Elektrický zkrat

Elektrický zkrat je téměř bez odporu spojení mezi oběma póly elektrického zdroje napětí , nebo více obecně dva obvodové body se obvykle různými potenciály, jimiž napětí mezi těmito částmi klesne na konci hodnoty na nulu. Tento termín popisuje jak fyzické připojení (bez toku proudu), tak i případ extrémního toku proudu tímto spojením, jakmile dojde k jeho aktivaci nebo ke změně zdroje napětí.

Na rozdíl od elektrických přípojek, které se používají pro stínění nebo řízení pole , může zkratové připojení způsobit protékání vysokého proudu, který je obvykle násobkem provozního proudu. Tento vysoký zkratový proud je způsoben nízkým ohmickým odporem (viz Ohmův zákon ).

Pro takzvané zkratové posuvníky v HF technologii viz z. B. Vlnový nůž nebo linie Lecher .

Záměrné šortky

Mezi pěti bezpečnostních pravidel pro zamezení úrazu elektrickým stát, že před zahájením práce na elektrických systémech, musí být nejen na vnější vodiče být odpojen, ale v případě potřeby, ke zkratu, musí být rovněž stanoveny mezi vnějšími vodiči, které bylo odpojeno od napětí, a zemský potenciál .

Mobilní a stacionární uzemňovací a zkratovací zařízení se používají pro údržbářské práce na rozváděčích a venkovních vedeních .

  • Mezi mobilní uzemňovací zařízení v elektrických systémech patří uzemňovací tyč a uzemňovací bič . Ty se vytvářejí, jakmile jsou systémy vypnuty a zkontrolovány na nepřítomnost napětí. Bez uzemnění by na odpojených vedeních mohly zůstat zbytkové náboje nebo by mohly vzniknout nové rušivé náboje (např. Magnetickou indukcí paralelně spuštěných vedení), které by mohly být při dotyku vybity lidským tělem.
  • Mezi stálá zkratová zařízení patří zemnicí spínače v příchozích napájecích zařízeních středního napětí , často v kombinaci s odpínači . Za určitých podmínek mohou být také požadovány uzemňovače na odchozí straně. Místo uzemňovače může za určitých podmínek provozovatel energetické sítě schválit také takzvané „pevné uzemňovací body“ .

Velké kondenzátory (výkonové kondenzátory ) musí být během skladování a přepravy zkratovány, aby bylo zajištěno, že jsou vybité a že při dotyku spojení nepředstavují riziko, i když je podle VDE stanovena určitá doba vybíjení. Nestačí vybít kondenzátor jednou, protože dielektrická absorpce umožňuje migraci nových nábojů z dielektrika na elektrody .

Elektronické součástky citlivé na ESD ( MOSFET , IGBT , IC ) jsou před instalací často zkratovány kvůli přepravě a bezpečné manipulaci, aby nedošlo k poškození elektrostatickým výbojem. Statické náboje vytvářejí napětí několik tisíc voltů , které by jinak při vybití zničilo součásti.

Náhodné zkraty

Zkrat kvůli visící větvi

V případě zkratu mezi póly na baterii nebo živé vnějšími vodiči, nebo externí a neutrální vodič na třífázového systému se proud dosáhne své maximální hodnoty, dále jen „počáteční zkratový proud “. Tento proud je omezen pouze odporem k vedení a série vnitřního odporu  na zdroj napětí . Zkratový proud  je tedy:

s napětím zdroje napětí  a součtem všech impedancí (účinných a reaktivních odporů) v cestě zkratového proudu  . Tento velmi vysoký počáteční zkratový proud existuje pouze několik milisekund a poté zeslábne na trvalý zkratový proud. Lze jej vypnout nadproudovými ochrannými zařízeními.

Zkraty jsou většinou způsobeny vadnou izolací nebo poruchou spínání v elektrických systémech nebo obvodech. Zkraty mezi všemi vnějšími vodiči L1 / L2 / L3 se nazývají třífázové zkraty. Všechny zkratové proudy jsou zaznamenávány ochrannými zařízeními a vodiče vedoucí proud jsou vypnuty miniaturními jističi nebo pojistkami.

V případě podzemních kabelů může být obtížné lokalizovat zkrat, protože je často nemožné odhalit kabel po celé jeho délce.

Příčiny a typy

Zkrat může mít následující příčiny:

  • Přerušení izolace, způsobené z. B. stárnutím
  • Změny izolace
    • v důsledku stálého namáhání izolačních materiálů z vysokého elektrického pole, případně s částečnými výboji
    • z přehřátí a následného změkčení nebo chemických změn v izolaci
    • vlivem vody (vytvářejí se povrchové cesty nebo izolační materiál absorbuje vodu)
    • v důsledku mechanického poškození izolace (vysoce namáhaná ruční zařízení, na stavbách)
  • lidskou chybou ( vadné spínání , vodivé předměty, nástroje) v elektrických rozváděčích a zařízeních, pokud nebudou dodržena bezpečnostní pravidla.

