Способы защиты оборудования от коротких замыканий
Короткое замыкание (КЗ) способно вывести из строя электрооборудование, повреждение проводки и даже возгорание. Это опасно не только для приборов, но и для жизни. Возникнуть короткое замыкание может в любой момент и в любом месте. Причины тому могут быть совершенно различные:
- ухудшение качества изоляции электропроводки из-за старения, механического или другого воздействия на нее.
- регулярные перегрузки. При работе оборудования в режимах, которые не предусмотрены техвозможностями КЗ – не редкость.
- влияние природных факторов на состояние линий электропередач.
- подключение неисправных электроприборов.
Несмотря на причину, последствия короткого замыкания могут быть совершенно непредсказуемыми, начиная от плавления проводки, задымления, заканчивая пожаром и даже взрывом.
Как защитить оборудование от короткого замыкания?
Безусловно, предусмотреть все не всегда получается, но вот есть ряд рекомендаций, которые минимизируют риск возникновения короткого замыкания.
Рассмотрим самые эффективные и надежные:
- Установка УЗО. Оборудование позволяет защитить человека от контакта с токопроводящими частями. Это может быть корпус неисправного электроприбора, оголенные провода и т.п. УЗО способно отслеживать количество тока, проходящего по фазному и нулевому проводнику. При наличии разницы фиксируется утечка и происходит размыкание контактов. Соответственно, все оборудование отключается.
- Использование дифавтоматов. Они срабатывают, если есть риск короткого замыкания. При обнаружении проблемы они отключают электроцепь. Чаще всего специалисты рекомендуют устанавливать дифавтоматы ABB. Они обладают высокой надежностью, долговечностью и безопасностью. Кроме того, стоимость этого оборудования доступная каждому.
- Изоляция. Обеспечение надлежащей изоляции для электрических проводов и компонентов также помогает предотвратить короткие замыкания. Изоляционные материалы, такие как резина или пластик, могут использоваться для защиты проводов от контакта с другими проводами или металлическими поверхностями.
- Использование защитных реле. Они могут использоваться для мониторинга электрических параметров и автоматического отключения цепи при обнаружении аномалий, таких как повышенный ток или напряжение.
- Регулярное обслуживание и проверка. Проведение регулярного обслуживания и проверки оборудования помогает выявлять потенциальные проблемы, которые могут привести к короткому замыканию, а также обнаружить повреждения и устранить их до возникновения проблемы.
Заключение
Важно следовать правилам эксплуатации электрооборудования. Это значит, что необходима своевременная замена и протяжка клеммников. Обязательно требуется осуществлять контроль распределения нагрузки, аккуратно обращаться с электроприборами. Категорически запрещено попадание влаги внутрь бытовой техники. Это может привести к замыканию и другим негативным последствиям.
Монтаж оборудования и обслуживание проводки доверять нужно исключительно специалистам. В противном случае, результат может быть совершенно непредсказуемым.
Обязательно стоит выбирать качественные УЗО, дифавтоматы. Важно отдавать предпочтение проверенным и надежным брендам, например, ABB. Приобретать дешевые аналоги крайне опасно, ведь это может привести к непоправимой ситуации.
При соблюдении вышеперечисленных мер вы сможете минимизировать риск возникновения короткого замыкания.
Защита от короткого замыкания
В процессе эксплуатации электрических сетей и электрооборудования часто возникают аварийные (нештатные) режимы работы, при которых могут значительно меняться показатели качества (параметры) электроэнергии в распределительной сети. Время ликвидации аварийного режима напрямую влияет на тяжесть его последствий. С целью снижения последствий развития аварии необходимо обеспечить быстрое отключение поврежденного участка при помощи специальных автоматических защитных устройств. Назначение этих устройств – выявление места повреждения и быстрое отделение поврежденного участка электрической сети от неповрежденной части.
Рассмотрим наиболее распространенные аварийные ситуации, с которыми сталкиваются бытовые потребители электроэнергии. В бытовой сети 220 В переменного тока можно выделить два основных аварийных режима: короткое замыкание (К.З.) и перегрузка. Коротким замыканием в данном случае называется нарушение нормальной работы электрической установки, вызванное замыканием фазного и нулевого проводников между собой, либо замыканием фазного и защитного проводника (замыкание на землю). При возникновении КЗ ток в фазном проводе увеличиваются по сравнению с нормальным значением, а напряжение короткого замыкания наоборот – снижается. В режиме перегрузки ток, протекающий по проводам, превышает допустимую (расчетную) величину для данной электрической сети, а напряжение практически не меняется. В обоих случаях длительное протекание тока короткого замыкания (перегрузки) вызывает нагрев проводников, вплоть до расплавления и возможности дальнейшего возникновения очага возгорания (пожара).
