Com funciona i funciona la protecció contra curtcircuits

El terme "curtcircuit" en enginyeria elèctrica fa referència al funcionament d'emergència de fonts de tensió. Es produeix en cas de violacions dels processos tecnològics de transmissió d'energia, quan els terminals de sortida estan curtcircuitat (curtcircuit) d'un generador o element químic en funcionament.

En aquest cas, tota la potència de la font s'aplica immediatament al curtcircuit. Hi circulen corrents enormes, que poden cremar equips i causar lesions elèctriques a les persones properes. Per aturar el desenvolupament d'aquests incidents, s'utilitzen proteccions especials.

Quins són els tipus de curtcircuits

Anomalies elèctriques naturals

Apareixen durant les descàrregues de llamps acompanyades de poderós llamp.

Les fonts de la seva formació són alts potencials d'electricitat estàtica de diferents signes i magnituds, acumulats pels núvols quan són moguts pel vent a llargues distàncies. Com a conseqüència del refredament natural, a mesura que puja d'alçada, la humitat dels núvols es condensa, formant pluja.

Un ambient humit té una baixa resistència elèctrica, la qual cosa crea una ruptura de l'aïllament de l'aire per al pas del corrent en forma de llamp.

Una descàrrega elèctrica llisca entre dos objectes de diferent potencial:

• als núvols que s'acosten;

• entre un núvol de trons i el terra.

El primer tipus de llamp és perillós per a les aeronaus, i la descàrrega a terra pot destruir arbres, edificis, instal·lacions industrials, línies elèctriques aèries. Per protegir-se d'això, s'instal·len parallamps, que realitzen successivament les funcions següents:

1. rebre, atreure el potencial del llamp a un pararrayos especial;

2. pas del corrent rebut a través d'un conducte fins al circuit de posada a terra de l'edifici;

3. la descàrrega de la descàrrega d'alta tensió d'aquest circuit al potencial de terra.

Curtcircuits en corrent continu

Les fonts de tensió galvànica o rectificadors creen una diferència en els potencials positius i negatius dels contactes de sortida, que en condicions normals garanteix el funcionament del circuit, per exemple, la resplendor d'una bombeta d'una bateria, tal com es mostra a la figura següent.

Els processos elèctrics que tenen lloc en aquest cas es descriuen mitjançant una expressió matemàtica Llei d'Ohm per a un circuit complet.

La força electromotriu de la font es distribueix per crear una càrrega en els circuits interns i externs superant les seves resistències «R» i «r».

En mode d'emergència, es produeix un curtcircuit amb una resistència elèctrica molt baixa entre els borns «+» i «-» de la bateria, que pràcticament talla el flux de corrent al circuit extern, desactivant aquesta part del circuit. Per tant, pel que fa al mode nominal, podem suposar que R = 0.

Tot el corrent circula només pel circuit intern, que té una petita resistència i està determinat per la fórmula I = E / r.

Com que la magnitud de la força electromotriu no ha canviat, el valor del corrent augmenta molt bruscament. Aquest curtcircuit flueix a través del cable de curtcircuit i el bucle interior, provocant-hi una enorme generació de calor i un dany estructural posterior.

Curtcircuits en circuits de CA

Tots els processos elèctrics aquí també es descriuen mitjançant l'operació de la llei d'Ohm i segueixen un principi similar. Les característiques del seu pas requereixen:

• l'ús de xarxes monofàsiques o trifàsiques amb diferents configuracions;

• la presència d'un bucle de terra.

Tipus de curtcircuits en circuits de corrent altern

Els corrents de curtcircuit es poden produir entre:

• fase i terra;

• dues fases diferents;

• dues fases diferents i posada a terra;

• tres fases;

• tres fases i terra.

Per a la transmissió d'electricitat a través de línies elèctriques aèries, els sistemes elèctrics poden utilitzar un esquema de connexió neutre diferent:

1. aïllat;

2. sord a terra.

En cadascun d'aquests casos els corrents de curtcircuit formaran el seu propi camí i tindran un valor diferent. Per tant, totes les opcions anteriors per muntar un circuit elèctric i la possibilitat de corrents de curtcircuit en ells es tenen en compte a l'hora de crear una configuració de protecció de corrent per a ells.

També es pot produir un curtcircuit en els consumidors d'electricitat, per exemple un motor elèctric. En estructures monofàsiques, el potencial de fase pot trencar la capa d'aïllament fins a la carcassa o el conductor neutre.En equips elèctrics trifàsics, es pot produir una fallada addicional entre dues o tres fases o entre les seves combinacions amb el bastidor / terra.

En tots aquests casos, com en el cas d'un curtcircuit en circuits de corrent continu, un corrent de curtcircuit de gran magnitud circularà pel curtcircuit format i tot el circuit connectat a aquest al generador, provocant un mode d'emergència.

Per evitar-ho, s'utilitzen proteccions que eliminen automàticament la tensió dels equips exposats a corrents augmentades.

Com triar els límits de funcionament de la protecció contra curtcircuits

Tots els aparells elèctrics estan dissenyats per consumir una certa quantitat d'electricitat en la seva classe de tensió. S'accepta avaluar la càrrega no per potència, sinó per corrent. És més fàcil mesurar, controlar i crear protecció contra ell.

La imatge mostra gràfics de corrents que es poden produir en diferents modes de funcionament de l'equip. Per a ells, es seleccionen els paràmetres per configurar i configurar dispositius de protecció.

El gràfic en color marró mostra l'ona sinusoïdal del mode nominal, que es selecciona com a inicial en el disseny del circuit elèctric, tenint en compte la potència del cablejat i la selecció dels dispositius de protecció de corrent.