Rozlišuje se mezi zkratem způsobeným dotykem živého těla (kontakt s tělem ) a zkratem prostřednictvím odolnosti proti poruše ( efektivní odpor a reaktance ).

Zkrat při nízkém napětí (12 V / 20 A)

V případě zkratu přes odolnost proti poruše může dojít k oblouku s charakteristickým napětím oblouku. Oblouk je vysoce nelineární, neomezuje proud a způsobuje vysoké teploty (5 000 až 15 000 ° C) a interferenční napětí. Díky tepelnému a ionizačnímu účinku mohou být poškozeny další izolační součásti.

Vzhledem k tomu, že se oblouk zapálí v každé půlvlně střídavého proudu poté, co napětí prošlo nulou při vyšším napětí, než zhasne, způsobí to fázový posun proudu jako u fázového řízení .

V třífázových sítích může dojít ke zkratu třípólového (symetrického), dvoupólového (mezi oběma dvěma L1, L2 nebo L3) nebo jednopólového (asymetrického, mezi L1 a uzemňovacími zařízeními).

„Dvojpólovým zkratem“ se rozumí ten, ve kterém v třífázových sítích protéká největší zkratový proud, protože třífázový zdroj napětí je navzdory zkratu relativně lehce zatížen, a proto má stále většinu energetických rezerv k dispozici v tomto zkratu. Existují také asymetrie, které mohou vést k přepětí v ostatních vodičích.

Elektrická zařízení (hliníková lana, odpojovače , jističe , transformátory proudu , i podpůrné železných konstrukcí stejně jako uzemňovací vodič ), a proto musí být dimenzovány v závislosti na maximálním vyskytující dvoupólovým zkratový proud . Rozlišuje se mezi tepelnými jevy (tepelné jevy) a dynamickými (účinky magnetické síly) zkratovým proudem.

Elektrotechnické předpisy a směrnice pro výpočet zkratového proudu pro elektrické (vysokonapěťové) rozváděče lze najít v normě VDE 0102.

Velikost zkratového proudu

Velký zkratový proud může vzniknout, pouze pokud mezi připojením již není žádný skutečný nebo reaktivní odpor. Pokud je odpor mezi živými vodiči stále velmi nízký, nazývá se to „zkratový“ proces.

Příklad: Mezi vnějším vodičem (např. L1) a nulovým vodičem (N) napájí 230 V poruchový proud proti potenciálu země, protože neutrální vodič představující opačný pól je uzemněn; 400 V pohání zkratový proud mezi dvěma vnějšími vodiči (např.L1 a L2), protože fázový posun 120 ° vede k vyšší efektivní hodnotě (viz třífázový střídavý proud ).

Tento zkratový proud je generován během trvání zkratu,  mimo jiné, a to prostřednictvím vnitřního odporu na zdroj napětí (v praxi je sekundárním vinutí proti proudu místní sítě transformátoru ), a to prostřednictvím oblouku odporu v místě zkratu , zjištěná nebo omezená odolnost proti poruchám v místě zkratu a odpory vodičů (aktivní a reaktivní odpor) předních a zpětných vodičů.  

Maximální očekávaný zkratový proud proto závisí na vnitřním odporu nebo impedanci sítě energetické sítě a jejím jmenovitém napětí. Při ochraně proti přetížení (např. Jako jističe , jističe , pojistky ) musí být tento proud schopen vypnout. Proud v domácích instalačních sítích je obvykle kolem 500 až 3000 A.

Důsledky a protiopatření

Důsledky zkratu (zkrat na zem v důsledku příborů) na topném prvku toustovače

Opomenutí omezují zkratový proud nebo zkrat-jako poruchový proud může vést k poškození v důsledku přehřátí (dalšímu poškození izolace, požáry ) v průběhu linií nebo kabelů nebo elektrických součástí rozvaděče, pokud tyto nejsou chráněny pojistky, které nejsou přizpůsobeny průřezu kabelu .

V extrémních případech se vodiče ovlivněné zkratem mohou náhle odpařit a spustit oblouk. Pokud dojde k oblouku, vyvstávají další rizika v důsledku sálavého tepla, postříkání kovem a tlakové vlny. Moderní rozváděče vysokého napětí jsou vybaveny přetlakovými klapkami, které vypínají jistič podavače prostřednictvím kontaktu.

