Vikavirta on tahaton, hallitsematon, suuri virran virtaus sähköjärjestelmän läpi. Vikavirtoja aiheuttavat hyvin matalaimpedanssiset oikosulut. Nämä voivat olla oikosulkuja maahan tai vaiheiden välillä. Tästä johtuva suuri virrankulku voi johtaa laitteiden ja johtimien ylikuumenemiseen, ylisuuriin voimiin ja toisinaan jopa vakaviin valokaariin, räjähdyksiin ja räjähdyksiin. Vikojen syitä ovat esimerkiksi salamaniskut, eläimet, lika ja roskat, pudonneet työkalut, korroosio ja inhimilliset virheet.

Vikavirran laskenta perustuu Ohmin lakiin, jossa virta (I) on yhtä suuri kuin jännite (V) jaettuna resistanssilla (R). Kaava on I = V/R. Oikosulussa resistanssista tulee hyvin pieni, mikä tarkoittaa, että virrasta tulee hyvin suuri.

Jos resistanssi olisi nolla, laskettu vikavirta menisi äärettömään. Jopa kuparijohdossakin on kuitenkin jonkin verran vastusta; se ei ole täydellinen johdin. Vikavirran määrittäminen edellyttää, että tiedetään kokonaisvastus virtalähteestä vikapaikkaan.

Vikavirran laskenta vaaditaan

Käytettävissä olevan vikavirran tunteminen on tärkeää suojalaitteita valittaessa, mutta sitä vaaditaan myös säännöissä. National Electric Code (NEC) 110.24(A) sanoo:

”Muissa kuin asunnoissa oleviin huoltolaitteisiin on kentällä merkittävä luettavasti suurin käytettävissä oleva vikavirta. Kenttämerkinnän (-merkintöjen) on sisällettävä päivämäärä, jolloin vikavirtalaskenta suoritettiin, ja niiden on oltava riittävän kestäviä kestämään kyseistä ympäristöä.”

Tämä tarkoittaa, että sähkölaitteisiin, kuten sähkönsyöttölaitteisiin, on oltava kenttään asennetut merkinnät, joissa ilmoitetaan käytettävissä oleva oikosulkuvirta. Näin laitteiden oikosulkuvirran mitoitusarvoa (SCCR) voidaan helposti verrata suurimpaan käytettävissä olevaan vikavirtaan.

Aina kun laitteet muuttuvat, vikavirran laskenta on tehtävä uudelleen. Tämä on määritelty NEC 110.24(B):

”Kun sähköasennukseen tehdään muutoksia, jotka vaikuttavat suurimpaan käytettävissä olevaan vikavirtaan, suurin käytettävissä oleva vikavirta on tarkistettava tai laskettava uudelleen tarpeen mukaan, jotta voidaan varmistaa, että käyttölaitteiden nimellisarvot riittävät suurimpaan käytettävissä olevaan vikavirtaan laitteiden riviliittimissä. Kohdassa 110.24(A) vaaditut kenttämerkinnät on mukautettava vastaamaan uutta suurimman käytettävissä olevan vikavirran tasoa.”

Vikatyypit

Sähköjärjestelmässä on useita mahdollisia vikatyyppejä:

• Oikosulku, joka johtaa siihen, että sähkövirta ohittaa normaalikuorman.
• ”Maasulku”, jossa virta kulkee maahan.
• Kolmivaihejärjestelmissä voi olla oikosulku yhden tai useamman vaiheen välillä. Tämä vikatyyppi aiheuttaa tyypillisesti suurimmat vikavirrat.

Neljäs vikatyyppi, avovika, ei aiheuta oikosulkuvirtaa. Avovika johtuu siitä, että virta katkeaa tahattomasti.

Suojajärjestelmien on estettävä laitevauriot ja suojeltava ihmisiä kaikissa edellä mainituissa tilanteissa. Tämä tarkoittaa, että vikavirtalaskelmat on tehtävä, jotta voidaan valita sopivat suojalaitteet.

Pultti- vs. valokaariviat

Sähkövika voi olla joko pultti- tai valokaarivika.

Pultti- ja valokaarivioissa on kiinteä yhteys. Tämä mahdollistaa vikavirran kulun johtimen läpi. Tämäntyyppinen vika saattaa syntyä, kun asentaja kytkee virtalähteen maadoitukseen sen sijaan, että se kytkettäisiin siihen kohtaan, johon se pitäisi kytkeä. Kun virta kytketään päälle, syntyy välittömästi pultattu vika, joka laukaisee suojalaitteen. Koska virran kulku oli hallittua, vahingot ovat yleensä vähäisiä. Pultattu vika synnyttää kuitenkin suurimmat vikavirrat.