Для реализации защиты от перегрузки и токов короткого замыкания в бытовой сети 220 В, как правило, применяются автоматические выключатели (АВ) или, за редким исключением, предохранители. Эти защитные аппараты отключают от питающей электрической сети поврежденный участок (элемент), который послужил причиной возникновения аварийного режима работы, с целью исключения развития аварии и снижения негативных последствий. В настоящее время для бытовой сети 220 В применяются только автоматические выключатели, которые оснащены, как правило, двумя расцепителями: электромагнитным (реагирует на КЗ) и тепловым (реагирует на перегрузку по току). В сравнении с автоматическими выключателями предохранители имеют существенные недостатки и практически исключены из бытового применения, за исключением зданий и помещений старого фонда. Одним из основных условий для выбора автоматических выключателей является мощность подключаемых электроприборов.
Пример изображений автоматического выключателя и предохранителя:
Одним из основных условий надежного функционирования электрической сети и защиты электрооборудования в аварийных режимах на производстве и в промышленности является определение и расчет токов короткого замыкания. Данный вопрос не актуален для бытового потребителя и подробно изучается электротехническим персоналом, эксплуатирующим энергетические объекты и электрические распределительные сети.
Как устроена и работает защита от короткого замыкания
Термином «короткое замыкание» в электротехнике называют аварийный режим работы источников напряжения. Он возникает при нарушениях технологических процессов передачи электроэнергии, когда на действующем генераторе или химическом элементе выходные клеммы замыкаются накоротко (закорачиваются).
При этом вся мощность источника мгновенно прикладывается к закоротке. Через нее протекают огромные токи, способные сжечь оборудование и нанести электрические травмы близкорасположенным людям. Для прекращения развития подобных аварий используются специальные защиты.
Какие бывают виды коротких замыканий
Природные электрические аномалии
Они проявляются во время грозовых разрядов, сопровождающихся мощными молниями.
Источниками их образования являются высокие потенциалы статического электричества различных знаков и величин, накопленные облаками при их перемещении ветром на огромные расстояния. В результате естественного охлаждения при подъеме на высоту пары влаги внутри облака конденсируются, образуя дождь.
Влажная среда обладает низким электрическим сопротивлением, которое создает пробой воздушной изоляции для прохождения тока в виде молнии.
Электрический разряд проскакивает между двумя объектами, обладающими разными потенциалами:
- на приближающихся облаках;
- между грозовой тучей и землей.
Первый вид молнии опасен для летательных аппаратов, а разряд на землю способен разрушить деревья, здания, промышленные объекты, воздушные линии электропередач. Для защиты от него устанавливают молниеотводы, которые последовательно выполняют функции:
1. приема, притяжения потенциала молнии на специальный улавливатель;
2. пропускания полученного тока по тоководу к контуру заземления здания;
3. отвода высоковольтного разряда этим контуром на потенциал земли.
Короткие замыкания в цепях постоянного тока
Гальванические источники напряжения либо выпрямители создают на выходных контактах разность положительных и отрицательных потенциалов, которые в нормальных условиях обеспечивают работу схемы, например, свечение лампочки от батарейки, как показано на рисунке ниже.
Электрические процессы, происходящие при этом описывает математическое выражение закона Ома для полной цепи.
Электродвижущая сила источника распределяется на создание нагрузки во внутреннем и внешнем контурах за счет преодоления их сопротивлений «R» и «r».
В аварийном режиме между клеммами батарейки «+» и «-» возникает закоротка с очень низким электрическим сопротивлением, которая практически исключает протекание тока во внешней цепи, выводя эту часть схемы из работы. Поэтому по отношению к номинальному режиму можно считать, что R=0.
Весь ток циркулирует только во внутреннем контуре, обладающим маленьким сопротивлением, и определяется по формуле I=E/r .
Поскольку величина электродвижущей силы не изменилась, то значение тока очень резко возрастает. Такое короткое замыкание протекает по закорачиваемому проводнику и внутреннему контуру, вызывает внутри них огромное выделение тепла и последующее нарушение конструкции.
