pamatuje. Používá se však k výpočtu zkratového proudu. Faktem je, že pokud je odpor vnějších prvků obvodu 0, pak nedojde k žádnému zvláštnímu dělení nulou, ale místo toho bude proud zcela specificky a přesně vypočítán jako výsledek dělení elektromotorické síly zdroje vnitřním odporem zdroje napětí:

Iкз=ε/r

Samozřejmě, pokud dojde ke zkratu v domě nebo bytě, proud prochází vedením od místa zkratu až k bodu, kde vzniká elektromagnetické pole. A nezáleží na tom, zda jsou dráty měděné nebo hliníkové – mají odpor. A v tomto případě R se nerovná nule. Čemu se rovná? Čtěme dál.

Příklad 1. Síť s napětím 220–230 V

Vezměme si konkrétní příklad: délka vedení je 100 m a průřez vodičů je 2,5 mm². Podívejme se, jaký bude jejich odpor, pokud budou vyrobeny z mědi.

Vzorec, známý také z jakékoli učebnice fyziky pro střední školu, zní:

R=ρ·L/S,

ρ — měrný odpor mědi, přibližně rovný 0,017–0,018 Ohm mm²/m;

L — délka vodiče, vyjádřená v metrech;

S — plocha vodiče vyjádřená v mm².

Vezměme v úvahu, že elektřinu dodává nikoli jeden, ale dva vodiče (proud protéká jedním a druhým odchází), proto je délka vodiče L při výpočtu se zdvojnásobí:

R=0.018·2·100/2,5=1,44 Ohm

Nyní je tedy jasné, že vodiče mají poměrně vysoký odpor. Pro odhad zkratového proudu můžeme použít Ohmův zákon. Neznáme vnitřní odpor zdroje energie, ale jak je patrné z Ohmova vzorce pro celý obvod, čím větší je, tím nižší bude zkratový proud. Proto vezmeme r = 0 Maximální možný zkratový proud najdeme s vypočítaným R=1,44 ohmu.

Dále budeme předpokládat, že napájecí napětí v síti je také maximální možné a je 230 + 10 % = 253 V. V tomto případě bude zkratový proud roven:

Ikz=253/1,44 = 175,7 A

Takže jsme provedli výpočet pro konkrétní přívodní vodič. Pro zapojení s jinými parametry lze výpočet provést podobným způsobem.

Příklad 2. Baterie

Pokud dojde ke zkratu přímo u zdroje EMF (s takovým jevem se můžeme setkat v případě „zkratu“ v domácí nebo automobilové baterii nebo baterii napájecího zdroje), pak v tomto případě vnější odpor R≈0. Proto pro výpočet budete potřebovat znát vnitřní odpor r co nejpřesněji (jinak dojde znovu k dělení nulou a nic smysluplného nevypočítáme). Nebude těžké to vypočítat, pokud máte odpor (rezistor) a multimetr.

Nyní se podívejme na konkrétní příklad. Řekněme, že máme 12V autobaterii. Jaké kroky bychom měli podniknout k určení jejího zkratového proudu?

Budeme potřebovat rezistor 10 Ohmů a 15 W, který nám pomůže provést potřebný experiment:

1. Napájecí napětí baterie měříme v klidovém režimu (bez zátěže) multimetrem, řekněme, že jsme dostali hodnotu 11,85 V.
2. Dále připojíme rezistor 10 Ohmů a 15 W jako zátěž a změříme proud multimetrem. Dostali jsme 1,07 A.
3. Bez odpojení rezistoru 100 Ohmů změřte úbytek napětí na svorkách baterie. Nechť je 10,8 V.
4. Nyní můžeme vypočítat vnitřní odpor: r=11,85–1,07·10,8=0,3 ohmů.
5. Nyní můžeme určit zkratový proud: Ikz=11,85/0,3 = 39,5 A

Pokud jste ještě neuhádli, jaké vzorce byly použity, zde je několik tipů:

r=Uхх–Iн·Uн,

Ikz=Uxx/r,

Uxxx — napětí naprázdno zdroje energie;

V — proud dodávaný zdrojem energie při zatížení;

Un — napětí zdroje energie při zátěži.

Jak je patrné ze vzorců, samotná hodnota zátěže nemusí být známa, je však volena tak, aby chyba měření zařízení nedala příliš velký rozptyl výsledku (pokud zátěž mírně „klesne“ napětí zdroje energie, tj. Uxxx≈Un, pak bude přesnost výsledku extrémně nízká).

Příčiny zkratu

Nyní si stručně projdeme možné příčiny zkratů.

