3. Короткие замыкания

Ток короткого замыкания

Здравствуйте, дорогие друзья! В данной статье вы узнаете, что такое ток короткого замыкания, его причины и как его рассчитать. Короткое замыкание происходит, когда токоведущие части различных потенциалов или фаз, соединяются между собой. Замыкание может образоваться и на корпусе оборудования, имеющем связь с землей. Данное явление характерно также для электрических сетей и электрических приемников.

Причины и действие тока короткого замыкания

Причины возникновения короткого замыкания могут быть самыми различными. Этому способствует влажная или агрессивная среда, в которой значительно ухудшается сопротивление изоляции. Замыкание может стать результатом механических воздействий или ошибок персонала во время ремонта и обслуживания. Суть явления заключается в его названии и представляет собой укорачивание пути, по которому проходит ток. В результате, ток протекает мимо нагрузки, обладающей сопротивлением. Одновременно, происходит его увеличение до недопустимых пределов, если не сработает защитное отключение.

Токи короткого замыкания оказывают на аппаратуру и электроустановки электродинамическое и термическое воздействие, что в конечном итоге, приводит к их значительной деформации и перегреву. В связи с этим, необходимо заранее производить расчеты токов короткого замыкания.

Как рассчитать ток короткого замыкания в домашних условиях

Знание величины тока короткого замыкания крайне необходимо для обеспечения пожарной безопасности. Очевидно, что если измеренный ток короткого замыкания меньше тока уставки максимальной защиты автомата или 4-х кратного значения номинала тока предохранителя, то время срабатывания (перегорания плавкой вставки) будет больше, а это, в свою очередь, может привести к чрезмерному нагреву проводов и их возгоранию.

Как этот ток определить? Существуют специальные методики и специальные приборы для этого. Здесь рассмотрим вопрос как это сделать, имея лишь мультиметр или даже вольтметр. Очевидно, что этот способ имеет не очень высокую точность, но всё же достаточную для обнаружения несоответствия максимально-токовой защиты к величине этого тока.

Как это сделать в домашних условиях? Необходимо взять достаточно мощный приёмник, например, электрический чайник или утюг. Ещё неплохо бы иметь тройник. К тройнику подключаем наш потребитель и вольтметр или мультиметр в режиме измерения напряжения. Записываем установившуюся величину напряжения (U1). Отключаем потребитель, и записываем величину напряжения без нагрузки (U2). Дальше производим расчёт. Нужно разделить мощность вашего потребителя (P) на разность замеренных напряжений.

Iк.з.(1) = Р/(U2 – U1)

Посчитаем на примере. Чайник 2 кВт. Первый замер – 215 В, второй замер – 230 В. По расчёту получается 133,3 А. Если стоит, например, автомат ВА 47-29 с характеристикой С, то его уставка будет от 80 до 160 Ампер. Следовательно, возможно, что этот автомат сработает с задержкой. По характеристике автомата можно определить, что время срабатывания может быть при этом до 5 секунд. Что в принципе опасно.

Что делать? Нужно увеличить величину тока короткого замыкания. Увеличить этот ток можно заменив провода питающей линии на большее сечение.

Полезное КЗ

Казалось бы, очевидный факт состоит в том, что короткое замыкание – явление крайне скверное, неприятное и нежелательное. Оно может привести в лучшем случае к обесточиванию объекта, отключению аварийной защитной аппаратуры, а в худшем – к выгоранию проводки и даже пожару. Следовательно, все силы нужно сосредоточить на том, чтобы избежать этой напасти. Однако расчет токов короткого замыкания имеет вполне реальный и практический смысл. Изобретено немало технических средств, работающих в режиме высоких токовых значений. Примером может служить обычный сварочный аппарат, особенно дуговой, замыкающий в момент эксплуатации практически накоротко электрод с заземлением. Другой вопрос состоит в том, что режимы эти носят кратковременный характер, а мощность трансформатора позволяет выдерживать эти перегрузки. При сварке в точке касания окончания электрода проходят огромные токи (они измеряются в десятках ампер), в результате чего выделяется достаточно тепла для местного расплавления металла и создания прочного шва.

