Zkratový proud a jeho měření
Obsah

Zkratový proud a jeho měření

Je to proud dodávaný zdrojem při spojení výstupních svorek nakrátko. Jeho velikost je omezena jen vnitřním odporem zdroje.

Zkrat  

Poruchové vodivé spojení mezi vodiči fází a v určitém případě i mezi vodiči a zemí. Projevuje se nadměrným zkratovým proudem, který svými dynamickými a tepelnými účinky může způsobit vážnou provozní poruchu. Zvýšení proudu nad jmenovitou hodnotu se nazývá nadproud. Krajní hodnota nadproudu se nazývá zkratový proud. Zkrat je vodivé spojení dvou nebo více fází. Je buď bezodporový, (fáze jsou spojeny nulovým odporem), nebo obloukový (fáze jsou spojeny přes určitou impedanci). Při zkratu klesá napětí, klesá impedance postiženého obvodu a vzrůstá proud.

  • zkrat 3 fázový (všechny fáze do sebe),

  • zkrat 2 fázový (2 fáze do sebe),

  • zkrat 1 fázový (1 fáze do středního vodiče),

  • zkrat proti zemi (fáze do země).

Vzorec podle Ohmova zákona

 Iz =\frac{Ue}{Ri}
Ri je vnitřní odpor, Ue je elektromotorické napětí zdroje (napětí nezatíženého zdroje)


Obecně platí, že ustálená hodnota zkratového proudu je dána podílem napětí v obvodu a impedance obvodu. Impedance je pro stejnosměrný obvod prostě rovna ohmickému odporu, ve střídavém obvodu je potřeba brát úvahu i indukčnosti a kapacity. V ideálním obvodu by zkratový proud byl nekonečný (vnitřní odpor zdroje = 0, odpory vodičů obvodu = 0). Prakticky se vždy uplatní fakt, že zdroj není ideální (má nenulový vnitřní odpor) a vodiče mají též nenulový odpor. Problém je samozřejmě v tom, že reálné zdroje a obvody nemohou zkrat dlouho vydržet, nejsou na to dimenzované (obvykle; jsou ovšem i zvláštní případy, kdy se s trvalým zkratem počítá). Pak prostě energie velkého zkratového proudu změněná na odporech na teplo něco zničí, něco shoří, zkrat buď přejde v elektrický oblouk, nebo se obvod přeruší .

Měření zatěžovací charakteristiky elektrického zdroje

Pro měření zvolte vhodný zdroj stejnosměrného napětí. Vhodná je plochá baterie, monočlánek, tužková baterie nebo podobný akumulátor. Baterie by měla mít alespoň 25% původní kapacity. Nejsnáze se proměřuje nový článek. Zdroj stejnosměrného napětí zapojte do série s vhodným reostatem. Jeho velikost zvolte tak, aby bylo možné nastavovat proudy v rozsahu od 0,05 A do 1 A (u tužkové baterie), u článků s větší kapacitou do 2 A. (U vybité baterie musíte nastavovat nízké proudy asi od 0,01 A do 0,05 A až 0,1 A tak, aby během měření výrazně nepokleslo elektromotorické napětí.)

 

Měření na článku

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 1: Měření na článku

 

Proveďte sérii měření proudu a odpovídajícího svorkového napětí. První hodnotu napětí změřte bez zatížení (proud 0 A) - prakticky se jedná o elektromotorické napětí. Pak postupně snižujte odpor reostatu a zapisujte odpovídající hodnoty proudu a napětí. Na závěr opět změřte hodnotu napětí bez zátěže. (V případě, že se bude lišit od prvního měření, uveďte tuto skutečnost s patřičným zdůvodněním do závěru.) Z naměřených hodnot odhadněte (např. přibližným předběžným výpočtem) hodnotu zkratového proudu a proveďte jeho měření. Jestliže bude předpokládaná hodnota zkratového proudu menší než rozsah ampérmetru, můžete ji změřit přímo zapojením ampérmetru ke svorkám zdroje. Zapojení při tomto měření proveďte krátkodobě - do 1 s, aby nedošlo ke zbytečnému namáhání zdroje a ampérmetru. V případě, že bude odhadovaný zkratový proud mimo rozsah ampérmetru, navrhněte a proveďte měření nepřímé. Na základě měření sestavte graf a jeho prodloužením určete teoretickou hodnotu zkratového proudu. Ze sklonu grafu určete vnitřní odpor zdroje. Svá zjištění a hodnocení zapište do závěru.

