Introduktion till elektriska fel

Elektriska nätverk, maskiner och utrustning utsätts ofta för olika typer av fel när de är i drift. När ett fel uppstår kan maskinernas karakteristiska värden (t.ex. impedans) förändras från befintliga värden till olika värden tills felet är avhjälpt.

Det kan finnas många sannolikheter för att fel uppstår i elnätet, t.ex. belysning, vind, träd som faller på ledningar, fel på apparater osv.

Elektriska fel

Ett fel i ett elkraftsystem kan definieras som , varje onormalt tillstånd i systemet som innebär ett elektriskt fel i utrustningen, t.ex. , transformatorer, generatorer, samlingsskenor osv.

Felet i början innebär även isolationsfel och ledningsfel som resulterar i kortslutning och öppen krets i ledarna.

Under normala eller säkra driftsförhållanden fungerar den elektriska utrustningen i ett kraftnät med normal spänning och strömstyrka. När fel uppstår i en krets eller anordning avviker spännings- och strömvärdena från sina nominella intervall.

Fel i kraftsystemet orsakar överström, underspänning, obalans mellan faserna, omvänd ström och högspänningsstötar. Detta resulterar i avbrott i nätets normala drift, fel på utrustning, elektriska bränder etc.

I vanliga fall skyddas elnätet med skyddsutrustning för ställverk, t.ex. brytare och reläer, för att begränsa förlusten av tjänster på grund av elektriska fel.

Typer av fel

Elektriska fel i trefasiga elsystem klassificeras huvudsakligen i två typer, nämligen öppna fel och kortslutningsfel. Vidare kan dessa fel vara symmetriska eller osymmetriska fel. Låt oss diskutera dessa fel i detalj.

Öppna kretsfel

Dessa fel uppstår på grund av fel på en eller flera ledare. Figuren nedan illustrerar öppna kretsfel för en, två och tre faser (eller ledare) i öppet tillstånd.

De vanligaste orsakerna till dessa fel är gemensamma fel på kablar och luftledningar och fel på en eller flera faser i en strömbrytare och även på grund av smältning av en säkring eller ledare i en eller flera faser.

Opnna kretsfel kallas också för seriefel. Dessa är osymmetriska eller obalanserade typer av fel med undantag för trefasiga öppna fel.

Bedöm att en överföringsledning arbetar med en balanserad belastning innan ett öppet kretsfel inträffar. Om en av faserna smälter minskar generatorns faktiska belastning, vilket leder till att generatorns acceleration ökar och att den därmed körs med en hastighet som är något högre än den synkrona hastigheten. Denna överhastighet orsakar överspänningar i andra överföringsledningar.

Så kan öppna förhållanden i en och två faser ge upphov till obalans i kraftsystemets spänningar och strömmar som orsakar stora skador på utrustningen.

Orsaker

Skadad ledare och felaktig funktion hos brytaren i en eller flera faser.

Effekter

• Anormal drift av systemet
• Fara för såväl personal som djur
• Överskridande av spänningar över normala värden i vissa delar av nätet, vilket vidare leder till isolationsfel och utveckling av kortslutningsfel.

Och även om öppna kretsfel kan tolereras under längre perioder än kortslutningsfel måste dessa avlägsnas så tidigt som möjligt för att minska de större skadorna.

Kortslutningsfel

En kortslutning kan definieras som en onormal förbindelse med mycket låg impedans mellan två punkter med olika potential, oavsett om den görs avsiktligt eller oavsiktligt.

Dessa är den vanligaste och allvarligaste typen av fel, vilket resulterar i flödet av onormalt höga strömmar genom utrustningen eller överföringsledningarna. Om dessa fel tillåts kvarstå även under en kortare period leder det till omfattande skador på utrustningen.

Kortkretsfel kallas också för shuntfel. Dessa fel orsakas på grund av isoleringsfel mellan fasledare eller mellan jord och fasledare eller båda.

De olika möjliga kortslutningsfeltillstånden inkluderar tre fas till jord, tre fas fri från jord, fas till fas, en fas till jord, två fas till jord och fas till fas samt en fas plus en fas till jord enligt figuren.

Det trefasiga felet fri från jord och det trefasiga felet till jord är balanserade eller symmetriska kortslutningsfel, medan de andra återstående felen är osymmetriska fel.

Causer

Dessa kan bero på interna eller externa effekter

• Interna effekter inkluderar haveri av överföringsledningar eller utrustning, åldrande av isolering, försämring av isolering i generatorer, transformatorer och annan elektrisk utrustning, felaktiga installationer och otillräcklig utformning.
• Externa effekter inkluderar överbelastning av utrustning, isoleringssvårigheter på grund av överspänningar i ljuset och mekanisk skada av allmänheten.

Effekter

• Arkfel kan leda till brand och explosioner i utrustning som transformatorer och brytare.
• Abnormala strömmar gör att utrustningen överhettas, vilket leder till att livslängden på isoleringen förkortas.
• Systemets driftsspänningar kan gå under eller över sina acceptansvärden, vilket skapar skadliga effekter på de tjänster som kraftsystemet tillhandahåller.
• Effektflödet är kraftigt begränsat eller till och med helt blockerat så länge kortslutningsfelet kvarstår.

