Ток короткого замыкания — определение, методики расчёта, формула

Вопросы и ответы
Содержание
  1. Общие сведения
  2. Расчет тока короткого замыкания
  3. Пример 1. Сеть с напряжением 220–230В
  4. Пример 2. Аккумуляторная батарея
  5. Отрицательное воздействие КЗ для человека и его имущества
  6. Виды КЗ
  7. Методы поиска короткого замыкания
  8. Защита от КЗ
  9. Полезное КЗ
  10. Как избежать КЗ?
  11. Замыкание и перегрузка
  12. Чем определяется напряжение и ток при коротком замыкании?
  13. Расчетное значение тока КЗ
  14. Как измерить ток короткого замыкания?
  15. Что делать, если измеренный ток КЗ слишком низкий?
  16. Что такое короткое замыкание
  17. Как образуется короткое замыкание
  18. Закон Джоуля-Ленца
  19. Основные причины короткого замыкания
  20. Ток короткого замыкания
  21. Суть процесса
  22. Измерение тока КЗ
  23. Зачем нужно знать значения тока КЗ и сопротивления петли “Фаза-ноль”?
  24. Безопасность
  25. Функциональность
  26. Надежность
  27. Цена
  28. Высокий ток КЗ – это хорошо или плохо?
  29. Минусы низкого тока КЗ
  30. Плюсы низкого тока КЗ
  31. Минусы высокого тока КЗ
  32. Плюсы высокого тока КЗ
  33. Явления при замыкании

Общие сведения

Все существующие в электротехнике материалы делятся на 2 больших класса: проводники и диэлектрики. Первые способны проводить через себя электрический ток. В качестве примера проводников можно назвать металлы, а непроводников — пластмассы, резину. С физической точки зрения способность пропускать электрический ток зависит от свойств материалов.

Как оказалось, в процессе переноса заряда участвуют электроны. Природа устроена таким образом, что все тела состоят из атомов и молекул. Они связаны электромагнитными силами. Основу материи составляет ядро, в состав которого входят нейтрон и протон – положительно заряженная частица.

Электрон, отрицательный элемент, вращается вокруг центра по орбитали. В нормальном состоянии число на обоих одинаково, поэтому тело электрически нейтрально.

Что такое короткое замыкание

Если на вещество действует внешняя сила, электроны могут разорвать связь с атомом и освободиться. В этом случае в структуре материала уже могут быть свободные частицы. Они возникают из-за примесей или различных дефектов кристаллической решетки. В состоянии покоя свободные частицы могут беспорядочно перемещаться по структуре.

Но как только к телам прикладывается электромагнитная сила, их движение упорядочивается. Это явление называется электрическим током. Отличается прочностью. Это значение, которое показывает, сколько зарядов может пройти через поперечное сечение проводника в единицу времени.

Для возникновения тока должны быть соблюдены три условия:

  • наличие бесплатных перевозчиков;
  • создание электромагнитного поля;
  • замыкание цепи.

Количественно оценить силу тока можно с помощью закона Ома: I = U/R. Проведя ряд опытов, ученый открыл правило, согласно которому величина тока пропорциональна работе, совершаемой для переноса заряда из одной точки в другую и обратно пропорциональна сопротивлению материала.

Последнее значение является довольно важным свойством. По своему смыслу сопротивление является обратным параметром проводимости, то есть определяет тип материала.

Расчет тока короткого замыкания

Чтобы понять, почему происходит этот процесс, необходимо рассчитать значения токов короткого замыкания. Для этого нужно знать закон Ома: «Величина тока в определенном промежутке электрической цепи прямо пропорциональна величине напряжения и обратно пропорциональна сопротивлению току в этом промежутке».

Это основной закон электротехники, который изучается даже по школьной программе. Для большей наглядности его следует обозначать формулой: I = U/R, где:

  • Я настоящая сила;
  • U — напряжение на участке цепи;
  • R — сопротивление.

Любое электрооборудование, включенное в бытовую или промышленную электрическую цепь, является активным резистором. Параметр бытового напряжения 220 В (в некоторых случаях 230 В). Представленная стоимость неизменна. Чем выше значение сопротивления устройства (проводника или любого материала), подключенного к источнику питания, тем меньше будет электрический ток.

Для расчета тока короткого замыкания лучше использовать более «продвинутую» форму закона Ома, называемую законом Ома для полной цепи.

Эта форма закона Ома также преподается в школьной программе, но мало кто ее помнит. Но это тот, который используется для расчета тока короткого замыкания.

Дело в том, что если сопротивление внешних элементов цепи равно 0, странного деления на ноль не появится, а вместо этого будет вполне конкретно и точно рассчитан ток в результате деления ЭДС источника на внутреннюю сопротивление источника напряжения:

Ikz=ε/r

Конечно, если в доме или квартире происходит короткое замыкание — от места КЗ до точки возникновения ЭДС по проводам течет ток. И неважно, медные это провода или алюминиевые — сопротивление у них есть. И в этом случае R не равно нулю. Что это значит — читайте дальше.

Пример 1. Сеть с напряжением 220–230В

Возьмем для конкретного примера: длина провода 100 м и площадь сечения проводов 2,5 мм² и тогда посмотрим, какое у них будет сопротивление, если они из меди.

