Prąd zwarciowy to niezamierzony, niekontrolowany, duży przepływ prądu przez system elektryczny. Prądy zwarciowe są powodowane przez zwarcia o bardzo niskiej impedancji. Mogą to być zwarcia do masy lub między fazami. Wynikający z tego wysoki przepływ prądu może powodować przegrzewanie się urządzeń i przewodów, nadmierne siły, a czasami nawet poważne łuki, wybuchy i eksplozje. Przyczyny usterek obejmują takie rzeczy jak uderzenia pioruna, zwierzęta, brud i gruz, upuszczone narzędzia, korozję i błędy ludzkie.

Obliczanie prądu usterki opiera się na prawie Ohma, w którym prąd (I) równa się napięciu (V) podzielonemu przez opór (R). Wzór to I = V/R. W przypadku zwarcia opór staje się bardzo mały, a to oznacza, że prąd staje się bardzo duży.

Gdyby opór był równy zeru, wówczas obliczony prąd zwarcia dążyłby do nieskończoności. Jednak nawet drut miedziany ma pewien opór; nie jest on doskonałym przewodnikiem. Określenie prądu zwarcia wymaga znajomości całkowitej rezystancji od źródła zasilania do miejsca zwarcia.

Obliczenia prądu zwarcia są wymagane

Znajomość dostępnego prądu zwarcia jest ważna przy wyborze urządzeń zabezpieczających, jednak jest ona również wymagana przez przepisy. National Electric Code (NEC) 110.24(A) stwierdza:

„Urządzenia serwisowe w budynkach innych niż mieszkalne powinny być czytelnie oznaczone w terenie maksymalnym dostępnym prądem uszkodzeniowym. Oznaczenie(-a) w terenie powinno(-y) zawierać datę wykonania obliczeń prądu zwarciowego i być wystarczająco trwałe, aby wytrzymać warunki środowiskowe.”

Oznacza to, że na sprzęcie elektrycznym, takim jak urządzenia wejścia serwisowego, muszą być zainstalowane etykiety podające dostępny prąd zwarciowy. Pozwala to na łatwe porównanie wartości znamionowej prądu zwarciowego (SCCR) sprzętu z maksymalną dostępną wartością prądu zwarciowego.

Za każdym razem, gdy następuje zmiana sprzętu, obliczenia prądu zwarciowego muszą być wykonywane od nowa. Jest to określone w normie NEC 110.24(B):

„W przypadku modyfikacji instalacji elektrycznej, które mają wpływ na maksymalny dostępny prąd zwarciowy, maksymalny dostępny prąd zwarciowy należy zweryfikować lub ponownie obliczyć, jeśli jest to konieczne, aby zapewnić, że wartości znamionowe sprzętu serwisowego są wystarczające dla maksymalnego dostępnego prądu zwarciowego na zaciskach linii sprzętu. Wymagane oznakowanie(-a) pola w 110.24(A) powinno być dostosowane do nowego poziomu maksymalnego dostępnego prądu uszkodzeniowego.”

Typy uszkodzeń

W systemie elektrycznym istnieje kilka typów możliwych uszkodzeń:

• Zwarcie, które powoduje, że prąd omija normalne obciążenie.
• Zwarcie doziemne”, w którym prąd płynie do ziemi.
• W systemach trójfazowych może wystąpić zwarcie pomiędzy jedną lub więcej fazami. Ten typ usterki zazwyczaj generuje najwyższe prądy zwarciowe.

Czwarty typ usterki, usterka obwodu otwartego, nie generuje prądu zwarciowego. Usterka otwarta jest wynikiem niezamierzonego przerwania prądu.

Systemy ochronne muszą zapobiegać uszkodzeniom urządzeń i chronić ludzi we wszystkich powyższych sytuacjach. Oznacza to, że należy wykonać obliczenia prądu zwarcia, aby można było dobrać odpowiednie urządzenia ochronne.

Usterki śrubowe vs. zwarcia łukowe

Usterka elektryczna może być albo zwarciem śrubowym albo łukowym.

W zwarciu śrubowym występuje stałe połączenie. Pozwala to na przepływ prądu uszkodzeniowego przez przewodnik. Ten rodzaj usterki może wystąpić, gdy instalator podłączy źródło zasilania do uziemienia, zamiast do punktu, w którym powinno być ono podłączone. Gdy zasilanie zostanie włączone, natychmiast pojawi się zwarcie śrubowe, które spowoduje zadziałanie urządzenia ochronnego. Ponieważ przepływ prądu był ograniczony, szkody są zazwyczaj ograniczone. Jednak zwarcie śrubowe powoduje powstanie najwyższych prądów zwarciowych.

