Zkraty v elektrických sítích

Zkratem se rozumí vzájemné vodivé spojení různých fází elektrizační soustavy v daném místě, v soustavě s uzemněným uzlem též spojení fáze ze zemí. Při zkratech vznikají v obvodech nebezpečně velké zkratové proudy, které mají nepříznivé tepelné a silové účinky. Zkraty jsou poruchové stavy, které se musejí co nejrychleji vypnout. K jejich vypínání se používá jističů, pojistek (v sítích nn), ochran a výkonových vypínačů (v sítích vn a vvn).

Zkraty ve střídavých obvodech

Během zkratu prochází obvodem zkratový proud. Jeho velikost a časový průběh je určen napětím zdroje, impedancí obvodu a okamžikem vzniku. Na okamžiku vzniku závisí, zda je průběh zkratového proudu souměrný nebo nesouměrný. Nesouměrný průběh zkratového proudu se skládá ze složky střídavé a stejnosměrné (viz obr.). Střídavá složka zkratového proudu se dá rozdělit na:

1. rázovou složku, exponenciálně klesající s časovou konstantou T“k
2. přechodnou složku, exponenciálně klesající s časovou konstantou T́k
3. ustálenou složku iku se stálou amplitudou

Základní rozdělení střídavých zkratů

Rozlišujeme dva základní druhy zkratů:

1. souměrné zkraty
2. nesouměrné zkraty

Souměrné zkraty

• trojfázový zkrat => zkratem jsou postiženy všechny tři fáze
  • u venkovních vedení se vyskytuje poměrně málo,
  • u kabelových vedení je jich nejvíce => vlivem působení oblouku přecházejí ostatní druhy poruch v trojfázový zkrat.

Nesouměrné zkraty

• dvoufázový zkrat
• dvoufázový zemní zkrat
• jednofázový zkrat
  • v sítích VN se tato porucha kvalitativně liší od zkratu => tzv. zemní spojení,
  • v případě vzniku zemního spojení na VN (izolovaný uzel nebo nepřímo uzemněný) => žádná změna na NN (uzemněný uzel).

Rozdíl mezi zkratem a zemním spojením

V soustavách s neúčinně uzemněným uzlem, tedy v soustavách s uzlem izolovaným, uzemněným přes resonanční tlumivku nebo obecně přes velkou impedanci, nedochází pří spojení jedné fáze na zem ke zkratu, ale k zemnímu spojení.

K jednofázovému zkratu nebo dvoufázovému zemnímu zkratu tedy může dojít pouze v sítích pracujících s uzlem přímo uzemněným, nebo uzemněným přes malou impedanci, přesněji v sítích, kde činitel zemního spojení (earth fault factor) je menší než 1,4.

Činitel zemního spojení je pro dané místo a konfiguraci trojfázové soustavy dán poměrem největší efektivní hodnoty napětí zdravé fáze proti zemi při spojení jedné nebo více fází se zemí v libovolném místě soustavy k efektivnímu napětí této fáze proti zemi v daném místě v soustavě bez spojení se zemí, tedy před poruchou.

Pokud dojde při provozu sítě se zemním spojením ke spojení další fáze se zemí, hovoříme o dvojitém zemním spojení, které se svým charakterem blíží dvoufázovému zkratu.

Zkraty ve stejnosměrných obvodech

Proud se od okamžiku zkratu zvětšuje exponenciálně až do ustálené hodnoty Isu, která je dána napětím a činným odporem obvodu. Časová konstanta narůstání proudu Ts závisí na indukčnosti obvodu a může být dost velká. Mírou narustání proudu je strmost, která je daná poměrem S = Ik / Tk.

Speciální vypínače na stejnosměrný proud (tzv. rychlovypínače) jsou upraveny tak, že jejich vybavovací spoušt reaguje ne na velikost zkratového proudu, ale na jeho strmost. Tím se dosáhne toho, že vypínač vypíná ješte dříve, než zkratový proud dosáhne maximální hodnoty.

Vypínací a zkratový výkon

Vypínače se vyrábějí pro různá jmenovitá napětí a proudy. Napětí určuje izolaci a proud průřezy vodivých částí.

Vypínací schopnost vypínače se se vzrůstajícím fázovým posunem zmenšuje. Výrobcem udávaná jmenovitá hodnota proudu spínače platí obvykle pro účiník rovnající se jedné. Proud při jiném účiníku je menší a výrobce ho oznámí, např. údajem v katalogu.

U vypínačů vn a vvn, které kromě jmenovitého proudu vypínají i zkratový proud, se kromě napětí a jmenovitého trvalého proudu udává i jeho tzv. vypínací výkon.

Velikost zkratu je udávána takzvaným zkratovým výkonem Sk. Zkratový výkon je vlastností rozvodné sítě, v různých místech sítě je různý, v blízkosti zdroje (rozvodny) je vetší.

kde U je sdružená hodnota napětí trojfázové soustavy,
Ik zkratový proud v místě zkratu.

Vypínací výkon vypínače nesmí být menší než zkratový výkon sítě v místě, v němž je vypínač zapojen.

Pokud bychom vypínačem (platí i pro pojistku) vypínali větší zkratový proud, než odpovídá jeho zkratovému výkonu, mohl by se zničit a zkrat nevypnout. Na příslušný zkratový výkon sítě musí být dimenzované nejen vypínače, ale i všechna ostatní elektrická zařízení (odpojovače, měřicí transformátory, přípojnice rozvodny apod.). Podle tohoto proudu jsou dimenzovány tepelně i mechanicky.

Zkratové proudy při určitém napětí závisejí na uspořádání sítě, vlastnostech zdrojů a na místě zkratu. Proto je nutné i při stejných jmenovitých napětích a proudech vyrábět vypínače s různým vypínacím výkonem. U nových konstrukcí vypínačů se vypínací schopnost udává jmenovitým souměrným vypínacím proudem v kiloampérech.

U spínačů musíme rozlišovat vypínací schopnost a zkratovou odolnost. Oba parametry nemusí být totožné. Zkratová odolnost je velikost zkratového proudu, kterou je spínač schopen bez poškození přenést, ale není schopen ji vypnout.

(Príklad: V elektrickém obvodu je zapojen spínač a pojistka. Spínač spíná a vypíná jmenovitý proud v obvodu např. 10 A. Při zkratu může hodnota zkratového proudu být napr. 1000A, tento proud vypne pojistka, nikoli spínač, ale spínač by měl být schopen ho bez poškození přenést – zkratová odolnost nejméně 1 kA.)