Curenti de scurtcircuit

Curenti de scurtcircuit

3.14.1. Generalitati

            Curentii de scurtcircuit produc in instalatiile electrice urmatoarele efecte:

            - termice, care conduc la incalzirea puternica a conductelor, a contactelor si a altor parti conductoare ale aparatelor, a infasurarilor transformatoarelor si prin aceasta la d 646h74g istrugerea izolatiei, la arderea si eventual sudarea contactelor aparatelor de comutatie;

            - dinamice (mecanice), datorate efectului electrodinamic al curentilor, care duc la indoirea barelor, deteriorarea aparatelor, bobinelor etc.

            Curentul de scurtcircuit total, reprezentat prin curba 1, in figura 4.46, se poate considera ca rezultat al suprapunerii a doua componente, una periodica (curba 2), avand valoarea eficace I_{sc p}, corespunzatoare impedantei reduse care a produs scurtcircuitul si o alta i_a, tranzitorie aperiodica (curba 3), care are valoarea maxima in momentul producerii scurtcircuitului si scade rapid (in 3-4 perioade) pana la zero.

            Valoarea instantanee maxima i_s din prima perioada a curentului total de scurtcircuit se numeste curent de scurtcircuit de soc.

            Valoarea eficace a curentului permanent de scurtcircuit I_{sc p} prezinta o tendinta de reducere in timp, ca urmare a cresterii impedantei echivalente a generatoarelor, in timpul scurtcircuitului. In retelele electrice de joasa tensiune aceasta reducere este neglijabila, deoarece impedantele generatoarelor si retelelor de inalta tensiune sunt mici in raport cu cele ale transformatoarelor si retelelor de joasa tensiune, astfel incat valoarea eficace a curentului permanent de scurtcircuit se poate considera constanta. Pentru scurtcircuit trifazat aceasta se calculeaza cu relatia

                                                                  (4.52)

pentru scurtcircuit bifazat

                                                                    (4.53)

iar pentru cel monofazat

                                                                             (4.54)

in care: U_n este tensiunea nominala de linie la barele de joasa tensiune a postului de transformarem, in V (400 V);

            Z - impedanta unei faze a retelei;

            Z_o - impedanta conductorului neutru.

                                Fig. 4.46. Variatia si marimile caracteristice ale curentului de scurtcircuit:

                                                1 - curentul total; 2 - componenta periodica; 3 - componenta aperiodica.

            Daca impedantele se exprima in mW si U_n in V, curentul de scurtcircuit calculat cu relatiile (4.52) (4.54) se obtine in kA.

            Din examinarea relatiilor de mai sus, se poate observa valoarea eficace maxima a curentului permanent de scurtcircuit apare in cazul scurtcircuitului trifazat, aceasta situatie fiind luata in considerare in cele care urmeaza.

3.14.2 Calculul curentilor de scurtcircuit

            Pentru verificarea conductelor si echipamentelor electrice la solicitarile curentilor de scurtcircuit, este necesar sa se determine curentul de scurtcircuit de soc i_s care produce efectul dinamic maxim si curentul echivalent termic al curentului de scurtcircuit I_sct care produce efectul termic.

            In primul rand, se calculeaza curentii permanenti de scurtcircuit cu relatia (4.52), pentru diversele puncte caracteristice de scurtcircuit din reteaua de joasa tensiune. Impedanta Z a unei faze se determina prin insumarea fazoriala a tuturor impedantelor inseriate - a sistemului, transformatoarelor, conductelor, bobinelor de reactanta etc., calculate pe baza relatiilor indicate in subcapitolul 3.7 sau conform [8].

            Valoarea eficace initiala I_sco a componentei alternative a curentului de scurtcircuit este in general

I_{sc 0} = 1,1 I_{sc p} ,                                                             (4.55)

iar in cazul in care la locul scurtcircuitului sunt conectate nemijlocit motoare asincrone, avand suma curentilor nominali I_nå,

I_{sc 0} = I_{sc p} + 4 I_nå.                                                         (4.56)

Curentul de scurtcircuit de soc se calculeaza cu relatia

                                                               (4.57)

in care k_s este coeficientul de soc depinzand de raportul dintre rezistenta R_å si reactanta X_å totale de scurtcircuit (v. fig. 3,.27).

            Curentii de scurtcircuit de soc sunt redusi in retelele protejate prin sigurante fuzibile, datorita efectului limitator al acestora. Valoarea reala i_s a curentului de scurtcircuit de soc dupa siguranta (in sensul transformator-receptor) poate fi determinata cu diagrama din figura 4.47, pe baza curentului de soc i_s considerand siguranta suntata si a tipului sigurantei respective.

            Curentul echivalent termic al curentului de scurtcircuit I_sct se defineste, in curent alternativ, ca valoarea eficace constanta a unui curent alternativ, care intr-o secunda dezvolta intr-un element de circuit o caldura egala cu cea pe care ar dezvolta-o curentul de scurtcircuit real pe toata durata defectului. Calculul curentului echivalent termic se face cu relatia

                                              (4.58)

in care: m este coeficientul de influenta a componentei aperiodice, a carui valoare se determina din nomograma prezentata in figura 3.31, a in functie de k_s si t_sc;

            n - coeficientul de influenta a variatiei de timp a componentei aperiodice, care se obtine din nomograma prezentata in figura 3.31, b, in functie de t_sc si raportul I_{sc 0}/I_{sc p};

            t_sc - durata scurtcircuitului, egala cu timpul de actionare al aparatelor de protectie, in s;

            t_ec = 1 s, timpul corespunzator curentului echivalent termic.