Symmetriska och osymmetriska fel

Som diskuterats ovan klassificeras fel huvudsakligen i öppna fel och kortslutningsfel, och dessa kan återigen vara symmetriska eller osymmetriska fel.

Symmetriska fel

Ett symmetriskt fel ger upphov till symmetriska felströmmar som är förskjutna med 1200 varandra. Symmetriska fel kallas också för balanserade fel. Detta fel uppstår när alla tre faserna kortsluts samtidigt.

Dessa fel förekommer sällan i praktiken jämfört med osymmetriska fel. Två typer av symmetriska fel är linje till linje till linje (L-L-L) och linje till linje till linje till linje till jord (L-L-L-G) enligt figuren nedan.

En grov förekomst av symmetriska fel är i storleksordningen 2 till 5 % av de totala systemfelen. Om dessa fel inträffar orsakar de dock mycket allvarliga skador på utrustningen även om systemet förblir i balans.

Analysen av dessa fel krävs för att välja brytningskapacitet för brytare, välja fasreläer och andra skyddande ställverk. Dessa fel analyseras per fas med hjälp av bussimpedansmatris eller Thevenins sats.

Osymmetriska fel

De vanligaste felen som uppstår i kraftnätet är osymmetriska fel. Denna typ av fel ger upphov till osymmetriska felströmmar (som har olika storlekar med ojämn fasförskjutning). Dessa fel kallas också för obalanserade fel eftersom de orsakar obalanserade strömmar i systemet.

Upp till ovanstående diskussion omfattar osymmetriska fel både öppna kretsar (en- och tvåfasigt öppet tillstånd) och kortslutningsfel (exklusive L-L-L-G och L-L-L).

Figuren nedan visar de tre typerna av symmetriska fel som uppstår på grund av kortslutningsförhållanden, nämligen fas- eller linje till jord (L-G) fel, fas till fas (L-L) fel och dubbelt linje till jord (L-L-G) fel.

Ett enkelt linje-till-jord (LG) fel är ett av de vanligaste felen och erfarenheterna visar att 70-80 procent av de fel som uppstår i kraftsystemet är av denna typ. Detta bildar en kortslutningsväg mellan linjen och jorden. Dessa är mycket mindre allvarliga fel jämfört med andra fel.

Ett linje-till-linje-fel uppstår när en spänningsförande ledare kommer i kontakt med en annan spänningsförande ledare. Kraftiga vindar är den främsta orsaken till detta fel då svängande luftledare kan komma i kontakt med varandra. Detta är mindre allvarliga fel och dess förekomst kan vara mellan 15-20 %.

I dubbla fel mellan linje och jord kommer två ledningar i kontakt med varandra och med jorden. Detta är allvarliga fel och förekomsten av dessa fel är cirka 10 % jämfört med det totala antalet systemfel.

Unsymmetriska fel analyseras med hjälp av metoder för osymmetriska komponenter för att bestämma spänningen och strömmarna i alla delar av systemet. Analysen av dessa fel är svårare jämfört med symmetriska fel.

Denna analys är nödvändig för att bestämma storleken på en brytare för största kortslutningsström. Den största strömmen uppstår vanligtvis för antingen L-G- eller L-L-fel.

Skyddsanordningar mot fel

När felet uppstår i någon del av systemet måste det avhjälpas på mycket kort tid för att undvika större skador på utrustning och personal och även för att undvika att strömmen till kunderna avbryts.

Felavhjälpningssystemet använder olika skyddsanordningar som reläer och brytare för att upptäcka och avhjälpa felet.
Nedan följer några av dessa felavhjälpnings- eller felbegränsningsanordningar.

Säkring

Den öppnar kretsen när det finns ett fel i systemet. Den består av en tunn koppartråd som är innesluten i ett glas eller ett hölje med två metallkontakter. Den höga felströmmen höjer temperaturen på tråden och den smälter därför. En säkring gör det nödvändigt att manuellt byta ut tråden varje gång den går sönder.

Säkring

Strömbrytare

Det är den vanligaste skyddsanordningen som kan göra eller bryta kretsen antingen manuellt eller genom fjärrstyrning under normala driftsförhållanden.

Det finns flera olika typer av strömbrytare tillgängliga beroende på driftsspänningen, bland annat tryckluftsbromsar, oljebromsar, vakuumbromsar och SF6-bromsar. För mer information om brytare, följ den bifogade länken.

Läs :Olika typer av brytare

Skyddsreläer

Dessa är felavkännande anordningar. Dessa anordningar upptäcker felet och initierar driften av brytaren för att isolera den felaktiga kretsen. Ett relä består av en magnetspole och kontakter (NC och NO). Felströmmen aktiverar spolen, vilket leder till att ett fält bildas och att kontakterna aktiveras.

Några typer av skyddsreläer är

• Magnitudreläer
• Impedansreläer
• Riktningsreläer
• Pilotreläer
• Differentialreläer

Läs :Klassificering av reläer

Belysningsskydd

Toppar i elnätet orsakas när blixten slår ner i överföringsledningar och utrustning. Detta orsakar hög spänning och höga strömmar i systemet. Dessa blixtfel minskas genom att placera blixtskydd vid överföringsutrustningar.

Bildbidragare:

1)Elektriska fel: forschung-stromnetze.info

2) Säkringar : hayley-group.co.uk

3)Strömbrytare : oez.com

4)Reläer: epub1.rockwellautomation.com