Výpočet zkratových proudů (SC)

Vodič, kterým proud protéká, se samozřejmě okamžitě neohřeje: při protékání proudu vodičem se uvolňuje energie, která se částečně využívá k ohřevu vodiče a částečně se rozptýlí do okolního prostoru.

Uvolňování energie do okolního prostoru ohřívaným tělesem probíhá tím intenzivněji, čím vyšší je teplota tělesa v porovnání s teplotou okolí, proto po nějaké době od začátku ohřevu vodiče nastane okamžik, kdy se množství energie uvolněné ve vodiči rovná energii rozptýlené v okolním prostoru.

Od tohoto okamžiku zůstává teplota vodiče konstantní. Součinitel prostupu tepla závisí na velikosti tělesa, jeho teplotě a umístění.

Je třeba poznamenat, že časová konstanta ohřevu (doba, během které má vodič čas se ohřát z okolní teploty) není ve skutečnosti konstantní, protože tepelná kapacita a koeficient prostupu tepla závisí na teplotě (zejména na druhé). Proto pro různé hodnoty teploty v ustáleném stavu bude časová konstanta ohřevu různá.

Časová konstanta ohřevu u běžných elektrických výrobků používaných v elektroinstalacích se pohybuje od několika desítek minut až po několik hodin.

Přípustné teploty ohřevu částí pod proudem jsou obvykle dány vlastnostmi izolace, se kterou je vodič v kontaktu. To je pochopitelné, protože materiál vodiče je obecně odolnější vůči teplu než izolační materiál.

Ve všech případech ohřevu vodičů je největší zájem o maximální teplotu, která se nevyskytuje na vnějším povrchu izolace, ale na povrchu vodiče, protože nás zajímá teplota izolace, se kterou přichází do styku.

Přípustné teploty jsou do značné míry určeny vlastnostmi izolace, se kterou přicházejí ohřívané části do styku.

Z tohoto pravidla však existují výjimky. Například v kontaktních spojích hrají oxidy obrovskou roli, čím vyšší je kontaktní teplota, tím více se jich tvoří. Proto u takových prvků zařízení může být maximální přípustná teplota určována nikoli izolací umístěnou v blízkosti kontaktu, ale provozními podmínkami samotného kontaktu.

Proudové holé části (ale ne kontaktní spojení) umožňují vyšší ohřev než izolované vodiče. Teplotní rozsah, který je pro ně přijatelný, je určen především dvěma faktory:

oxidace těchto vodičů;
jejich mechanická pevnost při zkratu.

Pro stejné vodiče se stejnou izolací přípustné teploty se liší v závislosti na podmínkách jejich použití.

Jak se určuje trvalý přípustný proud vodičů a kabelů, jsme již podrobněji rozebrali v tomto článku: Co určuje trvalý přípustný proud kabelu

Doba trvání zkratu nemůže být dlouhá, protože se jedná o nouzový režim a ochrana elektrických instalací je zaměřena na co nejrychlejší odpojení zkratované části obvodu. V závislosti na časovém zpoždění ochranných relé se trvání zkratu pohybuje od několika desetin (méně často – setin) sekundy do několika sekund (viz – Jak je elektrické vedení chráněno před přetížením a zkratem).

Při zkratu je dovoleno, aby byla teplota vodičů dvakrát až třikrát vyšší než při běžném provozu., přenos tepla z povrchu vodiče se tedy o mnoho nezvýší, zatímco velikost zkratového proudu se oproti normálnímu proudu zvýší desetinásobně a ztráty ve vodiči – stonásobně.

Přečtěte si více

Nemesia květina: fotografie, popis, pěstování, výsadba, péče

Z toho vyplývá, že při zkratu je množství energie odebrané z povrchu vodiče vlivem ochlazení zanedbatelné množství ze ztrát ve vodiči.

Vezměme si Newtonův vzorec

a přepište jej do formuláře

Čitatel tohoto vzorce obsahuje ztráty ve vodiči a jmenovatel obsahuje odvod tepla z povrchu vodiče. Během normálního provozu a teplotních podmínek v ustáleném stavu jsou tyto dvě hodnoty stejné. V případě zkratu se jmenovatel zvýší třikrát až čtyřikrát. Ale velikost zkratového proudu je 10-20krát větší než normální proud, a proto se čitatel příslušného zlomku zvýší 100-400krát.