                                Fig. 4.47. Efectul limitator al sigurantelor unipolare

                                                cu filet asupra curentilor de soc.

            In curent continuu, valoarea curentului de scurtcircuit de soc poate fi considerata egala [23] cu a curentului permanent de scurtcircuit

                                                             (4.59)

in care R reprezinta rezistenta totala de scurtcircuit, calculata in mod similar cu componenta rezistiva a impedantei de scurtcircuit, iar curentul echivalent termic este

                                                        (4.60)

toate marimile avand semnificatiile de mai sus.

3.14.3. Verificarea aparatelor la actiunea curentilor de scurtcircuit

            Aparatele de protectie la scurtcircuit trebuie verificate la urmatoarele solicitari:

            - capacitatea de rupere;

            - stabilitatea dinamica;

            - stabilitatea termica.

            a) Capacitatea de rupere a dispozitivelor de protectie la scurtcircuit I, trebuie sa fie cel putin egala cu valoarea curentului de scurtcircuit, care ar putea sa apara in punctul in care dispozitivul este montat [32]. Deoarece timpul de intrerupere al scurtcircuitelor prin intreruptoare automate cu declansatoare sau relee electromagnetice este, in general, t_sc = (0,05 0,1)s, se poate considera indeplinita conditia de mai sus daca

I_r ³ I_{sc p}                                                                         (4.61)

            Pentru alte tipuri de aparate, valoarea curentului de scurtcircuit care trebuie intrerupt se poate calcula cu relatia

I_{sc r} = m I_{sc 0}       `                                                           (4.62)

in care m este coeficientul de descrestere a curentului initial de scurtcircuit, pana la inceputul separarii contactelor, rezultand din diagrama prezentata in figura 4.48.

                                Fig. 4.48. Diagrama coeficientului m de descrestere a curentului initial de scurtcircuit

            In acest caz, capacitatea de rupere trebuie sa indeplineasca conditia

I_r ³ I_{sc r}                                                                         (4.63)

            Pe de alta parte caracteristica de functionare a dispozitivelor de protectie trebuire sa asigure intreruperea circuitului inainte de aparitia pericolului de deteriorare a instalatiei electrice protejate.

            b) Stabilitatea dinamica la scurtcircuit a aparatelor reprezinta curentul maxim de soc pe care acestea il pot suporta din punct de vedere al rezistentei mecanice.

            Pentru intreruptoare automate se indica in cataloage curentul limita dinamic I_id, stabilitatea dinamica fiind realizata daca

I_id > i_s.                                                                          (4.64)

            c) Stabilitatea termica la scurtcircuit a elementelor de retea se refera la incalzirea acestora pana la valorile maxime admise in regim de scurtcircuit.

            Aparatelor le este caracteristic un curent limita termic I_lt, care poate fi suportat de aparat un anumit interval de timp t_it (de obicei 1; 5 sau 10 s). Conditia de stabilitate termica se exprima prin relatia

                                                              (4.65)

in care t_ec = 1 s.

3.14.4. Verificarea conductelor la actiunea curentilor de scurtcircuit

            Stabilitatea dinamica se verifica in cazul barelor, calculand efortul unitar la incovoiere s [23], care trebuie sa fie mai mic decat cel admis

s < s_adm                                                                       (4.66)

pentru materialele uzuale indicandu-se [32] urmatoarele valori ale eforturilor unitare la incovoiere s_adm maxim admise:

            - cupru .1400 daN/cm²;

            - aluminiu moale ..  700 daN/cm²;

            - aluminiu tare ..  900 daN/cm²;

            - otel . 1600 daN/cm².

            Stabilitatea termica a conductelor de joasa tensiune se considera indeplinita daca sectiunea verifica relatia

,                                                        (4.67)

in care I_{sc p} se exprima in A, t_sc in s, iar C este un coeficient care depinde de tipul si materialul conductelor, indicat in tabelul 4.49. In acelasi tabel sunt date si temperaturile maxime admise in conducte, in regim de scurtcircuit.

                                                                                                                                                                Tabelul 4.49

Valorile temperaturii maxime admise si a coeficientului C la incalzirea

conductelor, in regim de scurtcircuit

            De asemenea, stabilitatea termica a conductelor poate fi considerata corespunzatoare daca densitatea curentului pe sectiunea conductoarelor nu depaseste valorile admise in regim de scurta durata (v. par. 4.11.2).

            Izolatoarele de sustinere ale barelor se verifica numai la solicitarile mecanice provocate de oscilatiile barelor sub actiunea fortelor electrodinamice [23].

            In final se mentioneaza ca, in cazul in care echipamentele si conductele electrice nu pot fi alese astfel incat sa prezinte stabilitate la solicitarile datorite efectului termic si electrodinamic al curentilor de scurtcircuit la locul de montaj, se recomanda [32] prevederea unor dispozitive speciale de protectie (sigurante rapide cu mare putere de rupere, intreruptoare automate rapide etc.).

            Verificarea la scurtcircuit nu este obligatorie in cazul tablourilor de distributie, pentru aparatele si conductele protejate prin sigurante fuzibile. De asemenea, se admite ca transformatoarele de curent sa nu fie stabile la curentul de scurtcircuit, daca stabilitatea ar cere adoptarea unei valori mai mari pentru curentul primar, valoare care ar influenta nefavorabil functionarea aparatelor de masurat si a circuitelor de protectie.