Come funziona e funziona la protezione da cortocircuito

Il termine «cortocircuito» nell'ingegneria elettrica si riferisce al funzionamento di emergenza di sorgenti di tensione. Si verifica in caso di violazioni dei processi tecnologici di trasmissione dell'energia, quando i terminali di uscita sono cortocircuitati (cortocircuito) di un generatore funzionante o di un elemento chimico.

In questo caso, l'intera potenza della sorgente viene immediatamente applicata al cortocircuito. Attraverso di esso scorrono enormi correnti, che possono bruciare le apparecchiature e causare lesioni elettriche alle persone vicine. Per fermare lo sviluppo di tali incidenti, vengono utilizzate protezioni speciali.

Quali sono i tipi di cortocircuiti

Anomalie elettriche naturali

Appaiono durante scariche di fulmini accompagnate da potente fulmine.

Le fonti della loro formazione sono alti potenziali di elettricità statica di diversi segni e grandezze, accumulati dalle nuvole quando vengono spostate dal vento su lunghe distanze. Come risultato del raffreddamento naturale, mentre sale in altezza, l'umidità nelle nuvole si condensa, formando pioggia.

Un ambiente umido ha una bassa resistenza elettrica, che crea una rottura dell'isolamento dell'aria per il passaggio di corrente sotto forma di fulmini.

Una scarica elettrica scorre tra due oggetti di diverso potenziale:

• sulle nuvole che si avvicinano;

• tra una nuvola temporalesca e il suolo.

Il primo tipo di fulmine è pericoloso per gli aerei e lo scarico a terra può distruggere alberi, edifici, impianti industriali, linee elettriche aeree. Per proteggersi da esso, vengono installati i parafulmini, che successivamente svolgono le seguenti funzioni:

1. ricevere, attirare il potenziale del fulmine verso uno scaricatore speciale;

2. passaggio della corrente ricevuta attraverso un condotto al circuito di terra dell'edificio;

3. lo scarico della scarica ad alta tensione da questo circuito al potenziale di terra.

Cortocircuiti in corrente continua

Sorgenti o raddrizzatori di tensione galvanica creano una differenza nei potenziali positivi e negativi dei contatti di uscita, che in condizioni normali garantisce il funzionamento del circuito, ad esempio il bagliore di una lampadina da una batteria, come mostrato nella figura seguente.

I processi elettrici che avvengono in questo caso sono descritti da un'espressione matematica Legge di Ohm per un circuito completo.

La forza elettromotrice della sorgente viene distribuita per creare un carico nei circuiti interno ed esterno superando le loro resistenze «R» e «r».

In modalità emergenza si verifica un cortocircuito a bassissima resistenza elettrica tra i morsetti «+» e «-» della batteria che praticamente interrompe il flusso di corrente nel circuito esterno, disattivando questa parte del circuito. Pertanto, rispetto alla modalità nominale, possiamo assumere che R = 0.

Tutta la corrente circola solo nel circuito interno, che ha una piccola resistenza ed è determinato dalla formula I = E / r.

Poiché l'entità della forza elettromotrice non è cambiata, il valore della corrente aumenta molto bruscamente. Tale cortocircuito scorre attraverso il filo di cortocircuito e l'anello interno, provocando un'enorme generazione di calore in essi e conseguenti danni strutturali.

Cortocircuiti nei circuiti CA

Tutti i processi elettrici qui sono anche descritti dall'operazione della legge di Ohm e procedono secondo un principio simile. Le caratteristiche del loro passaggio richiedono:

• l'utilizzo di reti monofase o trifase con diverse configurazioni;

• la presenza di un loop di massa.

Tipi di cortocircuiti nei circuiti CA

Possono verificarsi correnti di cortocircuito tra:

• fase e terra;

• due diverse fasi;

• due diverse fasi e messa a terra;

• tre fasi;

• tre fasi e terra.