Формула, знакомая также из любого школьного учебника физики, гласит:

R=ρ·L/S,

куда:

ρ — удельное сопротивление меди, примерно 0,017–0,018 Ом·мм²/м;

L — длина проводника, выраженная в метрах;

S – площадь проводника, выраженная в мм².

Учтем, что проводов, питающих питание, не один, а два (ток входит по одному проводу и идет по другому), поэтому длина провода L при расчете увеличивается вдвое:

R=0,018·2·100/2,5=1,44 Ом

Итак, теперь вы можете видеть, что провода имеют довольно большое сопротивление. Чтобы теперь оценить ток короткого замыкания, вы можете использовать закон Ома.

Внутреннее сопротивление источника питания нам неизвестно, но как видно из формулы закона Ома для полной цепи, чем оно больше, тем меньше будет ток короткого замыкания. Поэтому, приняв r = 0, найдем максимально возможный ток короткого замыкания при расчетном R = 1,44 Ом.

Примем также, что напряжение питания в сети также максимально возможное, и составляет 230 + 10% = 253 В. В этом случае ток короткого замыкания будет равен:

Iкз = 253/1,44 = 175,7 А

Поэтому мы выполнили расчет для конкретного завхоза. Для проводки с другими параметрами расчет можно произвести аналогичным образом.

Пример 2. Аккумуляторная батарея

Если короткое замыкание происходит непосредственно в источнике ЭДС (с таким явлением мы можем столкнуться в случае «короткого» бытового или автомобильного аккумулятора или аккумуляторной батареи), то в этом случае внешнее сопротивление R≈0.

Поэтому для расчета нужно как можно точнее знать внутреннее сопротивление r (иначе снова произойдет деление на ноль и ничего путного мы не посчитаем). Рассчитать его несложно, если у вас есть резистор (резистор) и мультиметр.

Теперь давайте рассмотрим конкретный пример. Допустим, у нас есть автомобильный аккумулятор на 12 В. Как определить ток короткого замыкания.

Нам нужен резистор 10 Ом 15 Вт, чтобы помочь нам завершить эксперимент:

  1. Замеряем мультиметром напряжение питания аккумулятора в режиме простоя (без нагрузки), допустим получаем значение 11,85 В.
  2. Затем подключаем резистор 10 Ом 15Вт в качестве нагрузки и мультиметром измеряем ток. Получил 1,07 А.
  3. Не отключая резистор 100 Ом, измеряем падение напряжения на клеммах аккумулятора. Пусть будет 10,8В.
  4. Теперь можно рассчитать внутреннее сопротивление: r = 11,85–1,07 · 10,8 = 0,3 Ом.
  5. Теперь можно определить ток короткого замыкания: Iкз = 11,85/0,3 = 39,5 А

Если вы еще не догадались, какие формулы использовались, вот подсказки:

r=Uхх–In·UN,

Iкз = Uxx/r,

куда:

Uхх — напряжение холостого хода источника питания;

Пусковой ток, обеспечиваемый источником питания под нагрузкой;

Un — напряжение на блоке питания под нагрузкой.

Как видно из формул, значение самой нагрузки знать не обязательно, но ее выбирают таким образом, чтобы погрешность измерения прибора не вызывала слишком большого разброса результата (если нагрузка незначительно «сбрасывает» напряжение источника тока, то есть Uхх≈ UN, то результат точности будет крайне низким).

Отрицательное воздействие КЗ для человека и его имущества

Короткое замыкание в зависимости от места возникновения приводит к вредным последствиям для имущества и безопасности жизни человека. Это включает:

  • горение и выход из строя электроприборов;
  • возгорание электрических проводов;
  • снижение напряжения электросети (в промышленных условиях приводит к остановке работы предприятий);
  • снижение эффективности систем электроснабжения;
  • возникновение электромагнитного воздействия приводит к нарушению функционирования коммуникаций, расположенных под землей.

Виды КЗ

Электричество используется во всех бытовых и промышленных секторах. Для минимизации риска короткого замыкания разработан ряд мер и устройств, обеспечивающих защиту от короткого замыкания. Но чтобы точно понять, в каком случае и какое приспособление использовать, нужно знать виды закрытия. Наиболее важными являются:

  • в цепях постоянного тока;
  • в цепях переменного тока (между: фазой и землей, двумя разными фазами, тремя фазами, двумя разными фазами и землей, тремя фазами и землей).

На долю однофазных коротких замыканий приходится 65 % повреждений, двухфазных с землей — 20 %, двухфазных — 10 %, трехфазных — 5 %. Нередко встречаются сложные виды повреждений, сопровождающиеся несколькими асимметриями. Имеется в виду тип замыкания различных фаз, происходящий одновременно в нескольких точках.

Методы поиска короткого замыкания

Заранее найти место возникновения этого явления достаточно сложно. В большинстве случаев это не волнует ни специалистов, ни обычных пользователей. Однако это поможет вовремя нейтрализовать его, что приведет к невозможности появления вредных последствий.

Благодаря своевременному реагированию экономятся финансовые ресурсы и время. Существует несколько методов определения короткого замыкания:

  • визуальный осмотр проводов (не должно быть обрывов и оголенных проводов);
  • с помощью мультиметра или мегомметра;
  • по звуку;
  • исключение.

