Физический процесс протекания короткого замыкания.
Одной из причин нарушения нормальной работы систем электроснабжения может быть короткое замыкание. Коротким замыканием (к.з.) назы-вается замыкание между фазами, а в системах с заземленной нейтралью — замыкание одной или нескольких фаз на землю или нулевой провод. При возникновении к.з. общее электрическое сопротивление цепи резко уменьшается, что вызывает увеличение тока в сети. Главная причина возникновения к.з. — нарушение изоляции элементов электрооборудования. Эти нарушения могут быть вызваны перенапряжением, механическими повреждениями, старением изоляционных материалов, попаданием в распределительные устройства или в аппараты посторонних предметов, загрязнением изоляторов токопроводящей пылью, при неосторожном монтаже или демонтаже электрооборудования и т.д. Причиной возникновения к.з. могут быть и ошибки, допущенные обслуживающим персоналом при выполнении переключений.
В системах трехфазного переменного тока возможны следующие виды коротких замыканий:
• трехфазное к.з. — одновременное замыкание трех фаз между собой;
• двухфазное к.з. — замыкание двух фаз;
• однофазное к.з. — замыкание одной фазы на землю.
Однофазное замыкание на землю имеет место только в сетях с неизолированной нейтралью.
В системах с изолированной нейтралью возможны только трехфазные и двухфазные к.з.
В электроустановках выше 1000 В ток короткого замыкания может достигать больших величин и при несвоевременном отключении вызвать разрушение кабелей, электроаппаратуры и других элементов сети. При проектировании и эксплуатации электроустановок предусматриваются мероприятия, уменьшающие вероятность возникновения к.з, а при возникновении их — ограничивающие вредное воздействие.
К этим мероприятиям относятся: выбор более рациональных схем электроснабжения; выбор электрооборудования, устойчивого к действию токов к.з; применение специальных аппаратов для ограничения токов к.з; применение специальных защит от токов к.з. и перенапряжений. Наибольшего значения токи к.з. достигают при возникновении их в местах установки источников питания. При расчете токов к.з. за источники питания принимают турбо- и гидрогенераторы электростанций. Как дополнительные источники питания могут учитываться синхронные и асинхронные двигатели при их мощности более 1000 кВт, установленные вблизи от места к.з. Электрические величины (ток, напряжение мощность и др.), относящиеся к различным видам к,з. обозначаются соответствующими символами с верхними цифровыми индексами в круглых скобках.
Знать токи к.з. в общем случае необходимо для выбора электрооборудования, проектирования релейной защиты и выбора средств ограничения токов к.з. Рассмотрим процесс трехфазного короткого замыкания в электрической цепи (рис 1). При нормальном режиме работы в цепи протекал ток нагрузки iн При возникновении к.з. сопротивление цепи уменьшается и ток возрастает. Так как электрическая цепь содержит не только активное, но и индуктивное сопротивление (обмотки трансформаторов, двигателей), то увеличение тока происходит не мгновенно, а через некоторый промежуток времени. Возникает переходный процесс, в течение которого ток изменяется от начального значения до какого-то установившегося. Процесс короткого замыкания состоит из двух периодов: неустановившегося режима, когда значение тока меняется во времени и установившегося, когда тюк остается постоянным.
Рисунок 1 – Процесс короткого замыкания
Суммарный ток к.з. в первый период (переходный процесс неустановившегося режима) состоит из двух составляющих: апериодической составляющей ia, которая возникает в момент к.з. и затухает до нуля через 0,1-0,2 с после возникновения кз вследствии наличия в цепи активного сопротивления, и периодической составляющей in, являющейся вынужденным синусоидальным током промышленной частоты. Значение периодической составляющей в начальный момент времени называют начальным значением тока короткого замыкания I» (I0). Данная величина используется при выборе уставок и проверке чувствительности релейной защиты.