Per la trasmissione di energia elettrica attraverso linee elettriche aeree, i sistemi di alimentazione possono utilizzare uno schema di connessione neutro diverso:

1. isolato;

2. sordamente radicato.

In ognuno di questi casi le correnti di cortocircuito formeranno un proprio percorso e avranno un valore diverso. Pertanto, tutte le opzioni di cui sopra per l'assemblaggio di un circuito elettrico e la possibilità di correnti di cortocircuito in esse vengono prese in considerazione durante la creazione di una configurazione di protezione corrente per esse.

Un cortocircuito può verificarsi anche nei consumatori di elettricità, ad esempio un motore elettrico. Nelle strutture monofase, il potenziale di fase può attraversare lo strato isolante fino all'alloggiamento o al conduttore neutro.Nelle apparecchiature elettriche trifase, può verificarsi un guasto aggiuntivo tra due o tre fasi o tra le loro combinazioni con il telaio / terra.

In tutti questi casi, come nel caso di un cortocircuito nei circuiti CC, una corrente di cortocircuito di entità molto elevata fluirà attraverso il cortocircuito formatosi e l'intero circuito ad esso collegato al generatore, provocando una modalità di emergenza.

Per evitare ciò, vengono utilizzate protezioni che rimuovono automaticamente la tensione dalle apparecchiature esposte a correnti elevate.

Come scegliere i limiti operativi della protezione da cortocircuito

Tutti gli apparecchi elettrici sono progettati per consumare una certa quantità di elettricità nella loro classe di voltaggio. È accettato valutare il carico non per potenza, ma per corrente. È più facile misurare, controllare e creare protezione contro di essa.

L'immagine mostra i grafici delle correnti che possono verificarsi in diverse modalità di funzionamento dell'apparecchiatura. Per loro, vengono selezionati i parametri per l'impostazione e l'impostazione dei dispositivi di protezione.

Il grafico in colore marrone mostra l'onda sinusoidale della modalità nominale, che viene selezionata come iniziale nella progettazione del circuito elettrico, tenendo conto della potenza del cablaggio e della selezione dei dispositivi di protezione corrente.

Onda sinusoidale di frequenza industriale 50 hertz in questa modalità è sempre stabile, e il periodo di un'oscillazione completa avviene in un tempo di 0,02 secondi.

L'onda sinusoidale della modalità operativa è mostrata in blu nell'immagine. Di solito è inferiore all'armonica nominale. Le persone raramente utilizzano completamente tutte le riserve della capacità loro assegnata.Ad esempio, se in una stanza è appeso un lampadario a cinque bracci, spesso viene incluso un gruppo di lampadine per l'illuminazione: due o tre, non tutte e cinque.

Affinché gli apparecchi elettrici funzionino in modo affidabile al carico nominale, creano una piccola riserva di corrente per l'impostazione delle protezioni. La quantità di corrente alla quale si regolano per scattare è chiamata setpoint. Quando vengono raggiunti, gli interruttori tolgono tensione all'apparecchiatura.

Nell'intervallo di ampiezze sinusoidali tra la modalità nominale e il set point, il circuito funziona in modalità di leggero sovraccarico.

Una possibile caratteristica temporale della corrente di guasto è mostrata nel grafico in nero. La sua ampiezza supera l'impostazione di protezione e la frequenza di oscillazione è cambiata radicalmente. Di solito è di natura aperiodica. Ogni semionda cambia in grandezza e frequenza.

Algoritmo di protezione da sovracorrente

Ogni protezione da cortocircuito comprende tre fasi principali di funzionamento:

1. monitoraggio costante dello stato della sinusoide di corrente monitorata e determinazione del momento del malfunzionamento;

2. analisi della situazione ed emissione di un comando all'organo esecutivo dalla parte logica;

3. rilascio di tensione dall'apparecchiatura tramite dispositivi di commutazione.

In molti dispositivi viene utilizzato un altro elemento: l'introduzione del ritardo del tempo di risposta. Viene utilizzato per fornire il principio di selettività in circuiti ramificati complessi.

