Cómo funciona y funciona la protección contra cortocircuitos.

El término «cortocircuito» en ingeniería eléctrica se refiere al funcionamiento de emergencia de las fuentes de tensión. Ocurre en caso de violaciones de los procesos tecnológicos de transmisión de energía, cuando los terminales de salida están cortocircuitados (cortocircuito) de un generador o elemento químico en funcionamiento.

En este caso, toda la potencia de la fuente se aplica inmediatamente al cortocircuito. Enormes corrientes fluyen a través de él, lo que puede quemar el equipo y causar lesiones eléctricas a las personas cercanas. Para detener el desarrollo de tales incidentes, se utilizan protecciones especiales.

¿Cuáles son los tipos de cortocircuitos?

anomalías eléctricas naturales

Aparecen durante las descargas de rayos acompañadas de relámpago poderoso.

Las fuentes de su formación son altos potenciales de electricidad estática de diferentes signos y magnitudes, acumulados por las nubes cuando son movidas por el viento a largas distancias. Como resultado del enfriamiento natural, a medida que sube de altura, la humedad de las nubes se condensa, formando lluvia.

Un ambiente húmedo tiene una baja resistencia eléctrica, lo que crea una ruptura del aislamiento del aire para el paso de corriente en forma de rayo.

Una descarga eléctrica se desliza entre dos objetos de diferente potencial:

• en las nubes que se acercan;

• entre una nube de tormenta y el suelo.

El primer tipo de relámpago es peligroso para las aeronaves y la descarga al suelo puede destruir árboles, edificios, instalaciones industriales, líneas eléctricas aéreas. Para protegerse contra él, se instalan pararrayos, que realizan sucesivamente las siguientes funciones:

1. recibir, atraer el potencial del rayo a un pararrayos especial;

2. paso de la corriente recibida por un conducto al circuito de puesta a tierra del edificio;

3. la descarga de la descarga de alto voltaje de este circuito al potencial de tierra.

Cortocircuitos en corrientes continuas

Las fuentes de voltaje galvánico o los rectificadores crean una diferencia en los potenciales positivo y negativo de los contactos de salida, lo que en condiciones normales asegura el funcionamiento del circuito, por ejemplo, el brillo de una bombilla de una batería, como se muestra en la figura a continuación.

Los procesos eléctricos que tienen lugar en este caso se describen mediante una expresión matemática Ley de Ohm para un circuito completo.

La fuerza electromotriz de la fuente se distribuye para crear una carga en los circuitos internos y externos al vencer sus resistencias «R» y «r».

En modo emergencia se produce un cortocircuito de muy baja resistencia eléctrica entre los bornes «+» y «-» de la batería, que prácticamente corta el paso de corriente en el circuito exterior, desactivando esta parte del circuito. Por lo tanto, con respecto al modo nominal, podemos suponer que R = 0.

Toda la corriente circula solo en el circuito interno, que tiene una pequeña resistencia y está determinada por la fórmula I = E / r.

Dado que la magnitud de la fuerza electromotriz no ha cambiado, el valor de la corriente aumenta considerablemente. Tal cortocircuito fluye a través del cable de cortocircuito y el bucle interior, provocando una enorme generación de calor en ellos y el consiguiente daño estructural.

Cortocircuitos en circuitos de CA

Todos los procesos eléctricos aquí también se describen mediante la operación de la ley de Ohm y proceden de acuerdo con un principio similar. Las características de su paso exigen:

• el uso de redes monofásicas o trifásicas con diferentes configuraciones;

• la presencia de un bucle de tierra.

Tipos de cortocircuitos en circuitos AC

Las corrientes de cortocircuito pueden ocurrir entre:

• fase y tierra;

• dos fases diferentes;

• dos fases diferentes y puesta a tierra;

• tres fases;

• tres fases y tierra.

Para la transmisión de electricidad a través de líneas eléctricas aéreas, los sistemas de potencia pueden utilizar un esquema de conexión neutral diferente:

1. aislado;

2. castigado sordamente.

En cada uno de estos casos, las corrientes de cortocircuito formarán su propio camino y tendrán un valor diferente. Por lo tanto, todas las opciones anteriores para ensamblar un circuito eléctrico y la posibilidad de corrientes de cortocircuito en ellas se tienen en cuenta al crear una configuración de protección actual para ellas.

Un cortocircuito también puede ocurrir en consumidores de electricidad, por ejemplo, un motor eléctrico. En estructuras monofásicas, el potencial de fase puede atravesar la capa de aislamiento hasta la carcasa o el conductor neutro.En equipos eléctricos trifásicos, puede ocurrir una falla adicional entre dos o tres fases o entre sus combinaciones con el marco/tierra.

En todos estos casos, como en el caso de un cortocircuito en los circuitos de corriente continua, una corriente de cortocircuito de gran magnitud fluirá a través del cortocircuito formado y todo el circuito conectado a él al generador, provocando un modo de emergencia.

Para evitar esto, se utilizan protecciones que eliminan automáticamente el voltaje de los equipos expuestos a corrientes incrementadas.

Cómo elegir los límites operativos de la protección contra cortocircuitos

Todos los aparatos eléctricos están diseñados para consumir una cierta cantidad de electricidad en su clase de voltaje. Se acepta evaluar la carga no por potencia, sino por corriente. Es más fácil medirlo, controlarlo y crear protección contra él.

La imagen muestra gráficas de corrientes que pueden ocurrir en diferentes modos de operación del equipo. Para ellos, se seleccionan los parámetros para configurar y configurar dispositivos de protección.

El gráfico en color marrón muestra la onda sinusoidal del modo nominal, que se selecciona como inicial en el diseño del circuito eléctrico, teniendo en cuenta la potencia del cableado y la selección de los dispositivos de protección de corriente.