Провода, входящие в состав токоведущего кабеля, могут соприкасаться друг с другом. Если они оголены, то это как раз и есть причина короткого замыкания.

Такие повреждения обычно располагаются в распределительных коробках и других блоках питания (розетках, выключателях и т д.). Сгоревшая изоляция кабеля — очевидное место, где потенциально может образоваться короткое замыкание.

Использование специальных приборов помогает в измерении величины сопротивления цепи. К ним относятся 2 провода: один из них подключается к фазе, а другой к нулю (далее к земле).

Если на дисплее прибора отображается 0, целостность провода в норме, если любое другое значение, контакты в контакте. Обратите внимание, что напряжение мультиметра довольно мало. Им можно измерять цепи длиной не более 3 метров.

поиск места короткого замыкания по звуку является популярным методом определения этого явления. Для этого необходимо внимательно прислушиваться ко всем соединениям. В месте контакта будет слышен характерный треск.

Иногда пахнет горелым пластиком и изоляцией. Использование этого метода для обнаружения коротких замыканий следует использовать только в крайнем случае, когда другие методы недоступны.

Часто бывает, что виновником является подключенный электроприбор. При включении сразу перегорает предохранитель. Это приведет к немедленному отключению электроэнергии на объекте. Найти такое устройство можно методом исключения, включив по очереди все устройства.

Специалисты настоятельно не советуют использовать устаревшие методы короткого замыкания. В большинстве случаев они не показывают должной точности и оперативности. Если есть необходимость найти место КЗ, необходимо пригласить профессионалов, которые будут использовать качественное и точное оборудование.

Защита от КЗ

Для защиты от коротких замыканий существуют разные устройства:

  • автоматические выключатели;
  • автоматические выключатели с автоматическим возвратом во включенное состояние;
  • УЗО;
  • предохранители;
  • «пробка»;
  • самовосстанавливающиеся предохранители.

В представленной схеме задействованы стабилитрон и диоды, защищающие светодиоды от воздействия обратных токов. 2 резистора отвечают за ограничение тока в системе защиты.

Предохранитель должен быть самовосстанавливающегося типа, классы элементов должны подбираться индивидуально в зависимости от условий.

Эффективным способом защиты от представленного явления является использование токоограничивающего реактора. Применяется в системе защиты электрических цепей, где величина короткого замыкания может быть такой силы, с которой не справится обычное оборудование.

Принципиальная в виде катушки с сопротивлением индуктивного типа, включенного в сеть по последовательной схеме. Приемлемая работа схемы позволяет поддерживать падение напряжения на реакторе ок. 4%.

При образовании короткого замыкания на это устройство поступает основная часть напряжения. Такое оборудование бывает масляного и бетонного типов. Каждый из них используется в зависимости от типа проводки и питаемого ею оборудования.

Полезное КЗ

Ток, возникающий при таком явлении, может принести не только разрушения, но и пользу. Существует различное оборудование, которое работает в условиях сильного тока. Классическим примером таких устройств является дуговая сварка. Его работа осуществляется за счет соединения сварочного электрода и контура заземления.

При значительных перегрузках работа таких устройств кратковременна. Он питается от мощного сварочного трансформатора. В месте соприкосновения 2 электродов генерируется довольно значительный ток.

Это приводит к выделению большого количества тепловой энергии, достаточной для расплавления металла в зоне контакта. Этот процесс обеспечивает работу сварки. Шов аккуратный, прочный и прочный.

Как избежать КЗ?

Понятно, что полностью избежать этого неприятного явления невозможно — велик элемент случайности. Однако мы можем значительно снизить риск короткого замыкания. Именно здесь регулярный осмотр и техническое обслуживание электрических сетей имеет первостепенное значение.

Примеры профилактических мер:

  • очистка токоведущих частей, контактов и изоляторов от пыли и грязи,
  • испытание на влагозащиту,
  • проверить целостность укладки и монтажа,
  • ограждения и дополнительная защита опасных зон,
  • навешивание и приклеивание предупредительных знаков и надписей,
  • проверка и распространение контактов,
  • обрезка деревьев и устранение других опасностей.

Как вы думаете, какие профилактические меры необходимы для защиты от коротких замыканий на картинке ниже?

Водосточные трубы, электрощиты и гофра, уходит под плитку. Инсталляция в старой части Батуми

В серьезных организациях регулярно проверяют кабели и разъемы тепловизором, а также измеряют сопротивление изоляции и испытывают изоляцию высоким напряжением.

Замыкание и перегрузка

Чем отличаются эти два явления — короткое замыкание и перегрузка?

В электрической схеме можно выделить 4 принципиально разных режима, различающихся потребляемой мощностью:

  • Спящий режим. Ток равен нулю, напряжение номинальное, потерь на проводах нет. Розетка, к которой ничего не подключено, действует как источник напряжения в режиме ожидания.
  • Номинальный режим. В противном случае — нормальный режим, когда мощность нагрузки не превышает расчетной. В этом режиме все нормально, мы спокойно пользуемся благом электрификации страны. Напряжение «рисовки» если и есть, то ничтожно мало — несколько процентов.
  • Режим перегрузки. В этом режиме ток может незначительно (на десятки процентов) или в несколько раз (на сотни процентов) превышать номинальный ток.