Pokud tedy za normálních podmínek byl přenos tepla z povrchu vodiče 100 % velikosti ztrát ve vodiči, pak při zkratu bude přenos tepla činit 1–3 % ztrát ve vodiči.

Tato okolnost dává právo vypočítat přehřátí vodiče při zkratu, aniž by se vzala v úvahu energie odebíraná z vodiče v důsledku ochlazení, tedy dává právo předpokládat, že veškerá energie uvolněná ve vodiči při zkratu jde na zvýšení jeho teploty (adiabatický proces). Chyba s tímto předpokladem bude menší, čím větší budou ztráty ve vodiči v porovnání s přenosem tepla z jeho povrchu.

V případě zkratu se navíc za nejhorší považuje případ, kdy ke zkratu dojde poté, co vodič nebo zařízení (nebo jeho část) dlouhodobě pracuje ve jmenovitém režimu.

Zkratový proud v obvodu střídavého proudu obsahuje kromě periodické (proměnné) složky také aperiodickou (konstantní) složku.

Maximální hodnotu aperiodické složky proudu získáme při uzavření obvodu v okamžiku průchodu napětí nulou. V tomto případě je zkratový proud nejvyšší. Aperiodická a periodická složka zkratového proudu časem doznívá, první rychle, druhá pomalu.

Přehřátí vodičů a kabelů při zkratu zabráníte výběrem správné značky a průřezu a zajištěním správné ochrany elektrické sítě pomocí jističů. Dále je nutné dodržovat opatření k zajištění požární bezpečnosti elektrických rozvodů při provozu elektrických rozvodů a elektrických spotřebičů.

Výběr průřezu kabelu:

Opatření k zajištění požární bezpečnosti elektrických rozvodů:

Obvykle se při zkratu mění hodnota proudu a s rostoucí teplotou vodiče se mění měrný odpor materiálu vodiče a jeho tepelná kapacita.

S ohledem na dobu trvání zkratu a přípustnou teplotu přehřátí při zkratu je možné určit přípustná proudová hustota.

Takto zjištěná hodnota proudu se nazývá proud tepelné stability. Tato technická hodnota se nejčastěji využívá při navrhování, výpočtech a výběru různých elektrických zařízení a proudových sběrnic v trafostanicích.

Tepelná stabilita se vztahuje k určitému času (uvádí se, když je definován). Různé společnosti a různé vládní předpisy poskytují různé hodnoty pro odhadovanou dobu, ke které by měl být připsán tepelný proud.

Podle norem je akceptován desetisekundový proud tepelné stability. To znamená, že při výpočtu přípustného zkratového proudu se doba trvání proudu bere jako 10 sekund. Používají se také jednosekundové a pětisekundové proudy tepelné stability. Ve skutečnosti je samozřejmě přehřátí zařízení od zkratového proudu určeno nikoli součinem proudu a času, ale součinem druhé mocniny proudu a času.

Přečtěte si více

Jak vyměnit kazetu v kuchyňské baterii – 6 snadných kroků

Podívejte se také na další užitečné články na toto téma:

Vodič hliník a měď: vlastnosti, vlastnosti použití, odolnost proti korozi
Moderní kondenzátorové jednotky pro kompenzaci jalového výkonu
Jak používat indikační šroubovák ke kontrole napětí

Doufám, že vám byl tento článek užitečný. Podívejte se také na další články z kategorie Elektrická energie v každodenním životě i v práci » Pomoci začínajícím elektrikářům

Přihlaste se k odběru našeho kanálu na Telegram: World of Electricity

Zde můžete zanechat komentář, položit otázku a jen chatovat:
Chat na elektrická témata

Sdílejte tento článek se svými přáteli:

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:
Současná rezonance

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.

Přečtěte si více

Zpracování a příprava kůry

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.

Přečtěte si více

Jak si poradit s krtkem | MosOblDez

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 = U_c/√3*x_res =U_c/√3*(x_sedět + x_ext). V něm U_c – hodnota napětí na sběrnicích, x_res – účinný nebo obecný odpor. Skládá se z x_sedět – poměr odporu celého systému a napájecích sběrnic a x_ext – 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 I_k bude jednofázový zkratový proud a U_f – fázové napětí. Z parametry_t a Z_c 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 Z_c. 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.

Přečtěte si více

Chov drůbeže | Umělá inseminace kuřat