Мгновенное значение полного тока к.з. для произвольного момента времени равно:
Максимальное мгновенное значение полного тока к.з. получило название ударного тока короткого замыкания iу. Это значение используется при проверке элекчрооборудования и токопроводов на электродинамическую устойчивость. Наибольшее значение ударный ток достигает через половину периода после возникновения к.з, т.е. через 0,01 с. Силовые выключатели на отключающую способность проверяют по действующему значению периодической составляющей тока к.з, I0,2, т.е. через 0,2 с от начала возникновения к.з. Для быстродействующих выключателей это время может уменьшится до 0,1 с. В установившемся режиме, после затухания апериодической составляющей, в цепи будет протекать установившийся ток к.з. Ioo. По этому току проверяют электрические аппараты, шины, кабели, проходные изоляторы на термическую стойкость. Наибольшее значение установившегося тока равно:
При трехфазном коротком замыкании действующее значение периодической составляющей тока к.з. за первый период после возникновения к.з. определяют по формуле:
Источник
Последствия коротких замыканий
При возникновении коротких замыканий в системе электроснабжения ее общее сопротивление уменьшается, что приводит к увеличению токов в ее ветвях по сравнению с токами нормального режима, а это вызывает снижение напряжения отдельных точек системы электроснабжения, которое особенно велико вблизи места короткого замыкания.
В зависимости от места возникновения и продолжительности повреждения его последствия могут иметь местный характер или отражаться на всей системе электроснабжения.
При большой удаленности короткого замыкания величина тока короткого замыкания может составлять лишь незначительную часть номинального тока питающих генераторов и возникновение такого короткого замыкания воспринимается ими как небольшое увеличение нагрузки. Сильное снижение напряжения получается только вблизи места короткого замыкания, в то время как в других точках системы электроснабжения это снижение менее заметно. Следовательно, при рассматриваемых условиях опасные последствия короткого замыкания проявляются лишь в ближайших к месту аварии частях системы электроснабжения.
Ток короткого замыкания, являясь даже малым по сравнению с номинальным током генераторов, обычно во много раз превышает номинальный ток ветви, где произошло короткое замыкание. Поэтому и при кратковременном протекании тока короткого замыкания он может вызвать дополнительный нагрев токоведущих элементов и проводников выше допустимого.
Токи короткого замыкания вызывают между проводниками большие механические усилия, которые особенно велики в начале процесса короткого замыкания, когда ток достигает максимального значения. При недостаточной прочности проводников и их креплений могут иметь место разрушения механического характера.
Внезапное глубокое снижение напряжения при коротком замыкании отражается на работе потребителей. В первую очередь это касается двигателей, так как даже при кратковременном понижении напряжения на 30-40% они могут остановиться (происходит опрокидывание двигателей). Опрокидывание двигателей тяжело отражается на работе промышленного предприятия, так как для восстановления нормального производственного процесса требуется длительное время и неожиданная остановка двигателей может вызвать брак продукции предприятия.
При малой удаленности и достаточной длительности короткого замыкания возможно выпадение из синхронизма параллельно работающих станций, т.е. нарушение нормальной работы всей электрической системы, что является самым опасным последствием короткого замыкания.
Возникающие при замыканиях на землю неуравновешенные системы токов способны создать магнитные потоки, достаточные для наведения в соседних цепях (линиях связи, трубопроводах) значительных ЭДС, опасных для обслуживающего персонала и аппаратуры этих цепей.
Таким образом, последствия коротких замыканий следующие:
1. Механические и термические повреждения электрооборудования.
2. Возгорания в электроустановках.
3. Снижение уровня напряжения в сети, ведущее к уменьшению вращающего момента электродвигателей, их торможению, снижению производительности или даже к опрокидыванию их.
4. Выпадение из синхронизма отдельных генераторов, электростанций и частей электрической системы и возникновение аварий, включая системные аварии.
5. Электромагнитное влияние на линии связи, коммуникации и т.п.
Главным параметром автоматических выключателей является номинальный ток. Это ток, значение которого в конкретной цепи считают нормальным, т.е. на который рассчитано электрооборудование. Для электроустановок жилых зданий значение номинального тока (In) автоматического выключателя может составлять 6, 8, 10, 13, 16, 20, 25, 32, 40, 63 А. Наиболее часто применяют автоматические выключатели в диапазоне 16 – 63А как для однофазных потребителей, так и трёхфазных. Так же существует такой параметр, как номинальное напряжение –220/230 В или 380/400 В.
Дугогасительные устройства необходимы в электрических аппаратах, коммутирующих большие токи, так как возникающая при разрыве тока электрическая дуга вызывает подгорание контактов.
