Wie der Kurzschlussschutz funktioniert und funktioniert

Der Begriff „Kurzschluss“ bezeichnet in der Elektrotechnik den Notbetrieb von Spannungsquellen. Tritt bei Verstößen gegen die technologischen Prozesse der Energieübertragung auf, wenn die Ausgangsklemmen eines funktionierenden Generators oder chemischen Elements kurzgeschlossen werden (Kurzschluss).

In diesem Fall steht dem Kurzschluss sofort die volle Leistung der Quelle zur Verfügung. Durch ihn fließen enorme Ströme, die Geräte verbrennen und in der Nähe befindliche Personen durch Stromschläge verletzen können. Um die Entwicklung solcher Vorfälle zu stoppen, werden besondere Schutzmaßnahmen eingesetzt.

Welche Arten von Kurzschlüssen gibt es?

Natürliche elektrische Anomalien

Sie treten bei Blitzentladungen auf, begleitet von starker Blitz.

Die Quellen ihrer Entstehung sind hohe Potentiale statischer Elektrizität unterschiedlicher Vorzeichen und Größenordnung, die von Wolken angesammelt werden, wenn sie vom Wind über große Entfernungen bewegt werden. Durch die natürliche Abkühlung kondensiert die Feuchtigkeit in den Wolken mit zunehmender Höhe und es entsteht Regen.

Eine feuchte Umgebung hat einen geringen elektrischen Widerstand, was zu einer Störung der Luftisolierung für den Stromdurchgang in Form von Blitzen führt.

Eine elektrische Entladung gleitet zwischen zwei Objekten unterschiedlichen Potentials:

• auf den herannahenden Wolken;

• zwischen einer Gewitterwolke und dem Boden.

Die erste Art von Blitzen ist gefährlich für Flugzeuge und ihre Entladung auf den Boden kann Bäume, Gebäude, Industrieanlagen und Freileitungen zerstören. Zum Schutz davor werden Blitzableiter installiert, die nacheinander folgende Funktionen erfüllen:

1. Empfangen und Anziehen des Blitzpotentials zu einem speziellen Ableiter;

2. Durchgang des empfangenen Stroms durch eine Leitung zum Erdungskreis des Gebäudes;

3. die Entladung der Hochspannungsentladung aus diesem Stromkreis auf Erdpotential.

Kurzschlüsse bei Gleichströmen

Galvanische Spannungsquellen oder Gleichrichter erzeugen einen Unterschied im positiven und negativen Potential der Ausgangskontakte, der unter normalen Bedingungen den Betrieb des Stromkreises gewährleistet, beispielsweise das Leuchten einer Glühbirne aus einer Batterie, wie in der Abbildung unten dargestellt.

Die dabei ablaufenden elektrischen Vorgänge werden durch einen mathematischen Ausdruck beschrieben Ohmsches Gesetz für einen vollständigen Stromkreis.

Die elektromotorische Kraft der Quelle wird verteilt, um eine Last in den internen und externen Schaltkreisen zu erzeugen, indem deren Widerstände „R“ und „r“ überwunden werden.

Im Notbetrieb entsteht zwischen den Batterieklemmen „+“ und „-“ ein Kurzschluss mit sehr geringem elektrischen Widerstand, der den Stromfluss im externen Stromkreis praktisch unterbricht und diesen Teil des Stromkreises deaktiviert. Daher können wir in Bezug auf den Nominalmodus annehmen, dass R = 0.

Der gesamte Strom zirkuliert nur im internen Stromkreis, der einen kleinen Widerstand aufweist und durch die Formel I = E / r bestimmt wird.

Da sich die Größe der elektromotorischen Kraft nicht geändert hat, steigt der Wert des Stroms sehr stark an. Ein solcher Kurzschluss fließt durch den Kurzschlussdraht und die innere Schleife und verursacht dort eine enorme Hitzeentwicklung und nachfolgende Strukturschäden.

Kurzschlüsse in Wechselstromkreisen

Auch hier werden alle elektrischen Vorgänge durch das Ohmsche Gesetz beschrieben und laufen nach einem ähnlichen Prinzip ab. Die Merkmale ihrer Passage erfordern:

• die Verwendung von einphasigen oder dreiphasigen Netzen mit unterschiedlichen Konfigurationen;

• das Vorhandensein einer Erdschleife.

Arten von Kurzschlüssen in Wechselstromkreisen

Kurzschlussströme können auftreten zwischen:

• Phase und Masse;

• zwei verschiedene Phasen;

• zwei verschiedene Phasen und Erdung;

• drei Phasen;

• drei Phasen und Erde.