Короткие замыкания в цепях переменного тока
Все электрические процессы здесь тоже описываются действием закона Ома и происходят по аналогичному принципу. Особенности на их прохождение налагают:
- применение схем однофазных или трехфазных сетей различной конфигурации;
- наличие контура заземления.
Виды коротких замыканий в схемах переменного напряжения
Токи КЗ могут возникнуть между:
- фазой и землей;
- двумя разными фазами;
- двумя разными фазами и землей;
- тремя фазами;
- тремя фазами и землей.
Для передачи электроэнергии по воздушным ЛЭП системы электроснабжения могут использовать разную схему подключения нейтрали:
В каждом из этих случаев токи коротких замыканий будут формировать свой путь и иметь разную величину. Поэтому все перечисленные варианты сборки электрической схемы и возможности возникновения в них токов коротких замыканий учитываются в создании конфигурации токовых защит для них.
Внутри потребителей электроэнергии, например, электродвигателя тоже может возникнуть короткое замыкание. У однофазных конструкций потенциал фазы может пробить слой изоляции на корпус или нулевой проводник. В трехфазном электрооборудовании дополнительно может возникнуть неисправность между двумя или тремя фазами либо между их сочетаниями с корпусом/землей.
Во всех этих случаях, как и при КЗ в цепях постоянного тока, через образовавшуюся закоротку и всю подключенную к ней до генератора схему будет протекать ток короткого замыкания очень большой величины, вызывающий аварийный режим.
Для его предотвращения используют защиты, которые осуществляют автоматическое снятие напряжение с оборудования, подвергшегося действию повышенных токов.
Как выбирают границы срабатывания защиты от короткого замыкания
Все электрические приборы рассчитаны на потребление определенной величины электроэнергии в своем классе напряжения. Рабочую нагрузку принято оценивать не мощностью, а током. Его проще замерять, контролировать и создавать на нем защиты.
На картинке представлены графики токов, которые могут возникнуть в разных режимах работы оборудования. Под них подбираются параметры настройки и наладки защитных устройств.
На графике коричневым цветом показана синусоида номинального режима, который выбирается в качестве исходного при проектировании электрической схемы, учете мощности электропроводки, подборе токовых защитных устройств.
Частота промышленной синусоиды 50 герц при этом режиме всегда стабильна, а период одного полного колебания происходит за время 0,02 секунды.
Синусоида рабочего режима на картинке показана синим цветом. Она обычно меньше номинальной гармоники. Люди редко полностью используют все резервы отведенной им мощности. Как пример, если в комнате висит пятирожковая люстра, то для освещения часто включают одну группу лампочек: две или три, а не все пять.
Чтобы электроприборы надежно работали при номинальной нагрузке, создают небольшой запас по току для настройки защит. Величину тока, на который их настраивают для отключения, называют уставкой. При ее достижении выключатели снимают напряжение с оборудования.
В интервале амплитуд синусоид между номинальным режимом и уставкой электросхема работает в режиме небольшого перегруза.
Возможная временна́я характеристика аварийного тока показана на графике черным цветом. У нее амплитуда превышает уставку защит, а частота колебаний резко изменилась. Обычно она имеет апериодический характер. Каждая полуволна изменяется по величине и частоте.
Алгоритм работы токовых защит
Любая защита от короткого замыкания включает в себя три основных этапа работы:
1. постоянное отслеживание состояния синусоиды контролируемого тока и определение момента возникновения неисправности;
2. анализ создавшейся ситуации и выдача логической частью команды на исполнительный орган;
3. снятие напряжения с оборудования коммутационными аппаратами.
Во многих устройствах используется еще один элемент — ввод задержки времени на срабатывание. Его используют для обеспечения принципа селективности в сложных, разветвленных схемах.
Поскольку синусоида достигает своей амплитуды за время 0,005 сек, то этого периода, как минимум, необходимо для ее замера защитами. Следующие два этапа работы тоже не совершаются мгновенно.
Общее время работы самых быстрых токовых защит по эти причинам чуть меньше периода одного колебания гармоники 0,02 сек.
Конструктивные особенности защит от короткого замыкания
Электрический ток, проходя по любому проводнику, вызывает:
- термический нагрев токопровода;
- наведение магнитного поля.
Эти два действия приняты за основу конструирования защитных аппаратов.
Защиты на основе принципа термического воздействия тока
Тепловое действие тока, описанное учеными Джоулем и Ленцем, используется для защиты предохранителями.
Она основана на установке внутри пути тока плавкой вставки, которая оптимально выдерживает номинальную нагрузку, но перегорает при ее превышении, разрывая цепь.