Электрическая дуга представляет собой электрический разряд в газовой среде между контактами, возникающий при размыкании электрического контакта или при нестабильности переходного сопротивления контактов (искрение). При наличии электрического поля воздух в промежутке между парой контактов ионизируется и газовая среда в промежутке между контактами становится электропроводящей. Электропроводность среды сохраняется до тех пор, пока к контактам будет приложено электрическое поле необходимой напряженности.
В автоматических выключателях применяются дугогасительные камеры с деионным гашением дуги. При деионном гашении дуги (рис. 2.) над контактами 1, помещенными внутри дугогасительной камеры 2, располагается решетка из стальных пластин 3. При размыкании контактов образовавшаяся между ними дуга потоком воздуха выдувается вверх, попадает в зону металлической решетки и быстро гасится.
Рис. 2. Устройство дугогасительной камеры автоматического выключателя: 1- контакты, 2- корпус дугогасительной камеры, 3 — пластины.
Схема и основные элементы автоматического выключателя представлены на рисунке 3.
Рис. 3. Устройство автоматического выключателя: 1 — максимальный расцепитель, минимальный расцепитель, независимый расцепитель, 4 — механическая связь с расцепителем, 5- рукоятка ручного включения, 6- электромагнитный привод, 7,8- рычаги механизма свободного расцепления, 9- отключающая пружина, 10- дугогасительная камера, 11- неподвижный контакт, 12- подвижный контакт, 13- защищаемая цепь, 14- гибкая связь, 15- контактный рычагу, 16- тепловой расцепитель, 17- добавочное сопротивление, 18- нагреватель.
Механизм управления предназначен для обеспечения ручного включения и выключения аппарата при помощи кнопок или рукоятки.
Коммутирующее устройство автоматического выключателя состоит из подвижных и неподвижных контактов (силовых и вспомогательных). Пара контактов (подвижный и неподвижный) образуют полюс автоматического выключателя, количество полюсов бывает от 1 до 4. Каждый полюс комплектуется отдельной дугогасительной камерой.
Механизм, который отключает автоматический выключатель при аварийных режимах, называется расцепителем. Различают следующие виды расцепителей:
— электромагнитный максимального тока (для защиты электроустановок от токов короткого замыкания),
— тепловой (для защиты от перегрузок),
— комбинированный, имеющий электромагнитный и тепловой элементы,
— минимального напряжения (для защиты от недопустимого снижения напряжения),
— независимый (для дистанционного управления автоматическим выключателем),
— специальный (для реализации сложных алгоритмов защиты).
Электромагнитный расцепитель автоматического выключателя представляет собой небольшую катушку с обмоткой из медного изолированного провода и сердечником. Обмотка включается в цепь последовательно с контактами, то есть по ней проходит ток нагрузки.
В случае возникновения короткого замыкания ток в цепи резко возрастает, в результате создаваемое катушкой магнитное поле вызывает перемещение сердечника (втягивание в катушку или выталкивание из неё). Сердечник при перемещении действует на отключающий механизм, который вызывает размыкание силовых контактов автоматического выключателя. Существуют автоматические выключатели с полупроводниковыми расцепителями, реагирующими на максимальный ток.
Тепловой расцепитель автоматического выключателя представляет собой биметаллическую пластину, изготовленную из двух металлов с различными коэффициентами линейного расширения, жестко соединенных между собой. Пластина не является сплавом металлов, их соединение производится обычно прессованием. Биметаллическая пластина включается в электрическую цепь последовательно с нагрузкой и нагревается электрическим током.
В результате нагрева происходит изгибание пластины в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения. В случае возникновения перегрузки, то есть при небольшом (в несколько раз) увеличении тока в цепи по сравнению с номинальным, биметаллическая пластина, изгибаясь, вызывает отключение автоматического выключателя.
Время срабатывания теплового расцепителя автоматического выключателя зависит не только от величины тока, но и от температуры окружающей среды, поэтому в ряде конструкций предусмотрена температурная компенсация, которая обеспечивает корректировку времени срабатывания в соответствии с температурой воздуха.
Независимый расцепитель минимального напряжения по конструкции аналогичны электромагнитному и отличаются от него условиями срабатывания. В частности, независимый расцепитель обеспечивает отключение автомата при подаче напряжения на расцепитель независимо от наличия аварийных режимов.
