Як розрахувати струм короткого замикання для вимикача

Коли у електричній системі виникає вада короткого замикання, через систему, включаючи контакти автоматичного вимикача (АВ), протікає великий струм короткого замикання, поки вада не буде усунута за допомогою відключення АВ. Коли струм короткого замикання протікає через АВ, різні частини АВ, які проводять струм, піддаються величезнім механічним та тепловим напруженням.

Якщо провідні частини АВ не мають достатньої площі перерізу, можливо, що температура занадто сильно зросте. Ця висока температура може вплинути на якість ізоляції АВ.

Контакти АВ також досвідчують високу температуру. Теплові напруження контактів АВ пропорційні I2Rt, де R — опір контактів, який залежить від тиску контактів та стану поверхні контактів. I — це rms значення струму короткого замикання, а t — тривалість, протягом якої струм короткого замикання проходив через контакти.

Після початку вади, струм короткого замикання зберігається до того часу, поки запобіжний вузол АВ не відключиться. Тому, час t — це час відключення автоматичного вимикача. Оскільки цей час дуже малий, в масштабі мілісекунд, припускається, що всі тепло, що виробляється під час вади, поглинається провідником, оскільки немає достатньо часу для конвекції та радіації тепла.
Підвищення температури можна визначити за наступною формулою,

де T — підвищення температури за секунду у градусах Цельсія.
I — це струм (rms симетричний) у амперах.
A — площа перерізу провідника.
ε — температурний коефіцієнт резистентності провідника при 20oC.

Як нам відомо, алюміній при температурі вище 160oC втрачає свою механічну міцність і стає м'яким, тому бажано обмежити підвищення температури нижче цієї температури. Це вимога фактично встановлює допустиме підвищення температури під час короткого замикання. Це обмеження можна досягти шляхом контролю часу відключення АВ та правильного проектування розмірів провідника.

Сила короткого замикання

Електромагнітна сила, що виникає між двома паралельними провідниками, що проводять струм, задається формулою,

де L — довжина обох провідників в дюймах.
S — відстань між ними в дюймах.
I — струм, що проводиться кожним з провідників.

Дослідницьким шляхом доведено, що електромагнітна сила короткого замикання максимальна, коли значення струму короткого замикання I становить 1,75 рази початкового rms значення симетричної хвилі струму короткого замикання.

Однак, в певних обставинах можливий розвиток сил, більших за ці, наприклад, у випадку дуже жорстких шин або через резонанс у випадку шин, що піддаються механічним вібраціям. Досліди також показали, що реакції, що виникають в нерезонансній структурі при застосуванні або знятті сили чергового струму, можуть перевищувати реакції, що спостерігаються під час протікання струму.

Таким чином, доцільно помилка на боці безпеки та врахування всіх можливих ситуацій, для цього слід врахувати максимальну силу, яка може бути вироблена початковим піковим значенням асиметричного струму короткого замикання. Ця сила може бути прийнята як значення, яке удвічі більше, ніж розраховане за вищезазначеною формулою.

Формула строго корисна для провідників з круглим перерізом. Хоча L — це скінченна довжина частин провідників, які йдуть паралельно один одному, формула підходить лише тоді, коли загальна довжина кожного провідника приймається як нескінченна.

У практичних випадках загальна довжина провідника не є нескінченною. Також враховується, що, густина потоку поблизу кінців провідника, що проводить струм, значно відрізняється від його середини.

Отже, якщо ми використовуємо вищезазначену формулу для короткого провідника, сила, яка буде розрахована, буде значно більшою, ніж насправді.

Бачимо, що, ця помилка може бути значно скоригована, якщо ми використовуємо термін,

замість L/S у вищезазначеній формулі.
Тоді формула стає,

Формула, представлена рівнянням (2), дає безпомилковий результат, коли співвідношення L/S більше 20. Коли 20 > L/S > 4, формула (3) підходить для безпомилкового результату.
Якщо L/S < 4, формула (2) підходить для безпомилкового результату. Вищезазначені формули застосовні лише для провідників з круглим перерізом. Але для провідників з прямокутним перерізом, формула потребує деякого коефіцієнту коригування. Скажімо, цей коефіцієнт K. Отже, вищезазначена формула в кінцевому підсумку стає,
Хоча вплив форми перерізу провідника швидко зменшується, якщо відстань між провідником збільшується, значення K максимальне для стрічкоподібного провідника, товщина якого значно менша за його ширину. K незначний, коли форма перерізу провідника абсолютно квадратна. K дорівнює одиниці для провідника з абсолютно круглим перерізом. Це справедливо як для стандартних, так і для автоматичних вимикачів з дистанційним управлінням.

Заява: Поважайте оригінал, добре написані статті варті поширення, якщо є порушення авторських прав, зверніться для видалення.