3. Короткие замыкания

3.1. Виды, причины и последствия коротких замыканий

Замыкание – это всякое случайное или преднамеренное, непредусмотренное нормальным режимом работы электрическое соединение различных точек электроустановки между собой или с землей.

Короткое замыкание (КЗ) – это замыкание, при котором токи в ветвях электроустановки, примыкающих к месту замыкания, резко возрастают, превышая наибольший допустимый ток продолжительного режима.

Т.о. грань между простым замыканием и КЗ: если ток в ветвях, примыкающих к месту замыкания, не превышает длительно допустимый ток, то это замыкание, а если превышает – это КЗ.

По числу замкнувшихся фаз КЗ бывают:

Трехфазные, когда все три фазы замкнуты между собой. Обозначение на схемах: при трехфазном изображении

и ли при однолинейном изображении

Двухфазные КЗ. Обозначается К (2) .В зависимости от сочетания замкнувшихся фаз могут быть трех видов «АВ», «ВС» и «СА».

Двухфазные КЗ на землю. Обозначается К (1,1) . В зависимости от сочетания замкнувшихся фаз могут быть трех видов «АВО», «ВСО» и «САО».

Однофазные КЗ на землю. Обозначается К (1) .

В сложных схемах, а также на схемах замещения стрелку обычно не указывают. Вместо стрелки место КЗ указывают точкой. Например

или без указания вида КЗ

Трехфазное КЗ является симметричным. Все другие виды КЗ – несимметричные. Трехфазное КЗ на землю отдельно не рассматривается, так как оно не отличается от трехфазного без земли.

КЗ на землю могут быть только в сетях с глухо заземленной или эффективно заземленной нейтралью. В сетях с изолированной нейтралью однофазное замыкание на землю называют «простым замыканием».

Если в месте КЗ присутствует электрическая дуга или внешние предметы, например, ветки дерева, опора линии передач, птицы, КЗ через тело человека и т. д., то такое КЗ называется коротким замыканием через переходное сопротивление.

Если в месте замыкания нет переходного сопротивления, то КЗ называют металлическим.

Повреждение изоляции (старение изоляции, повреждение внешними предметами (например, лопатой), электрические пробои и т.д.);

Замыкание через посторонние (внешние) предметы.

Дерево упало (или подросло) на провода линии электропередачи, мальчишки запускали змея и т.д.

Ошибки персонала (например, не убрали за собой инструмент после ремонта, забыли убрать заземления и т. д.);

Влияние окружающей среды (схлестывание проводов при сильном ветре, дождь (вода затекает в дефекты изоляции), обледенение).

Последствия КЗ.

Все последствия связаны с увеличением тока.

Термическое действие тока КЗ. Повышение температуры проводников вблизи места КЗ вплоть до возгорания. На практике термическое действие тока КЗ каждый год приводит к пожарам в электрических сетях и даже к выгоранию подстанций.

Электродинамическое действие тока КЗ.

Под электродинамическим действием электрического тока понимают силовое воздействие двух проводников с токами друг на друга. При КЗ электродинамическое действие тока резко возрастает. Это приводит к деформации шин (гнет и изгибает шины), разрушению изоляторов, повреждению двигателей (отрывает кольца короткозамкнутого ротора).

Протекание больших токов КЗ вызывает увеличенные потери напряжения в элементах сети.

где U_эн. – напряжение энергосистемы, приведенное к напряжению сети, в которой произошло КЗ;

– сумма потерь напряжения в элементах сети от источника до шин питающей подстанции (центра питания);

Z_шк – сопротивление линии от центра питания до точки КЗ.

Резкое снижение напряжения на шинах называют провалом или посадкой напряжения, а само напряжение на шинах U_Ш при КЗ в сети называют остаточным напряжением U_ОСТ. Его можно определить и по другому, используя закон Ома

Глубокая посадка напряжения может привести, к остановке всех двигателей предприятия, а, следовательно, к развитию аварии.

4) При КЗ в сетях энергосистемы (или вблизи ТЭЦ или электростанций) возможно изменение режима работы генераторов (КЗ изменяет ток генератора). Такие КЗ называют близкими.