Чем выше величина аварийного тока, тем быстрее создается разрыв схемы — снятие напряжения. При небольшом превышении тока отключение может произойти через длительный промежуток времени.
Предохранители успешно работают в электронных устройствах, электрооборудовании автомобилей, бытовой техники, промышленных устройствах до 1000 вольт. Отдельные их модели эксплуатируются в цепях высоковольтного оборудования.
Защиты на основе принципа электромагнитного воздействия тока
Принцип наведения магнитного поля вокруг проводника с током позволил создать огромный класс электромагнитных реле и защитных автоматов, использующих катушку отключения.
Ее обмотка расположена на сердечнике — магнитопроводе, в котором складываются магнитные потоки от каждого витка. Подвижный контакт механически связан с якорем, являющимся качающейся частью сердечника. Он прижимается к стационарно закрепленному контакту усилием пружины.
Ток номинальной величины, проходящий по виткам катушки отключения, создает магнитный поток, который не может преодолеть усилие пружины. Поэтому контакты постоянно находятся в замкнутом состоянии.
При возникновении аварийных токов якорь притягивается к стационарной части магнитопровода и разрывает цепь, созданную контактами.
Один из видов автоматических выключателей, работающих на основе электромагнитного снятия напряжения с защищаемой схемы, показан на картинке.
В нем используется:
- автоматическое отключение аварийных режимов;
- система гашения электрической дуги;
- ручное или автоматическое включение в работу.
Цифровые защиты от короткого замыкания
Все рассмотренные выше защиты работают с аналоговыми величинами. Кроме них в последнее время в промышленности и особенно в энергетике начинают активно внедряются цифровые технологии на основе работы микропроцессорных устройств и статических реле. Такие же приборы с упрощенными функциями выпускаются для бытовых целей.
Замер величины и направления тока, проходящего по защищаемой схеме, выполняет встроенный понижающий трансформатор тока высокого класса точности. Замеренный им сигнал подвергается оцифровке посредством наложения высокочастотных прямоугольных импульсов по принципу амплитудной модуляции.
Затем он поступает на логическую часть микропроцессорной защиты, которая работает по определенному, заранее настроенному алгоритму. При возникновении аварийных ситуаций логика устройства выдает команду исполнительному отключающему механизму на снятие напряжения с сети.
Для работы защиты используется блок питания, берущий напряжение от сети или автономных источников.
Цифровые защиты от коротких замыканий обладают большим количеством функций, настроек и возможностей вплоть до регистрации предаварийного состояния сети и режима ее отключения.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
DCtest2 – контроль изоляции и локализация замыкания на землю в сети постоянного тока
Обнаружение короткого замыкания между батареями и стоками двух секций
Проблемы в сетях постоянного тока
Сети постоянного тока — одна из самых ответственных систем на объектах энергетики. Их безотказная работа определяет правильную работу систем контроля, регулирования, измерения и защиты электроэнергии и техники.
Эти сети часто бывают очень разветвленными, их длина достигает 100 км. Поэтому они в значительной степени подвержены неблагоприятному воздействию внешних факторов, влияющих на ухудшение состояния изоляции. К наиболее частым причинам ослабления изоляции сети и, как следствие, возникновения коротких замыканий относятся:
- грязь или влага,
- механическое повреждение,
- стареть,
- халатность при проведении монтажных работ и периодических осмотров и испытаний.
Короткие замыкания в сетях постоянного тока вызывают отказ или неисправность цепей APiA, а также систем управления и защиты. Они представляют угрозу для здоровья и жизни человека.
Постоянный контроль сопротивления изоляции, а также точное определение местоположения и быстрое устранение замыканий на землю в этих сетях является особенно важным вопросом. В традиционной практике для проверки состояния изоляции используются «метод вольтметра» или измерительные реле. Локализация замыканий на землю осуществляется отключением последующих частей сети, а в крайних случаях — преднамеренными замыканиями на землю противоположного полюса сети. Из-за помех, вносимых в сеть постоянного тока, эти методы громоздки и часто невозможно применять во время работы устройств. Они не обеспечивают быстрое и эффективное устранение короткого замыкания и не позволяют принимать профилактические меры.