Aby se zabránilo následkům zkratů, používají se v sítích nízkého napětí takzvané miniaturní jističe a pojistky různých charakteristik . Pojistky se musí „spálit“, když dojde k vysokému zkratovému proudu, a co nejdříve odpojit zkratový bod od zbytku napájecí sítě . Vypínací musí být v závislosti na systému velmi rychle (maximum v 1 / 10 -Sekundenbereich) v závislosti na vlastnostech rozsahu použití (instalace v domácnosti, ochranu elektroniky, ochranné prostředky, atd) jsou odlišné od účinků poklesu napětí a zkratový proud musí být udržován nízký.

Ve vysokých a sítí vysokého napětí, síť Ochranná relé jsou použity, které mohou detekovat poruchu a jeho umístění na základě proudu a napětí měření a vypnout odpovídajících částech sítě pomocí obvodu přerušovače. U venkovních vedení  se používá tzv. Automatické opětovné zapnutí (AWE), protože krátkodobý „pokles větve“ by neměl vést k vypnutí. V případě vypnutí se jistič (jističe) znovu zapne po přibližně 250 ms (krátké přerušení); Pokud chyba stále přetrvává, jistič se nakonec přepne do polohy VYPNUTO: AR úspěšná - chyba je pryč, AR neúspěšná - chyba stále existuje. Také železniční rozvodny často provádějí jedno nebo více automatických opětovných připojení několik sekund po vypnutí zkratu, aby bylo možné v případě určitých poruch (elektrický oblouk způsobený úderem blesku nebo ptáky) příslušný úsek pokračovat v provozu.

Mechanická pevnost, např. B. exponovaných přípojnic musí být měřeno v sítích střídavého napětí podle největšího krátkodobého impulzního proudu. Tento krátkodobý proudový ráz je spojen s počátečním zkratovým střídavým proudem prostřednictvím rázového faktoru κ. Faktor κ je v rozsahu od 1 do 2 a je určen účinnými odpory a reaktancemi v cestě zkratu. Mechanická zatížení vykazují dynamické chování v důsledku frekvence sítě.

Obzvláště vysoké síly vznikají při zkratech v blízkosti generátoru a způsobují mechanické poškození nebo - u transformátorů naplněných olejem - požáry transformátorů, které je obtížné nebo nemožné uhasit. Výkonové transformátory jsou proto často umístěny venku a odděleny od prostředí vhodnými betonovými stěnami.

Zkratová pevnost

Transformátory pro převod úrovně síťového napětí (230 V) na ochranné velmi nízké napětí pod 50 V lze navrhnout tak, aby magnetické jádro mělo dostatečně velký svodový tok, aby v případě sekundárního proudu omezilo proud na primární straně. boční zkrat. Podobný princip platí pro svařovací transformátory , které jsou z provozních důvodů zkratovány na sekundární straně.

Typickými aplikacemi jsou zvonové transformátory a malé hračkové transformátory, které jsou formálně navrženy jako podmíněně odolné proti zkratu podle VDE 0551 a EN 60742. Tok primárního proudu musí být rovněž omezen alespoň z důvodu ochrany před zkraty v napájecích vedeních. Další ochranu obvykle poskytuje zařízení tepelné ochrany, které odděluje tok primárního proudu při překročení teploty jádra, dokud se neochladí.

Zkrat na vstupech a výstupech elektronických zařízení

Aby bylo možné zkontrolovat elektronické zařízení a určit, zda na vstupu zařízení nedochází k rušení, je často užitečné „zkratovat“ vstupy (vstupy NF, zásuvka antény). Toto je „technický žargon“. Správnější výraz je, že vstupy by měly být přemostěny, protože nebude proudit žádný proud, ale rušivé interferenční signály jsou přesměrovány na zem. Tímto způsobem lze izolovat zdroj rušení.

Na druhou stranu obvykle není možné zkratovat výstup (např. Připojení reproduktoru zesilovače , anténní připojení vysílače ) bez poškození . Takové zkraty nezpůsobují žádné nebezpečí, ale obvykle vedou k přetížení a zničení koncových stupňů nebo jednotlivých komponent ( tranzistory atd.).

Proto jsou výstupy zesilovače často chráněny různými ochrannými obvody, které zesilovač v případě zkratu vypnou. Dalším možným ochranným opatřením může být výstupní transformátor, který je dimenzován tak, aby v případě zkratu v sekundárním vinutí, na které je připojena zátěž, nebyl překročen maximální přípustný výstupní proud.

Zkrat akumulátorů

Akumulátory mohou podle svého typu dodávat značné zkratové proudy, které mohou nejen poškodit nebo zničit akumulátory, ale také způsobit poškození majetku a zranění osob.