 

Měření transformátoru nakrátko

Spojením sekundárních svorek transformátoru bezimpendanční spojkou (ZL = 0) dosáhneme stavu nakrátko. Měřící přístroje A1 , V1 a W1 zapojujeme do primárního obvodu dle schématu, proud v sekundárním vinutí neměříme, neboť bychom vnitřním odporem ampérmetru nepříznivě ovlivnili měření (RiA > 0).

Měření zkratového proudu na transformátoru

Obr. 2: Měření zkratového proudu na transformátoru

Transformátor smí být připojen v tomto případě ke zdroji napětí jen při velmi malém napětí ( U1 => 0 V ) . Při vyšších napětích by došlo vlivem prudkého nárustu ztrát k zahřívání vinutí a k poškození transformátoru !!! Při měření postupujeme tak, že opatrným zvyšováním napájecího napětí U1 z hodnoty 0V, nastavíme proud I1 tak, aby jeho velikost dosáhla jmenovité hodnoty I1N. Soucasně měříme primární napětí U1k a ztráty P1k = Pd 1k. Měření provádíme co nejrychleji.

Detaily viz na:

ING. KOLÁŘ, Václav a Vítězslav ING. STÝSKALA. Měření na jednofázovém transformátoru.Měření na jednofázovém transformátoru. [online]. 1997 [cit. 2014-11-10]. Dostupné z: http://fei1.vsb.cz/kat420/vyuka/elektrotechnika/navody/LU_trafo.pdf

Zdroje

  • KOLÁŘ, ING., Václav a Vítězslav STÝSKALA, ING. Měření na jednofázovém transformátoru. Vsb.cz [online]. VŠB - TU Ostrava, 1997, 2011 [cit. 2015-01-28]. Dostupné z: http://fei1.vsb.cz/kat420/vyuka/elektrotechnika/navody/LU_trafo.pdf
  • KŘÍŽ, ING., Michal.  Zkratové proudy, základní veličiny, jejich výklad. Požadavky na ochranu před zkratovými proudy. Příklady výpočtu. IN-EL, spol. s r.o. [online]. IN-EL, spol. s r.o., 2013 [cit. 2015-01-28]. Dostupné z:http://www.in-el.cz/?t=201&p=103020
  • ŠMÍD, Vlastimil. Měření zatěžovací charakteristiky elektrického zdroje. Http://v.smid.sk/ [online]. http://v.smid.sk/, 2015 [cit. 2015-01-28]. Dostupné z: http://v.smid.sk/fyzika/fcv_zdroj.html

Obrázky:

Odkaz

http://fei1.vsb.cz/kat420/vyuka/elektrotechnika/navody/LU_trafo.pdf

 

Čti také

Zkrat

 
 

Zkrat na vzdušném vedení

Obr. 3: Zkrat na vzdušném vedení

 

Zkrat neboli krátké spojení nebo spojení nakrátko (lidově také nazývaný slovem kraťas nebo šlus) je zapojení elektrického zdroje bez spotřebiče, neboli stav, kdy v elektrickém obvodu neprochází elektrický proud přes spotřebič, ale přímo od jednoho pólu zdroje k druhému. Často se slovo "zkrat" nesprávně používá k označení libovolné elektrické poruchy.

Vznik zkratu

Zkrat nastává přímým vodivým propojením pólů zdroje (tzv. spojení nakrátko), např. když se poškodí izolace přívodních vodičů nebo vodičů uvnitř spotřebiče a dojde k jejich vzájemnému dotyku.

Zkrat může způsobit i vodivá kapalina (elektrolyt), dostane-li se do styku s vodiči (u venkovních vedení kupř. za prudké dešťové či sněhové bouře).

Při zkratu je elektrickému proudu kladen velmi malý odpor, takže velikost proudu (tzv. nadproud) může být vysoká a ve vodiči může vznikat velké teplo. Procházející proud je v tomto případě určen pouze vnitřním odporem zdroje a vodičů, v běžné elektrorozvodné síti 0,4 kV 50 Hz je hodnota zkratového nadproudu limitována  zkratovým výkonem nejbližšího transformátoru.

