Zahřívání vodičů při zkratu » Info pro elektrikáře

Vodič, kterým proud protéká, se samozřejmě okamžitě neohřeje: při protékání proudu vodičem se uvolňuje energie, která se částečně využívá k ohřevu vodiče a částečně se rozptýlí do okolního prostoru.

Uvolňování energie do okolního prostoru ohřívaným tělesem probíhá tím intenzivněji, čím vyšší je teplota tělesa v porovnání s teplotou okolí, proto po nějaké době od začátku ohřevu vodiče nastane okamžik, kdy se množství energie uvolněné ve vodiči rovná energii rozptýlené v okolním prostoru.

Od tohoto okamžiku zůstává teplota vodiče konstantní. Součinitel prostupu tepla závisí na velikosti tělesa, jeho teplotě a umístění.

Je třeba poznamenat, že časová konstanta ohřevu (doba, během které má vodič čas se ohřát z okolní teploty) není ve skutečnosti konstantní, protože tepelná kapacita a koeficient prostupu tepla závisí na teplotě (zejména na druhé). Proto pro různé hodnoty teploty v ustáleném stavu bude časová konstanta ohřevu různá.

Časová konstanta ohřevu u běžných elektrických výrobků používaných v elektroinstalacích se pohybuje od několika desítek minut až po několik hodin.

Přípustné teploty ohřevu částí pod proudem jsou obvykle dány vlastnostmi izolace, se kterou je vodič v kontaktu. To je pochopitelné, protože materiál vodiče je obecně odolnější vůči teplu než izolační materiál.

Ve všech případech ohřevu vodičů je největší zájem o maximální teplotu, která se nevyskytuje na vnějším povrchu izolace, ale na povrchu vodiče, protože nás zajímá teplota izolace, se kterou přichází do styku.

Přípustné teploty jsou do značné míry určeny vlastnostmi izolace, se kterou přicházejí ohřívané části do styku.

Z tohoto pravidla však existují výjimky. Například v kontaktních spojích hrají oxidy obrovskou roli, čím vyšší je kontaktní teplota, tím více se jich tvoří. Proto u takových prvků zařízení může být maximální přípustná teplota určována nikoli izolací umístěnou v blízkosti kontaktu, ale provozními podmínkami samotného kontaktu.

Proudové holé části (ale ne kontaktní spojení) umožňují vyšší ohřev než izolované vodiče. Teplotní rozsah, který je pro ně přijatelný, je určen především dvěma faktory:

• oxidace těchto vodičů;
• jejich mechanická pevnost při zkratu.

Pro stejné vodiče se stejnou izolací přípustné teploty se liší v závislosti na podmínkách jejich použití.

Jak se určuje trvalý přípustný proud vodičů a kabelů, jsme již podrobněji rozebrali v tomto článku: Co určuje trvalý přípustný proud kabelu

Doba trvání zkratu nemůže být dlouhá, protože se jedná o nouzový režim a ochrana elektrických instalací je zaměřena na co nejrychlejší odpojení zkratované části obvodu. V závislosti na časovém zpoždění ochranných relé se trvání zkratu pohybuje od několika desetin (méně často – setin) sekundy do několika sekund (viz – Jak je elektrické vedení chráněno před přetížením a zkratem).

Při zkratu je dovoleno, aby byla teplota vodičů dvakrát až třikrát vyšší než při běžném provozu., přenos tepla z povrchu vodiče se tedy o mnoho nezvýší, zatímco velikost zkratového proudu se oproti normálnímu proudu zvýší desetinásobně a ztráty ve vodiči – stonásobně.

Z toho vyplývá, že při zkratu je množství energie odebrané z povrchu vodiče vlivem ochlazení zanedbatelné množství ze ztrát ve vodiči.