Указанные расцепители являются дополнительными и могут отсутствовать в конструкции автоматического выключателя. Имеются также выключатели без каких-либо расцепителей, в этом случае они называются в ыключателями- разъединителями.
В настоящее время распространены автоматические выключатели типов АП50Б, АЕ10, АЕ20, АЕ20М, ВА04-36, ВА-47, ВА-51, ВА-201, ВА88 и др. Автоматические выключатели АП50Б выпускают на номинальные токи до 63А, АЕ20, АЕ20М – до 160А, ВА-47 и ВА-201 – до 100А, ВА04-36 – до 400 А, ВА88 – до 1600А.
Автоматические выключатели подразделяются на:
· установочные автоматические выключатели имеют защитный изоляционный (пластмассовый) корпус и могут устанавливаться в общедоступных местах;
· универсальные — не имеют такого корпуса и предназначены для установки в распределительных устройствах;
· быстродействующие (собственное время срабатывания не превышает 5 мс);
· небыстродействующие (от 10 до 100 мс);
· Быстродействие обеспечивается самим принципом действия (поляризованный электромагнитный или индукционно-динамический принципы и др.), а также условиями для быстрого гашения электрической дуги. Подобный принцип используется в токоограничивающих автоматах;
· селективные, имеющие регулируемое время срабатывания в зоне токов короткого замыкания;
· автоматы обратного тока, срабатывающие только при изменении направления тока в защищаемой цепи;
· Поляризованные автоматы отключают цепь только при нарастании тока в прямом направлении, неполяризованные — при любом направлении тока.
Выключатели рассчитаны для работы в продолжительном режиме в следующих условиях:
· установка на высоте не более 1000 м над уровнем моря (выключатели серии АП50 и АЕ1000 — на высоте не более 2000 м над уровнем моря);
· температура окружающего воздуха от — 40 (без выпадения росы и инея) до +40°С (для выключателей серии АЕ1000 — от +5 до +40°С);
· относительная влажность окружающей среды не более 90% при 20°С и не более 50% при 40°С;
· окружающая среда — невзрывоопасная, не содержащая пыли (в том числе токопроводящей) в количестве, нарушающем работу выключателя, и агрессивных газов и паров в концентрациях, разрушающих металлы и изоляцию;
· место установки выключателя — защищенное от попадания воды, масла, эмульсии и т.п.;
· отсутствие непосредственного воздействия солнечной и радиоактивной радиации;
· отсутствие резких толчков (ударов) и сильной тряски; допускается вибрация мест крепления выключателей с частотой до 100 Гц при ускорении не более 0,7 g.
Подобрать автомат с нужными нам параметрами проще, чем Вам кажется. Для этого стоит вспомнить уроки физики из школьной программы. Есть такой универсальный закон Ома. I = P / U, Вот согласно этому самому закону, мы и попробуем подобрать автомат нужного номинала.
Итак, мощность вы примерно знаете, напряжение в сети тоже-220В. К примеру, в офисе у вас будут стоять приборы, суммарной мощностью 3 кВт-3000 Вт, делите эту сумму на напряжение-220 В, получаете цифру 13,6 А. Ближайший автомат по номиналу -16 А. Вот его и ставьте, при условии что проводка у Вас медная и сечение этих самых проводов не менее 2.5 мм кв. Все должно быть рассчитано и подсчитано.
Автоматы, в зависимости от производителя, рассчитаны на определенное количество срабатываний. Так что, использовать их слишком часто для включения-отключения нагрузки не рекомендуется. Во-первых, изнашивается механизм и, во-вторых, подгорают контакты, что ведет к нагреву контактной группы, и как следствие к выходу оной из строя. Для частой коммутации нагрузки, следует применять устройства, специально для этого предназначены е- реле или магнитные пускатели(контакторы).
Контрольные вопросы:
1. Для чего служит автоматический выключатель?
2. Отличие плавкого предохранителя от автоматического выключателя?
4. Какие процессы происходят при включении и при выключении автомата?
5. Что такое короткое замыкание, его причины и последствия.
6. Основные параметры автоматических выключателей.
7. Что такое электрическая дуга и способы ее гашения.
8. Что такое расцепитель, для чего он предназначен.
9. Виды расцепителей и их краткая характеристика.
10. Виды автоматических выключателей.
11. Условия эксплуатации автоматических выключателей.
Источник