Běžné příčiny zkratů jsou následující:

• zastaralá elektroinstalace;
• mechanické poškození uvnitř řetězu;
• nesprávná organizace elektrických vodičů;
• porušení pravidel pro provoz elektrického spotřebiče;
• nekontrolované zvyšování výkonu zařízení;
• nedodržování stavebních norem.

Negativní dopad zkratu na člověka a jeho majetek

Zkraty, v závislosti na místě jejich vzniku, vedou ke škodlivým následkům pro majetek a bezpečnost lidských životů. Patří mezi ně:

• spalování a selhání elektrických spotřebičů;
• zapálení elektrického vedení;
• snížení napětí v elektrické síti (v průmyslových podmínkách to vede k odstavení podniků);
• pokles účinnosti systémů napájení;
• Výskyt elektromagnetického vlivu vede k narušení fungování komunikací umístěných v podzemí.

Typy zkratů

Elektřina se používá všude, a to jak v domácnostech, tak v průmyslu. Aby se minimalizovalo riziko zkratů, byla vyvinuta řada opatření a zařízení, která zajišťují ochranu před zkraty. Abyste však přesně pochopili, v jakém případě a jaké zařízení použít, musíte znát typy zkratů. Hlavní jsou:

• ve stejnosměrných obvodech;
• ve střídavých obvodech (mezi: fází a zemí, dvěma různými fázemi, třemi fázemi, dvěma různými fázemi a zemí, třemi fázemi a zemí).

Podíl jednofázových zkratů činí 65 % škod, dvoufázových se zemí – 2 %, dvoufázových – 20 %, třífázových – 10 %. Často se vyskytují složité typy poškození, doprovázené vícenásobnou asymetrií. To znamená typ zkratu různých fází, vyskytující se v několika bodech současně.

Metody detekce zkratu

Je poměrně obtížné předem zjistit místo výskytu tohoto jevu. Ve většině případů se o něj nestarají ani odborníci, ani běžní uživatelé. To však pomůže včas jej neutralizovat, což povede k nemožnosti vzniku škodlivých následků. Díky včasné reakci se ušetří finanční prostředky a čas. Existuje několik metod, jak zjistit zkrat:

• vizuální kontrola zapojení (neměly by být žádné přerušení ani odkryté vodiče);
• použití multimetru nebo megaohmmetru;
• podle zvuku;
• výjimka.

Vodiče, které jsou součástí kabelu pod proudem, se mohou vzájemně dotýkat. Pokud jsou odkryté, je to zřejmá příčina zkratu. K takovému poškození obvykle dochází v rozvodných skříních a jiných napájecích jednotkách (zásuvky, vypínače atd.). Spálená izolace kabelu je zřejmým místem, kde může potenciálně dojít ke zkratu.

Použití speciálních přístrojů pomáhá měřit hodnotu odporu obvodu. Mají 2 vodiče: jeden z nich je připojen k fázi a druhý k nule (poté k zemi). Pokud displej přístroje ukazuje 0, pak je integrita zapojení normální, pokud je jiná hodnota – kontakty se dotýkají. Upozorňujeme, že napětí multimetru je poměrně malé. Může měřit obvody delší než 3 metry.

Hledání místa zkratu pomocí zvuku je oblíbenou metodou pro určení tohoto jevu. K tomu je třeba pečlivě poslouchat všechna spojení. V místě kontaktu bude slyšet charakteristický praskavý zvuk. Někdy je cítit zápach spáleného plastu a izolace. Tuto metodu hledání zkratu byste měli používat pouze jako poslední možnost, pokud nejsou k dispozici jiné metody.

Často se stává, že viníkem je připojený elektrický spotřebič. Jeho zapnutí okamžitě způsobí vypnutí pojistky. To povede k okamžitému odpojení napájení v dané oblasti. Takové zařízení najdete metodou eliminace, kdy zapnete všechna zařízení jedno po druhém.

Odborníci důrazně doporučují nepoužívat zastaralé metody vyhledávání zkratů. Ve většině případů nevykazují požadovanou přesnost a účinnost. Pokud je potřeba najít místo zkratu, je nutné pozvat odborníky, kteří budou používat vysoce kvalitní a přesné vybavení.

Ochrana proti zkratu

Existují různá zařízení na ochranu před zkraty:

• jističe;
• automatické spínače s automatickým návratem do zapnuté polohy;
• RCD;
• pojistky;
• „dopravní zácpy“;
• samoobnovovací pojistky.