Důsledky zkratu

Následkem tepla vznikajícího během zkratu může dojít k poškození zdroje nebo přívodních vodičů nebo celého spotřebiče. Nacházejí-li se vodiče blízko hořlavých materiálů, mohou se tyto vysokou teplotou zapálit. Zkraty bývají velmi častou příčinou nežádoucích požárů.

Důsledky zkratu

Obr. 4: Důsledky zkratu

U chemických zdrojů dochází také k rychlému vybití těchto zdrojů - k rychlému přenosu elektrického náboje mezi elektrodami, a tím ke snížení elektrického napětí mezi nimi. Zahřátí chemikálií uvnitř zdroje může vést k nežádoucím chemickým reakcím a poškození elektrod a v některých případech až k explozi.

Silný elektrický proud při zkratu rovněž ohrožuje zdraví člověka.

Někdy se zkratu využívá k vybití nahromaděného elektrického náboje nebo k vyrovnání elektrických potenciálů mezi dvěma elektricky nabitými tělesy. Jedná se tzv. řízený zkrat - tělesa se bezpečně propojí a nechá se projít elektrický proud., tato zařízení jsou známa po názvem zkratovače či rychlozkratovače (používají se zejména pro vybití velkého množství náboje u kapacitorů resp. kondenzátorů).

Ochrana proti zkratu

Dojde-li ke zkratu, je třeba co nejrychleji přerušit elektrický obvod.

K ochraně elektrického obvodu proti zkratu slouží elektrické pojistky a jističe. U pojistky se vlivem tepla roztaví tenký drátek, u elektromagnetického jističe silné magnetické pole přitáhne kotvu a vypne obvod. Kombinovaný jistič obsahuje navíc bimetalový pásek, který se teplem ohýbá a obvod se vypne i při slabším (slabě vyšším než jmenovitým), ale dlouhotrvajícím elektrickém proudu. Citlivější přístroje (elektronické přístroje) často obsahují přístrojovou pojistku (tavnou pojistku), která se větším teplem přepálí. Zničené tavné pojistky je nutno vyměnit vždy za stejnou, výrobcem předepsanou hodnotu proudu. Jističe se dají zapnout do opětovného provozu přepnutím páčky, příp. stisknutím tlačítka.

Není-li v obvodu pojistka ani jistič, je třeba vypnout obvod ručně. Není vhodné se dotýkat vodivých částí obvodu rukou, ale použít k tomuto účelu elektrický izolant.

Někdy se elektrický obvod při zkratu přeruší samovolně, dojde-li energie elektrického zdroje nebo dojde-li k přepálení vodičů. To však již znamená poškození obvodu.

Prevencí proti zkratu je používat kvalitní nepoškozené elektrické spotřebiče, v žádném případě nezapojovat vadné nebo amatérsky vyrobené přívodní šňůry, nepoužívat elektrické spotřebiče ve vlhkém prostředí, nevystavovat je nadměrnému teplu a dodržovat další běžné zásady bezpečné práce s elektrickými zařízeními.

Zkraty v silnoproudé elektrotechnice

Schématická značka zkratu

Obr. 5: Schématická značka zkratu

V silnoproudé elektrotechnice a energetice představují zkraty mimořádně nebezpečné poruchy. Kromě výše řečeného zde hraje roli i mimořádně vysoká úroveň zkratových proudů, způsobující vznik velkého množství tepla v místě krátkého spojení. To může vést k požárům či výbuchům vybavení. Dalším nebezpečným důsledkem vysokých zkratových proudů je elektrodynamické namáhání vodičů a zařízení. V jeho důsledku může dojít kdeformacím vinutí elektrických strojů, poškození vodičů a přípojnic rozvoden či mechanickým rozrušením konstrukcí. Pro omezení hodnot zkratových proudů se používá techniky dělení přípojnic do sekcí a vřazování tlumivek  (elektromagnetických reaktorů) pro omezení následků zkratu pak používánívypínačů s vysokou rychlostí odpojení.