Scurt circuit

Scurtcircuit într-o linie aeriană de medie tensiune.

Arc electric datorat ruperii bornelor conductorului, în timpul unui test de scurtcircuit cu sursa de alimentare a unui circuit HV la 63 kA. Testul a fost efectuat la CESI în numele Ternei , pentru a verifica rezistența mecanică a componentelor la solicitări de scurtcircuit.

Un scurtcircuit este o conexiune între două puncte ale unui circuit electric care are rezistență aproape de zero. Impune o tensiune zero (sau neglijabilă) pe circuit, dar nu constrânge curentul care trece prin el, care poate presupune valori foarte mari.

Terminologie

În limbaj electrotehnic „scurtcircuit” ^[1] (uneori și „jumper”) înseamnă crearea deliberată a unui scurtcircuit între doi conductori pentru a trece curentul (sau semnalul) între ei, împiedicând astfel curentul (sau semnalul) să curgă către un al treilea conductor în aval de primele două.

Pentru a face acest lucru, conectați primii doi conectori cu un fir electric sau creați scurtcircuitul și conectați-l fizic la pământ , astfel încât orice curent să fie dispersat fără a deteriora sistemul sau persoana (de exemplu, această operațiune este efectuată pentru a descărca un condensator sau transformator). În alte cazuri, provocarea unui scurtcircuit este o operație nedorită care poate fi dăunătoare sistemului / aparatului și periculoasă pentru oameni sau lucruri, dată fiind valoarea ridicată la care poate fi atins curentul.

Teoria circuitelor

Bipol ideal

Simbolul circuitului circuitului închis.

În electrotehnică , scurtcircuitul (sau circuitul închis) ideal este acel bipol caracterizat de relația circuitului:

v(t)=0

{\ displaystyle v (t) = 0}

v (t) = 0

unde v corespunde tensiunii electrice (exprimată în volți ) și t corespunde timpului (exprimat în secunde ).

Puterea electrică a bipolului este zero, deoarece v = 0:

P=V\cdot I=0

{\ displaystyle P = V \ cdot I = 0}

{\ displaystyle P = V \ cdot I = 0}

Circuit echivalent cu un scurtcircuit ideal

Scurtcircuitul este o componentă ideală, deoarece nu corespunde niciunui element real. Se poate considera că este echivalentul diferitelor elemente:

un rezistor cu valoare de rezistență zero
un generator ideal de tensiune cu valoare zero
conexiune paralelă a unui nulator și a unui norator

Scurtcircuit tranzitoriu

Evoluția unui scurtcircuit poate fi schematizată ca închiderea unui circuit RL alimentat de un generator de tensiune alternativă

v(t)={\sqrt {2}}E\sin(\omega t+\gamma )

{\ displaystyle v (t) = {\ sqrt {2}} E \ sin (\ omega t + \ gamma)}

v (t) = \ sqrt {2} E \ sin (\ omega t + \ gamma)

Închiderea circuitului determină trecerea unui curent, a cărui formă de undă este dată de suma componentei tranzitorii $i_{t}(t)$ ${\ displaystyle i_ {t} (t)}$ $i_t (t)$ aperiodic și al componentei stării de echilibru $i_{r}(t)$ ${\ displaystyle i_ {r} (t)}$ $i_r (t)$ alternând sinusoidal. Suma componentelor poate da naștere la un vârf de curent mai mare decât cel al componentei stabile: ^[2]

i(t)=i_{r}(t)+i_{t}(t)={\frac {{\sqrt {2}}E}{Z}}\left[\sin(\omega t+\gamma -\phi )-\exp \left(-{\frac {R}{L}}t\right)\sin(\gamma -\phi )\right]

