כיצד פועלת ופועלת הגנת קצר חשמלי

המונח "קצר חשמלי" בהנדסת חשמל מתייחס לפעולת חירום של מקורות מתח. מתרחש במקרה של הפרות של התהליכים הטכנולוגיים של העברת אנרגיה, כאשר מסופי הפלט קצרים (קצר חשמלי) של גנרטור עובד או אלמנט כימי.

במקרה זה, מלוא הכוח של המקור מופעל מיד על הקצר. זרמים עצומים זורמים בו, שעלולים לשרוף ציוד ולגרום לפציעות חשמליות לאנשים בקרבת מקום. כדי לעצור התפתחות של אירועים כאלה, נעשה שימוש בהגנות מיוחדות.

מהם סוגי הקצרים

חריגות חשמליות טבעיות

הם מופיעים במהלך פריקות ברק בליווי ברק עוצמתי.

מקורות היווצרותם הם פוטנציאלים גבוהים של חשמל סטטי בסימנים ובגדלים שונים, הנצברים על ידי עננים כשהם מזיזים על ידי הרוח למרחקים ארוכים. כתוצאה מההתקררות הטבעית, ככל שהוא עולה לגובה, הלחות בעננים מתעבה ויוצרים גשם.

לסביבה לחה התנגדות חשמלית נמוכה, היוצרת פירוק של בידוד האוויר למעבר זרם בצורת ברק.

פריקה חשמלית מחליקה בין שני עצמים בעלי פוטנציאל שונה:

• על העננים המתקרבים;

• בין ענן רעמים לאדמה.

הסוג הראשון של ברק מסוכן למטוסים, ופריקה לקרקע עלולה להרוס עצים, מבנים, מתקנים תעשייתיים, קווי חשמל עיליים. כדי להגן מפניו, מותקנים מוטות ברק, המבצעים ברציפות את הפונקציות הבאות:

1. קבלה, משיכת פוטנציאל הברק למעצר מיוחד;

2. מעבר של הזרם המתקבל דרך צינור למעגל הארקה של הבניין;

3. פריקת פריקת המתח הגבוה ממעגל זה לפוטנציאל הארקה.

קצר חשמלי בזרמים ישרים

מקורות מתח גלווני או מיישרים יוצרים הבדל בפוטנציאל החיובי והשלילי של מגעי המוצא, אשר בתנאים רגילים מבטיח את פעולת המעגל, למשל, זוהר של נורה מסוללה, כפי שמוצג באיור למטה.

התהליכים החשמליים המתרחשים במקרה זה מתוארים על ידי ביטוי מתמטי חוק אוהם למעגל שלם.

הכוח האלקטרו-מוטיבי של המקור מופץ כדי ליצור עומס במעגלים הפנימיים והחיצוניים על ידי התגברות על ההתנגדויות שלהם «R» ו- «r».

במצב חירום, קצר חשמלי עם התנגדות חשמלית נמוכה מאוד מתרחש בין מסופי הסוללה «+» ו- «-», אשר למעשה מכבה את זרימת הזרם במעגל החיצוני, ומנטרל חלק זה של המעגל. לכן, ביחס למצב הנומינלי, אנו יכולים להניח כי R = 0.

כל הזרם מסתובב רק במעגל הפנימי, שיש לו התנגדות קטנה והוא נקבע על ידי הנוסחה I = E / r.

מכיוון שגודל הכוח האלקטרו-מוטורי לא השתנה, ערך הזרם עולה בחדות רבה. קצר חשמלי כזה זורם דרך חוט הקצר והלולאה הפנימית, וגורם ליצירת חום עצומה בהם ולנזק מבני בעקבותיו.

קצר חשמלי במעגלי AC

כל התהליכים החשמליים כאן מתוארים גם הם על ידי פעולת חוק אוהם ומתקדמים על פי עיקרון דומה. המאפיינים של המעבר שלהם דורשים:

• השימוש ברשתות חד פאזיות או תלת פאזיות עם תצורות שונות;

• נוכחות של לולאה קרקע.

סוגי קצרים במעגלי AC

זרמי קצר חשמלי יכולים להתרחש בין:

• פאזה וקרקע;

• שני שלבים שונים;

• שני שלבים שונים והארקה;

• שלושה שלבים;

• שלושה שלבים ואדמה.

