Nehody v elektrických sítích mohou způsobit vážné poškození nejen zařízení, ale také servisního personálu. Největší problémy způsobují zkraty, které se periodicky vyskytují v domácích sítích, ve složitých trafostanicích a elektroinstalacích a v napájecích obvodech připojených k výkonným výrobním zařízením. V tomto ohledu jsou ve fázi návrhu vypočteny zkratové proudy, což umožňuje zabránit vzniku nouzového režimu a zabránit vážným negativním následkům.
Proč se počítají zkratové proudy?
Při navrhování energetického systému využívají inženýři různé počítačové programy, referenční knihy, grafy a tabulky. Pomocí těchto nástrojů se analyzuje činnost obvodu v klidovém režimu a vypočítávají se proudy při jmenovité zátěži a v nouzových situacích.
Zvláště nebezpečné jsou potenciální nehody, které mají za následek poruchy, které způsobí neopravitelné poškození zařízení. Nejběžnější situace nastávají, když se vodiče s různými potenciály začnou vzájemně dotýkat, což způsobí zkrat v transformátoru. Vodivé části a předměty, které zkrat způsobily, mají přitom minimální elektrický odpor.
Hlavním parametrem tohoto režimu je zkratový proud. Jeho vzhled je spojen s několika důvody:
- Porucha automatických ochranných zařízení.
- Technické stárnutí zařízení způsobující poškození izolace a zkraty.
- Údery blesků způsobují vysoké napětí a další přírodní katastrofy.
- Chyby způsobené servisním personálem, který nebyl schopen určit proud.
Každý elektrický obvod je vytvořen pro konkrétní jmenovité zatížení. Zkratový proud je mnohonásobně vyšší než on a vytváří vysokou teplotu, která spálí nejslabší místa v síti a zařízení. Vše končí požárem a totálním zničením. Současně jsou prvky obvodu vystaveny mechanickým vlivům.
Viz také:
Vodiče a dielektrika v elektrickém poli
Aby se předešlo takovým situacím během provozu, jsou již během projektování přijímána zvláštní opatření. Nejprve je proveden teoretický výpočet zkratových proudů se stanovením pravděpodobnosti jejich vzniku a velikosti. Získaná data jsou využívána při dalším návrhu, jakož i při výběru energetických zařízení a ochranných prvků. Míra přesnosti výpočtů se může lišit v závislosti na úrovni spolehlivosti vytvářené ochrany.
Počáteční data a kritéria pro výpočty
Napětí používané v síti může být přímé, střídavé, pulzní, sinusové a další konfigurace. Poruchové proudy náhodně generované kterýmkoli z těchto napětí zcela opakují původní tvar, který se může změnit pod vlivem odporu nebo jiných faktorů.
Nejprve se bere v úvahu Ohmův zákon, který je určen vzorcem I = U/R. Jeho principy jsou s malými rozdíly naprosto stejné jak pro jmenovité zatížení, tak pro nouzové situace. V prvním případě jsou indikátory napětí a odporu ve stabilním stavu a jejich změny nepřesahují standardní údaje. V nouzovém režimu k těmto procesům dochází spontánně, pod vlivem náhodných faktorů. Proto je nutné vypočítat proud pomocí speciálních metod.
Neméně důležité jsou indikátory napájení zdroje napětí. Toto kritérium nám umožňuje vyhodnotit a vypočítat energetický potenciál pro škody způsobené zkratovými proudy. Zároveň se zjišťuje velikost těchto proudů a doba jejich působení. Kromě toho se bere v úvahu délka elektrického obvodu, počet vedení a připojených spotřebičů, které výrazně zvyšují odpor. Pokud je však výkon příliš vysoký, ani ten nejspolehlivější obvod nevydrží zátěž a vyhoří.
Metody výpočtu závisí na konfiguraci konkrétního elektrického obvodu. Především se jedná o napájení, které se provádí různými způsoby. V domácích sítích 220 V se obvykle používá fáze a nula, stejnosměrné napětí je přiváděno z kladných a záporných svorek zdroje a třífázový proud je dodáván podle samostatného obvodu. V každém z těchto případů může dojít k poškození izolace vodičů a částí vedoucích proud a v poškozených místech začnou protékat zkratové proudy.
Ke zkratu dochází současně mezi třemi nebo dvěma fázemi, mezi fází a neutrálem nebo zemí, mezi dvěma nebo třemi fázemi a zemí. Každý z těchto režimů je zohledněn při sestavování projektu.
Velký význam má elektrický odpor obvodu. Závisí na délce vedení od napájecího zdroje, zejména přímého, k místu zkratu, a proto jeho schopnosti omezovat proud. K hlavnímu se přidávají indukční a kapacitní odpory přítomné ve vinutích cívek, transformátorů a v deskách kondenzátorů. Podílejí se na tvorbě aperiodických složek a zavádějí změny hlavních parametrů.
Provádění výpočtů
Kvalifikovaní specialisté se podílejí na provádění výpočtů třífázového a jednofázového proudu. Zodpovídají nejen za matematickou část, ale i za další chování počítaného obvodu za provozních podmínek. Výpočty prováděné doma vyžadují další kontrolu, aby se vyloučila možnost chyb. Před zahájením výpočtů by měli začínající elektrikáři studovat základní pojmy elektřiny, vlastnosti vodičů a dielektrik, roli a význam spolehlivé izolace.
Všechny výpočty, včetně těch, které zahrnují třífázové zařízení, se provádějí pomocí speciálních metod, které zahrnují různé vzorce.
