Ток короткого замыкания: Расчет, защита и безопасность электроустановок.
Prospective short-circuit current
Ток короткого замыкания: расчет, значение и выбор защитных устройств (автоматов, предохранителей). Важно для электробезопасности и проектирования систем.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Перспективный ток короткого замыкания (PSCC), доступный ток короткого замыкания или ток замыкания, – это максимальный электрический ток, который может возникнуть в конкретной электрической системе при условиях короткого замыкания. Он определяется напряжением и импедансом питающей системы. Для стандартной бытовой электроустановки он составляет несколько тысяч ампер, но может быть всего несколько миллиампер в системе безопасного сверхнизкого напряжения (SELV) или достигать сотен тысяч ампер в крупных промышленных энергосистемах. Этот термин используется в электротехнике, а не в электронике. Защитные устройства, такие как автоматические выключатели и предохранители, должны быть выбраны с номинальным током отключения, превышающим перспективный ток короткого замыкания, чтобы безопасно защитить цепь от неисправности. При отключении большого электрического тока образуется электрическая дуга, и если отключающая способность предохранителя или автоматического выключателя недостаточна, дуга не погаснет. Ток продолжит течь, что приведет к повреждению оборудования, пожару или взрыву.
The prospective short circuit current (PSCC), available fault current, or short circuit making current is the highest electric current which can exist in a particular electrical system under short circuit conditions. It is determined by the voltage and impedance of the supply system. It is of the order of a few thousand amperes for a standard domestic mains electrical installation, but may be as low as a few milliamperes in a separated extra low voltage (SELV) system or as high as hundreds of thousands of amps in large industrial power systems. The term is used in electrical engineering rather than electronics. Protective devices such as circuit breakers and fuses must be selected with an interrupting rating that exceeds the prospective short circuit current, if they are to safely protect the circuit from a fault. When a large electric current is interrupted an arc forms, and if the breaking capacity of a fuse or circuit breaker is exceeded, it will not extinguish the arc. Current will continue, resulting in damage to equipment, fire, or explosion.
Жилые помещения
При проектировании бытовых электроустановок ток короткого замыкания, доступный на электрических розетках, не должен быть слишком высоким или слишком низким. Влияние слишком высокого тока короткого замыкания обсуждается в предыдущем разделе. Ток короткого замыкания должен быть примерно в 20 раз больше номинального тока цепи, чтобы обеспечить быстрое отключение защиты цепи при возникновении неисправности. Быстрое отключение необходимо, поскольку при коротком замыкании линии на землю потенциал заземляющего контакта в розетке может повышаться относительно местного заземления (бетонный пол, водопровод и т.п.) до опасного напряжения, которое необходимо быстро отключить для обеспечения безопасности. Если ток короткого замыкания ниже этого значения, необходимо принять специальные меры предосторожности для обеспечения безопасности системы; обычно это включает использование устройства защитного отключения (УЗО, также известного как автоматический выключатель защиты от замыкания на землю) для дополнительной защиты. Ток короткого замыкания, доступный на электрических розетках, часто проверяется при приемке новых электроустановок, чтобы убедиться, что он находится в допустимых пределах. Высокий ток короткого замыкания на розетке также указывает на низкое сопротивление между электрическим щитом и розеткой, что предотвращает недопустимо большое падение напряжения на проводах при нормальной нагрузке. Сопротивление в данном случае – это общее сопротивление по контуру от источника питания через трансформатор. Для его измерения инженер использует измеритель импеданса петли «земля-фаза». Подача низкого напряжения позволяет небольшому току протекать от розетки через землю обратно к трансформатору и распределительному щиту. Измеренное сопротивление можно использовать для расчета тока короткого замыкания.