Ona sinusoïdal de freqüència industrial 50 hertz en aquest mode sempre és estable i el període d'una oscil·lació completa es produeix en un temps de 0,02 segons.

L'ona sinusoïdal del mode de funcionament es mostra en blau a la imatge. Normalment és inferior a l'harmònic nominal. Les persones poques vegades fan servir totes les reserves de la seva capacitat assignada.Com a exemple, si un canelobre de cinc braços penja a una habitació, sovint s'inclou un grup de bombetes per a la il·luminació: dues o tres, no les cinc.

Perquè els aparells elèctrics funcionin de manera fiable a la càrrega nominal, creen una petita reserva de corrent per configurar les proteccions. La quantitat de corrent a la qual s'ajusten per disparar s'anomena punt de consigna. Quan s'arriba, els interruptors eliminen la tensió de l'equip.

En el rang d'amplituds sinusoïdals entre el mode nominal i el punt de consigna, el circuit funciona en un mode de sobrecàrrega lleu.

Una possible característica temporal del corrent de falla es mostra al gràfic en negre. La seva amplitud supera la configuració de protecció i la freqüència d'oscil·lació ha canviat dràsticament. Sol ser de naturalesa aperiòdica. Cada mitja ona canvia de magnitud i freqüència.

Algorisme de protecció contra sobreintensitat

Cada protecció contra curtcircuit inclou tres etapes principals de funcionament:

1. seguiment constant de l'estat de la sinusoide de corrent monitoritzada i determinació del moment del mal funcionament;

2. anàlisi de la situació i emissió d'un comandament a l'òrgan executiu des de la part lògica;

3. alliberament de tensió de l'equip mitjançant dispositius de commutació.

En molts dispositius, s'utilitza un altre element: la introducció del retard del temps de resposta. S'utilitza per proporcionar el principi de selectivitat en circuits ramificats complexos.

Com que l'ona sinusoïdal arriba a la seva amplitud en un temps de 0,005 s, aquest període és almenys necessari per a la seva mesura per les proteccions. Les dues etapes següents de treball tampoc es porten a terme immediatament.

Per aquests motius, el temps total de funcionament de les proteccions de corrent més ràpides és lleugerament inferior al període d'una oscil·lació harmònica de 0,02 segons.

Característiques de disseny de la protecció contra curtcircuits

El corrent elèctric que circula per cada cable provoca:

• escalfament tèrmic del conductor;

• dirigint un camp magnètic.

Aquestes dues accions es prenen com a base per al disseny dels dispositius de protecció.

Protecció actual

L'efecte tèrmic del corrent, descrit pels científics Joule i Lenz, s'utilitza per protegir els fusibles.

Guàrdia de seguretat

Es basa en la instal·lació d'un fusible en el recorregut de corrent, que suporta de manera òptima la càrrega nominal, però es crema quan se supera, interrompent el circuit.

Com més gran sigui el valor del corrent d'emergència, més ràpid es crea l'interrupció del circuit, eliminant la tensió. Si es supera lleugerament el corrent, es pot apagar després d'un llarg període de temps.

Els fusibles funcionen amb èxit en dispositius electrònics, equips elèctrics d'automòbils, electrodomèstics, dispositius industrials de fins a 1000 volts. Alguns dels seus models s'utilitzen en circuits d'equips d'alta tensió.

Protecció basada en el principi d'influència electromagnètica del corrent

El principi d'induir un camp magnètic al voltant d'un cable portador de corrent va permetre crear una gran classe de relés i interruptors electromagnètics mitjançant una bobina d'activació.

La seva bobina es troba en un nucli, un circuit magnètic en el qual s'afegeixen fluxos magnètics de cada volta. El contacte mòbil està connectat mecànicament a l'armadura, que és la part oscil·lant del nucli. Es pressiona contra el contacte estacionari per la força de la molla.

El corrent nominal que flueix a través de les espires de la bobina espiral crea un flux magnètic que no pot superar la força de la molla. Per tant, els contactes estan tancats permanentment.

En cas de corrents d'emergència, l'induït és atret per la part estacionària del circuit magnètic i trenca el circuit creat pels contactes.

A la foto es mostra un dels tipus d'interruptors que funcionen a partir de l'eliminació de la tensió electromagnètica del circuit protegit.

S'utilitza:

• apagada automàtica dels modes d'emergència;

• sistema d'extinció d'arc elèctric;

• arrencada manual o automàtica.

Protecció digital contra curtcircuits

Totes les proteccions comentades anteriorment funcionen amb valors analògics. A més d'aquestes, recentment a la indústria i especialment al sector energètic, les tecnologies digitals s'introdueixen activament a partir del treball dispositius de microprocessador i relés estàtics. Els mateixos dispositius amb funcions simplificades es produeixen per a les necessitats domèstiques.

La mesura de la magnitud i la direcció del corrent que passa pel circuit protegit es realitza mitjançant un transformador de corrent reductor incorporat amb un alt grau de precisió. El senyal mesurat per aquest es digitalitza per superposició polsos rectangulars d'alta freqüència segons el principi de modulació d'amplitud.

Després passa a la part lògica de la protecció del microprocessador, que funciona segons un algorisme determinat i preconfigurat. En cas de situacions d'emergència, la lògica del dispositiu emet una ordre a l'actuador d'apagada per eliminar la tensió de la xarxa.

Per a l'operació de protecció s'utilitza una font d'alimentació, que pren tensió de la xarxa o fonts autònomes.

La protecció digital contra curtcircuits té un gran nombre de funcions, configuracions i capacitats fins a registrar l'estat d'emergència de la xarxa i el seu mode d'apagada.