{\ displaystyle i (t) = i_ {r} (t) + i_ {t} (t) = {\ frac {{\ sqrt {2}} E} {Z}} \ left [\ sin (\ omega t + \ gamma - \ phi) - \ exp \ left (- {\ frac {R} {L}} t \ right) \ sin (\ gamma - \ phi) \ right]}

i (t) = i_r (t) + i_t (t) = \ frac {\ sqrt {2} E} {Z} \ left [\ sin (\ omega t + \ gamma- \ phi) - \ exp \ left ( - \ frac {R} {L} t \ right) \ sin (\ gamma- \ phi) \ right]

unde se menține impedanța $Z={\sqrt {R^{2}+(\omega L)^{2}}}$ ${\ displaystyle Z = {\ sqrt {R ^ {2} + (\ omega L) ^ {2}}}}$ $Z = \ sqrt {R ^ 2 + (\ omega L) ^ 2}$ și faza sa $\phi =\arctan \left({\frac {\omega L}{R}}\right)$ ${\ displaystyle \ phi = \ arctan \ left ({\ frac {\ omega L} {R}} \ right)}$ $\ phi = \ arctan \ left (\ frac {\ omega L} {R} \ right)$

În tensiune înaltă, vârful curentului inițial (care trebuie estimat din tendința curentului de defect și depinde puternic de unghi $\gamma$ ${\ displaystyle \ gamma}$ $\gamă$ , din momentul în care se stabilește scurtcircuitul) determină tensiunea electrodinamică maximă, în timp ce curentul de staționare $I_{cc}=E/Z$ ${\ displaystyle I_ {cc} = E / Z}$ $I_ {cc} = E / Z$ determină disiparea termică în timpul defecțiunii.

Valoarea impedanței circuitului echivalent depinde de parametrii rețelei, defecțiunea și generatoarele conectate la aceasta. Distingem defectele francilor , unde conexiunea nu are impedanță, de cele cu impedanță, unde conexiunea se face printr-un canal conductiv nu este ideală (de exemplu, un arc electric).

Situații posibile

Sisteme de joasă tensiune

În condiții reale, curentul care curge în condiții de scurtcircuit este limitat doar de rezistența firelor conductorului și a conexiunilor. Într-un sistem electric comun de 220-240 V sau 380-420 V , intensitatea curentului poate atinge valori de la mii la sute de mii de amperi și datorită efectului Joule poate genera căldură și poate determina atingerea temperaturilor, cum ar fi conduc toți conductorii, acesta constituie un risc de aprindere a exploziei și a focului .

Sisteme de înaltă tensiune

Scurtcircuitul rezultă din contactul cu impedanță scăzută între părți cu potențial diferit (adică între conductori de faze diferite sau între conductori și pământ) ^[3] . Fazele afectate de contactul cu impedanță scăzută se numesc faze defecte , celelalte sunt numite faze sănătoase . Posibilele scurtcircuite ale unui sistem trifazat sunt:

scurtcircuit trifazat (defect între toate fazele dintr-un punct al rețelei), la pământ sau nu la pământ;
scurtcircuit monofazat la pământ (defect între o fază și pământ);
scurtcircuit bifazat (defect între două faze), la pământ sau nu la pământ.

Cele mai frecvente cauze sunt detașarea unui conductor de linie aeriană, o defecțiune internă într-un echipament, o defecțiune de izolație, contact accidental printr-un corp conductor de fază la fază sau fază la pământ, un arc cauzat de o supratensiune. Scurtcircuitele fază-fază duc întotdeauna la circulația unui curent mare între fazele defecte ( curent de scurtcircuit ). Deoarece rețelele de transmisie sunt operate cu neutru la pământ, scurtcircuitele fază-pământ provoacă, de asemenea, trecerea unor curenți anormal de mari pe fazele defecte și, într-o măsură mai mică, și pe fazele sănătoase, precum și o supraelevare a tensiunii pe fazele sănătoase.

În timp ce defecțiunea rămâne, sistemul electric trebuie să mențină profilurile de tensiune; altfel ar exista o cădere de tensiune la fiecare scurtcircuit. Pentru a realiza acest lucru, grupurile electrogene trebuie să poată furniza puterea suplimentară necesară în timpul necesar stingerii defectului. ^[4] Puterea de scurtcircuit a rețelei este definită ca produsul tensiunii nominale a rețelei cu curentul de scurtcircuit obținut considerând o defecțiune deschisă; în acest caz curentul este limitat doar de impedanța echivalentă a rețelei și a generatoarelor și reprezintă puterea maximă pe care sistemul electric o poate furniza pentru alimentarea defecțiunii.