Описание системы
Микропроцессорная система контроля сетей постоянного тока DCtest2 предназначена для изолированных сетей от 24 до 220В. Корректная работа (точные измерения сопротивления изоляции, точное определение места замыкания на землю) системы в условиях больших помех, возникающих в сетях постоянного тока, возможна благодаря использованию современных систем компенсации и фильтрации измерительных сигналов. Система контролирует (измеряет) сопротивление изоляции сети и измеряет утечки относительно земли и других гальванически заземленных цепей (например, 230/400 В переменного тока).
Систему можно использовать в любой сети постоянного тока, независимо от ее конфигурации. Результаты измерений доступны на ЖК-дисплее центрального блока. Их также можно отправить в систему наблюдения и контроля.
Структура системы:
Система состоит из следующих элементов:
- центральный процессор (обозначение DC2-jc);
- стационарные измерительные трансформаторы диаметром 9 мм (символ: DC2-I9), 13 мм (символ: DC2-I13) и 43 мм (символ: DC2-I43);
- концентраторы (обозначение DC2-k), к которым подключаются стационарные измерительные трансформаторы (до 8 трансформаторов на один концентратор);
- портативный локатор (обозначение: DC2-p.)
Идея того, как работает система, представлена ниже:
Основные компоненты системы расположены в центральном блоке. Центральный блок лучше всего устанавливать на фасаде КРУЭ или в диспетчерской. Измерительные трансформаторы и концентраторы следует устанавливать в распределительном щите постоянного тока. Элементы измерительной системы связаны с центральным блоком через канал связи RS485.
Центральный блок DC2-jc
Центральный блок является основным элементом системы и оснащен:
- система расчета сопротивления изоляции всей сети;
- два измерительных блока R
- оснащен дополнительными элементами задержки;
- внутренняя сигнализация;
- внешняя сигнализация;
- система визуализации результатов измерений с жидкокристаллическим дисплеем;
- система связи с концентраторами;
- система связи с другими центральными блоками
Концентратор DC2-k
Сигналы тока, измеренные трансформаторами, вводятся в концентратор, где вычисляется значение тока земли. На дисплее отображаются значения тока заземления и сопротивления отдельных розеток.
Стационарные измерительные трансформаторы DC2-I9, DC2-I13, DC2-I43
Измерительные трансформаторы, установленные в измеряемых отводах, используются для измерения токов заземления отдельных отводов. Количество трансформаторов в системе зависит от потребностей эксплуатации, то есть от того, сколько утечек следует измерить. К одному центральному блоку можно подключить до 100 трансформаторов (опционально до 200 трансформаторов).
Портативный локатор DC2-p
Портативный локатор дополняет стационарную систему определения места замыкания на землю и используется для измерения изоляции в местах, где не были установлены стационарные измерительные трансформаторы, а также для точного определения точки заземления. Он оборудован токовыми клещами, которыми во время измерений должны быть закрыты оба проводника (положительный и отрицательный). Локатор показывает значение тока земли. Измеряя токи в отдельных точках цепи одну за другой, рейка определяет точку с ухудшенным сопротивлением изоляции.
Основные возможности системы DCtest2
- обнаруживает все типы коротких замыканий: металлические, через катушку реле, два одновременных замыкания на землю, короткое замыкание на землю, короткое замыкание на другие гальванически заземленные сети, например, 400/230 В;
- внутреннее сопротивление генератора импульсов (20кОм) не активирует вспомогательные реле;
- частота генератора импульсов выбирается в зависимости от мощности сети постоянного тока;
- измерение сопротивления изоляции всей сети постоянного тока и отдельных розеток производится одновременно;
- задержка включения сигнализации на несколько десятков секунд для проверки результатов измерений;
- большой читаемый дисплей, на котором отображается значение сопротивления изоляции всей сети и значения сопротивления измеренных оттоков;
- словесное описание измеряемых оттоков;
- две независимые регулируемые ступени сигнализации снижения сопротивления изоляции;
- сигнализация повреждения устройств системы: повреждение датчика, повреждение концентратора;
- связь с системой управления и контроля по следующим протоколам: Modbus RTU, Modbus TCP, IEC 103
Преимущества использования системы DCtest2
- обеспечивает быстрое нахождение заземленного водостока;
- дает возможность проводить профилактические действия;
- устраняет угрозу здоровью и жизни человека;
- предотвращает опасные и дорогостоящие отключения технологических устройств;
- защищает сеть от разрушения изоляции
Система используется на электростанциях, теплоэлектроцентралях, промышленных предприятиях и распределительных станциях Национальной энергетической системы.
Документация
- Инструкция по эксплуатации — DCtest2 (2,18 MB)