Name: protective devices in power systems
Uploaded: 2024-11-21T14:54:31.000Z
Duration: 1 min 23 s
Channel: JoVE

Un disjoncteur interrompt les courants de défaut en éteignant l’arc, qui est allongé et refroidi pour arrêter le flux d’électricité.
Les disjoncteurs sont classés en fonction de leur tension de fonctionnement et du fluide utilisé pour éteindre l’arc.
Les disjoncteurs haute tension se referment automatiquement 15 à 50 cycles après l’interruption et se verrouillent si le défaut persiste, nécessitant l’intervention de l’opérateur.
Les applications basse tension utilisent des disjoncteurs à boîtier moulé avec des déclenchements magnétiques pour les courants de défaut importants et des déclenchements thermiques pour les surcharges plus petites et soutenues.
La méthode simplifiée E/X facilite la sélection du disjoncteur en calculant le courant de court-circuit symétrique maximal à l’aide de la tension de pré-défaut et de la réactance du système, en négligeant d’autres facteurs.
Pour les générateurs, les disjoncteurs à deux cycles sont sélectionnés en fonction du courant de défaut sous-transitoire, calculé à l’aide de réactances sous-transitoires. Pour les moteurs synchrones, des réactances subtransitoires ou transitoires s’appliquent, en fonction de la vitesse du brise-roche.
Les fusibles, c’est-à-dire des dispositifs de surintensité munis d’un fusible dans un tube rempli de sable, agissent comme des conducteurs en fonctionnement normal. Le courant de surcharge augmente la température de la liaison, ce qui la fait fondre et former un arc.

sélection de disjoncteurs et de fusibles

Circuit Breaker and Fuse Selection

Un disjoncteur est un dispositif conçu pour interrompre les courants de défaut et parfois se refermer automatiquement. Lorsqu'un courant de défaut est détecté, le disjoncteur sépare les contacts électriques, ce qui génère un arc. Cet arc est éteint par des méthodes telles que l'allongement, le refroidissement ou la séparation, selon la conception du disjoncteur. Les disjoncteurs sont classés en fonction de la tension à laquelle ils fonctionnent et du milieu utilisé pour l'extinction de l'arc, comme l'air, l'huile, le gaz SF6 ou le vide.

Dans les systèmes haute tension, les disjoncteurs sont généralement dotés de mécanismes de réenclenchement automatique. Ces disjoncteurs se réenclenchent dans les 15 à 50 cycles suivant une interruption. Si le défaut persiste, ils se verrouillent, ce qui nécessite l'intervention manuelle d'un opérateur. Dans les systèmes basse tension, les disjoncteurs à boîtier moulé à double déclenchement sont courants. Ces disjoncteurs utilisent des déclenchements instantanés magnétiques pour gérer les défauts importants et des déclenchements thermiques pour gérer les défauts plus petits.

La méthode E/X simplifie la sélection du disjoncteur en calculant le courant de court-circuit symétrique maximal. Cette approche utilise la tension avant défaut et les caractéristiques de réactance du système, en ignorant les autres facteurs. Pour les générateurs, des disjoncteurs à deux cycles sont utilisés pour calculer le courant de défaut subtransitoire, en s'appuyant sur les réactances subtransitoires de la machine. Pour les moteurs synchrones, les réactances subtransitoires ou transitoires sont prises en compte en fonction de la vitesse de fonctionnement du disjoncteur.

Les fusibles servent de dispositifs de protection contre les surintensités. Ils contiennent un fusible dans un tube rempli de sable. Dans des conditions normales, le fusible conduit l'électricité. Lorsqu'un courant de surcharge se produit, la température du fusible augmente, ce qui provoque sa fusion et la formation d'un arc. Les fusibles sont spécifiés en fonction de quatre facteurs clés : le courant nominal, la tension nominale, la capacité de coupure et les caractéristiques de temporisation. Les fusibles doivent être remplacés manuellement une fois qu'ils ont fondu.

Les disjoncteurs et les fusibles jouent tous deux un rôle essentiel dans la protection des systèmes électriques contre les courants de défaut et les surintensités. Les disjoncteurs, avec leur capacité à se refermer automatiquement et à gérer différents types de défauts, sont essentiels dans les applications haute et basse tension. Les fusibles, bien que plus simples et nécessitant un remplacement manuel, offrent une protection fiable en interrompant les surintensités. Il est essentiel de comprendre les exigences et les caractéristiques spécifiques du système électrique pour sélectionner les dispositifs de protection appropriés afin de garantir la sécurité et la continuité opérationnelle.

Sélection de disjoncteurs et de fusibles

Un disjoncteur interrompt les courants de défaut en éteignant l’arc, qui est allongé et refroidi pour arrêter le flux d’électricité.
Les disjoncteurs sont...

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protective devices in power systems

Circuit breakers and fuses protect electrical systems from fault current and overcurrent. They help stop damage when current rises above safe limits. Both devices are chosen based on the needs of the electrical system.

A circuit breaker interrupts fault current by separating its contacts. This creates an arc, which must be extinguished by elongation, cooling, or splitting, depending on the breaker design. Breakers are grouped by operating voltage and by the arc-extinguishing medium, such as air, oil, SF6 gas, or vacuum.