Перегрузка может возникнуть из-за частичного износа изоляции, превышения суммарной мощности подключенных потребителей или из-за неисправности внутри отдельного электрооборудования (например, короткое замыкание между витками или остановка двигателя, короткое замыкание внутри нагревательного элемента) элемент).

  • Режим короткого замыкания. Это самый тяжелый, самый разрушительный режим с высокой теплоотдачей. Максимально возможным для данных условий является ток, а не цепь.

Другими побочными эффектами короткого замыкания являются снижение напряжения у других потребителей (когда на региональном складе Магнита сгорели новые немецкие холодильники из-за низкого напряжения) и асимметрия фаз (к чему приводит асимметрия фаз (смещение) и как себя обезопасить от него).

То есть перегрузка отличается от короткого замыкания величиной сверхтока. При коротком замыкании ток становится максимально возможным в данной точке цепи, а при перегрузке значение тока больше номинального, но меньше тока короткого замыкания.

Любые токи выше номинального тока называются перегрузкой по току.

Из-за перегрузки легко может произойти короткое замыкание — провода нагреваются, изоляция плавится и так далее, со всеми вытекающими, стреляющими и взрывающимися последствиями.

Не путайте перегрузку, короткое замыкание и искрение (отказ дуги).

Если первые два понятия различаются величиной сверхтока, то действующее значение тока может быть совсем незначительным (несколько ампер) при последовательном дуговом пробое (например, ослабла затяжка клеммы в розетке), что не приведет к срабатыванию автоматического выключателя или автоматического выключателя замыкания на землю.

Спасти ситуацию от пожара может только защита от искрообразования (от искрения), что пока относительно редко.

Чем определяется напряжение и ток при коротком замыкании?

Я уже говорил выше, что короткое замыкание может произойти в любой точке линии. Выясним, как будут зависеть ток и напряжение от места КЗ.

Короткое замыкание — это физическое явление. Ток короткого замыкания — это параметр питающей сети, измеряемый в амперах или килоамперах (кА).

Немецкий физик Ом со школьных лет учит нас, что напряжение и ток определяются через сопротивление цепи:

Закон Ома, простейшая форма

Ток короткого замыкания, как и любой ток, также рассчитывается по закону Ома и зависит от напряжения и сопротивления данного участка цепи. Поскольку сопротивление проводов в реальной жизни — это не только то, что показывает мультиметр, но и индуктивная составляющая, запишем закон Ома для тока короткого замыкания в более общем виде:

Iкз = Un/√(R^2 + X^2)

В счетчике U номинальное напряжение в сети (напряжение холостого хода на выходе трансформатора на подстанции). Число, полученное при расчетах в знаменателе, представляет собой полное сопротивление цепи Z, от которого зависит ток короткого замыкания. Рассмотрим схему квартирного однофазного электроснабжения и реальный случай КЗ при закрытом фене:

 

Короткое замыкание в конце питающей линии (минимальный ток короткого замыкания)

На диаграмме показаны полные сопротивления различных частей питающей сети:

  • Z1 — внутреннее сопротивление трансформатора на подстанции с учетом пересчитанного сопротивления высоковольтной части,
  • З2 — кабельная линия от подстанции до распределительного пункта (РП) многоквартирного дома,
  • Z3 — кабельная линия от распределительного устройства до квартирного щита,
  • Z4 — кабель от экрана к розетке в одной из комнат,
  • Z5 — переноска от розетки до закрытого фена.

Падение напряжения сопровождается выделением тепла на всех участках питающей линии. На мощных участках с большим сечением проводов доля «квартирного» тока КЗ ничтожно мала, поэтому падение там небольшое (участки с сопротивлением Z1, Z2).

В связи с падением напряжения в результате короткого замыкания можно отметить, что это будет заметно на параллельных нагрузках, подключенных, например, к одному и тому же РУ. В случае короткого замыкания или сильной перегрузки у одного из потребителей лампочки в соседних домах и подъездах станут слабее. Это случилось?

Типовое значение тока короткого замыкания на зажимах трансформатора мощностью до 1000 кВА, который используется для питания городских потребителей, составляет около 10 кА. А вот в розетках наших квартир ток короткого замыкания может быть около 1000 А. В частном секторе и сельской местности ток короткого замыкания может быть намного меньше — до 100 А.

 

Трансформатор на подстанции 10000/0,4 кВ мощностью 1000 кВА с глухозаземленной нейтралью вторичной обмотки. Примерно с таких наших «районов, кварталов, микрорайонов» питаются”.

Расчетное значение тока КЗ

Как узнать ток короткого замыкания? Кажется — что сложного? Замените значения в формуле и посчитайте!

Однако полный расчет тока короткого замыкания очень сложен, и ему можно было бы посвятить курс или даже экзаменационный проект.

При этом нужно знать много исходных данных (например, мощность трансформатора на подстанции и индуктивное сопротивление всех участков кабельных линий), и все равно результат будет теоретическим, без учета реальность — например, контактное сопротивление.

