Omezení zkratových proudů v elektrických sítích průmyslových podniků

V napájecích systémech průmyslových podniků může dojít ke zkratům (zkratům), což vede k prudkému nárůstu proudů. Proto musí být všechna hlavní elektrická zařízení napájecího systému vybrána s ohledem na účinky takových proudů.

Rozlišují se následující typy zkratů:

třífázový symetrický zkrat;

dvoufázové – dvě fáze jsou navzájem spojeny bez připojení k zemi;

jednofázové – jedna fáze je připojena k neutrálu zdroje přes zem;

dvojité zemní spojení – dvě fáze jsou spojeny navzájem a se zemí.

Hlavními příčinami zkratů jsou porušení izolace jednotlivých částí elektroinstalace, nesprávné jednání personálu a překrytí izolace v důsledku přepětí v systému. Zkraty narušují napájení spotřebitelů, včetně nepoškozených připojených k poškozeným úsekům sítě, v důsledku poklesu napětí na nich a narušení provozu elektrizační soustavy. Proto je nutné zkraty co nejdříve odstranit ochrannými zařízeními.

Na Obr. Obrázek 1 ukazuje křivku změny proudu během zkratu. Od okamžiku jeho vzniku dochází v napájecím systému k přechodovému procesu, který se vyznačuje změnou dvou složek zkratového proudu (SCC): periodické a aperiodické.

Křivka zkratového proudu

Rýže. 1. Křivka změny proudu při zkratu

Velké průmyslové podniky jsou obvykle napojeny na výkonné systémy elektrické energie. V tomto případě mohou zkratové proudy dosáhnout velmi významných hodnot, což způsobuje potíže při výběru elektrického zařízení podle podmínek stability při zkratu. Velké potíže vznikají také při konstrukci napájecích systémů s velkým počtem výkonných elektromotorů napájejících zkratové místo.

V tomto ohledu je při návrhu napájecích systémů nutné určit optimální hodnotu zkratového proudu. Nejběžnější způsoby, jak to omezit, jsou:

oddělený provoz transformátorů a napájecích vedení;

zařazení dalších odporů – reaktorů – do sítě;

použití transformátorů s děleným vinutím.

Použití reaktorů je zvláště vhodné při připojování elektrických přijímačů relativně nízkého výkonu ke sběrnicím elektráren a k rozvodnám vysokého výkonu. Při připojení přijímačů s rázovým zatížením – výkonné pece, ventilové pohony – je zvýšení reaktivity sítě instalací reaktorů často nemožné, protože to vede ke zvýšeným výkyvům a odchylkám napětí.

Na Obr. Obrázek 2 ukazuje schéma rozvodny 110 kV dodávající náhle proměnné zátěže. Nezajišťuje odezvu na svorkách a linkách 3, které dodávají silnou rázovou zátěž, aby se nezvyšovala reaktivita sítě a rázové rázy jalového výkonu. Na těchto spojích jsou použity výkonové spínače 1. Na ostatních linkách jsou spínače jalového výkonu 2 rovněž opatřeny přepínatelným výkonem až 350 – 500 MBA.

ČTĚTE VÍCE
Jaké pokojové květiny přinášejí štěstí a bohatství do domova?

Schéma rozvodny 110 kV dodávající náhle proměnné zátěže

Rýže. 2. Schéma rozvodny 110 kV napájející náhle proměnlivé zátěže: 1 – výkonové jističe, 2 – síťové vypínače středního výkonu, 3 – vedení k elektrickým přijímačům s náhle proměnlivým rázovým zatížením

V moderních průmyslových podnicích s velkou motorickou zátěží (koncentrační závody apod.) se k omezení zkratových proudů používá vyvinutý systém napájení s řízeným nouzovým režimem.

Tlumivky pro omezování zkratových proudů

Na Obr. Obrázek 3 ukazuje schéma napájení zpracovatelského závodu. Jak je vidět z obrázku, v případě zkratu v bodě K protéká spínačem poškozeného spoje (B) součet nouzových proudů – ze sítě a doplňování z nepoškozených motorů.

Pro omezení zkratového proudu protékajícího spínačem poškozeného spoje jsou po dobu havárie zapnuty bočníkové tyristorové omezovače proudu VS1, VS2, které omezují složku zkratového proudu ze sítě. Po vypnutí spínače B jsou vypnuty doplňovací proud VS1, VS2. Stupeň proudového omezení je regulován proudovým omezovacím odporem R.

Schéma napájení se skupinovým zařízením omezujícím statický proud

Rýže. 3. Schéma napájení se skupinovým zařízením omezujícím statický proud

Pro řadu kritických mechanismů, které neumožňují samočinné spouštění při jmenovité zátěži a přerušení napájení, se používá schéma částečného paralelního provozu transformátorů, znázorněné na obr. 4.