Protecții

Rețelele și echipamentele electrice trebuie să fie proiectate corespunzător pentru a face față scurtcircuitelor. În acest scop, este necesar ca:

sunt echipate cu dispozitive de protecție electrică , care permit identificarea scurtcircuitului și izolarea porțiunii defecte de circuit;
sunt dimensionate pentru a rezista la efectele scurtcircuitului pentru timpul necesar intervenției protecțiilor.

Verificați BT

Cablurile de joasă tensiune sunt izolate de o manta din plastic, care se poate înmuia și topi dacă este expusă la surse de căldură excesive (expunând conductorul sub tensiune la contactul direct). Prin urmare, este necesar să verificați dacă căldura disipată de cablu pe durata scurtcircuitului este mai mică decât limita de siguranță.

În joasă tensiune, funcțiile de identificare și stingere a defecțiunii sunt efectuate de o singură componentă ( întrerupător sau siguranță magnetotermică ).

Verificarea adecvării dispozitivului de protecție este dată de formula: ^[5]

I^{2}t<K^{2}S^{2}

{\ displaystyle I ^ {2} t <K ^ {2} S ^ {2}}

{\ displaystyle I ^ {2} t <K ^ {2} S ^ {2}}

unde este:

I = curent de scurtcircuit [A];
t = timpul de declanșare a protecției [s];
K = coeficient de izolare (120 pentru PVC și 135 pentru EPR );
S = secțiunea cablului [mm²].

Dacă această condiție este respectată, atunci cablul este protejat.

Verificați AT

Verificarea adecvării la scurtcircuit a rețelelor HV constă din următoarele proceduri:

calcularea curenților de scurtcircuit în diferitele noduri;
calculul efectelor de scurtcircuit asupra echipamentelor și componentelor de înaltă tensiune.

Calculul curenților de scurtcircuit în diferitele noduri ale rețelei este esențial pentru a dimensiona corect echipamentul; în acest scop este necesar să se modeleze circuitul echivalent al rețelei. Având în vedere simetria ridicată existentă în mod normal între caracteristicile electrice ale fazelor, calculul se efectuează folosind metoda secvenței , care permite soluția circuitului de rețea trifazat să fie redusă la soluția a trei circuite monofazate independente. ^[6] Există proceduri standardizate pentru modelarea diferitelor componente ale rețelei ^[7] . Soluția circuitelor este acum realizată prin intermediul unor programe de computer speciale care permit găsirea soluției numerice chiar și a scurtcircuitului tranzitoriu.

Calculul efectelor constă în verificarea temperaturilor excesive și a tensiunilor mecanice atinse de echipamentul HV în timpul scurtcircuitului. Supratemperaturile permit estimarea alungirii termice a conductoarelor (în special a celor flexibile, care datorită alungirii ar putea reduce distanța până la sol); eforturile mecanice permit dimensionarea structurilor de susținere a echipamentului și a bornelor de prindere ale conductoarelor. Mai mult, echipamentul în care curentul curge trebuie să aibă caracteristici nominale compatibile cu curentul maxim de scurtcircuit așteptat; legislația tehnică a produsului prevede teste specifice pentru a verifica această capacitate.

Efecte

Legăturile electrice

Deoarece scurtcircuitul este o conexiune cu impedanță zero, acesta constituie calea de trecere preferențială pentru curent în prezența altor conexiuni în paralel. Prin urmare, închiderea unui scurtcircuit în paralel cu o componentă a circuitului permite ca acesta din urmă să fie exclus din rețea fără a întrerupe circuitul. Acest tip de scurtcircuit este utilizat pentru a exclude componentele care au un utilitar numai în anumite condiții de funcționare ale aparatului (de exemplu, rezistențele de inserție) și nu provoacă supracurenți periculoși, deoarece nu scurtcircuitează întregul aparat. Scurtcircuitul intenționat trebuie să se distingă de legătura echipotențială care este o conexiune care servește pentru a se asigura că două părți au același potențial electric; cea mai frecventă utilizare este conexiunea la pământ care garantează că tensiunea componentelor este aceeași cu tensiunea la pământ. Această conexiune nu este destinată să reziste la trecerea unui curent permanent.