Также важно учитывать тот факт, что при коротком замыкании есть две составляющие тока: апериодическая (ударная часть, самая мощная и непредсказуемая), действующая только в первый момент переходного процесса, и периодическая, которая практически не изменяет значение от начала до конца события.

Поэтому расчеты обычно оставляют аспирантам и проектировщикам, а на практике измеряют реальный ток короткого замыкания с помощью специальных приборов. Для более точного расчета можно воспользоваться книгами, выложенными в конце статьи, или программами для расчета.

Как измерить ток короткого замыкания?

Для измерения тока короткого замыкания в продаже имеется множество профессиональных приборов от разных производителей, по цене от 10 тысяч рублей. Каждый делает свою работу очень хорошо.

Здорово, что есть еще и бытовой вариант на DIN-рейке — например ВРТ-М02 от Меандра. Устройство имеет размеры автоматического выключателя, имеет необходимые настройки и индикацию напряжения. Когда ток короткого замыкания падает ниже порога, срабатывает индикация. Я хочу такой.

Что делать, если измеренный ток КЗ слишком низкий?

Допустим, мы измерили прибором и получили значение тока короткого замыкания в розетке (как правило, измерение проводится в самой дальней точке). Как понять, что этот ток слишком мал? Это оценивается по критерию гарантированного срабатывания магнитного расцепителя выключателя в измеряемой цепи.

Логично, что для этого ток короткого замыкания должен быть больше верхней границы диапазона срабатывания. Напомню, что для характеристики «В» разброс составляет 3…5 In, для «C» — 5…10 In, для «D» — 10…20 In. Если быть точнее, зайдем в ПУЭ (п. 7.3.139):

7.3.139. В электроустановках до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью для обеспечения автоматического отключения аварийного участка проводимость нулевых защитных проводников должна выбираться такой, чтобы при возникновении короткого замыкания на шкафу или нулевом защитном проводе произошло короткое замыкание. — возникает ток замыкания, превышающий не менее чем в 4 раза номинальный ток плавкой вставки ближайшего предохранителя и не менее чем в 6 раз ток отключения автоматического выключателя, имеющий характеристику, обратно пропорциональную току.

При защите сетей автоматическими выключателями, имеющими только электромагнитный расцепитель (без выдержки времени), следует руководствоваться требованиями, касающимися разности токов короткого замыкания и приведенными в 1.7.79.

Насколько я понимаю, первая часть 7.3.139 касается только теплового отключения — его номинальный ток должен быть не менее чем в 6 раз меньше тока короткого замыкания.

Во второй части этого пункта, как и в пункте 1.7.79, говорится о максимальном времени срабатывания при коротком замыкании (0,4 с), которое должно обеспечиваться только электромагнитным расцепителем. При этом четко не указано о выборе АБ с учетом его отключающих свойств.

Из-за этой нечеткости в формулировке используется правило, изложенное в ПТЭЭП (управление функцией защиты в энергосистеме с глухозаземленной нейтралью, п. 28.4), которое гласит, что при возникновении короткого замыкания на нейтральном защитном проводнике ток короткого замыкания должно быть не менее «1,1 верхнего значения рабочего тока для мгновенного отключения”.

То есть для автомата В10 ток короткого замыкания на конце защищаемого им провода должен быть не менее 10х5х1,1 = 55 А. Если установлен автомат С25, ток короткого замыкания должен быть не менее 25х10х1. 1 = 275 А.

Если ток короткого замыкания меньше, допустимое время отключения никоим образом не гарантируется. Что делать? Есть два выхода:

  1. увеличить ток короткого замыкания, для этого требуются затраты на прокладку новой питающей линии (хотя бы самого слабого звена),
  2. уменьшить номинал автомата (например 25 А на 16) и букву характеристики расцепителя (с «С» на «В») за счет максимальной мощности нагрузки.

Что такое короткое замыкание

Короткое замыкание (короткое замыкание, англ short Circuit) — незапланированное соединение точек цепи с разными потенциалами друг с другом или с другими электрическими цепями через ничтожно малое сопротивление. При этом образуется перегрузка по току, значения которой на порядки превышают значения, даваемые нормальными условиями эксплуатации.

Определение короткого замыкания из «Начального учебника физики» Ландсберга

определение короткого замыкания

В результате короткого замыкания выходит из строя электрооборудование, возникает пожар. О самых разрушительных последствиях коротких замыканий мы регулярно узнаем из заголовков новостей «Чрезвычайные происшествия».

Что на самом деле происходит во время короткого замыкания? Что заставляет их появляться? Какие могут быть последствия? Давайте подробнее рассмотрим эти и другие вопросы в статье ниже.

Читайте также: Ток короткого замыкания: размер имеет значение

Как образуется короткое замыкание

Как мы помним из учебника физики 8 класса, закон Ома для участка цепи определяется по формуле:

формула закона ома

куда

I — ток в цепи, А

U — напряжение, В

R — сопротивление, Ом

Давайте посмотрим на этот график

Короткое замыкание

Если подключить настольную лампу ЭЛ к источнику тока Бат и замкнуть ключ СА, то вольфрамовая нить накала лампы начнет нагреваться под тепловым воздействием тока. При этом значительная часть электрической энергии преобразуется в свет и тепло.