Poiché l'onda sinusoidale raggiunge la sua ampiezza in un tempo di 0.005 sec, questo periodo è almeno necessario per la sua misura da parte delle protezioni. Anche le due fasi successive del lavoro non vengono eseguite immediatamente.

Per questi motivi, il tempo totale di intervento delle protezioni di corrente più veloci è leggermente inferiore al periodo di un'oscillazione armonica di 0,02 sec.

Caratteristiche di progettazione della protezione da cortocircuito

La corrente elettrica che scorre attraverso ciascun filo provoca:

• riscaldamento termico del conduttore;

• dirigere un campo magnetico.

Queste due azioni sono prese come base per la progettazione dei dispositivi di protezione.

Protezione corrente

L'effetto termico della corrente, descritto dagli scienziati Joule e Lenz, viene utilizzato per proteggere i fusibili.

Guardia di sicurezza

Si basa sull'installazione di un fusibile nel percorso della corrente, che resiste in modo ottimale al carico nominale, ma si brucia al superamento, interrompendo il circuito.

Maggiore è il valore della corrente di emergenza, più velocemente si crea l'interruzione del circuito, rimuovendo la tensione. Se la corrente viene leggermente superata, potrebbe spegnersi dopo un lungo periodo di tempo.

I fusibili funzionano con successo in dispositivi elettronici, apparecchiature elettriche di automobili, elettrodomestici, dispositivi industriali fino a 1000 volt. Alcuni dei loro modelli sono utilizzati nei circuiti di apparecchiature ad alta tensione.

Protezione basata sul principio dell'influenza elettromagnetica della corrente

Il principio di indurre un campo magnetico attorno a un filo percorso da corrente ha permesso di creare un'enorme classe di relè e interruttori elettromagnetici utilizzando una bobina di sgancio.

La sua bobina si trova su un nucleo, un circuito magnetico in cui vengono aggiunti flussi magnetici ad ogni giro. Il contatto mobile è collegato meccanicamente all'armatura, che è la parte oscillante del nucleo. Viene premuto contro il contatto stazionario dalla forza della molla.

La corrente nominale che scorre attraverso le spire della bobina a spirale crea un flusso magnetico che non può superare la forza della molla. Pertanto, i contatti sono definitivamente chiusi.

In caso di correnti di emergenza, l'armatura viene attratta dalla parte stazionaria del circuito magnetico e interrompe il circuito creato dai contatti.

Nella foto è mostrato uno dei tipi di interruttori automatici che funzionano sulla base della rimozione della tensione elettromagnetica dal circuito protetto.

Utilizza:

• spegnimento automatico delle modalità di emergenza;

• impianto di estinzione arco elettrico;

• avvio manuale o automatico.

Protezione digitale da cortocircuito

Tutte le protezioni discusse sopra funzionano con valori analogici. Oltre a questi, recentemente nell'industria e soprattutto nel settore energetico, vengono attivamente introdotte tecnologie digitali basate sul lavoro dispositivi a microprocessore e relè statici. Gli stessi dispositivi con funzioni semplificate sono prodotti per le esigenze domestiche.

La misurazione dell'ampiezza e della direzione della corrente che attraversa il circuito protetto viene effettuata da un trasformatore di corrente step-down integrato con un elevato grado di precisione. Il segnale da esso misurato viene digitalizzato per sovrapposizione impulsi rettangolari ad alta frequenza secondo il principio della modulazione di ampiezza.

Quindi passa alla parte logica della protezione del microprocessore, che funziona secondo un certo algoritmo preconfigurato. In caso di situazioni di emergenza, la logica del dispositivo invia un comando all'attuatore di spegnimento per togliere tensione alla rete.

Per l'operazione di protezione viene utilizzato un alimentatore che preleva tensione dalla rete o da fonti autonome.

La protezione digitale da cortocircuito ha un gran numero di funzioni, impostazioni e capacità fino alla registrazione dello stato di emergenza della rete e della sua modalità di spegnimento.