Okruh je dvousekční rozváděč s duálními reaktory L1 a L2. V normálním režimu jsou spínače Q3, Q4 vypnuty, spínač Q5 je zapnutý. Větvemi a duálních reaktorů protékají zatěžovací proudy a větvemi b teče vyrovnávací proud, který je mezi zdroji omezen odpory větví duálních reaktorů. Obvod umožňuje zejména v sítích se zátěží motoru udržovat zbytková napětí, která zajišťují stabilitu motorů.

Schéma s částečným paralelním provozem zdrojů

Rýže. 4. Schéma s částečným paralelním provozem zdrojů

Na průmyslových objektech se v posledních letech začaly vytvářet komplexní sítě 0,4 kV, ve kterých je prováděn paralelní provoz dílenských transformátorů TM 1000 – 2500 kVA.

Takové sítě zajišťují vysoce kvalitní elektrickou energii a racionální využití výkonu transformátoru. Na Obr. 4a je schéma, ve kterém je omezení nouzových proudů při paralelním provozu transformátorů zajištěno přídavnými tlumivkami zavedenými do sítě 0,4 kV.

V některých případech přirozené odstranění transformátorů umožňuje uspořádat obvod na Obr. 5, ale bez použití reaktorů.

Na Obr. 5, b znázorňuje složitou síť 0,4 kV.

Schémata s paralelním provozem dílenských transformátorů 6/0,4 kV

Rýže. 5. Schémata s paralelním provozem dílenských transformátorů 6/0,4 kV: a – se sekčními tlumivkami, b – pomocí vysokonapěťových tyristorových spínačů

Jak je vidět z Obr. 5, b, jsou výkonové transformátory připojeny k napájecí síti přes tyristorové spínače, které v nouzovém režimu zajišťují pokročilé odstavení některých transformátorů. V tomto případě je zkratový proud omezen v důsledku přirozeného odporu složité sítě, která v tomto případě přijímá energii z nespínaných transformátorů.

ČTĚTE VÍCE
Kdo vypracovává zadání pro provádění inženýrských průzkumů pro výstavbu?

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!

Jak funguje ochrana proti zkratu?

Pojem „zkrat“ v elektrotechnice označuje nouzový provoz zdrojů napětí. Dochází k němu při narušení technologických procesů pro přenos elektřiny, při zkratování (zkratování) výstupních svorek pracujícího generátoru nebo chemického prvku.

V tomto případě je celý výkon zdroje okamžitě aplikován na zkrat. Protékají jím obrovské proudy, které mohou spálit zařízení a způsobit zranění elektrickým proudem blízkým lidem. K zastavení rozvoje takových nehod se používají speciální ochrany.

Jaké jsou typy zkratů?

Přirozené elektrické anomálie

Objevují se při bouřkách doprovázených silnými blesky.

Zdrojem jejich vzniku jsou vysoké potenciály statické elektřiny různých znaků a hodnot akumulované mraky, když je vítr přemisťuje na obrovské vzdálenosti. V důsledku přirozeného ochlazování při stoupání do nadmořské výšky kondenzuje vlhkost uvnitř oblaku a tvoří déšť.

Vlhké prostředí má nízký elektrický odpor, což vytváří průraz vzduchové izolace pro průchod proudu ve formě blesku.

Procesy přirozeného vzniku blesku

Elektrický výboj přeskakuje mezi dvěma objekty s různými potenciály:

  • na blížící se mraky;
  • mezi bouřkovým mrakem a zemí.

První typ blesku je pro letadla nebezpečný a výboj do země může zničit stromy, budovy, průmyslová zařízení a nadzemní elektrické vedení. K ochraně před ním jsou instalovány hromosvody, které důsledně plní následující funkce:

1. přijímání, přitahování bleskového potenciálu do speciálního lapače;

2. průchod výsledného proudu proudovým vodičem do zemnící smyčky budovy;

3. vybití vysokonapěťového výboje tímto obvodem na potenciál země.

Zkraty ve stejnosměrných obvodech

Galvanické zdroje napětí nebo usměrňovače vytvářejí na výstupních kontaktech rozdíl kladných a záporných potenciálů, který za normálních podmínek zajišťuje činnost obvodu, například žhavení žárovky z baterie, jak je znázorněno na obrázku níže.

Elektrické procesy vyskytující se v tomto případě jsou popsány matematickým vyjádřením Ohmova zákona pro úplný obvod.