А теперь покончим с лирическими отступлениями и замкнем два провода, которые идут к лампочке через толстый провод АВ

Короткое замыкание

Что будет дальше, если замкнуть контакты на ключ SA?

короткое замыкание

В результате ток будет проходить по укороченному пути и миновать нагрузку. Короткий путь в данном случае – это линия АВ. Сопротивление провода АВ близко к нулю. В результате наша схема превращается в делитель тока.

Согласно правилу делителя тока, если нагрузки подключены параллельно, через нагрузку с меньшим сопротивлением будет протекать больший ток, а через нагрузку с большим сопротивлением будет протекать меньший ток. Так как провод АВ имеет почти нулевое сопротивление, то по нему будет протекать большой ток, опять же по закону Ома:

Короткое замыкание

Как я уже говорил, в режиме КЗ ток достигает критических значений, превышающих допустимые для данной схемы.

Закон Джоуля-Ленца

Согласно закону Джоуля-Ленца тепловое действие тока прямо пропорционально квадрату силы тока в данном участке электрической цепи

формула джоуля ленца
формула джоуля ленца

куда

Q – количество теплоты, выделяющееся на сопротивлении нагрузки Rн. Выражается в джоулях. 1 джоуль = 1 ватт х секунда.

I — ток в этой цепи, А

Rн — сопротивление нагрузки, Ом

t — период времени, в течение которого тепловыделение нагрузкой Rn, сек

Это значит, что на линии АВ будет выделяться безумное количество тепла. Провод сильно нагреется от температуры, а потом сгорит. Все зависит от мощности источника питания.

То есть, если ток при коротком замыкании увеличивается в 20 раз, количество выделяемого тепла при этом составляет примерно 400 раз! Именно поэтому мирная электроэнергетика мгновения назад оборачивается настоящим стихийным бедствием: горят провода, расплавленный металл в проводах поджигает близлежащие предметы, вспыхивают пожары.

Существуют также запланированные и контролируемые короткие замыкания, а также специальное замыкающее оборудование. Например, сварочные аппараты работают только на контролируемое короткое замыкание, где для расплавления металла требуется большой ток.

сварочный ток короткого замыкания

Основные причины короткого замыкания

Все различные причины коротких замыканий можно свести к следующим:

  • Нарушение изоляции
  • Внешние воздействия
  • Перегрузка сети

Разрушение изоляции может быть вызвано как естественным износом, так и внешними воздействиями. Естественное старение элементов электрической сети ускоряется из-за длительного теплового воздействия тока (тепловое старение изоляции), агрессивных химических сред.

Внешние воздействия могут быть вызваны грызунами, насекомыми и другими животными. Сюда же относится и человеческий фактор. Это может быть «кривой» провод, либо несоблюдение электробезопасности.

Гораздо чаще короткое замыкание вызывается перегрузкой сети из-за подключения большого количества потребителей тока. Так, если суммарная мощность электроприборов, одновременно включенных в бытовую сеть, превышает допустимую нагрузку на провода, то, скорее всего, произойдет короткое замыкание, так как сила тока в такой цепи начинает превышать допустимую величину.

Это явление часто можно наблюдать в домах со старой электропроводкой, где проводка чаще всего алюминиевая и не рассчитана на современные мощные электроприборы.

Ток короткого замыкания

Сверхток, возникающий в результате короткого замыкания, называется током короткого замыкания. Как только в цепи происходит короткое замыкание, ток короткого замыкания достигает максимальных значений. После того, как провода начинают нагреваться и плавиться, ток короткого замыкания уменьшается, так как сопротивление проводов при нагреве увеличивается.

Для источников ЭДС ток короткого замыкания можно рассчитать по формуле

короткое замыкание

куда

Iкз — ток короткого замыкания, А

E — ЭДС источника питания, В

Чистый. — внутреннее сопротивление источника ЭДС, Ом

Подробнее об ЭДС и внутреннем сопротивлении читайте здесь.

На рисунке ниже показан именно такой источник ЭДС в виде автомобильного аккумулятора с замкнутыми клеммами

источник ЭДС короткого замыкания

Внутреннее сопротивление автомобильного аккумулятора может достигать долей Ома. А теперь представьте, какой ток короткого замыкания потечет по проводнику, если вы замкнете им клеммы аккумулятора. Внутреннее сопротивление батареи зависит от многих факторов. Возьмите среднее значение Rint = 0,1 Ом. Тогда ток короткого замыкания будет равен Ikz = E/Rext. = 12/0,1 = 120 ампер. Это очень важно.

Суть процесса

Короткое замыкание

Когда электрическое устройство подключено к цепи, линия замыкается. Через него начинает течь электричество. Он протекает от источника питания через нагрузку (потребителя) и возвращается. Сила тока определяется сопротивлением нагрузки элементов, подключенных к цепи.

Если R велико, величина тока мала. В противном случае он может достигать больших значений. Ситуация, когда происходит электрическое соединение положительных и отрицательных контактов электрической линии, называется коротким замыканием.

Например, можно представить простую цепь, состоящую из источника тока и лампы накаливания. Для того, чтобы он зажегся, один из проводов источника (фазный) следует подключить к одному из электродов лампы, а другой ко второму контакту блока освещения (нулевому).

