Usterka elektryczna

W systemie elektroenergetycznym zwarcie lub prąd zwarciowy to każdy nieprawidłowy prąd elektryczny . Na przykład zwarcie to usterka, w której przewód pod napięciem dotyka przewodu neutralnego lub uziemiającego. Zwarcie obwodu otwartego występuje, gdy obwód zostanie przerwany przez awarię przewodu przewodzącego prąd (fazy lub przewodu neutralnego) lub przepalony bezpiecznik lub wyłącznik automatyczny . W trójfazowych usterka może obejmować jedną lub więcej faz i uziemienie lub może wystąpić tylko między fazami. W przypadku „zwarcia doziemnego” lub „zwarcia doziemnego” prąd płynie do ziemi. Spodziewany prąd zwarciowy przewidywalnej usterki można obliczyć dla większości sytuacji. W systemach elektroenergetycznych urządzenia zabezpieczające mogą wykrywać stany zwarciowe i sterować wyłącznikami automatycznymi oraz innymi urządzeniami w celu ograniczenia utraty usług z powodu awarii.

W systemie wielofazowym usterka może jednakowo wpływać na wszystkie fazy, co jest „usterką symetryczną”. Jeśli dotyczy to tylko niektórych faz, wynikająca z tego „usterka asymetryczna” staje się bardziej skomplikowana do analizy. Analiza tego typu usterek jest często upraszczana przez zastosowanie metod takich jak składowe symetryczne .

Głównym celem ochrony systemów elektroenergetycznych jest projektowanie systemów wykrywania i przerywania uszkodzeń systemu elektroenergetycznego .

Usterka przejściowa

Usterka przejściowa to usterka, która już nie występuje, jeśli zasilanie zostanie odłączone na krótki czas, a następnie przywrócone; lub wada izolacji, która tylko tymczasowo wpływa na właściwości dielektryczne urządzenia, które są przywracane po krótkim czasie. Wiele zwarć w napowietrznych liniach elektroenergetycznych ma charakter przejściowy. Gdy wystąpi awaria, sprzęt używany do ochrony systemu elektroenergetycznego działa w celu odizolowania obszaru awarii. Przejściowa usterka zostanie wtedy usunięta i linia energetyczna może zostać przywrócona do eksploatacji. Typowe przykłady błędów przejściowych obejmują:

przesyłowe i dystrybucyjne wykorzystują funkcję automatycznego ponownego zamykania, która jest powszechnie stosowana w liniach napowietrznych do próby przywrócenia zasilania w przypadku przejściowej awarii. Ta funkcja nie jest tak powszechna w systemach podziemnych, ponieważ awarie mają zwykle trwały charakter. Zwarcia przejściowe mogą nadal powodować uszkodzenia zarówno w miejscu pierwotnego zwarcia, jak i w innym miejscu sieci, gdy generowany jest prąd zwarciowy.

Trwała usterka

Utrzymująca się usterka występuje niezależnie od przyłożonego zasilania. Usterki w podziemnych kablach elektroenergetycznych są najczęściej trwałe z powodu mechanicznego uszkodzenia kabla, ale czasami mają charakter przejściowy z powodu uderzenia pioruna.

Rodzaje usterek

Błąd asymetryczny

Usterka asymetryczna lub niezrównoważona nie wpływa jednakowo na każdą z faz. Typowe typy błędów asymetrycznych i ich przyczyny:

  • zwarcie międzyprzewodowe - zwarcie między przewodami, spowodowane jonizacją powietrza lub fizycznym kontaktem przewodów, np. z powodu pękniętego izolatora . W awariach linii transmisyjnych około 5% - 10% to awarie asymetryczne między liniami.
  • zwarcie linia-ziemia - zwarcie między jedną linią a ziemią, bardzo często spowodowane kontaktem fizycznym, na przykład w wyniku uderzenia pioruna lub innej burzy . W awariach linii transmisyjnych około 65% - 70% to awarie asymetryczne między linią a ziemią.
  • podwójny błąd linii do ziemi - dwie linie stykają się z ziemią (i sobą nawzajem), również często z powodu uszkodzeń spowodowanych przez burzę. W przypadku awarii linii transmisyjnych około 15% - 20% to asymetryczne podwójne linie do ziemi.