Zawarcie łukowe powstaje, gdy nie ma stałego połączenia, ale przewodniki zbliżają się do siebie na tyle, że prąd przeskakuje przez szczelinę, tworząc łuk elektryczny. Początkowy łuk jonizuje powietrze tworząc plazmę, która pozwala na szybki wzrost przepływu prądu i jego utrzymanie, co skutkuje błyskiem łuku lub wybuchem łuku. Jeśli możliwe jest wystąpienie błysku łuku, należy wykonać obliczenia prądu zwarcia w celu określenia bezpiecznych granic ochrony i wymaganych środków ochrony indywidualnej, jak również w celu dostarczenia informacji potrzebnych do oznaczeń błysku łuku, które muszą być zainstalowane oprócz wymaganych oznaczeń prądu zwarcia NEC 110.24.

Usterki trójfazowe

IEC 60909 „Prądy zwarciowe w układach trójfazowych” podaje akceptowaną metodę obliczania prądów zwarciowych w układach trójfazowych.

Usterka w układzie trójfazowym może być symetryczna (zrównoważona) lub niesymetryczna (niezrównoważona). W przypadku zwarcia symetrycznego wszystkie trzy fazy są dotknięte w równym stopniu. Jednakże, rzadko się to zdarza. Większość zwarć trójfazowych jest niesymetryczna, co utrudnia wykonanie obliczeń prądu zwarcia.

Źródła treści

Przed wykonaniem obliczeń prądu zwarcia należy zidentyfikować wszystkie możliwe źródła prądu. Może to obejmować pewne źródła prądu, które mogły nie być brane pod uwagę. Istnieją cztery możliwe źródła prądu zwarciowego:

• Generatory elektryczne w zakładzie: Są one blisko siebie, a prąd zwarcia jest ograniczony jedynie impedancją samego generatora i obwodu elektrycznego.
• Silniki synchroniczne: Silnik synchroniczny jest silnikiem prądu przemiennego, w którym prędkość silnika jest proporcjonalna do częstotliwości prądu elektrycznego. W przypadku zaniku zasilania, co będzie miało miejsce w przypadku zwarcia, bezwładność obciążenia mechanicznego silnika będzie nadal obracać silnik. Silnik będzie wtedy działać jako generator dostarczający prąd, a to przyczyni się do całkowitego prądu płynącego do usterki.
• Motory indukcyjne: ten typ silnika stanie się również generatorem w przypadku wystąpienia usterki zwarcia gdzieś indziej w systemie. Jednak prąd uszkodzeniowy generowany przez silnik indukcyjny będzie trwał tylko przez kilka cykli. Prąd ten będzie w przybliżeniu równy prądowi rozruchowemu silnika z zablokowanym wirnikiem.
• System elektroenergetyczny: większość prądu uszkodzeniowego pochodzi zazwyczaj z sieci elektrycznej. Poziom prądu zwarcia będzie zależał od:
• napięcia wtórnego transformatora i impedancji
• impedancji generatorów
• impedancji obwodu od transformatora do zwarcia.

W celu uproszczenia obliczeń prądu zwarcia zakłada się, że wszystkie generatory elektryczne w systemie są w fazie i pracują przy nominalnym napięciu systemowym.

Stan trójfazowy

W celu obliczenia prądu zwarcia przeprowadza się analizę zwarcia. Zwykle obejmuje to analizę najgorszego scenariusza, którym jest stan zwarcia trójfazowego połączonego śrubami. Na podstawie tej sytuacji można w przybliżeniu określić inne warunki uszkodzenia.

Ważny jest udział prądów uszkodzeniowych silników w systemie. W wielu przypadkach silniki mogą wnosić od czterech do sześciu razy więcej niż normalny prąd pełnego obciążenia. Nawet jeśli prąd ten jest bardzo krótkotrwały, należy go uwzględnić w obliczeniach prądu zwarciowego.

Gdy przeprowadzane jest badanie błysku łuku, obliczenia prądu zwarciowego powinny być nadal wykonywane dla najwyższego prądu zwarciowego trójfazowego przykręconego śrubami.

Oznaczenie prądu zwarciowego

Po obliczeniu prądu zwarciowego, na urządzeniach należy umieścić etykiety z informacjami o dostępnym prądzie zwarciowym. Jeśli wymagana jest etykieta błysku łuku elektrycznego, należy ją również wydrukować i umieścić w odpowiednim miejscu. Każda etykieta wymaga niestandardowych informacji, które pochodzą z obliczeń prądu zwarciowego.

Zrób następny krok!

Teraz, gdy masz już podstawowe zrozumienie zmiennych w obliczeniach błysku łuku, pobierz nasz darmowy przewodnik Arc Flash Energy Guide, aby uzyskać szczegółowe porady dotyczące wdrażania systemu bezpieczeństwa w Twoim zakładzie. Pobierz swój bezpłatny egzemplarz już dziś!