В замкнутой цепи возникнет ток, который, проходя по вольфрамовому проводнику лампы, приведет к нагреву с испусканием света. Такая работа называется обычной или нормальной.

Но если по какой-то причине между выводами источника тока есть дополнительный контакт, и сопротивление будет пренебрежимо мало, то почти весь генерируемый ток будет протекать через него. Фаза питания будет шунтирована на ноль.

В результате все напряжение будет подаваться на клеммы генераторного агрегата. А ток, образующийся в цепи, будет определяться только внутренним сопротивлением источника тока.

Суть короткого замыкания

Ток резко возрастет. С учетом закона Джоуля-Ленца, определяющего тепловое действие электрического тока, нагрев электрической цепи будет увеличиваться. Если ток при коротком замыкании увеличить в 2 раза, то выделяемое тепло увеличится в 40 раз. Явление часто сопровождается плавлением проволоки и возгоранием. Вот почему так важно уметь рассчитывать токи короткого замыкания на 110 В, 220 В или 380 В. Это напряжения, применяемые в быту и промышленности, обеспечивающие работу электроприборов и установок.

Различают следующие виды коротких замыканий:

  • однофазный — установление контакта между фазной линией и нулем;
  • двухфазные — замыкание фаз между собой или их общее соединение с землей;
  • трехфазный – наблюдается в сетях 380 вольт при подключении трех фаз.

Следует отметить, что короткое замыкание произойдет только в том случае, если сопротивление соединения в замкнутой части цепи меньше, чем при нормальной работе. Определяется по ГОСТу и правилам устройства электроустановок (ПУЭ).

Измерение тока КЗ

Расчет на короткое замыкание необходим для правильного выбора устройств, способных защитить цепи от этого явления, поэтому крайне важно знать, до какой степени может возрастать ток при возникновении короткого замыкания в определенный момент времени.

Выполнение работ предполагает определение сопротивления линии от точки замера до подстанции. Затем по результатам проводится расчет токов трехфазного короткого замыкания или однофазного в зависимости от типа используемой линии электропередач.

В случае возникновения аварийной ситуации с замыканием фазы на фазу или на корпус фактически возникает новая электрическая цепь – «петля» короткого замыкания. Существует несколько способов определения значения сопротивления линии короткого замыкания:

  • метод расчета напряжения в обесточенной цепи;
  • способ определения падения разности потенциалов на импедансе нагрузки;
  • измерение импеданса цепи.

Вы можете рассчитать импеданс контура, создав искусственное короткое замыкание. Для этого используются специальные приспособления. Они позволяют сначала измерить напряжение без подключенной нагрузки, а затем при включении низкоомного резистора (до 10 Ом) на короткое время (около 10 миллисекунд).

Полное сопротивление линии состоит из активной и реактивной составляющих. Расчет ведется по формуле: Z = √ (R2 + (Xl + Xc)2). Для расчета полного сопротивления линии, состоящей из многих элементов, используется схема замещения, состоящая из резисторов.

Все необходимые для расчетов данные о трансформаторах, линиях, различных электротехнических элементах приведены в справочных таблицах. Выполняя приведение, получается простая схема, состоящая из двух резисторов — активного и реактивного.

Вы можете рассчитать токи короткого замыкания в номинальных и относительных единицах. Для нахождения номинальных параметров системы используются стандартные формулы: Zn = U/P и I = P/√(3*U).

Связь между единицами может быть установлена ​​путем выражения параметров в виде основных значений. Z = Zn * (Un2/Sn). Для упрощения расчетов принято рассчитывать токи короткого замыкания в относительных единицах.

Зачем нужно знать значения тока КЗ и сопротивления петли “Фаза-ноль”?

Я уже многое сказал в статье. Но какой смысл знать эти параметры электросети?

знание тока короткого замыкания (или сопротивления петли «Фаза-ноль») и силы нагрузки позволяет правильно и оптимально (по соотношению безопасность/функциональность/надежность/цена) выбрать основные элементы системы питания — защитные устройства и сечения кабелей. Дальше еще немного.

Безопасность

Я уже говорил это, но скажу еще раз. Электрические сети должны быть безопасными на всех участках и во всех режимах. Для этого помимо изоляции применяют автоматические выключатели и устройства, управляемые дифференциальным током (УЗО).

Вместе с защитным заземлением эти устройства защищают оборудование от коротких замыканий и перегрузок, а человека от опасности прямого или косвенного прикосновения.

Функциональность

Зная ток короткого замыкания, можно сделать вывод о необходимости установки стабилизатора, либо замены провода кабеля на новый. Кроме того, можно сделать вывод об избирательности — может ли она быть задана хотя бы частично?

Надежность

При больших токах короткого замыкания необходимо использовать автоматические выключатели с высокой отключающей способностью для надежной работы в момент короткого замыкания. Кроме того, высокие требования должны предъявляться к качеству монтажа и комплектующих.

Цена

Здесь понятно – реализация предыдущих пунктов существенно влияет на цену всей электрической сети.

Высокий ток КЗ – это хорошо или плохо?

Как я показал на графике ранее, чем дальше неисправность от источника питания, тем меньше будет ток замыкания, так как сопротивление линии будет больше.