Błąd symetryczny

Usterka symetryczna lub zrównoważona wpływa jednakowo na każdą z faz. W przypadku awarii linii przesyłowych około 5% jest symetrycznych. Usterki te są rzadkie w porównaniu z usterkami asymetrycznymi. Dwa rodzaje zwarć symetrycznych to linia do linii (LLL) i linia do linii do linii do ziemi (LLLG). Awarie symetryczne stanowią od 2 do 5% wszystkich awarii systemowych. Mogą jednak spowodować bardzo poważne uszkodzenia sprzętu, nawet jeśli system pozostaje zrównoważony.

Uszkodzona śruba

Jedną skrajnością jest sytuacja, w której zwarcie ma zerową impedancję, co daje maksymalny spodziewany prąd zwarciowy . Pojęciowo, wszystkie przewodniki są uważane za połączone z ziemią, jakby były metalowym przewodnikiem; nazywa się to „błądem śrubowym”. W dobrze zaprojektowanym systemie zasilania byłoby czymś niezwykłym metaliczne zwarcie do masy, ale takie usterki mogą wystąpić przez przypadek. W jednym z typów zabezpieczeń linii transmisyjnych celowo wprowadza się „zwarcie śrubowe” w celu przyspieszenia działania urządzeń zabezpieczających.

Zwarcie doziemne (zwarcie doziemne)

Zwarcie doziemne (zwarcie doziemne) to każda awaria, która umożliwia niezamierzone połączenie przewodów obwodu mocy z ziemią. [ Potrzebne źródło ] Takie usterki mogą powodować niepożądane prądy krążące lub mogą zasilać obudowy urządzeń niebezpiecznym napięciem. Niektóre specjalne systemy dystrybucji zasilania mogą być zaprojektowane tak, aby tolerowały pojedyncze zwarcie doziemne i kontynuowały działanie. Przepisy dotyczące okablowania mogą wymagać, urządzenie monitorujące izolację uruchomiło alarm, aby można było zidentyfikować i usunąć przyczynę zwarcia doziemnego. Jeśli w takim systemie wystąpi drugie zwarcie doziemne, może to spowodować przetężenie lub awarię komponentów. Nawet w systemach, które normalnie są podłączone do uziemienia w celu ograniczenia przepięć , niektóre aplikacje wymagają wyłącznika ziemnozwarciowego lub podobnego urządzenia do wykrywania uszkodzeń doziemnych.

Realistyczne błędy

Realistycznie rezystancja w zwarciu może wynosić od bliskiej zeru do dość wysokiej w stosunku do rezystancji obciążenia. W zwarciu może zostać zużyta duża ilość energii w porównaniu z przypadkiem zerowej impedancji, w którym moc wynosi zero. Ponadto łuki są wysoce nieliniowe, więc prosty opór nie jest dobrym modelem. Dla dobrej analizy należy rozważyć wszystkie możliwe przypadki.

Błąd wyładowania łukowego

Gdy napięcie systemu jest wystarczająco wysokie, między przewodami systemu zasilania a uziemieniem może powstać łuk elektryczny . Taki łuk może mieć stosunkowo wysoką impedancję (w porównaniu z normalnymi poziomami roboczymi systemu) i może być trudny do wykrycia przez proste zabezpieczenie nadprądowe. Na przykład łuk o natężeniu kilkuset amperów w obwodzie zwykle przenoszącym tysiąc amperów może nie wyzwolić wyłączników nadprądowych, ale może spowodować ogromne uszkodzenia szyn zbiorczych lub kabli, zanim dojdzie do całkowitego zwarcia. Systemy energetyczne użyteczności publicznej, przemysłowe i komercyjne mają dodatkowe urządzenia zabezpieczające do wykrywania stosunkowo małych, ale niepożądanych prądów uciekających do ziemi. W okablowaniu mieszkalnym przepisy elektryczne mogą obecnie wymagać wyłączników zwarć łukowych w obwodach okablowania budynków w celu wykrywania małych łuków, zanim spowodują one uszkodzenie lub pożar.