Onda sinusoidal de frecuencia industrial 50 hercios en este modo siempre es estable, y el período de una oscilación completa ocurre en un tiempo de 0,02 segundos.

La onda sinusoidal del modo de funcionamiento se muestra en azul en la imagen. Suele ser menor que el armónico nominal. Las personas rara vez utilizan por completo todas las reservas de su capacidad asignada.Como ejemplo, si un candelabro de cinco brazos cuelga en una habitación, a menudo se incluye un grupo de bombillas para la iluminación: dos o tres, no los cinco.

Para que los aparatos eléctricos funcionen de manera confiable a la carga nominal, crean una pequeña reserva de corriente para configurar las protecciones. La cantidad de corriente a la que se ajustan para dispararse se denomina punto de ajuste. Cuando se alcanzan, los interruptores eliminan el voltaje del equipo.

En el rango de amplitudes sinusoidales entre el modo nominal y el punto de ajuste, el circuito opera en un modo de sobrecarga leve.

Una posible característica de tiempo de la corriente de falla se muestra en el gráfico en negro. Su amplitud excede la configuración de protección y la frecuencia de oscilación ha cambiado drásticamente. Suele ser de naturaleza aperiódica. Cada media onda cambia en magnitud y frecuencia.

Algoritmo de protección contra sobrecorriente

Cada protección contra cortocircuito incluye tres etapas principales de operación:

1. monitoreo constante del estado de la sinusoide actual monitoreada y determinación del momento del mal funcionamiento;

2. análisis de la situación y emisión de un comando al órgano ejecutivo desde la parte lógica;

3. liberación de tensión del equipo por medio de dispositivos de conmutación.

En muchos dispositivos, se utiliza otro elemento: la introducción del retraso del tiempo de respuesta. Se utiliza para proporcionar el principio de selectividad en circuitos ramificados complejos.

Dado que la onda senoidal alcanza su amplitud en un tiempo de 0,005 seg, este periodo es al menos necesario para su medida por las protecciones. Las siguientes dos etapas de trabajo tampoco se llevan a cabo de inmediato.

Por estas razones, el tiempo total de actuación de las protecciones de corriente más rápidas es ligeramente inferior al periodo de una oscilación armónica de 0,02 seg.

Características de diseño de la protección contra cortocircuitos.

La corriente eléctrica que fluye a través de cada cable provoca:

• calentamiento térmico del conductor;

• dirigiendo un campo magnético.

Estas dos acciones se toman como base para el diseño de dispositivos de protección.

Protección actual

El efecto térmico de la corriente, descrito por los científicos Joule y Lenz, se utiliza para proteger los fusibles.

Guardia de seguridad

Se basa en la instalación de un fusible en el camino de la corriente, que resiste de manera óptima la carga nominal, pero se quema cuando se excede, interrumpiendo el circuito.

Cuanto mayor sea el valor de la corriente de emergencia, más rápido se crea la ruptura del circuito, eliminando el voltaje. Si se excede ligeramente la corriente, puede apagarse después de un largo período de tiempo.

Los fusibles funcionan con éxito en dispositivos electrónicos, equipos eléctricos de automóviles, electrodomésticos, dispositivos industriales de hasta 1000 voltios. Algunos de sus modelos se utilizan en circuitos de equipos de alta tensión.

Protección basada en el principio de la influencia electromagnética de la corriente

El principio de inducir un campo magnético alrededor de un cable que transporta corriente hizo posible crear una gran clase de relés e interruptores electromagnéticos utilizando una bobina de disparo.

Su bobina está ubicada en un núcleo, un circuito magnético en el que se agregan flujos magnéticos de cada vuelta. El contacto móvil está conectado mecánicamente a la armadura, que es la parte oscilante del núcleo. Es presionado contra el contacto estacionario por la fuerza del resorte.

La corriente nominal que fluye a través de las vueltas de la bobina en espiral crea un flujo magnético que no puede superar la fuerza del resorte. Por lo tanto, los contactos se cierran permanentemente.

En caso de corrientes de emergencia, la armadura es atraída por la parte estacionaria del circuito magnético y rompe el circuito creado por los contactos.

En la foto se muestra uno de los tipos de disyuntores que funcionan sobre la base de eliminar el voltaje electromagnético del circuito protegido.

Usa:

• apagado automático de los modos de emergencia;

• sistema de extinción de arco eléctrico;

• arranque manual o automático.

Protección contra cortocircuitos digitales

Todas las protecciones comentadas anteriormente funcionan con valores analógicos. Además de estos, recientemente en la industria y especialmente en el sector energético, las tecnologías digitales se están introduciendo activamente en base al trabajo dispositivos de microprocesador y relés estáticos. Los mismos dispositivos con funciones simplificadas se producen para las necesidades del hogar.

La medición de la magnitud y la dirección de la corriente que pasa por el circuito protegido se realiza mediante un transformador de corriente reductor incorporado con un alto grado de precisión. La señal medida por él se digitaliza por superposición. pulsos rectangulares de alta frecuencia según el principio de modulación de amplitud.

Luego pasa a la parte lógica de la protección del microprocesador, que funciona según un determinado algoritmo preconfigurado. En caso de situaciones de emergencia, la lógica del dispositivo envía un comando al actuador de apagado para quitar el voltaje de la red.

Para la operación de protección se utiliza una unidad de alimentación, que toma tensión de la red o de fuentes autónomas.

La protección digital contra cortocircuitos tiene una gran cantidad de funciones, configuraciones y capacidades, hasta registrar el estado de emergencia de la red y su modo de apagado.