Высокие токи короткого замыкания обычно возникают в тех местах электросети, которые расположены ближе всего к подстанции, а кабельные линии имеют большое сечение проводов. В питающих сетях напряжением 0,4 кВ относительно высокими считаются токи КЗ более 6 кА, а токи КЗ выше 15 кА практически не встречаются. Итак, что мы имеем:

Минусы низкого тока КЗ

  • большое падение напряжения при достаточно большой нагрузке;
  • обычно низкое напряжение на электроприборах. В этом случае стабилизатор не всегда поможет;
  • нестабильность напряжения на электроприборах в зависимости от времени суток или сезона. По нормам напряжения и его допускам провел опрос;
  • высокое (до бесконечности) время срабатывания автоматических выключателей при замыкании на землю (работает только тепловой расцепитель);
  • необходимость установки автоматических выключателей с характеристикой срабатывания «В» для более вероятного срабатывания электромагнитного расцепителя при коротком замыкании. Этот спорный вопрос обсуждается в моей статье на Дзен Зачем ставить машины с характеристикой «В”;
  • обязательная установка УЗО — при этом помимо своих «основных» обязанностей (отключение тока при больших токах утечки, а также для защиты человека при прямом и косвенном контакте) функцию УЗО выполняет защита от короткого замыкания на землю (ПУЭ 1.7.59, 7.1.72).

Плюсы низкого тока КЗ

  • можно установить дешевые автоматические выключатели с низкой номинальной максимальной отключающей способностью (Iкн = 4500 А);
  • относительно легко обеспечить селективность между исходным и подчиненным автоматами. Но нужно рассчитать и измерить точное значение тока короткого замыкания,
  • низкий пусковой ток для электродвигателей и других инерционных нагрузок. Статья Что такое пусковой ток, как его измерить и рассчитать.

Минусы высокого тока КЗ

  • невозможность обеспечения селективности между высшими и низшими автоматами. Выход — установка рубильника или временного селективного автоматического выключателя;
  • необходимость установки АВ с высокой номинальной максимальной отключающей способностью (Iкн = 6000, 10000 А и т д.). Отключающая способность должна быть выше тока короткого замыкания в начале защищаемого участка (EIC пункт 3.1.3);
  • большие негативные последствия в случае короткого замыкания.

Плюсы высокого тока КЗ

  • легко гарантировать стабильное напряжение на нагрузке и в целом качество электроэнергии;
  • есть перспектива подключения новых потребителей и увеличения нагрузки;
  • гарантированное отключение линии в случае короткого замыкания.

Селективность автоматических выключателей и автоматов защиты от замыканий на землю отдельная большая тема, планы есть.

Суммируя преимущества и недостатки, можно сказать, что величина тока короткого замыкания — палка о двух концах. В бытовом секторе ток короткого замыкания часто невелик, и его стараются увеличить, прокладывая новые линии с большим сечением жилы и устанавливая новые подстанции. В серьезной энергетике, наоборот, применяются методы снижения тока короткого замыкания.

Явления при замыкании

Как оказалось, ток короткого замыкания не постоянен во времени. Существует 2 концепции, описывающие процесс формирования ТКЗ: ударно-токовая и стационарная. Они определяют поведение процесса.

Удар возникает в первый момент, когда проводники закорачиваются. Он представляет собой импульс с максимальной амплитудой. Затем ток уменьшается, значение становится постоянным. В расчетах процесс представляется суммой двух коэффициентов: апериодического и периодического. То есть предполагается, что ток постоянен во времени.

Если рассмотреть эквивалентную схему, становится понятно, почему при коротком замыкании в сети происходит падение напряжения. Ток, проходя через все элементы, находящиеся между ним и источником, вызывает потери. В точке КЗ напряжение становится минимальным, и резко падает по всей сети. Также, чем дальше расположен генератор, тем значительнее снижение.

Это явление опасно тем, что происходит перевозбуждение обмоток на шинах напряжения генератора. Они выделяют много тепла, что в итоге приводит к поломке. Причем часто сопровождается появлением искры. Чем дальше от силовой установки происходит короткое замыкание, тем меньше значение.

Если в высоковольтных цепях происходит значительное тепловыделение и искрение, то ближе к потребителю обычно возникает только дуга или небольшая вспышка. С другой стороны, на этом явлении построена работа аналогового сварочного трансформатора.

Однако метод расчета остается неизменным. Но при этом, чтобы быть уверенным в том, насколько правильно подобрана автоматическая защита от КЗ, измеряют сопротивление петли фаза-ноль. Считается, что безопасность возможна, если измерения удовлетворяют следующему неравенству: Z ≤ 2 * U 0 / 3 * Ia, где:

  • Z — измеренное значение контура в омах;
  • U0 – фазное напряжение в вольтах;
  • I0 — автоматический рабочий ток в соответствии с условиями, приведенными в ГОСТ 50571.16-99.

Расчеты также можно проводить на так называемых онлайн-калькуляторах. Найти по ним ТКЗ не составит труда даже человеку, плохо знакомому с процессами, происходящими при замыкании цепи.

Чтобы определить, чему он будет равен, необходимо заполнить предложенные графы на сайте и нажать кнопку «Рассчитать». Через несколько секунд результат появится на экране.

Оцените статью
Блог об электричестве
Adblock
detector