Analiza

Zwarcia symetryczne można analizować tymi samymi metodami, co każde inne zjawisko w systemach elektroenergetycznych, aw rzeczywistości istnieje wiele narzędzi programowych do automatycznego wykonywania tego typu analizy (patrz badanie przepływu mocy ). Istnieje jednak inna metoda, która jest równie dokładna i zwykle bardziej pouczająca.

Najpierw przyjmuje się pewne założenia upraszczające. Zakłada się, że wszystkie generatory elektryczne w systemie są w fazie i pracują przy nominalnym napięciu systemu. Silniki elektryczne można również uznać za generatory, ponieważ w przypadku awarii zwykle dostarczają, a nie pobierają energię. Napięcia i prądy są następnie obliczane dla tego podstawowego przypadku .

Następnie uważa się, że miejsce uszkodzenia jest zasilane ujemnym źródłem napięcia, równym napięciu w tym miejscu w przypadku podstawowym, podczas gdy wszystkie inne źródła są ustawione na zero. Metoda ta wykorzystuje zasadę superpozycji .

Aby uzyskać dokładniejszy wynik, obliczenia te należy wykonać oddzielnie dla trzech odrębnych przedziałów czasowych:

  • subprzejściowy jest pierwszy i jest związany z największymi prądami
  • przejściowy znajduje się pomiędzy stanem przejściowym a stanem ustalonym
  • stan ustalony występuje po tym, jak wszystkie transjenty miały czas na ustabilizowanie się

Zwarcie asymetryczne łamie podstawowe założenia stosowane w przypadku zasilania trójfazowego, a mianowicie, że obciążenie jest zrównoważone we wszystkich trzech fazach. W związku z tym niemożliwe jest bezpośrednie użycie narzędzi, takich jak schemat jednokreskowy , w którym uwzględnia się tylko jedną fazę. Jednak ze względu na liniowość systemów elektroenergetycznych zwykle traktuje się wynikowe napięcia i prądy jako superpozycję składowych symetrycznych , do których można zastosować analizę trójfazową.

W metodzie składowych symetrycznych system elektroenergetyczny jest postrzegany jako superpozycja trzech składowych:

  • składowa o zgodnej kolejności , w której fazy są w tej samej kolejności co system oryginalny, tj. abc
  • składowa o sekwencji przeciwnej , w której fazy są w przeciwnej kolejności niż w układzie pierwotnym, tj. acb
  • komponent o sekwencji zerowej , który tak naprawdę nie jest systemem trójfazowym, ale zamiast tego wszystkie trzy fazy są ze sobą w fazie.

Aby określić prądy wynikające z asymetrycznego zwarcia, należy najpierw znać impedancje składowej zerowej, zgodnej i przeciwnej na jednostkę linii przesyłowych, generatorów i transformatorów. Następnie zbudowane są trzy oddzielne obwody przy użyciu tych impedancji. Poszczególne obwody są następnie łączone ze sobą w określony układ, który zależy od rodzaju badanego uszkodzenia (można to znaleźć w większości podręczników systemów elektroenergetycznych). Po prawidłowym połączeniu obwodów sekwencyjnych sieć można następnie analizować przy użyciu klasycznych technik analizy obwodów. Rozwiązanie skutkuje napięciami i prądami, które istnieją jako składowe symetryczne; powrotem w wartości fazowe przy użyciu macierzy A.

Analiza spodziewanego prądu zwarciowego jest wymagana przy doborze urządzeń zabezpieczających, takich jak bezpieczniki i wyłączniki . Jeśli obwód ma być odpowiednio chroniony, prąd zwarciowy musi być wystarczająco wysoki, aby uruchomić urządzenie zabezpieczające w możliwie najkrótszym czasie; również urządzenie zabezpieczające musi być w stanie wytrzymać prąd zwarciowy i zgasić powstałe łuki bez samo zniszczenia lub podtrzymania łuku przez dłuższy czas.