להעברת חשמל דרך קווי חשמל עיליים, מערכות חשמל עשויות להשתמש בתוכנית חיבור ניטראלית אחרת:

1. מבודד;

2. מקורקע חירש.

בכל אחד מהמקרים הללו זרמי הקצר יהוו נתיב משלהם ובעלי ערך שונה. לכן, כל האפשרויות לעיל להרכבת מעגל חשמלי והאפשרות של זרמי קצר חשמלי בהם נלקחות בחשבון בעת ​​יצירת תצורת הגנת זרם עבורם.

קצר חשמלי יכול להתרחש גם אצל צרכני חשמל, למשל מנוע חשמלי. במבנים חד פאזיים, פוטנציאל הפאזה יכול לפרוץ את שכבת הבידוד אל הדיור או המוליך הנייטרלי.בציוד חשמלי תלת פאזי יכולה להתרחש תקלה נוספת בין שניים או שלושה פאזים או בין השילובים שלהם עם המסגרת / הארקה.

בכל המקרים הללו, כמו במקרה של קצר חשמלי במעגלי DC, זרם קצר בגודל גדול מאוד יזרום דרך הקצר שנוצר וכל המעגל המחובר אליו לגנרטור, מה שיגרום למצב חירום.

כדי למנוע זאת, נעשה שימוש בהגנות המסירות מתח אוטומטית מציוד החשוף לזרמים מוגברים.

כיצד לבחור את מגבלות הפעולה של הגנת קצר חשמלי

כל מכשירי החשמל מיועדים לצרוך כמות מסוימת של חשמל בדרגת המתח שלהם. מקובל להעריך את העומס לא לפי כוח, אלא לפי זרם. קל יותר למדוד, לשלוט וליצור הגנה מפניו.

התמונה מציגה גרפים של זרמים שיכולים להתרחש במצבי פעולה שונים של הציוד. עבורם, הפרמטרים להגדרה והגדרת התקני הגנה נבחרים.

הגרף בצבע חום מציג את גל הסינוס של המצב הנומינלי, שנבחר כראשוני בתכנון המעגל החשמלי, תוך התחשבות בעוצמת החיווט ובחירת התקני ההגנה הנוכחיים.

גל סינוס תדר תעשייתי 50 הרץ במצב זה הוא תמיד יציב, והתקופה של תנודה אחת שלמה מתרחשת בזמן של 0.02 שניות.

גל הסינוס של מצב ההפעלה מוצג בכחול בתמונה. זה בדרך כלל פחות מההרמוניה הנומינלית. לעתים רחוקות אנשים מנצלים באופן מלא את כל הרזרבות של היכולת שהוקצתה להם.כדוגמה, אם נברשת בעלת חמש זרועות תלויה בחדר, לעתים קרובות נכללת קבוצה אחת של נורות לתאורה: שתיים או שלוש, לא כל החמש.

על מנת שמכשירי חשמל יעבדו בצורה מהימנה בעומס מדורג, הם יוצרים רזרבה זרם קטנה להגדרת הגנות. כמות הזרם שבה הם מסתגלים ליציאה נקראת נקודת הקבע. כאשר מגיעים אליהם, המתגים מסירים מתח מהציוד.

בטווח האמפליטודות הסינוסואידאליות בין המצב הנומינלי לנקודת ההגדרה, המעגל פועל במצב עומס יתר קל.

מאפיין זמן אפשרי של זרם התקלה מוצג בגרף בשחור. המשרעת שלו עולה על הגדרת ההגנה, ותדר התנודות השתנה באופן דרמטי. זה בדרך כלל א-מחזורי בטבע. כל חצי גל משתנה בגודל ובתדירות.

אלגוריתם הגנה מפני זרם יתר

כל הגנה מפני קצר כוללת שלושה שלבי פעולה עיקריים:

1. ניטור מתמיד של מצב הסינוסואיד הזרם המנוטר וקביעת רגע התקלה;

2. ניתוח המצב ומתן פקודה לגוף המבצע מהחלק ההגיוני;

3. שחרור מתח מהציוד באמצעות התקני מיתוג.

במכשירים רבים, נעשה שימוש באלמנט נוסף - הכנסת עיכוב בזמן תגובה. הוא משמש כדי לספק את עקרון הסלקטיביות במעגלים מורכבים ומסועפים.