Mecanică

Trecerea curentului în doi conductori paraleli provoacă între ei o forță magnetică de atracție sau repulsie în funcție de direcția reciprocă a curenților, conform legii lui Biot-Savart . Aceasta implică un efort care se transmite pe structurile de prindere ale conductoarelor și pe suporturile echipamentului. Aceste eforturi sunt semnificative doar în HV, unde curenții de scurtcircuit și lungimile conductoarelor dintre două suporturi (întinderi) sunt mari.

Termic

Curentul de scurtcircuit determină dezvoltarea căldurii în conductori datorită efectului Joule . Deoarece acest curent poate fi mult mai mare decât curentul nominal al conductorului sau echipamentului, componenta se poate supraîncălzi și acest lucru poate provoca degradarea materialelor din care este fabricat.

Notă

^ Scurt: Închideți un circuit cu o componentă de rezistență neglijabilă, care ar putea fi un fir sau orice conductor metalic.
^ N. Faletti și P. Chizzolini, § 7.2 , în Transmisia și distribuția energiei electrice , vol. 1, ediția a 6-a, Pàtron, 1985.
^ N. Faletti și P. Chizzolini, § 7 , în Transmisia și distribuția energiei electrice , vol. 1, ediția a 6-a, Pàtron, 1985.
^ Acest lucru se face prin creșterea curentului de excitație a alternatoarelor pentru a menține tensiunea constantă în timpul scurtcircuitului. Cerințele regulatoarelor de tensiune ale generatoarelor sunt conținute în Codul rețelei , pe terna.it . Adus pe 19 noiembrie 2015 .
^ Standard 64-8 / 4 Instalații electrice cu tensiune nominală care nu depășește 1 000 V în curent alternativ și 1 500 V în curent continuu - Partea 4: Cerințe de siguranță , 2012.
^ N. Faletti și P. Chizzolini, § 3 , în Transmisia și distribuția energiei electrice , vol. 1, ediția a 6-a, Pàtron, 1985.
^ Standardul CEI EN 60909-0

Bibliografie

N. Faletti și P. Chizzolini, Transmisia și distribuția energiei electrice , vol. 1, ediția a 6-a, Pàtron, 1985.
Standardul CEI EN 60909-0, Curenți de scurtcircuit în sistemele de curenți alternativi trifazati - Partea 0: Calculul curenților , 2001.
Standard CEI EN 60865-1 Curenți de scurtcircuit - Calculul efectelor. Partea 1: Definiții și metode de calcul , 1998.
Broșura CIGRE nr. 105 și 214, Efectele mecanice ale curenților de scurtcircuit în stațiile de aer liber (Partea I și II)

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikționarul conține dicționarul lema « scurtcircuit »
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre scurtcircuit

linkuri externe

Scurt circuit , pe Treccani.it - Enciclopedii online , Institutul Enciclopediei Italiene .

Controlul autorității	Tezaur BNCF 51349 · LCCN (EN) sh85121807 · GND (DE) 4166241-6 · BNF (FR) cb14488258v (data)

Portal electrotehnic	Portalul de fizică
Portal de inginerie	Portal de știință și tehnologie

[1] Scurt: Închideți un circuit cu o componentă de rezistență neglijabilă, care ar putea fi un fir sau orice conductor metalic.

[2] N. Faletti și P. Chizzolini, § 7.2 , în Transmisia și distribuția energiei electrice , vol. 1, ediția a 6-a, Pàtron, 1985.

[3] N. Faletti și P. Chizzolini, § 7 , în Transmisia și distribuția energiei electrice , vol. 1, ediția a 6-a, Pàtron, 1985.

[4] Acest lucru se face prin creșterea curentului de excitație a alternatoarelor pentru a menține tensiunea constantă în timpul scurtcircuitului. Cerințele regulatoarelor de tensiune ale generatoarelor sunt conținute în Codul rețelei , pe terna.it . Adus pe 19 noiembrie 2015 .

[5] Standard 64-8 / 4 Instalații electrice cu tensiune nominală care nu depășește 1 000 V în curent alternativ și 1 500 V în curent continuu - Partea 4: Cerințe de siguranță , 2012.

[6] N. Faletti și P. Chizzolini, § 3 , în Transmisia și distribuția energiei electrice , vol. 1, ediția a 6-a, Pàtron, 1985.

[7] Standardul CEI EN 60909-0

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]