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

מפסק קוטע זרמי תקלה על ידי כיבוי הקשת, אשר מוארכת ומקוררת כדי לעצור את זרימת החשמל.
מפסקים מסווגים על פי מתח ההפעלה שלהם והמדיום המשמש לכיבוי הקשת.
מפסקי מתח גבוה נסגרים מחדש באופן אוטומטי 15 עד 50 מחזורים לאחר ההפסקה ונועלים אם התקלה נמשכת, דבר הדורש התערבות מפעיל.
יישומי מתח נמוך משתמשים במפסקים יצוקים עם נסיעות מגנטיות עבור זרמי שבר גדולים ונסיעות תרמיות עבור עומסי יתר קטנים ומתמשכים.
השיטה הפשוטה E/X מסייעת לבחירת מפסק על ידי חישוב זרם הקצר הסימטרי המרבי באמצעות מתח טרום תקלה ותגובת מערכת, תוך התעלמות מגורמים אחרים.
עבור גנרטורים, מפסקים דו-מחזוריים נבחרים בהתבסס על זרם שבר תת-ארעי, המחושב באמצעות תגובות תת-ארעיות. עבור מנועים סינכרוניים, תגובות תת-ארעיות או חולפות חלות, בהתאם למהירות המפסק.
מהומות, התקני זרם יתר עם קישור מתנדנד בצינור מלא חול, פועלים כמוליכים בפעולה רגילה. זרם עומס יתר מעלה את טמפרטורת הקישור, גורם לו להימס וליצור קשת.

בחירת מפסק ונתיך

Circuit Breaker and Fuse Selection

<div style="direction: rtl">
מפסק זרם הוא התקן שתוכנן לקטוע זרמי תקלה ולעיתים אך להתחבר מחדש באופן אוטומטי. כאשר מזוהה זרם תקלה, המפסק מפריד את המגעים החשמליים, מה שיוצר קשת חשמלית. קשת זו מכובה בשיטות כגון הארכה, קירור או פיצול, בהתאם לעיצוב המפסק. מפסקים מסווגים לפי מתח העבודה והחומר המשמש לכיבוי הקשת, כמו אוויר, שמן, גז SF6, או ואקום.
במערכות מתח גבוה, למפסקים יש לרוב מנגנוני חיבור מחדש אוטומטיים. מפסקים אלו מתחברים מחדש בתוך 15 עד 50 מחזורים לאחר הפסקה. אם התקלה נמשכת, הם ננעלים ודורשים התערבות ידנית של מפעיל. במערכות מתח נמוך, נפוצים מפסקים עם מנגנון התרעה כפולה במארז יצוק. מפסקים אלה משמשים בהפסקה מגנטית מיידית לטיפול בתקלות גדולות ובהפסקה תרמית לטיפול בתקלות קטנות יותר.
שיטת E/X מפשטת את בחירת המפסק על ידי חישוב זרם הקצר הסימטרי המירבי. גישה זו משתמשת במתח שלפני התקלה ובמאפייני ריאקטנס המערכת ומתעלמת מגורמים אחרים. עבור גנרטורים, משתמשים במפסקים דו מחזוריים כדי לחשב זרם תקלה תת חולף, תוך הסתמכות על ריאקטנסים תת חלופים של המכונה. עבור מנועים סינכרוניים נלקחים בחשבון ריאקטנסים תת חולפים או חולפים בהתאם למהירות פעולת המפסק.
נתיכים משמשים כהתקני הגנה מפני זרם יתר, וכוללים חוט מותך בתוך צינור מלא חול. בתנאים רגילים, החוט המותך מוליך חשמל. כאשר מתרחש זרם עומס יתר, טמפרטורת החוט עולה, מה שגורם להימסותן וליצירת קשת. נתיכים מוגדרים לפ ארבעה גורמים מרכזיים: דירוג זרם, דירוג מתח, דירוג קטיעה ומאפייני עיכוב בזמן. נתיכים יש להחליף ידנית לאחר שהם נמסים.
גם מפסקים וגם נתיכים ממלאים תפקידים קריטיים בהגנה על מערכות חשמל מפני זרמי תקלה ובמצבי זרם יתר. מפסקים, עם יכולתם להתחבר מחדש באופן אוטומטי ולטפל בסוגי תקלות שונים, חיוניים ביישומי מתח גבוה ונמוך. נתיכים, אף שהם פשוטים ודורשים החלפת ידנית, מספקים הגנה אמינה על ידי קטיעת זרמי יתר. הבנת הדרישות והמאפיינים הספציפיים של המערכת החשמלית היא קריטית לבחירת התקני ההגנה המתאימים על מנת להבטיח בטיחות והמשכיות תפעולית.
</div>

מפסק קוטע זרמי תקלה על ידי כיבוי הקשת, אשר מוארכת ומקוררת כדי לעצור את זרימת החשמל.
שוברי גלים הם ...

Education

JoVE Core

Electrical Engineering

הנדסה חשמלית

Unit 1

יחידה 1

Symmetrical and Unsymmetrical Faults

תקלות סימטריות וא-סימטריות

KEY TERMS AND CONCEPTS

מונחי מפתח ומושגים

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...

per-unit sequence models

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.

electrical engineering

Protective Devices in Power Systems

Description

Transcript

Tags