Увеличение тока в обмотке генератора при близких КЗ приводит к увеличению тормозного момента. Скорость вращения ротора генератора снижается. При этом изменяется частота ЭДС такого генератора. В нормальном режиме при одинаковой частоте генераторов их ЭДС совпадают по фазе. При КЗ вследствие изменения частоты ЭДС одного из генераторов векторы ЭДС разных генераторов начинают вращаться друг относительно друга. Это означает, что в энергосистеме наступает асинхронный режим или режим качания.

В режиме качания снижается отдача мощности в нагрузку, а при различии фаз ЭДС на 180 0 ток в нагрузке может совсем не протекать.

Ток протекает в нагрузку Z_н, т. к. ЭДС генераторов совпадают по фазе

Ток не протекает в нагрузку Z_н, т. к. ЭДС генераторов в противофазе

5) КЗ на межсистемных линиях (330 кВ и выше) с последующим отключением линий может привести к делению единой энергосистемы на отдельные части. А в каждой из частей может не быть баланса мощностей. Это приводит к нарушению нормального режима работы генераторов и снова может наступить режим качания.

Возможно возникновение системных аварий. Которые называют лавинными по причине лавинного нарастания отклонений напряжения или частоты.

Что такое короткое замыкание: определение, объяснение для «чайников»

Мы часто слышим «Произошло короткое замыкание», «В цепи коротнуло». Сразу понятно, что случилось что-то незапланированное и нехорошее. Но почему замыкание именно короткое, а не длинное? Покончим с неопределенностью и разберемся, что именно происходит при коротком замыкании в электрической цепи.

Что такое короткое замыкание (КЗ)

Электрический скат плавает в океане и не устраивает КЗ, вполне обходясь без знания закона Ома. Нам же для понимания природы и причин короткого замыкания этот закон просто необходим. Так что, если вы еще не успели, читаем про закон Ома, силу тока, напряжение, сопротивление и прочие прекрасные физические понятия.

Теперь, когда вы все это знаете, можно привести определение короткого замыкания из физики и электротехники:

Короткое замыкание – это соединение двух точек электрической цепи с различными потенциалами, не предусмотренное нормальным режимом работы цепи и приводящее к критичному росту силы тока в месте соединения.

КЗ приводит к образованию разрушительных токов, превышающих допустимые величины, выходу приборов из строя и повреждениям проводки. Почему это происходит? Детально разберем, что творится в цепи при коротком замыкании.

Возьмем самую простую цепь. В ней есть источник тока, сопротивление и провода. Причем, сопротивлением проводов можно пренебречь. Такой схемы вполне достаточно для понимания сути КЗ.

Простейшая электрическая цепь

В замкнутой цепи действует закон Ома: сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению. Иначе говоря, чем меньше сопротивление, тем больше сила тока.

Точнее, для нашей цепи закон Ома запишется в следующем виде:

Здесь r – внутреннее сопротивление источника тока, а греческая буква эпсилон обозначает ЭДС источника.

Что понимают под силой тока короткого замыкания? Если сопротивления R в нашей цепи не будет, или оно будет очень маленьким, то сила тока увеличится, и в цепи потечет ток короткого замыкания:

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Виды коротких замыканий и их причины

В быту короткие замыкания бывают:

однофазные – когда фазный провод замыкается на ноль. Такие КЗ случаются чаще всего;
двухфазные – когда одна фаза замыкается на другую;
трехфазные – когда замыкаются сразу три фазы. Это самый проблемный вид КЗ.

Например, утром в воскресенье ваш сосед за стенкой соединяет фазу и ноль в розетке, включив в нее перфоратор. Это значит, что цепь замыкается, и ток идет через нагрузку, то есть через включенный в розетку прибор.

Если же сосед соединит провода фазы и нуля в розетке без подключения нагрузки, то в цепи возникнет КЗ, но вы сможете поспать подольше.

Тем, кто не знает, для лучшего понимания полезно будет почитать, что такое фаза и ноль в электричестве.

Короткое замыкание называют коротким, так как ток при таком замыкании цепи как бы идет по короткому пути, минуя нагрузку. Контролируемое или длинное замыкание – это обычное, привычное всем включение приборов в розетку.