High-voltage circuit breakers often include automatic reclosing. They can reclose within 15 to 50 cycles after an interruption. If the fault remains, the breaker locks out and an operator must reset it manually. In low-voltage systems, dual-trip molded case breakers are common. These use magnetic instantaneous trips for large faults and thermal trips for smaller faults.

The E/X method is used to simplify breaker selection. It finds the maximum symmetrical short-circuit current from the prefault voltage and the system reactance. It ignores other factors. For generators, two-cycle breakers are used to calculate subtransient fault current from subtransient machine reactances. For synchronous motors, subtransient or transient reactances are used, depending on breaker operating speed.

Fuses are overcurrent devices with a fusible link inside a sand-filled tube. Under normal conditions, the fusible link carries current. During an overload, its temperature rises, the link melts, and an arc forms. Fuses are selected by current rating, voltage rating, interrupting rating, and time-delay characteristics. After they melt, they must be replaced by hand. Circuit breakers and fuses both provide important protection against fault conditions, but they do so in different ways.

Protective Devices in Power Systems

series r&#8212;l circuit transients

Fault Current in a Series R-L Circuit

A series resistor-inductor, or R-L, circuit can model a three-phase short circuit when the switch closes at the start of the time period. In this fault condition, all three phases of an unloaded synchronous machine are short-circuited. With no fault impedance and no initial current, the starting voltage depends on the source voltage phase angle. Kirchhoff's Voltage Law, or KVL, is used to analyze the circuit and find the total asymmetrical fault current. This current has two parts. The AC...

three-phase short circuit&#8212;unloaded synchronous machine

three-phase-short-circuitunloaded-synchronous-machine

Synchronous Machine Fault Current Decay

A three-phase short circuit on an unloaded synchronous machine shows how fault current changes over time. The AC fault current, with the DC offset removed, starts at a high value and then falls to a steady-state level in one phase of the machine. This change happens because of the magnetic flux created by the short-circuit armature currents. At first, these currents flow through high-reluctance paths. They later shift to lower-reluctance paths, which increases the armature inductance. This...

power system three-phase short circuits

Subtransient Fault Current in Power Systems

Subtransient fault current analysis in a power system uses simplified models for the main equipment. Transformers are represented by their leakage reactances. Transmission lines are modeled with equivalent series reactances, and synchronous machines are treated as constant voltage sources behind their subtransient reactances. Several elements are left out of the calculation because their effect on the immediate fault current is small or they make the model harder without changing the result...

bus impedance matrix

Three-Phase Fault Current Analysis

Three-phase fault current analysis in an N-bus power system uses the positive-sequence network and the bus impedance matrix. It helps estimate subtransient fault currents when a short circuit occurs at one bus. The method uses superposition, which means the problem is split into two circuits that are studied separately. In the first circuit, all machine voltage sources are short-circuited. Only the prefault voltage source at the faulted bus remains. The positive-sequence bus impedance matrix...

circuit breaker and fuse selection

Circuit breakers and fuses protect electrical systems from fault current and overcurrent. They help stop damage when current rises above safe limits. Both devices are chosen based on the needs of the electrical system. A circuit breaker interrupts fault current by separating its contacts. This creates an arc, which must be extinguished by elongation, cooling, or splitting, depending on the breaker design. Breakers are grouped by operating voltage and by the arc-extinguishing medium, such as...

sequence networks of rotating machines

Generator Sequence Currents and Impedances

Generator sequence currents and impedances explain how a Y-connected synchronous generator behaves under balanced and unbalanced conditions. When the generator is grounded through a neutral impedance, it is set up to produce balanced internal phase voltages with only positive-sequence components. The source voltage therefore appears only in the positive-sequence network, and the line-to-ground voltages at the generator terminals show the sequence components of this setup. Zero-sequence current...

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Transformer Sequence Networks in Per Unit

Transformer sequence networks in per unit show how three-phase transformers respond to positive-, negative-, and zero-sequence currents. For an ideal Y-Y transformer grounded through neutral impedances, the per-unit sequence networks act much like those of a single-phase ideal transformer when the current is balanced. Balanced positive-sequence and negative-sequence currents do not create neutral current, so they do not cause voltage drops across the neutral path. Zero-sequence current behaves...

fault types

Power System Faults in Sequence Networks

Power system faults can be analyzed by moving between the phase domain and the sequence domain. This approach helps relate fault currents and voltages for three-phase bus faults and keeps the fault impedance in the model. Fault impedance is zero for a bolted fault, equal to the arc impedance for an arcing fault, and it represents the total fault impedance for a transmission-line insulator flashover. For a single line-to-ground fault from phase A to ground, the phase-domain conditions are...

key terms and concepts

Learn how circuit breakers and fuses protect power systems from faults and overloads, including trip types, arc extinction, reclosing, and fuse ratings.

Protective Devices in Power Systems | JoVE K12

JoVE Core Electrical Engineering offers easy-to-understand animated videos that cover fundamental concepts of electric circuits along with circuit analysis techniques. It incorporates first-order and second-order circuits using operational amplifiers and circuit transformation concepts. The inclusion of practical design examples and real-world applications through scientist-in-action videos adds significant educational value, making complex concepts accessible.

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Protective Devices in Power Systems

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