En felström är ett oavsiktligt, okontrollerat, högt strömflöde genom ett elektriskt system. Felströmmar orsakas av kortslutningar med mycket låg impedans. Dessa kan vara kortslutningar mot jord eller mellan faser. Det resulterande höga strömflödet kan leda till överhettning av utrustning och ledare, överdrivna krafter och ibland till och med allvarliga ljusbågar, sprängningar och explosioner. Orsaker till fel är bland annat saker som blixtnedslag, djur, smuts och skräp, tappade verktyg, korrosion och mänskliga fel.

Felströmberäkningar baseras på Ohms lag där strömmen (I) är lika med spänningen (V) dividerad med motståndet (R). Formeln är I = V/R. När det finns en kortslutning blir motståndet mycket litet och det innebär att strömmen blir mycket stor.

Om motståndet var noll skulle den beräknade felströmmen gå till oändlighet. Men även koppartråd har ett visst motstånd; den är inte en perfekt ledare. Att bestämma felströmmen innebär att man måste känna till det totala motståndet från strömkällan till platsen för felet.

Felströmberäkningar krävs

Att känna till den tillgängliga felströmmen är viktigt när man väljer skyddsanordningar, men det krävs också enligt lag. I National Electric Code (NEC) 110.24(A) står det:

”Serviceutrustning i andra än bostadsenheter ska vara läsbart märkt i fält med den maximalt tillgängliga felströmmen. Fältmarkeringen/markeringarna ska innehålla datumet då beräkningen av felströmmen utfördes och vara av tillräcklig hållbarhet för att tåla den aktuella miljön.”

Detta innebär att det måste finnas fältmonterade etiketter på elektrisk utrustning, t.ex. på serviceutrustningar, som anger den tillgängliga kortslutningsfelströmmen. På så sätt kan utrustningens kortslutningsströmmar (Short Circuit Current Rating, SCCR) lätt jämföras med den maximalt tillgängliga felströmmen.

Varje gång utrustningen byts ut måste beräkningen av felströmmen göras om. Detta specificeras i NEC 110.24(B):

”När ändringar i den elektriska installationen sker som påverkar den maximalt tillgängliga felströmmen vid tjänsten ska den maximalt tillgängliga felströmmen verifieras eller omräknas vid behov för att säkerställa att tjänstens utrustningsvärden är tillräckliga för den maximalt tillgängliga felströmmen vid utrustningens linjeterminaler. Den eller de obligatoriska fältmarkeringarna i 110.24(A) ska justeras för att återspegla den nya nivån på den maximalt tillgängliga felströmmen.”

Typer av fel

I ett elsystem finns det flera typer av möjliga fel:

• En kortslutning som resulterar i att strömmen går förbi den normala belastningen.
• Ett ”jordfel” där strömmen går in i jorden.
• I trefasiga system kan det uppstå en kortslutning mellan en eller flera faser. Denna typ av fel skapar vanligtvis de högsta felströmmarna.

Den fjärde typen av fel, ett öppet fel, genererar ingen kortslutningsström. Ett öppet fel beror på att strömmen oavsiktligt avbryts.

Skyddssystem måste förhindra skador på utrustning och skydda människor i alla ovanstående situationer. Det innebär att felströmsberäkningar måste göras så att lämpliga skyddsanordningar kan väljas.

Boltfel kontra bågfel

Ett elektriskt fel kan antingen vara ett bultfel eller ett bågfel.

I ett bultfel finns det en fast förbindelse. Detta gör att felströmmen kan flöda genom en ledare. Denna typ av fel kan uppstå när en installatör ansluter en strömkälla till jord i stället för till den punkt där den ska anslutas. När strömmen sätts på kommer det omedelbart att uppstå ett bultat fel som utlöser skyddsanordningen. Eftersom strömflödet var begränsat är skadan vanligtvis begränsad. Ett bultat fel skapar dock de högsta felströmmarna.

