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

サーキットブレーカーは、電気の流れを止めるために細長く冷却されたアークを消すことにより、故障電流を遮断します。
ブレーカーは、動作電圧とアークの消火に使用される媒体に基づいて分類されます。
高電圧ブレーカーは、中断後15〜50サイクルで自動的に再閉じ、障害が続く場合はロックアウトされるため、オペレーターの介入が必要になります。
低電圧アプリケーションでは、大きな故障電流には磁気トリップ、より小さく持続的な過負荷にはサーマルトリップを備えたモールドケース回路ブレーカを使用します。
E/X簡易法は、故障前の電圧とシステムリアクタンスを使用して最大対称短絡電流を計算し、他の要因を無視してブレーカーの選択を支援します。
発電機の場合、2サイクルブレーカーは、サブトランジェントリアクタンスを使用して計算されたサブトランジェント故障電流に基づいて選択されます。同期モーターの場合、ブレーカーの速度に応じて、サブトランジェントまたはトランジェントリアクタンスが適用されます。
ヒューズは、砂で満たされたチューブ内に可溶性リンクを備えた過電流デバイスであり、通常の動作では導体として機能します。過負荷電流によりリンク温度が上昇し、リンクが溶けてアークが形成されます。

回路遮断器とヒューズの選択

Circuit Breaker and Fuse Selection

回路遮断器またはブレーカーは、故障電流を遮断し、場合によっては自動的に再閉路するように設計された装置です。故障電流が検出されると、遮断器は電気接点を分離し、アークを発生させます。このアークは、遮断器の設計に応じて、伸長、冷却、分割などの方法で消火されます。遮断器は、動作電圧と、空気、油、SF6 ガス、真空などのアーク消火に使用される媒体に基づいて分類されます。 
高電圧システムでは、回路遮断器には通常、自動再閉路機構が備わっています。これらの遮断器は、遮断後 15 ～ 50 サイクル以内に再閉路します。障害が続くと、遮断器はロックアウトし、オペレータによる手動介入が必要になります。低電圧システムでは、デュアルトリップモールドケース遮断器が一般的です。これらの遮断器は、大きな障害を処理するために磁気瞬時トリップを使用し、小さな障害を処理するために熱トリップを使用します。 
E/X 法では、最大対称短絡電流を計算することで遮断器の選択が簡素化されます。この方法では、故障前の電圧とシステムリアクタンス特性を使用し、他の要因は無視します。発電機の場合、2 サイクル 遮断器を使用して、過渡故障電流を計算し、過渡機械リアクタンスに依存します。同期モーターの場合、過渡または過渡リアクタンスは遮断器の動作速度に基づいて考慮されます。 
ヒューズは過電流保護装置として機能し、砂入りチューブ内に可溶性リンクが含まれています。通常の状態では、可溶性リンクは電気を伝導します。過負荷電流が発生すると、リンクの温度が上昇し、リンクが溶けてアークが発生します。ヒューズは、電流定格、電圧定格、遮断定格、および時間遅延特性という 4 つの主要な要素に基づいて指定されます。ヒューズが溶けたら、手動で交換する必要があります。 
回路遮断器とヒューズはどちらも、故障電流や過電流状態から電気システムを保護する上で重要な役割を果たします。回路遮断器は、自動的に再閉路してさまざまな種類の故障に対処できるため、高電圧および低電圧のアプリケーションに不可欠です。ヒューズはより単純で手動で交換する必要がありますが、過電流を遮断することで信頼性の高い保護を提供します。電気システムの特定の要件と特性を理解することは、安全性と運用の継続性を確保するために適切な保護デバイスを選択する上で非常に重要です。

サーキットブレーカーは、電気の流れを止めるために細長く冷却されたアークを消すことにより、故障電流を遮断します。
ブレーカーは...

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KEY TERMS AND CONCEPTS

主要用語と概念

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

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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

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Power System Faults in Sequence Networks

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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

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Protective Devices in Power Systems

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