Působení Ohmova zákona pro úplný obvod

Elektromotorická síla zdroje je rozložena tak, aby vytvořila zátěž ve vnitřních a vnějších obvodech překonáním jejich odporů „R“ a „r“.

V nouzovém režimu dochází ke zkratu s velmi nízkým elektrickým odporem mezi svorkami baterie „+“ a „-“, což prakticky eliminuje tok proudu ve vnějším obvodu, čímž se tato část obvodu stává nefunkční. Proto ve vztahu k nominálnímu módu můžeme předpokládat, že R=0.

ČTĚTE VÍCE
Kde by měl fíkus stát?

Veškerý proud cirkuluje pouze ve vnitřním obvodu, který má nízký odpor a je určen vzorcem I=E/r.

Protože se velikost elektromotorické síly nezměnila, hodnota proudu velmi prudce roste. Takový zkrat protéká zkratovaným vodičem a vnitřním obvodem a způsobuje enormní vývin tepla uvnitř nich a následné konstrukční selhání.

Zkraty ve střídavých obvodech

Všechny elektrické procesy zde jsou také popsány Ohmovým zákonem a probíhají podle podobného principu. Vlastnosti jejich průchodu jsou uloženy:

použití jednofázových nebo třífázových síťových schémat různých konfigurací;

přítomnost zemní smyčky.

Typy zkratů v obvodech střídavého napětí

Zkratové proudy se mohou objevit mezi:

dvě různé fáze a zem;

Typy zkratů v AC síti

Pro přenos elektřiny přes nadzemní elektrické vedení mohou napájecí systémy používat různá schémata neutrálního připojení:

V každém z těchto případů si zkratové proudy vytvoří svou vlastní cestu a budou mít různé velikosti. Proto se při vytváření konfigurace proudové ochrany pro ně berou v úvahu všechny uvedené možnosti sestavení elektrického obvodu a možnost výskytu zkratových proudů v nich.

Zkrat může nastat i uvnitř elektrických spotřebičů, jako je elektromotor. V jednofázových konstrukcích může fázový potenciál prorazit izolační vrstvu do pouzdra nebo nulového vodiče. U třífázových elektrických zařízení může dodatečně dojít k poruše mezi dvěma nebo třemi fázemi nebo mezi jejich kombinacemi s rámem/zem.

Ve všech těchto případech, stejně jako u zkratu ve stejnosměrných obvodech, proteče vzniklým zkratem a celým obvodem s ním spojeným až do generátoru velmi velký zkratový proud, což způsobí nouzový režim.

Aby se tomu zabránilo, používá se ochrana, která automaticky odstraňuje napětí ze zařízení vystavených vysokým proudům.

Jak zvolit provozní limity ochrany proti zkratu

Všechny elektrické spotřebiče jsou konstruovány tak, aby spotřebovávaly určité množství elektřiny ve své napěťové třídě. Je zvykem nehodnotit zátěž podle výkonu, ale podle proudu. Snadněji se na něm měří, ovládá a vytváří ochrana.

Obrázek ukazuje grafy proudů, které se mohou vyskytnout v různých provozních režimech zařízení. Jsou pro ně vybrány parametry pro nastavení a seřízení ochranných zařízení.

Grafy sinusoid různých režimů

V hnědém grafu je znázorněna sinusovka nominálního režimu, který je zvolen jako výchozí při návrhu elektrického obvodu s přihlédnutím k výkonu elektrického vedení a výběru proudových ochranných zařízení.

ČTĚTE VÍCE
Kolik skupin vinutí transformátoru existuje?

Frekvence průmyslové sinusoidy 50 hertzů je v tomto režimu vždy stabilní a doba jedné kompletní oscilace nastává za 0,02 sekundy.

Provozní režim sinusový průběh na obrázku je znázorněn modře. Obvykle je menší než nominální harmonická. Lidé zřídka plně využívají všechny rezervy moci, které jim byly přiděleny. Například, pokud v místnosti visí pětiramenný lustr, pak pro osvětlení často rozsvěcují jednu skupinu žárovek: dvě nebo tři, a ne všech pět.

Aby elektrospotřebiče spolehlivě fungovaly při jmenovité zátěži, je vytvořena malá proudová rezerva pro nastavení ochran. Množství proudu, při kterém se mají vypnout, se nazývá nastavení. Když je dosaženo, spínače odpojí napětí ze zařízení.

V rozsahu sinusových amplitud mezi jmenovitým režimem a nastavenou hodnotou pracuje elektrický obvod v režimu mírného přetížení.

Možná časová charakteristika poruchového proudu je v grafu znázorněna černě. Jeho amplituda přesahuje nastavení ochrany a frekvence oscilací se prudce změnila. Obvykle má aperiodický charakter. Každá půlvlna se liší velikostí a frekvencí.