Für die Übertragung von Strom über Freileitungen können Energiesysteme ein anderes Neutralleiter-Verbindungsschema verwenden:

1. isoliert;

2. taub geerdet.

In jedem dieser Fälle bilden die Kurzschlussströme einen eigenen Weg und haben einen anderen Wert. Daher werden bei der Erstellung einer Stromschutzkonfiguration für sie alle oben genannten Möglichkeiten zum Aufbau eines Stromkreises und die Möglichkeit von Kurzschlussströmen in ihnen berücksichtigt.

Auch bei Verbrauchern elektrischer Energie, beispielsweise einem Elektromotor, kann es zu einem Kurzschluss kommen. Bei einphasigen Aufbauten kann das Phasenpotential die Isolationsschicht zum Gehäuse bzw. Neutralleiter durchbrechen.Bei dreiphasigen Elektrogeräten kann ein zusätzlicher Fehler zwischen zwei oder drei Phasen oder zwischen deren Kombinationen mit Rahmen/Erde auftreten.

In all diesen Fällen fließt, wie auch bei einem Kurzschluss in Gleichstromkreisen, ein Kurzschlussstrom sehr großer Stärke durch den gebildeten Kurzschluss und den gesamten daran angeschlossenen Stromkreis zum Generator, was zu einem Notbetrieb führt.

Um dies zu verhindern, werden Schutzvorrichtungen verwendet, die automatisch die Spannung von Geräten entfernen, die erhöhten Strömen ausgesetzt sind.

So wählen Sie die Betriebsgrenzen des Kurzschlussschutzes aus

Alle Elektrogeräte sind in ihrer Spannungsklasse darauf ausgelegt, eine bestimmte Menge Strom zu verbrauchen. Es wird akzeptiert, die Last nicht nach Leistung, sondern nach Strom zu bewerten. Es lässt sich leichter messen, kontrollieren und einen Schutz dagegen schaffen.

Das Bild zeigt Diagramme von Strömen, die in verschiedenen Betriebsmodi des Geräts auftreten können. Für sie werden die Parameter zum Einstellen und Einstellen von Schutzeinrichtungen ausgewählt.

Die braune Grafik zeigt die Sinuswelle des Nennmodus, die bei der Gestaltung des Stromkreises unter Berücksichtigung der Leistung der Verkabelung und der Auswahl der Stromschutzgeräte als Ausgangsmodus ausgewählt wird.

Sinuswelle mit industrieller Frequenz 50 Hertz In diesem Modus ist es immer stabil und die Periode einer vollständigen Schwingung beträgt 0,02 Sekunden.

Die Sinuswelle der Betriebsart ist im Bild blau dargestellt. Sie ist normalerweise kleiner als die Nennharmonische. Menschen nutzen selten alle Reserven ihrer zugewiesenen Kapazität vollständig aus.Wenn zum Beispiel ein fünfarmiger Kronleuchter in einem Raum hängt, dann ist oft eine Gruppe von Glühbirnen für die Beleuchtung vorgesehen: zwei oder drei, nicht alle fünf.

Damit Elektrogeräte bei Nennlast zuverlässig arbeiten, schaffen sie eine kleine Stromreserve für die Einstellung von Schutzeinrichtungen. Die Stromstärke, bei der sie sich auf Auslösung einstellen, wird als Sollwert bezeichnet. Bei Erreichen unterbrechen die Schalter die Spannung vom Gerät.

Im Bereich sinusförmiger Amplituden zwischen Nennmodus und Sollwert arbeitet die Schaltung im leichten Überlastmodus.

Ein möglicher zeitlicher Verlauf des Fehlerstroms ist im Diagramm schwarz dargestellt. Seine Amplitude überschreitet die Schutzeinstellung und die Schwingfrequenz hat sich dramatisch verändert. Es ist normalerweise aperiodischer Natur. Jede Halbwelle ändert sich in Größe und Frequenz.

Überstromschutzalgorithmus

Jeder Kurzschlussschutz umfasst drei Hauptbetriebsstufen:

1. ständige Überwachung des Zustands der überwachten Stromsinuskurve und Bestimmung des Zeitpunkts der Störung;

2. Analyse der Situation und Erteilung eines Befehls an das Exekutivorgan aus dem logischen Teil;

3. Spannungsfreigabe des Betriebsmittels mittels Schaltgeräten.

In vielen Geräten kommt ein weiteres Element zum Einsatz – die Einführung einer Reaktionszeitverzögerung. Es wird verwendet, um das Prinzip der Selektivität in komplexen, verzweigten Schaltkreisen bereitzustellen.

