Como funciona e funciona a proteção contra curto-circuito

O termo «curto-circuito» em engenharia elétrica refere-se à operação de emergência de fontes de tensão. Ocorre em caso de violação dos processos tecnológicos de transmissão de energia, quando os terminais de saída são curto-circuitados (curto-circuito) de um gerador ou elemento químico em funcionamento.

Nesse caso, toda a potência da fonte é imediatamente aplicada ao curto-circuito. Enormes correntes fluem através dele, o que pode queimar equipamentos e causar ferimentos elétricos nas pessoas próximas. Para impedir o desenvolvimento de tais incidentes, são usadas proteções especiais.

Quais são os tipos de curto-circuito

Anomalias elétricas naturais

Eles aparecem durante descargas elétricas acompanhadas de raio poderoso.

As fontes de sua formação são altos potenciais de eletricidade estática de diferentes sinais e magnitudes, acumulados pelas nuvens quando são movidas pelo vento por longas distâncias. Como resultado do resfriamento natural, à medida que sobe de altura, a umidade das nuvens se condensa, formando a chuva.

Um ambiente úmido possui uma baixa resistência elétrica, o que gera uma quebra do isolamento do ar para a passagem de corrente na forma de descargas atmosféricas.

Uma descarga elétrica desliza entre dois objetos de diferentes potenciais:

• nas nuvens que se aproximam;

• entre uma nuvem de tempestade e o solo.

O primeiro tipo de raio é perigoso para aeronaves e a descarga no solo pode destruir árvores, edifícios, instalações industriais e linhas aéreas de energia. Para protegê-lo, são instalados pára-raios, que executam sucessivamente as seguintes funções:

1. receber, atrair o potencial do raio para um pára-raios especial;

2. passagem da corrente recebida por um conduíte até o circuito de aterramento da edificação;

3. a descarga da descarga de alta tensão deste circuito para o potencial de aterramento.

Curtos-circuitos em correntes contínuas

Fontes ou retificadores de tensão galvânica criam uma diferença nos potenciais positivo e negativo dos contatos de saída, o que em condições normais garante o funcionamento do circuito, por exemplo, o brilho de uma lâmpada de uma bateria, conforme mostrado na figura abaixo.

Os processos elétricos que ocorrem neste caso são descritos por uma expressão matemática Lei de Ohm para um circuito completo.

A força eletromotriz da fonte é distribuída para criar uma carga nos circuitos interno e externo superando suas resistências «R» e «r».

No modo de emergência, ocorre um curto-circuito com resistência elétrica muito baixa entre os terminais «+» e «-» da bateria, que praticamente interrompe o fluxo de corrente no circuito externo, desativando esta parte do circuito. Portanto, com relação ao modo nominal, podemos assumir que R = 0.

Toda a corrente circula apenas no circuito interno, que possui uma pequena resistência e é determinada pela fórmula I = E / r.

Como a magnitude da força eletromotriz não mudou, o valor da corrente aumenta muito acentuadamente. Esse curto-circuito flui através do fio em curto e do loop interno, causando uma enorme geração de calor neles e danos estruturais subsequentes.

Curtos-circuitos em circuitos CA

Todos os processos elétricos aqui também são descritos pela operação da lei de Ohm e procedem de acordo com um princípio semelhante. As características de sua passagem exigem:

• a utilização de redes monofásicas ou trifásicas com diferentes configurações;

• a presença de um loop de terra.

Tipos de curto-circuito em circuitos CA

As correntes de curto-circuito podem ocorrer entre:

• fase e terra;

• duas fases diferentes;

• duas fases e aterramento diferentes;

• três fases;

• três fases e terra.

Para a transmissão de eletricidade através de linhas elétricas aéreas, os sistemas de energia podem usar um esquema de conexão de neutro diferente:

1. isolado;

2. surdo de castigo.

Em cada um desses casos, as correntes de curto-circuito formarão seu próprio caminho e terão um valor diferente. Portanto, todas as opções acima para montar um circuito elétrico e a possibilidade de correntes de curto-circuito neles são levadas em consideração ao criar uma configuração de proteção de corrente para eles.

Um curto-circuito também pode ocorrer em consumidores de eletricidade, por exemplo, um motor elétrico. Em estruturas monofásicas, o potencial de fase pode romper a camada de isolamento até o invólucro ou o condutor neutro.Em equipamentos elétricos trifásicos, uma falha adicional pode ocorrer entre duas ou três fases ou entre suas combinações com a carcaça/terra.

Em todos esses casos, como no caso de um curto-circuito em circuitos CC, uma corrente de curto-circuito de magnitude muito grande fluirá pelo curto-circuito formado e todo o circuito conectado a ele ao gerador, causando um modo de emergência.

Para evitar isso, são utilizadas proteções que retiram automaticamente a tensão dos equipamentos expostos a correntes elevadas.

Como escolher os limites de operação da proteção contra curto-circuito

Todos os aparelhos elétricos são projetados para consumir uma certa quantidade de eletricidade em sua classe de tensão. Aceita-se avaliar a carga não por potência, mas por corrente. É mais fácil medir, controlar e criar proteção contra isso.

A figura mostra gráficos de correntes que podem ocorrer em diferentes modos de operação do equipamento. Para eles, os parâmetros para configuração e configuração de dispositivos de proteção são selecionados.

O gráfico na cor marrom mostra a onda senoidal do modo nominal, que é selecionado como inicial no projeto do circuito elétrico, levando em consideração a potência da fiação e a seleção dos dispositivos de proteção de corrente.