In designing domestic power installations, the short circuit current available on the electrical outlets should not be too high or too low. The effect of too high short circuit current is discussed in the previous section. The short circuit current should be around 20 times the rating of the circuit to ensure the branch circuit protection clears a fault quickly. Quick disconnecting is needed, because during a line to ground short circuit the grounding pin potential on the power outlet can rise relative to the local earth (concrete floor, water pipe etc.) to a dangerous voltage, which needs to be shut down quickly for safety. If the short circuit current is lower than this figure, special precautions need to be taken to make sure that the system is safe; those usually include using a residual current device (a. k. a. ground fault interrupter) for extra protection. The short circuit current available on the electrical outlets is often tested when inspecting new electrical installations to make sure that the short circuit current is within reasonable limits. A high short circuit current on the outlet also shows that the resistance from the electrical panel to the outlet is low, so there won't be an unacceptably high voltage drop on the wires under normal load. The resistance path is the total resistance back through the supply transformer; to measure this an engineer will use an "earth fault loop impedance meter". The application of a low voltage allows a small current to pass from the socket back through earth to the supply transformer and distribution board. The resistance measured can be used to calculate the short circuit current.
Коммунальные и промышленные
В системах передачи и промышленных энергосистемах ток короткого замыкания часто рассчитывается на основе номинальных импедансов подключенного оборудования и импеданса соединительных линий. Для простых радиальных систем распределения с небольшим количеством элементов возможны ручные вычисления, но для более сложных систем обычно используется компьютерное программное обеспечение. При наличии вращающихся машин (генераторов и двигателей) в системе можно оценить влияние их вклада в короткое замыкание с учетом изменения во времени. Энергия, запасенная в генераторе, может обеспечивать значительно больший ток при коротком замыкании в первые несколько циклов, чем впоследствии; это влияет на отключающую способность, выбираемую для автоматических выключателей и предохранителей. Изолированный генератор может быть специально разработан для обеспечения достаточного тока при коротком замыкании, чтобы подчиненные устройства защиты от перегрузки по току могли функционировать правильно. Если промышленная система запитана от электросети, уровень тока короткого замыкания в точке подключения может быть задан, часто с указанием минимальных и максимальных значений или ожидаемых значений после расширения системы. Это позволяет промышленному потребителю рассчитать уровни внутренних неисправностей на своем предприятии. Если перспективный ток короткого замыкания от источника электроснабжения значительно превышает размер системы потребителя, предполагается "бесконечная шина" с нулевым эффективным внутренним импедансом; тогда единственным ограничением перспективного тока короткого замыкания являются импедансы после определенной "бесконечной шины". В многофазных электрических системах обычно рассматриваются короткие замыкания между фазами, между фазой и землей, между фазой и нейтралью, а также случай короткого замыкания всех трех фаз. Поскольку импедансы кабелей или устройств различаются между фазами, перспективный ток короткого замыкания меняется в зависимости от типа неисправности. Защитные устройства в системе должны реагировать на все три случая. Метод симметричных составляющих используется для упрощения анализа несимметричных коротких замыканий в трехфазных системах.
In power transmission systems and industrial power systems, often the short circuit current is calculated from the nameplate impedances of connected equipment and the impedance of interconnecting wiring. For simple radial distribution systems with only a few elements, hand calculation is feasible, but computer software is generally used for more complex systems. Where rotating machines (generators and motors) are present in the system, the time varying effect of their contribution to a short circuit may be evaluated. Stored energy in a generator may contribute much more current to a short circuit in the first few cycles than later on; this affects the interrupting rating selected for circuit breakers and fuses. An isolated generator may be specially designed to ensure that it can source enough current on a short circuit to allow subordinate overcurrent protection devices to operate properly. Where an industrial system is fed from an electrical utility, the short circuit level at the point of connection may be specified, often with minimum and maximum values or values to be expected after system growth. This allows calculation by an industrial customer of its internal fault levels within its plant. If the prospective short circuit current from the utility source is very large compared to the customer's system size, an "infinite bus" is assumed, with zero effective internal impedance; the only limit to the prospective short circuit current is then the impedances after the defined "infinite bus". In polyphase electrical systems, generally phase to phase, phase to ground (earth), and phase to neutral faults are examined, as well as a case where all three phases are short circuited. Because impedances of cables or devices varies between phases, the prospective short circuit current varies depending on the type of fault. Protection devices in the system must respond to all three cases. The method of symmetrical components is used to simplify analysis of unsymmetrical faults in three phase systems.