Je důležité vzít v úvahu řadu funkcí:
- Všechny třífázové systémy jsou konvenčně považovány za symetrické.
- Výkon dodávaný do transformátoru je považován za konstantní hodnotu rovnající se jeho jmenovité hodnotě.
- Síla proudu dosáhne maximální hodnoty v okamžiku, kdy dojde k nouzovému režimu. Bude vyžadován výpočet zkratového proudu.
- Vliv EMF zdroje energie umístěného ve velké vzdálenosti od místa zkratu.
V případě potřeby jsou parametry ochrany proti zkratu doplněny o výsledný odpor vodičů. Za tímto účelem jsou indikátory napájení sníženy na jedinou hodnotu. Pro takové výpočty není vhodné používat obvyklé vzorce studované v kurzech fyziky. Zde jsou chyby docela možné kvůli různým hodnotám napětí v různých částech obvodu v okamžiku zahájení nouzového režimu. Jediný základní výkon zjednodušuje výpočty a výrazně zvyšuje přesnost výsledků.
Jmenovité napětí použité ve výpočtech se bere se zvýšením o 5 %. V sítích 380 V bude toto číslo 400 V a při 220 V bude konečná hodnota 231 V.
Jak vypočítat proud v třífázovém zkratu
Výpočet třífázového zkratového proudu je třeba zvážit podrobněji, přičemž je třeba vzít v úvahu všechny vlastnosti a související faktory tohoto procesu.
Ve vodiči, který je vystaven zkratu, nedojde k žádné okamžité změně proudu. Jeho hodnota roste postupně, v souladu se zavedenými fyzikálními zákony. Pro výpočet třífázového proudu existují speciální metody, které vyžadují údaje o všech základních veličinách, určených matematicky. Získané výsledky jsou pak použity speciálním vzorcem.
Jeden ze vzorců vypadá takto: Iкз = Uc/√3*xres =Uc/√3*(xsedět + xext). V něm Uc – hodnota napětí na sběrnicích, xres – účinný nebo obecný odpor. Skládá se z xsedět – poměr odporu celého systému a napájecích sběrnic a xext – odpor v úseku mezi sběrnicemi a bodem zkratu.
Pokud některý ukazatel chybí, lze jej vypočítat pomocí dalších vzorců nebo speciálních počítačových programů. Při provádění výpočtů ve složitých rozvětvených sítích dochází k jejich transformaci na ekvivalentní obvody. Každý jednotlivý obvod je reprezentován jako zdroj energie a jeden odpor. Proces zjednodušení probíhá v následujícím pořadí:
- Všechny hodnoty paralelně zapojených odporů se sečtou.
- Totéž se provádí pro sériově zapojené odpory.
- Hodnota výsledného odporu v relativních jednotkách se určí sečtením všech odporů s paralelním a sériovým zapojením.
Moderní výpočetní technika umožňuje provádět složité operace během několika sekund. To umožňuje získat přesné výsledky pro použití v designu.
Výpočty zkratových proudů v jednofázových sítích
V jednofázových elektrických sítích se výpočet zkratových proudů provádí pomocí zjednodušené metody. Je to dáno nízkou spotřebou energie 220V elektrospotřebičů. To znamená, že je zcela možné spolehlivě chránit soukromý dům nebo byt pomocí 25A jističů.
Proud jednofázového zkratu lze zhruba vypočítat pomocí vzorce č. 1, ve kterém Ik bude jednofázový zkratový proud a Uf – fázové napětí. Z parametryt a Zc představují odpor transformátoru v okamžiku zkratu a odpor mezi fází a nulou. Chyba ve výpočtech pomocí tohoto vzorce je přibližně 10 %. Tato data jsou dostatečná pro plánování spolehlivé ochrany sítě.
Hlavní potíže mohou nastat při řešení problému, jak určit parametr Zc. Pokud však existují údaje o přechodových odporech a charakteristikách vodiče, lze hodnotu odporu mezi fázovým a nulovým vodičem zjistit celkem snadno pomocí vzorce č. 2. V něm jsou parametry rf a rn, respektive aktivní odpory fáze a nulového vodiče (Ohm). Vnitřní indukční odpory fázových a nulových vodičů jsou označeny jako xf a xn (Ohm). Další dvě veličiny – ra a x’ jsou celkový činný odpor kontaktů řetězce fáze-nula a vnější indukční odpor stejného obvodu.
Při výpočtu jednofázových zkratových proudů musí být schéma výpočtu provedeno v určitém pořadí:
- Nejprve je potřeba nastavit parametry napájení.
- Určete vlastnosti vodičů použitých v obvodu.
- Příliš složitý obvod je třeba zjednodušit nahrazením složitých součástek jednoduchými. Pro tento účel je sestaven ekvivalentní obvod pro výpočet zkratových proudů.
- Najděte hodnotu celkového odporu ve fázově neutrální sekci.
- Při absenci technické dokumentace se určuje celkový odpor zdroje energie, měřený v relativních jednotkách.
Všechny získané hodnoty jsou nahrazeny vzorcem, po kterém lze vypočítaný výsledek použít při sestavování projektů.
Multimetr: účel, druhy, označení, značení, co lze multimetrem měřit
Ohmův zákon pro střídavý proud
Jak porozumět Ohmovu zákonu: jednoduché vysvětlení pro figuríny se vzorcem a koncepty
Jaký je rozdíl mezi fázovým napětím nebo proudem a lineárním
Ohmův zákon pro homogenní úsek řetězce – vzorec
Jednofázové jističe: Jak vybrat jistič, charakteristiky, výkonová tabulka