Ett ljusbågsfel uppstår när det inte finns någon fast förbindelse, men ledarna kommer tillräckligt nära varandra så att strömmen hoppar över gapet och skapar en ljusbåge. Den första ljusbågen joniserar luften och skapar en plasma som gör att strömflödet snabbt kan öka och bibehållas, vilket resulterar i en ljusbågsblixt eller ljusbågsexplosion. När en ljusbågsblixt är möjlig måste felströmsberäkningar göras för att fastställa säkra skyddsgränser och erforderlig personlig skyddsutrustning samt för att tillhandahålla den information som behövs för ljusbågsblixtmärken som måste installeras utöver de erforderliga felströmsmärkena enligt NEC 110.24.

Three Phase Faults

IEC 60909 ”Short Circuit Currents in Three-Phase Systems” ger den accepterade beräkningsmetoden för trefasiga felströmmar.

Ett fel i ett trefasigt system kan antingen vara symmetriskt (balanserat) eller osymmetriskt (obalanserat). Vid ett symmetriskt fel påverkas alla tre faserna lika mycket. Detta sker dock sällan. De flesta trefasfel är osymmetriska, och det gör det svårare att göra felströmsberäkningen.

Innehållskällor

För att en felströmsberäkning ska kunna utföras måste alla möjliga strömkällor identifieras. Detta kan inkludera vissa strömkällor som kanske inte har beaktats. Det finns fyra möjliga källor till kortslutningsfelström:

• Elgeneratorer på plats: Dessa är nära och felströmmen begränsas endast av impedansen hos själva generatorn och den elektriska kretsen.
• Synkronmotorer: En synkronmotor är en växelströmsmotor där motorns hastighet är proportionell mot den elektriska energins frekvens. När strömmen bryts, vilket sker vid en kortslutning, kommer trögheten hos den mekaniska belastningen på motorn att fortsätta att rotera motorn. Motorn kommer då att fungera som en generator som levererar ström, och detta kommer att bidra till den totala strömmen som flyter till felet.
• Induktionsmotorer: Denna typ av motor kommer också att bli en generator om det uppstår ett kortslutningsfel någon annanstans i systemet. Den felström som genereras av en induktionsmotor kommer dock bara att pågå i några få cykler. Strömmen kommer att vara ungefär lika stor som motorns startström med låst rotor.
• Elnät: Större delen av felströmmen kommer vanligtvis från elnätet. Nivån på kortslutningsströmmen beror på:
• transformatorns nominella sekundärspänning och impedans
• generatorernas impedans
• impedansen i kretsen från transformatorn till kortslutningen.

För att förenkla beräkningen av felströmmen antas att alla elektriska generatorer i systemet är i fas och att de arbetar med den nominella systemspänningen.

Bolted Three – Phase Condition

En kortslutningsstudie genomförs så att felströmmen kan beräknas. Detta innebär normalt att man tittar på det värsta scenariot, vilket är det bultade trefasiga feltillståndet. Baserat på denna situation kan andra feltillstånd approximeras.

Felströmbidraget från motorer i systemet är viktigt. I många fall kan motorerna bidra med fyra till sex gånger den normala fulllastströmmen. Även om strömmen är mycket kortvarig är det viktigt att den tas med i beräkningen av felströmmen.

När en ljusbågsstudie görs bör beräkningen av felströmmen fortfarande gälla den högsta skruvade trefasiga kortslutningsströmmen.

Felströmsetiketter

När felströmmen har beräknats bör utrustningen förses med etiketter som anger den tillgängliga kortslutningsfelströmmen. Om en ljusbågsblinkmärkning krävs ska den också skrivas ut och sättas upp på lämplig plats. Varje etikett kräver anpassad information som kommer från beräkningen av felströmmen.

Ta nästa steg!

Nu när du har en grundläggande förståelse för variablerna i beräkningar av ljusbågsblinkning kan du ladda ner vår kostnadsfria energiguide för ljusbågsblinkning för att få detaljerade råd om hur du implementerar ett säkerhetssystem i din anläggning. Ladda ner ditt gratisexemplar idag!