Onda senoidal de frequência industrial 50 hertz neste modo é sempre estável, e o período de uma oscilação completa ocorre em um tempo de 0,02 segundos.

A onda senoidal do modo de operação é mostrada em azul na imagem. Geralmente é menor que o harmônico nominal. As pessoas raramente usam totalmente todas as reservas de sua capacidade atribuída.Por exemplo, se um lustre de cinco braços estiver pendurado em uma sala, geralmente um grupo de lâmpadas é incluído para iluminação: duas ou três, não todas as cinco.

Para que os aparelhos elétricos funcionem de forma confiável em carga nominal, eles criam uma pequena reserva de corrente para definir as proteções. A quantidade de corrente na qual eles se ajustam para desarmar é chamada de ponto de ajuste. Ao serem alcançadas, as chaves removem a tensão do equipamento.

Na faixa de amplitudes senoidais entre o modo nominal e o ponto de ajuste, o circuito opera em modo de leve sobrecarga.

Uma possível característica de tempo da corrente de falta é mostrada no gráfico em preto. Sua amplitude excede a configuração de proteção e a frequência de oscilação mudou drasticamente. Geralmente é de natureza aperiódica. Cada meia onda muda em magnitude e frequência.

Algoritmo de proteção contra sobrecorrente

Cada proteção contra curto-circuito inclui três estágios principais de operação:

1. monitoramento constante do estado da senóide de corrente monitorada e determinação do momento do mau funcionamento;

2. análise da situação e emissão de comando ao órgão executivo da parte lógica;

3. liberação de tensão do equipamento por meio de dispositivos de comutação.

Em muitos dispositivos, outro elemento é usado - a introdução do atraso no tempo de resposta. É usado para fornecer o princípio de seletividade em circuitos ramificados complexos.

Como a onda senoidal atinge sua amplitude em um tempo de 0,005 s, esse período é pelo menos necessário para sua medição pelas proteções. As próximas duas etapas do trabalho também não são realizadas imediatamente.

Por esses motivos, o tempo total de operação das proteções de corrente mais rápidas é ligeiramente menor que o período de uma oscilação harmônica de 0,02 s.

Recursos de design de proteção contra curto-circuito

A corrente elétrica que flui através de cada fio causa:

• aquecimento térmico do condutor;

• direcionamento de um campo magnético.

Essas duas ações são tomadas como base para o projeto de dispositivos de proteção.

proteção atual

O efeito térmico da corrente, descrito pelos cientistas Joule e Lenz, é usado para proteger os fusíveis.

Segurança

Baseia-se na instalação de um fusível no caminho da corrente, que suporta de forma ideal a carga nominal, mas queima quando ultrapassado, interrompendo o circuito.

Quanto maior o valor da corrente de emergência, mais rápido a interrupção do circuito é criada - removendo a tensão. Se a corrente for ligeiramente excedida, pode desligar após um longo período de tempo.

Os fusíveis funcionam com sucesso em dispositivos eletrônicos, equipamentos elétricos de carros, eletrodomésticos, dispositivos industriais de até 1000 volts. Alguns de seus modelos são utilizados em circuitos de equipamentos de alta tensão.

Proteção baseada no princípio da influência eletromagnética da corrente

O princípio de induzir um campo magnético em torno de um fio condutor de corrente possibilitou a criação de uma enorme classe de relés e interruptores eletromagnéticos usando uma bobina de disparo.

Sua bobina está localizada em um núcleo - um circuito magnético no qual os fluxos magnéticos são adicionados a cada volta. O contato móvel é conectado mecanicamente à armadura, que é a parte oscilante do núcleo. É pressionado contra o contato estacionário pela força da mola.

A corrente nominal que flui através das voltas da bobina espiral cria um fluxo magnético que não pode superar a força da mola. Portanto, os contatos estão permanentemente fechados.

Em caso de correntes de emergência, a armadura é atraída para a parte estacionária do circuito magnético e interrompe o circuito criado pelos contatos.

Um dos tipos de disjuntores que operam com base na remoção da tensão eletromagnética do circuito protegido é mostrado na foto.

Ele usa:

• desligamento automático dos modos de emergência;

• sistema de extinção de arco elétrico;

• arranque manual ou automático.

Proteção digital contra curto-circuito

Todas as proteções discutidas acima funcionam com valores analógicos. Além disso, recentemente na indústria e especialmente no setor de energia, as tecnologias digitais são introduzidas ativamente com base no trabalho dispositivos de microprocessador e relés estáticos. Os mesmos dispositivos com funções simplificadas são produzidos para as necessidades domésticas.

A medição da magnitude e direção da corrente que passa pelo circuito protegido é realizada por um transformador de corrente abaixador embutido com alto grau de precisão. O sinal medido por ele é digitalizado por superposição pulsos retangulares de alta frequência de acordo com o princípio da modulação de amplitude.

Em seguida, vai para a parte lógica da proteção do microprocessador, que funciona de acordo com um determinado algoritmo pré-configurado. Em situações de emergência, a lógica do dispositivo emite um comando ao atuador de desligamento para retirar a tensão da rede.

Para a operação de proteção, é utilizada uma fonte de alimentação, que recebe tensão da rede elétrica ou de fontes autônomas.

A proteção digital contra curto-circuito possui um grande número de funções, configurações e capacidades até registrar o estado de emergência da rede e seu modo de desligamento.