Předkládaný obvod obsahuje Zenerovu diodu a diody, které chrání LED diody před účinky zpětných proudů. Za omezení proudu v ochranném systému jsou zodpovědné dva rezistory. Pojistka musí být samoopravného typu, jmenovité hodnoty prvků musí být voleny individuálně v závislosti na podmínkách.

Účinným způsobem ochrany proti tomuto jevu je použití proudově omezujícího reaktoru. Používá se v ochranných systémech elektrických obvodů, kde velikost zkratu může být tak silná, že si s ní konvenční zařízení nedokáže poradit.

Reaktor je cívka s indukčním odporem zapojená do sítě v sériovém zapojení. Přijatelný provoz obvodu umožňuje udržovat úbytek napětí reaktoru asi 4 %. Při zkratu jde hlavní část napětí do tohoto zařízení. Taková zařízení mohou být olejového a betonového typu. Každé z nich se používá v závislosti na typu elektrického vedení a zařízení, které napájí.

Užitečné KZ

Proud, který vzniká v důsledku takového jevu, může přinést nejen zkázu, ale i užitek. Existuje řada zařízení, která pracují za podmínek zvýšeného proudu. Klasickým příkladem takových zařízení je svařování elektrickým obloukem. Jeho provoz je způsoben propojením svařovací elektrody a uzemňovacího obvodu.

Při výrazném přetížení je provoz takových zařízení krátkodobý. Zajišťuje ho vysoce výkonný svařovací transformátor. V místě, kde se obě elektrody dotýkají, vzniká proud o značné síle. To vede k uvolnění velkého množství tepelné energie, která je dostatečná k roztavení kovu v kontaktní ploše. Tento proces zajišťuje chod svařování. Spoj je čistý, odolný a pevný.

Související videa

Web o reléové ochraně a digitálních technologiích v energetickém sektoru

Úvod » Ochrana a automatizace relé » Sítě 0,4 kV » Vlastnosti výpočtu jednofázových zkratových proudů v síti 0,4 kV

Dnes budeme hovořit o výpočtu jednofázových zkratových proudů v nízkonapěťových sítích. Proč jednofázový?

Jednak proto, že pro výběr nastavení jsou tyto proudy obvykle rozhodující podle kritéria citlivosti. Za druhé, protože s výpočty těchto proudů je nejvíce otázek a ty hlavní se týkají výpočtu parametrů nulového sledu kabelů a obloukového odporu. Pojďme je analyzovat.

Zdroje informací pro výpočet jednofázových TKZ v sítích 0,4 kV

Hlavním dokumentem definujícím pravidla pro výpočet zkratových proudů v sítích do 1000 V je GOST 28249-93. Je však třeba poznamenat, že tento dokument je zaměřen především na výpočet TKZ pro výběr zařízení, nikoli na nastavení ochrany relé a automatických jističů.

Druhým zdrojem je slavná kniha A.V. Belyaev „Výběr zařízení, ochrany a kabelů v sítích 0,4 kV“, který, i když se nejedná o regulační dokument, popisuje mnohem podrobněji pravidla pro výpočet TKZ konkrétně pro výběr nastavení jističů.

V zásadách pro výpočet jednofázových zkratových proudů uvedených u těchto zdrojů jsou značné rozdíly. Ty hlavní uvádíme v tabulce. 1

Tabulka 1 Rozdíly v metodách výpočtu jednofázových zkratů

Je pravděpodobně spolehlivější použít metodiku uvedenou v aktuálním GOST, ale jsou zde dva problémy.

První je, že je velmi obtížné najít spolehlivé informace o odporu nulové složky kabelů 0,4 kV, protože je výrobci neuvádějí v katalozích. Přílohy GOST obsahují údaje o r0 a x0 kabelů, ale bez uvedení konkrétního typu a ne pro všechny sekce.

Druhým důvodem je obtížnost stanovení odporu oblouku podle GOST (Příloha 9), kde v uvedeném vzorci (40) odpor oblouku závisí na zkratovém proudu, který je nutné určit s přihlédnutím k odolnosti oblouku! Jak to udělat v praxi, není příliš jasné. Grafy závislosti odporu oblouku na průřezu a délce kabelu (stejná příloha 9) také nejsou příliš užitečné, protože pro jednofázové zkraty mnoho typů kabelů prostě není a aproximace nelineárních závislostí je takový úkol.

Metodika uvedená v knize A.V. Belyaeva je mnohem srozumitelnější a snadno použitelná.