Wielkość prądów zwarciowych różni się znacznie w zależności od rodzaju zastosowanego systemu uziemienia, rodzaju zasilania instalacji i systemu uziemienia oraz bliskości zasilania. Na przykład w przypadku domowych systemów zasilania w Wielkiej Brytanii 230 V, 60 A TN-S lub w USA 120 V/240 V prądy zwarciowe mogą wynosić kilka tysięcy amperów. W dużych sieciach niskiego napięcia z wieloma źródłami mogą wystąpić błędy o poziomie 300 000 amperów. System uziemiony przez wysoką rezystancję może ograniczyć prąd zwarcia doziemnego tylko do 5 amperów. Przed wyborem urządzeń ochronnych należy wiarygodnie zmierzyć spodziewany prąd zwarciowy na początku instalacji iw najdalszym punkcie każdego obwodu, a informacje te należy odpowiednio zastosować do zastosowania obwodów.

Wykrywanie i lokalizowanie usterek

Napowietrzne linie energetyczne są najłatwiejsze do zdiagnozowania, ponieważ problem jest zwykle oczywisty, np. drzewo przewróciło się na linię lub słup energetyczny jest złamany, a przewody leżą na ziemi.

Lokalizowanie usterek w systemie kablowym można przeprowadzić albo przy odłączonym obwodzie, albo w niektórych przypadkach, gdy obwód jest pod napięciem. Techniki lokalizacji zwarć można ogólnie podzielić na metody terminalowe, które wykorzystują napięcia i prądy mierzone na końcach kabla, oraz metody lokalizacyjne, które wymagają kontroli wzdłuż długości kabla. Metod terminalowych można użyć do zlokalizowania ogólnego obszaru uszkodzenia, aby przyspieszyć śledzenie długiego lub zakopanego kabla.

W bardzo prostych systemach okablowania lokalizację usterki często ustala się poprzez kontrolę przewodów. W złożonych systemach okablowania (na przykład okablowanie samolotu), w których przewody mogą być ukryte, uszkodzenia okablowania są lokalizowane za pomocą reflektometru w dziedzinie czasu . Reflektometr w dziedzinie czasu wysyła impuls wzdłuż przewodu, a następnie analizuje powracający odbity impuls, aby zidentyfikować usterki w przewodzie elektrycznym.

W historycznych podmorskich kablach telegraficznych do pomiaru prądów zwarciowych stosowano czułe galwanometry ; testując na obu końcach uszkodzonego kabla, miejsce uszkodzenia można było wyizolować z dokładnością do kilku mil, co umożliwiło złapanie i naprawę kabla. Pętla Murraya i pętla Varleya to dwa rodzaje połączeń służących do lokalizowania uszkodzeń w kablach

Czasami usterka izolacji w kablu zasilającym nie pojawia się przy niższych napięciach. Zestaw testowy „thumper” stosuje wysokoenergetyczny impuls wysokiego napięcia do kabla. Lokalizację uszkodzenia wykonuje się nasłuchując odgłosu wyładowania w miejscu uszkodzenia. Chociaż ten test przyczynia się do uszkodzeń w miejscu prowadzenia kabla, jest praktyczny, ponieważ w każdym przypadku miejsce, w którym doszło do uszkodzenia, musiałoby zostać ponownie zaizolowane.

W systemie dystrybucyjnym z uziemieniem o wysokiej rezystancji może dojść do zwarcia doziemnego w linii zasilającej, ale system nadal działa. Uszkodzony, ale pod napięciem, zasilacz można znaleźć z pierścieniowym przekładnikiem prądowym , który zbiera wszystkie przewody fazowe obwodu; tylko obwód zawierający zwarcie do masy pokaże niesymetryczny prąd netto. Aby ułatwić wykrywanie prądu ziemnozwarciowego, rezystor uziemiający systemu może być przełączany między dwiema wartościami, tak aby prąd zwarciowy pulsował.

Baterie

Spodziewany prąd zwarciowy większych akumulatorów, takich jak akumulatory głębokiego rozładowania stosowane w autonomicznych systemach zasilania , jest często podawany przez producenta.

W Australii, jeśli ta informacja nie jest podana, spodziewany prąd zwarciowy w amperach „należy uważać za 6-krotność nominalnej pojemności akumulatora przy częstotliwości C 120 Ah ”, zgodnie z normą AS 4086 część 2 (dodatek H).

Zobacz też

Ogólny

  •   Glover, JD; Sarma, MS (2002). Analiza i projektowanie systemów elektroenergetycznych . Brooks/Cole. ISBN 0-534-95367-0 .
  • Burton, analiza mocy GC .
Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Electrical_fault&oldid=1136568221 ”