Защита от короткого замыкания

Сначала о том, какие последствия может вызвать КЗ:

Поражение человека электрическим током и выделяющимся теплом.
Пожар.
Выход из строя приборов.
Отключение электричества и отсутствие интернета дома. Как следствие – вынужденная необходимость читать книги и ужинать при свечах.

КЗ – возможная причина пожара

Как видите, короткое замыкание – враг и вредитель, с которым нужно бороться. Какие есть способы защиты от короткого замыкания?

Почти все они основаны на том, чтобы быстро разомкнуть цепь при обнаружении КЗ. Это можно сделать с помощью разных аппаратов защиты от короткого замыкания.

Почти во всех современных электроприборах есть плавкие предохранители. Большой ток просто расплавляет предохранитель, и цепь разрывается.

В квартирах используются автоматы защиты от короткого замыкания. Это автоматические выключатели, рассчитанные на определенный рабочий ток. При повышении силы тока автомат срабатывает, разрывая цепь.

Для защиты промышленных электродвигателей от коротких замыканий используются специальные реле.

Автомат защиты от КЗ

Теперь вы можете легко дать определение короткому замыканию, заодно знаете про закон Ома, а также фазу и ноль в электричестве. Желаем всем не устраивать коротких замыканий! А если у вас в голове «замкнуло» и совершенно нет сил на какую-то работу, наш студенческий сервис всегда поможет с ней справиться.

А напоследок видео о том, как НЕ НУЖНО обращаться с электрическим током.

Контрольная работа от 1 дня / от 120 р. Узнать стоимость
Дипломная работа от 7 дней / от 9540 р. Узнать стоимость
Курсовая работа 5 дней / от 2160 р. Узнать стоимость
Реферат от 1 дня / от 840 р. Узнать стоимость

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Какие бывают виды коротких замыканий и почему они возникают?

Ненормальным, аварийным режимом работы электросети является замыкание электрических проводников или как его еще называют – короткое замыкание (КЗ). Это опасное явление может произойти как в сетях постоянного тока, так и переменного. Рассмотрим, какие бывают режимы короткого замыкания переменной сети, чем они опасны и из-за чего возникают.

Виды коротких замыканий

Межфазное замыкание происходит при участии двух фаз или всех трех проводников, в трехфазных цепях.
Однофазное замыкание возникает между фазным и нулевым проводником, или же на землю, металлический корпус устройства. В системах с глухозаземленной нейтралью понятие КЗ на землю и выражение замыкание на ноль, обозначает одно и тоже.

Также рассмотрим, где возникают замыкания в электроустановках:

При повреждении изоляции проводников, изолирующих прокладок и контакте с корпусом.
При попадании влаги между проводами и изоляцией. В этом случае создаются условия для прохождения тока и возникновения мостика для пробоя на корпус или между фазами.
В электрических машинах. КЗ может произойти как на корпус (при потере изоляции обмотки «пробой на землю»), так и внутреннее замыкание, замыкание между витками. Витковое замыкание трудно обнаружить обычными приборами. Только во время работы одна из фаз более нагружена, в результате чего происходит перегрев обмотки, двигатель начинает греться сверх нормы. Перегрев электродвигателя приводит к повреждению изолирующего лака, далее происходит пробой на корпус или межфазное замыкание и возгорание электрической машины.
Электрические трансформаторы. Процесс происходит аналогично электродвигателям.
В распределительных устройствах ВРУ. В разъединительных и автоматических устройствах. Выключатели, пускатели , контакторы и прочее электрооборудование.
На линиях высокого напряжения.

Причины возникновения КЗ

Также важно рассмотреть причины, вызывающие межфазное замыкание. Это в первую очередь загрязнение устройства, попадание посторонних металлических предметов, инструменты, образование токопроводящей пыли на поверхности изоляторов. Из этого следует, что нахождение посторонних предметов внутри устройства приведет к КЗ, межфазному замыканию или пробою на корпус устройства.

В случае, если корпус не имеет защитного соединения с землей, опасный потенциал окажется на корпусе, что может привести к электротравматизму, при прикосновении человека к поверхности устройства.