Navrhuji vyhodnotit hodnoty zkratových proudů pomocí těchto dvou metod, abychom zjistili, která z nich je pro naše úkoly vhodnější (výběr nastavení ochranných zařízení)

Pro příklad použijeme schéma výpočtu na Obr. 1

Obr.1 Návrhové schéma sítě 0,4 kV

Ve schématu na Obr. 1 Snažil jsem se vzít kabely, jejichž parametry jsou v knize GOST i A.V. Beljajevová. Alespoň pro linky 1 a 3.

Níže uvádím skeny ze zdrojů s uvedením počátečních údajů o odporu NP a smyčky fáze-nula pro kabely. Kladné sekvenční odpory kabelů pro obě metody byly předpokládány stejné (dle zdrojů to platí). Parametry transformátoru jsou také u obou metod stejné.

Obr.2. Prvotní údaje o odporu zpt.ud. z knihy A.V. Beljajevová

Obr. 3 počáteční údaje o taktech. odolnost NP podle GOST 28249-93

Nebudu vás mučit vzorci, ale okamžitě vám dám výsledek výpočtu. Na závěr jsem přiložil excelový formulář, kde vidíte jak zdrojová data, tak samotné vzorce. Aktivní odpor měděných kabelů, stejně jako jejich zpt. snížena 1,7krát ve srovnání s tabulkovými (jak pro knihu A.V. Belyaeva, tak pro GOST)

Obr.4. Výsledek výpočtu jednofázových zkratů pro síť 0,4 kV pomocí různých metod

Jak vidíte, rozdíl ve výpočtech je velmi velký a u tří- a dvoufázových zkratů nepřesahuje 8% (zde není zobrazeno)

Je zřejmé, že takový rozdíl v jednofázových zkratových proudech je způsoben rozdílem v parametrech nulového sledu kabelů. To je zvláště dobře patrné u proudů kovového zkratu, kde nedochází k žádnému vlivu oblouku, vypočítaných různými metodami.

Citlivost strojů se kontroluje pomocí obloukových zkratů a zde je situace o něco lepší. Je vidět, že pro obloukový odpor částečně kompenzuje rozdíl ve zkratových proudech, zejména u vzdálených zkratů, ale přesto je tento rozdíl velmi velký.

Jaké důvody by mohly mít tak velký rozdíl?

• Za prvé, moje definice zdrojového datového bodu je nesprávná. V knize A.V. Beljajev uvádí (tabulka 7), že odpory smyčky jsou uvedeny pro „kabely nebo dráty s hliníkovými vodiči“. Není zde specifikováno provedení kabelu ani typ izolace. Snad se zde počítá s jistým vodivým obalem kolem jader.
• Za druhé, ani první, ani druhý zdroj neuvádí, k čemu přesně dojde k jednofázovému zkratu. Odpor obvodů „fázové nuly“ a „fázově uzemňovacích struktur“ se může značně lišit.
• Za třetí, v metodě A.V. Beljajev má několik předpokladů, které vedou ke snížení zkratových proudů, a to aritmetický součet impedancí transformátoru a kabelů a 1,7násobné snížení odporu smyčky fáze-nula u měděných kabelů, přičemž pouze aktivní odpor by se měl snížit.

Ve prospěch metody „smyčky“ jsou dva hlavní body:

1. Odpor smyčky fáze-nula se měří při uvádění do provozu na místě a pokud je velký nesoulad s výpočty, můžete vždy zaslat opravená počáteční data projektantovi k ověření. Toto nebude fungovat s odpory NP.
2. Jednofázové zkratové proudy získané touto technikou jsou nižší než pomocí GOST, a to je lepší pro testování citlivosti. Pokud projdete testem při těchto proudech, projdete i normami GOST

Pokud jste si zautomatizovali výpočty zkratových proudů např. v Excelu, pak můžete počítat dvěma způsoby najednou a vybrat si ten nejvhodnější pro vaše podmínky

Ať je to jakkoli, tento příklad ukazuje, že existuje velký rozdíl ve výpočtech jednofázových zkratových proudů v síti 0,4 kV pomocí různých metod a je třeba být opatrní při výběru jak samotné metody, tak výchozích dat. .

co si o tom myslíš? Pište do komentářů

PS Moje výpočty TKZ dle obr. 1 jsou zde

Reference

1. GOST 28249-93. Zkraty v elektrických instalacích. Výpočtové metody ve střídavých elektrických instalacích s napětím do 1 kV
2. A.V. Beljajev. Výběr zařízení, jištění a kabelů v sítích 0,4 kV. Studijní příručka. Energoatomizdat. 1988