Valokaarivika syntyy, kun ei ole kiinteää yhteyttä, vaan johtimet tulevat riittävän lähelle niin, että virta hyppää kuilun yli ja synnyttää valokaaren. Alkuperäinen valokaari ionisoi ilman luoden plasman, jonka ansiosta virran virtaus kasvaa nopeasti ja pysyy yllä, mikä johtaa valokaarileimahdukseen tai valokaariräjähdykseen. Kun valokaaren leimahdus on mahdollinen, on tehtävä vikavirtalaskelmat, jotta voidaan määrittää turvalliset suojausrajat ja vaadittavat henkilönsuojaimet sekä antaa tiedot, joita tarvitaan valokaaren leimahdusmerkintöjä varten, jotka on asennettava vaadittujen NEC 110.24:n vikavirtakilpien lisäksi.

Kolmivaiheiset viat

IEC 60909 ”Short Circuit Currents in Three-Phase Systems” (Oikosulkuvirrat kolmivaiheisissa järjestelmissä) antaa hyväksytyn laskentamenetelmän kolmivaiheisten vikavirtojen laskemiseksi.

Kolmivaiheisen järjestelmän vika voi olla joko symmetrinen (tasapainoinen) tai epäsymmetrinen (epätasapainoinen). Symmetrisessä viassa kaikki kolme vaihetta kärsivät yhtä paljon. Näin tapahtuu kuitenkin harvoin. Useimmat kolmivaiheiset viat ovat epäsymmetrisiä, mikä vaikeuttaa vikavirtalaskennan tekemistä.

Sisältölähteet

Ennen kuin vikavirtalaskenta voidaan suorittaa, kaikki mahdolliset virtalähteet on tunnistettava. Tämä voi sisältää joitakin virranlähteitä, joita ei ehkä ole otettu huomioon. Mahdollisia oikosulkuvikavirran lähteitä on neljä:

• Osalla olevat sähkögeneraattorit: Nämä ovat lähellä ja vikavirtaa rajoittaa vain itse generaattorin ja sähköpiirin impedanssi.
• Synkronimoottorit: Synkronimoottori on vaihtovirtamoottori, jossa moottorin nopeus on verrannollinen sähkötehon taajuuteen. Kun sähkövirta katkeaa, kuten tapahtuu oikosulussa, moottoriin kohdistuvan mekaanisen kuorman inertia pyörittää moottoria edelleen. Moottori toimii tällöin generaattorina, joka syöttää virtaa, ja tämä lisää osaltaan vikaan kulkevaa kokonaisvirtaa.
• Induktiomoottorit: Tämäntyyppiset moottorit muuttuvat myös generaattoriksi, jos jossakin muualla järjestelmässä on oikosulkuvika. Induktiomoottorin tuottama vikavirta kestää kuitenkin vain muutaman jakson ajan. Virta on suunnilleen yhtä suuri kuin moottorin lukitun roottorin käynnistysvirta.
• Sähköverkko: Suurin osa vikavirrasta tulee tyypillisesti sähköverkosta. Oikosulkuvirran suuruus riippuu:
• muuntajan toisiojännitteen nimellisarvosta ja impedanssista
• generaattoreiden impedanssista
• muuntajalta oikosulkupiiriin johtavan piirin impedanssista.

Vikavirran laskennan yksinkertaistamiseksi oletetaan, että kaikki järjestelmän sähkögeneraattorit ovat samassa vaiheessa ja että ne toimivat järjestelmän nimellisjännitteellä.

Pultattu kolmivaiheinen tila

Vikavirran laskemiseksi tehdään oikosulkututkimus. Tällöin tarkastellaan yleensä pahinta mahdollista tilannetta, joka on pultattu kolmivaiheinen vikatilanne. Tämän tilanteen perusteella voidaan likimääräisesti arvioida muut vikatilanteet.

Järjestelmän moottoreiden vikavirran osuus on tärkeä. Monissa tapauksissa moottoreiden vikavirta voi olla neljä-kuusinkertainen normaaliin täyskuormitusvirtaan verrattuna. Vaikka virta olisikin hyvin lyhytkestoinen, on ratkaisevan tärkeää, että se otetaan huomioon vikavirtalaskennassa.

Kun tehdään valokaaritutkimus, vikavirtalaskennassa olisi silti käytettävä suurinta ruuvattua kolmivaiheista oikosulkuvirtaa.

Vikavirran merkitseminen

Kun vikavirta on laskettu, laitteisiin olisi kiinnitettävä merkinnät, joissa ilmoitetaan käytettävissä oleva oikosulkuvirta. Jos tarvitaan valokaarilamppumerkintä, se on myös tulostettava ja kiinnitettävä asianmukaiseen paikkaan. Kukin etiketti vaatii räätälöityjä tietoja, jotka tulevat vikavirtalaskelmasta.

Tee seuraava askel!

Nyt kun sinulla on perusymmärrys valokaarisalamalaskelmien muuttujista, lataa ilmainen valokaarisalaman energiaoppaamme, josta saat yksityiskohtaisia neuvoja turvajärjestelmän käyttöönottoon laitoksessasi. Lataa ilmainen kopio jo tänään!