Startovací baterie do auta ( olověné akumulátory ) mohou vydávat například více než 1 000 A, což může v případě zkratu vést k požáru kabelu - běžná příčina požáru při autonehodě. Dojde-li ke zkratu při práci na pólových svorkách startovací baterie v důsledku vodivého nástroje nebo šperku (kovový řemínek na hodinky nebo prsten), může to způsobit popáleniny a / nebo postříkání kovem. Proto platí pravidlo, že uzemnění (-) musí být vždy uvolněno jako první a připojeno jako poslední.

U redundantních a diodově oddělených bateriových systémů se stejnosměrným napětím 220 V dochází k úmyslnému zkratu v případě dvojité poruchy: V případě (-) zemního spojení na baterii 1 a (+) zemního spojení na baterii 2 nebo naopak se generuje nepřípustně vysoké napětí (kvůli oběma sériovým připojením obou baterií způsobeným zemními poruchami: max. U1 + U2 = 440 V). Při pevném připojení obou (-) pólů způsobují tyto dvě poruchy zkrat na kostru, a proto se nadproudové ochranné zařízení proti proudu bezpečně vypne. Tím se zabrání přetížení v důsledku nepřípustného zvýšení napětí na spotřebiči.

Sub-přechodný počáteční zkratový střídavý proud

Sub-přechodný počáteční zkratový střídavý proud  je termín z elektrotechniky . Toto je čistě teoretická proměnná při výpočtu zkratového proudu. Označuje efektivní hodnotu složky střídavého proudu zkratového proudu v okamžiku, kdy dojde ke zkratu. Nepoužívá se pro mechanické hodnocení účinků proudu v případě zkratu. Pro tuto úvahu se používá rázový zkratový střídavý proud.

Rázový zkratový proud

Rázový zkratový proud  je rozhodující pro hodnocení a výpočet mechanické pevnosti, zejména:

  • Vinutí generátoru
  • Vinutí transformátoru
  • Kabelové a linkové trasy
  • elektrický rozvaděč.

Rázový zkratový proud je nejvyšší okamžitá hodnota střídavého proudu po výskytu zkratu a je specifikována jako špičková hodnota.

S

Rázový zkratový proud
Faktor mezi 1,02 a 2 v závislosti na poměru odporu  k reaktanci  zkratové cesty
Počáteční zkratový střídavý proud

Ochranná zařízení, jako jsou jističe nebo pojistky, nejsou konstruována pro rázový zkratový proud, ale pro tepelně efektivní trvalý zkratový proud.

Normy

  • DIN EN 60909-0 VDE 0102: 2002-07; Zkratové proudy v třífázových sítích - výpočet proudů (+ doplňkové listy 1, 3 a 4)
  • DIN EN 60909-3 VDE 0102-3: 2010-08; Zkratové proudy v třífázových sítích - proudy v případě dvojitých zkratů na zemi a částečných zkratových proudů nad zemí
  • DIN EN 60865-1 VDE 0103: 1994-11; Zkratové proudy; Výpočet účinku - podmínky a metoda výpočtu (+ dodatek 1)

Přepětí (jiný termín)

Fyzickým a technickým opakem zkratu je elektrické přerušení. Pokud je zdroj konstantního proudu přerušen , může dojít k přepětí bez ochranných opatření. V zásadě se jedná o případ, kdy je v obvodu nabitá indukčnost . V určitých případech tedy může přerušení také představovat nebezpečí.

Viz také

literatura

  • Gunter Pistora: VDE série 118; Výpočet zkratových proudů a úbytků napětí, nadproudová ochranná zařízení, selektivita, ochrana při zkratu, výpočty pro praxi s CALCKUS (s CD-ROM) . 2. vydání. VDE Verlag GmbH, Berlin - Offenbach 2009, ISBN 978-3-8007-3136-7 .

webové odkazy

Wikislovník: zkrat  - vysvětlení významů, původ slov, synonyma, překlady
Commons : Elektrický zkrat  - sbírka obrázků, videí a zvukových souborů

Individuální důkazy

  1. Uzemňovač je mechanické spínací zařízení pro uzemnění částí obvodu, které po určitou dobu generují elektrické proudy za abnormálních podmínek, např. B. v případě zkratu vydrží, ale při normálním provozu nemusí přenášet elektrický proud.
  2. Technické podmínky připojení pro připojení k síti vysokého napětí na příkladu EWE NETZ GmbH ( Memento od 5. prosince 2015 v internetovém archivu ) (PDF; 904 kB), zpřístupněno 6. března 2012
  3. Lokalizace poruchy kabelu ( upomínka z 5. prosince 2015 v internetovém archivu ) na ekz.ch