מכיוון שגל הסינוס מגיע לאמפליטודה שלו בזמן של 0.005 שניות, תקופה זו נחוצה לפחות למדידתו על ידי ההגנות. גם שני שלבי העבודה הבאים אינם מבוצעים באופן מיידי.

מסיבות אלו, זמן הפעולה הכולל של הגנות הזרם המהירות ביותר הוא מעט פחות מהתקופה של תנודה הרמונית אחת של 0.02 שניות.

תכונות עיצוב של הגנה מפני קצר חשמלי

הזרם החשמלי הזורם דרך כל חוט גורם ל:

• חימום תרמי של המוליך;

• מכוון שדה מגנטי.

שתי הפעולות הללו נלקחות כבסיס לתכנון של התקני הגנה.

הגנה נוכחית

ההשפעה התרמית של הזרם, שתוארה על ידי המדענים ג'ול ולנץ, משמשת להגנה על נתיכים.

שומר

הוא מבוסס על התקנת נתיך בנתיב הנוכחי, שעומד בצורה אופטימלית בעומס הנומינלי, אך נשרף כאשר חורגים ממנו, ומפריע למעגל.

ככל שערך זרם החירום גבוה יותר, כך נוצר הפסקת החשמל מהר יותר - הסרת המתח. אם חריגה מהזרם מעט, הוא עלול להיכבה לאחר פרק זמן ארוך.

נתיכים עובדים בהצלחה במכשירים אלקטרוניים, ציוד חשמלי של מכוניות, מכשירי חשמל ביתיים, מכשירים תעשייתיים עד 1000 וולט. חלק מהדגמים שלהם משמשים במעגלי ציוד מתח גבוה.

הגנה מבוססת על עקרון ההשפעה האלקטרומגנטית של הזרם

העיקרון של השראת שדה מגנטי סביב חוט נושא זרם איפשר ליצור מחלקה ענקית של ממסרים ומתגים אלקטרומגנטיים באמצעות סליל מעוף.

הסליל שלו ממוקם על ליבה - מעגל מגנטי שבו מתווספים שטפים מגנטיים מכל סיבוב. המגע הנעים מחובר מכנית לאבזור, שהוא החלק המתנדנד של הליבה. הוא נלחץ על המגע הנייח בכוח הקפיץ.

הזרם הנקוב הזורם דרך הסיבובים של הסליל הספירלי יוצר שטף מגנטי שאינו יכול להתגבר על כוח הקפיץ. לכן, המגעים סגורים לצמיתות.

במקרה של זרמי חירום, האבזור נמשך לחלק הנייח של המעגל המגנטי ושובר את המעגל שנוצר על ידי המגעים.

אחד מסוגי המפסקים הפועלים על בסיס הסרת מתח אלקטרומגנטי מהמעגל המוגן מוצג בתמונה.

זה משתמש:

• כיבוי אוטומטי של מצבי חירום;

• מערכת כיבוי קשת חשמלית;

• התנעה ידנית או אוטומטית.

הגנה דיגיטלית לקצר חשמלי

כל ההגנות שנדונו לעיל עובדות עם ערכים אנלוגיים. בנוסף לאלה, לאחרונה בתעשייה ובמיוחד במגזר האנרגיה, טכנולוגיות דיגיטליות מוצגות באופן אקטיבי על בסיס העבודה התקני מיקרו-מעבד וממסרים סטטיים. אותם מכשירים עם פונקציות פשוטות מיוצרים לצרכים ביתיים.

מדידת הגודל והכיוון של הזרם העובר במעגל המוגן מתבצעת על ידי שנאי זרם מובנה עם דרגת דיוק גבוהה. האות הנמדד על ידו עובר דיגיטציה על ידי סופרפוזיציה פולסים מלבניים בתדירות גבוהה על פי עקרון אפנון משרעת.

לאחר מכן הוא עובר לחלק ההגיוני של ההגנה על המיקרו-מעבד, שפועל לפי אלגוריתם מסוים, מוגדר מראש. במקרה של מצבי חירום, לוגיקה של המכשיר מוציאה פקודה למפעיל הכיבוי להסיר את המתח מהרשת.

עבור פעולת ההגנה, נעשה שימוש ביחידת אספקת חשמל, אשר לוקחת מתח מרשת החשמל או ממקורות אוטונומיים.

להגנה מפני קצר חשמלי יש מספר רב של פונקציות, הגדרות ויכולות עד לרישום מצב החירום של הרשת ומצב הכיבוי שלה.