Algoritmus proudové ochrany

Algoritmus proudové ochrany

Jakákoli ochrana proti zkratu zahrnuje tři hlavní fáze provozu:

1. neustálé sledování stavu sinusoidy řízeného proudu a stanovení okamžiku, kdy dojde k poruše;

2. rozbor aktuálního stavu a vydání příkazu logické části výkonnému orgánu;

3. Uvolněte napětí ze zařízení pomocí spínacích zařízení.

Mnoho zařízení používá další prvek – zavedení časového zpoždění pro provoz. Používá se k zajištění principu selektivity ve složitých, rozvětvených obvodech.

Protože sinusoida dosáhne své amplitudy za 0,005 sekundy, je alespoň tato perioda nezbytná pro její měření ochranami. Další dvě fáze práce také neproběhnou okamžitě.

Z těchto důvodů je celková doba provozu nejrychlejších proudových ochran o něco kratší než doba jednoho harmonického kmitu 0,02 sekundy.

Konstrukční prvky ochrany proti zkratu

Elektrický proud procházející kterýmkoli vodičem způsobuje:

tepelné zahřívání vodiče;

indukce magnetického pole.

Tyto dvě akce jsou brány jako základ pro návrh ochranných zařízení.

Ochrana založená na principu tepelného ovlivnění proudu

Tepelný účinek proudu, který popsali vědci Joule a Lenz, se využívá k ochraně pojistkami.

Je založena na instalaci pojistkové vložky uvnitř proudové cesty, která optimálně odolává jmenovité zátěži, ale při jejím překročení vyhoří a přeruší obvod.

Čím vyšší je nouzový proud, tím rychleji se vytvoří přerušení obvodu – odlehčení napětí. Pokud je proud mírně překročen, může po dlouhé době dojít k vypnutí.

ČTĚTE VÍCE
Jaký váleček je potřeba k malování stropu vodou ředitelnou barvou?

Ochrana proti zkratu pojistky

Pojistky úspěšně fungují v elektronických zařízeních, elektrických zařízeních automobilů, domácích spotřebičích a průmyslových zařízeních do 1000 voltů. Některé z jejich modelů se používají v obvodech vysokonapěťových zařízení.

Ochrana založená na principu elektromagnetického vlivu proudu

Princip indukce magnetického pole kolem vodiče s proudem umožnil vytvořit obrovskou třídu elektromagnetických relé a jističů, které využívají vypínací cívku.

Princip činnosti ochrany na bázi elektromagnetu

Jeho vinutí je umístěno na jádru – magnetickém obvodu, ve kterém se magnetické toky z každého závitu sčítají. Pohyblivý kontakt je mechanicky spojen s kotvou, která je kyvnou částí jádra. Na trvale pevný kontakt je přitlačován silou pružiny.

Jmenovitý proud procházející závity vypínací cívky vytváří magnetický tok, který nemůže překonat sílu pružiny. Kontakty jsou proto neustále v sepnutém stavu.

Při vzniku nouzových proudů je kotva přitahována ke stacionární části magnetického obvodu a přeruší obvod vytvořený kontakty.

Jeden z typů jističů pracujících na bázi odstranění elektromagnetického napětí z chráněného obvodu je na obrázku.

Ochrana automatickými jističi

automatické vypínání nouzových režimů;

elektrický obloukový hasicí systém;

manuální nebo automatická aktivace.

Digitální ochrana proti zkratu

Všechny výše popsané ochrany pracují s analogovými hodnotami. Kromě nich se v průmyslu a zejména v energetice v poslední době začínají aktivně zavádět digitální technologie založené na provozu mikroprocesorových zařízení a statických relé. Stejná zařízení se zjednodušenými funkcemi se vyrábějí pro domácí účely.

Velikost a směr proudu procházejícího chráněným obvodem je měřen vestavěným snižovacím transformátorem proudu vysoké třídy přesnosti. Jím měřený signál je digitalizován superponováním vysokofrekvenčních obdélníkových impulsů podle principu amplitudové modulace.

Poté přechází k logické části ochrany mikroprocesoru, která pracuje podle určitého, předem nakonfigurovaného algoritmu. Když nastanou nouzové situace, logika zařízení vydá příkaz akčnímu členu, aby odstranil napětí ze sítě.

K provozu ochrany se používá napájecí zdroj, který odebírá napětí ze sítě nebo autonomních zdrojů.

Digitální ochrana proti zkratu má velké množství funkcí, nastavení a schopností, včetně záznamu předhavarijního stavu sítě a režimu jejího vypnutí.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!