Da die Sinuswelle ihre Amplitude in einer Zeit von 0,005 Sekunden erreicht, ist dieser Zeitraum zumindest für die Messung durch die Schutzvorrichtungen erforderlich. Auch die nächsten beiden Arbeitsschritte werden nicht sofort durchgeführt.

Aus diesen Gründen beträgt die Gesamtansprechzeit der schnellsten Stromschutzvorrichtungen etwas weniger als die Periode einer harmonischen Schwingung von 0,02 Sekunden.

Konstruktionsmerkmale des Kurzschlussschutzes

Der durch jeden Draht fließende elektrische Strom bewirkt:

• thermische Erwärmung des Leiters;

• Lenken eines magnetischen Feldes.

Diese beiden Maßnahmen werden als Grundlage für die Gestaltung von Schutzeinrichtungen herangezogen.

Aktueller Schutz

Die von den Wissenschaftlern Joule und Lenz beschriebene thermische Wirkung von Strom wird zum Schutz von Sicherungen genutzt.

Sicherheitsbeamter

Es basiert auf dem Einbau einer Sicherung im Strompfad, die der Nennlast optimal standhält, bei Überschreitung jedoch durchbrennt und den Stromkreis unterbricht.

Je höher der Wert des Notstroms ist, desto schneller entsteht die Stromkreisunterbrechung – also die Wegnahme der Spannung. Bei geringfügiger Stromüberschreitung kann es nach längerer Zeit zum Abschalten kommen.

Sicherungen funktionieren erfolgreich in elektronischen Geräten, elektrischen Geräten von Autos, Haushaltsgeräten und Industriegeräten bis zu 1000 Volt. Einige ihrer Modelle werden in Hochspannungsschaltkreisen eingesetzt.

Schutz basierend auf dem Prinzip der elektromagnetischen Beeinflussung des Stroms

Das Prinzip, ein Magnetfeld um einen stromführenden Draht herum zu induzieren, ermöglichte die Entwicklung einer großen Klasse elektromagnetischer Relais und Schalter mit einer Auslösespule.

Seine Spule befindet sich auf einem Kern – einem magnetischen Kreis, in dem von jeder Windung magnetische Flüsse hinzugefügt werden. Der bewegliche Kontakt ist mechanisch mit dem Anker verbunden, der den schwingenden Teil des Kerns darstellt. Durch die Kraft der Feder wird es gegen den Festkontakt gedrückt.

Der durch die Windungen der Spiralspule fließende Nennstrom erzeugt einen magnetischen Fluss, der die Kraft der Feder nicht überwinden kann. Daher sind die Kontakte dauerhaft geschlossen.

Bei Notströmen wird der Anker vom stationären Teil des Magnetkreises angezogen und unterbricht den durch die Kontakte erzeugten Stromkreis.

Auf dem Foto ist einer der Typen von Leistungsschaltern dargestellt, die auf der Grundlage der Entfernung elektromagnetischer Spannung aus dem geschützten Stromkreis arbeiten.

Es benutzt:

• automatische Abschaltung des Notfallmodus;

• Lichtbogenlöschsystem;

• manueller oder automatischer Start.

Digitaler Kurzschlussschutz

Alle oben besprochenen Schutzmaßnahmen funktionieren mit analogen Werten. Darüber hinaus werden in jüngster Zeit in der Industrie und insbesondere im Energiesektor auf der Grundlage der Arbeit digitale Technologien aktiv eingeführt Mikroprozessorgeräte und statische Relais. Für den Haushaltsbedarf werden die gleichen Geräte mit vereinfachten Funktionen hergestellt.

Die Messung der Größe und Richtung des durch den geschützten Stromkreis fließenden Stroms erfolgt durch einen eingebauten Abwärtsstromtransformator mit hoher Genauigkeit. Das von ihm gemessene Signal wird durch Überlagerung digitalisiert hochfrequente Rechteckimpulse nach dem Prinzip der Amplitudenmodulation.

Anschließend geht es an den logischen Teil des Schutzes des Mikroprozessors, der nach einem bestimmten, vorkonfigurierten Algorithmus arbeitet. Im Notfall gibt die Gerätelogik einen Befehl an den Abschaltaktor, die Spannung aus dem Netzwerk zu entfernen.

Für den Schutzbetrieb wird ein Netzteil verwendet, das Spannung aus dem Netz oder autarken Quellen bezieht.

Der digitale Kurzschlussschutz verfügt über eine Vielzahl von Funktionen, Einstellungen und Möglichkeiten bis hin zur Registrierung des Notfallzustands des Netzwerks und seines Abschaltmodus.