Vezměme si Newtonův vzorec

a přepište jej do formuláře

Čitatel tohoto vzorce obsahuje ztráty ve vodiči a jmenovatel obsahuje odvod tepla z povrchu vodiče. Během normálního provozu a teplotních podmínek v ustáleném stavu jsou tyto dvě hodnoty stejné. V případě zkratu se jmenovatel zvýší třikrát až čtyřikrát. Ale velikost zkratového proudu je 10-20krát větší než normální proud, a proto se čitatel příslušného zlomku zvýší 100-400krát.

Pokud tedy za normálních podmínek byl přenos tepla z povrchu vodiče 100 % velikosti ztrát ve vodiči, pak při zkratu bude přenos tepla činit 1–3 % ztrát ve vodiči.

Tato okolnost dává právo vypočítat přehřátí vodiče při zkratu, aniž by se vzala v úvahu energie odebíraná z vodiče v důsledku ochlazení, tedy dává právo předpokládat, že veškerá energie uvolněná ve vodiči při zkratu jde na zvýšení jeho teploty (adiabatický proces). Chyba s tímto předpokladem bude menší, čím větší budou ztráty ve vodiči v porovnání s přenosem tepla z jeho povrchu.

V případě zkratu se navíc za nejhorší považuje případ, kdy ke zkratu dojde poté, co vodič nebo zařízení (nebo jeho část) dlouhodobě pracuje ve jmenovitém režimu.

Zkratový proud v obvodu střídavého proudu obsahuje kromě periodické (proměnné) složky také aperiodickou (konstantní) složku.

Maximální hodnotu aperiodické složky proudu získáme při uzavření obvodu v okamžiku průchodu napětí nulou. V tomto případě je zkratový proud nejvyšší. Aperiodická a periodická složka zkratového proudu časem doznívá, první rychle, druhá pomalu.

Přehřátí vodičů a kabelů při zkratu zabráníte výběrem správné značky a průřezu a zajištěním správné ochrany elektrické sítě pomocí jističů. Dále je nutné dodržovat opatření k zajištění požární bezpečnosti elektrických rozvodů při provozu elektrických rozvodů a elektrických spotřebičů.

Výběr průřezu kabelu:

Opatření k zajištění požární bezpečnosti elektrických rozvodů:

Obvykle se při zkratu mění hodnota proudu a s rostoucí teplotou vodiče se mění měrný odpor materiálu vodiče a jeho tepelná kapacita.

S ohledem na dobu trvání zkratu a přípustnou teplotu přehřátí při zkratu je možné určit přípustná proudová hustota.

Takto zjištěná hodnota proudu se nazývá proud tepelné stability. Tato technická hodnota se nejčastěji využívá při navrhování, výpočtech a výběru různých elektrických zařízení a proudových sběrnic v trafostanicích.

Tepelná stabilita se vztahuje k určitému času (uvádí se, když je definován). Různé společnosti a různé vládní předpisy poskytují různé hodnoty pro odhadovanou dobu, ke které by měl být připsán tepelný proud.

Podle norem je akceptován desetisekundový proud tepelné stability. To znamená, že při výpočtu přípustného zkratového proudu se doba trvání proudu bere jako 10 sekund. Používají se také jednosekundové a pětisekundové proudy tepelné stability. Ve skutečnosti je samozřejmě přehřátí zařízení od zkratového proudu určeno nikoli součinem proudu a času, ale součinem druhé mocniny proudu a času.

Podívejte se také na další užitečné články na toto téma:

• Vodič hliník a měď: vlastnosti, vlastnosti použití, odolnost proti korozi
• Moderní kondenzátorové jednotky pro kompenzaci jalového výkonu
• Jak používat indikační šroubovák ke kontrole napětí

Doufám, že vám byl tento článek užitečný. Podívejte se také na další články z kategorie Elektrická energie v každodenním životě i v práci » Pomoci začínajícím elektrikářům

Přihlaste se k odběru našeho kanálu na Telegram: World of Electricity

Zde můžete zanechat komentář, položit otázku a jen chatovat:
Chat na elektrická témata

Sdílejte tento článek se svými přáteli: