Как рассчитать ток короткого замыкания для автоматического выключателя

Когда в электрической системе происходит короткое замыкание, через систему, включая контакты автомата защиты (CB), протекает огромный ток короткого замыкания, пока не произойдет отключение CB. Когда ток короткого замыкания проходит через CB, различные части автомата, проводящие ток, подвергаются большим механическим и тепловым нагрузкам.

Если проводящие части CB не имеют достаточной площади поперечного сечения, может возникнуть опасное повышение температуры. Высокая температура может повлиять на качество изоляции CB.

Контакты CB также испытывают высокую температуру. Тепловые нагрузки на контакты CB пропорциональны I2Rt, где R — сопротивление контактов, зависящее от давления контакта и состояния контактной поверхности. I — это эффективное значение тока короткого замыкания, а t — время, в течение которого ток короткого замыкания проходил через контакты.

После возникновения неисправности ток короткого замыкания остается, пока отключающее устройство CB не разомкнет цепь. Следовательно, время t — это время отключения автомата защиты. Поскольку это время очень мало, порядка миллисекунд, предполагается, что все тепло, выделяемое при неисправности, поглощается проводником, так как нет достаточно времени для конвекции и радиации тепла.
Повышение температуры можно определить по следующей формуле,

где T — повышение температуры в градусах Цельсия в секунду.
I — это ток (эффективное симметричное) в амперах.
A — площадь поперечного сечения проводника.
ε — температурный коэффициент удельного сопротивления проводника при 20oC.

Как известно, алюминий выше 160oC теряет свою механическую прочность и становится мягким, поэтому желательно ограничить повышение температуры ниже этой температуры. Это требование фактически устанавливает допустимое повышение температуры при коротком замыкании. Это ограничение можно достичь, контролируя время отключения CB и правильно проектируя размеры проводника.

Сила короткого замыкания

Электромагнитная сила, возникающая между двумя параллельными проводниками, несущими электрический ток, определяется формулой,

где L — длина обоих проводников в дюймах.
S — расстояние между ними в дюймах.
I — ток, проходящий через каждый из проводников.

Экспериментально доказано, что электромагнитная сила короткого замыкания максимальна, когда значение тока короткого замыкания I составляет 1,75 раза от начального эффективного значения симметричной волны тока короткого замыкания.

Однако, в определенных обстоятельствах могут возникнуть силы, превышающие эти, например, в случае очень жестких шин или из-за резонанса в случае шин, подверженных механическим колебаниям. Эксперименты также показали, что реакции, возникающие в нерезонансной структуре при включении или отключении тока, могут превышать реакции, испытываемые при протекании тока.

Таким образом, рекомендуется ошибаться в сторону безопасности и учитывать все возможные случаи, для которых следует учитывать максимальную силу, которую мог бы развить начальный пиковый ток асимметричного короткого замыкания. Эта сила может быть принята как имеющая значение, которое в два раза больше, чем расчетное по приведенной выше формуле.

Формула строго применима для круглых проводников. Хотя L — это конечная длина частей проводников, идущих параллельно друг другу, формула подходит только в том случае, если общая длина каждого проводника считается бесконечной.

В практических случаях общая длина проводника не бесконечна. Также учитывается, что плотность магнитного потока вблизи концов проводника, несущего ток, значительно отличается от его средней части.

Следовательно, если мы используем вышеуказанную формулу для короткого проводника, рассчитанная сила будет намного выше, чем фактическая.

Наблюдается, что эта ошибка может быть значительно уменьшена, если мы используем термин,

вместо L/S в приведенной выше формуле.
Формула тогда принимает вид,

Формула, представленная уравнением (2), дает безошибочный результат, когда отношение L/S больше 20. Когда 20 > L/S > 4, формула (3) подходит для безошибочного результата.
Если L/S < 4, формула (2) подходит для безошибочного результата. Эти формулы применимы только для круглых проводников. Но для прямоугольных проводников формула требует некоторого поправочного коэффициента. Пусть этот коэффициент K. Таким образом, окончательная формула становится,
Хотя влияние формы поперечного сечения проводника быстро уменьшается, если расстояние между проводниками увеличивается, значение K максимально для полосовых проводников, чья толщина значительно меньше их ширины. K незначителен, когда форма поперечного сечения проводника идеально квадратная. K равен единице для идеально круглого проводника. Это справедливо как для стандартных, так и для автоматов защиты с дистанционным управлением.

Заявление: Уважайте оригинал, хорошие статьи стоит делиться, если есть нарушение авторских прав, пожалуйста, свяжитесь для удаления.