Замыкание через металл возникает, когда разноименные токопроводы соединяются между собой через металлический предмет. Это может быть инструмент, часть металлоконструкций, обрушившихся на проводники, и прочие металлические предметы. В этом случае не возникает электрической дуги , и весь ток проходит по металлическим проводникам. Его сила ограничивается только внутренним сопротивлением кабеля и трансформатора, а также частей, к ним примыкающих.

Если между токопроводами есть воздушный зазор, но между ними произошло КЗ, такое явление называют дуговым замыканием. Оно может произойти при неосторожном измерении напряжения или касанием шин, и перемыканием пространства с образованием устойчивой электродуги.

Ток при таком замыкании намного меньше, чем в металлическом, обусловлен переходными процессами в плазме дуги.

Тлеющее замыкание возникает на изоляторах. При загрязнении, проходящий ток разогревает участок КЗ, и в дальнейшем может самоустраниться высушив участок, либо же развиться до дугового пробоя.

При полупроводниковом КЗ, пробое диодного моста или тиристора, симистора, замыкание развивается как металлическое. Величина тока ограничена только элементами схемы и цепи в ней.

Во время короткого замыкания ток через участок соприкосновения и проводники стремиться к бесконечности, к максимально высоким значениям. Это в свою очередь приводит к разогреву места контакта и разрушению изоляции и самих проводников. Как правило, короткое замыкание происходит хаотично, и нарастает лавинообразно, вплоть до возгорания и пожара на участке.

Способы защиты от КЗ

Для ограничения и предотвращения КЗ в цепях 220/380 вольт устанавливаются плавкие вставки, предохранители или автоматические выключатели .

При превышении установленного тока в цепи, перегорает плавкая вставка предохранителя и участок сети обесточиваться. Автоматический выключатель размыкает контакты, предотвращая возрастание тока в цепи и аварийное развитие ситуации. Автоматические выключатели реагируют не только на большой ток короткого замыкания, но и на ток перегрузки , который вызывает нагрев проводников и в перспективе разрушение изоляции и дальнейшем КЗ. Данный элемент автомата называют тепловым расцепителем.

Для ограничения величины ударного тока короткого замыкания между фазами, в кабельных и воздушных линиях устанавливают реакторы. По своей сути это дроссель или катушка, которая своим индуктивным сопротивлением ограничивает величину тока.

В сетях выше 1000 вольт используются масляные, вакуумные или элегазовые выключатели . Эти устройства предотвращают появление дуги при разъединении контактов под нагрузкой.

В высоковольтных сетях для защиты используются релейные схемы. Жила кабеля или шинопровод проходят через трансформатор тока, который измеряет ток в проводнике и в зависимости от значения дает сигнал на релейную схему. Она в свою очередь управляет приводом выключателя. При КЗ ток через трансформатор возрастает многократно, защитное реле реагирует на этот импульс и отключает высоковольтную нагрузку.

В заключение хочется отметить, что короткое замыкание – это опасное явление и пренебрегать средствами защиты не стоит. Поскольку основная причина пожаров по статистике, является короткое замыкание в сети. При этом электротравматизм по причине не соблюдения правил безопасности и эксплуатация устройств и электропроводки стоит на первом месте. Поэтому не стоит экономить на безопасности и пренебрегать элементарными правилами безопасности.

Короткое замыкание

Короткое замыкание (КЗ, англ. short curcuit) — незапланированное соединение точек цепи с различными потенциалами друг с другом или с другими электрическими цепями через пренебрежимо малое сопротивление. При этом образуется сверхток, значения которого на порядки превышают предусмотренные нормальными условиями работы.

Определение КЗ из «Элементарного учебника физики» Ландсберга

В результате короткого замыкания выходит из строя электрооборудование, происходят возгорания. О самых разрушительных последствиях коротких замыканий мы регулярно узнаем из новостных рубрик «Чрезвычайные происшествия». Что же именно происходит при КЗ? В результате чего они появляются? Какими могут быть последствия? Давайте рассмотрим подробнее эти и другие вопросы в приведенной ниже статье.

Как образуется короткое замыкание

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

I — сила тока в цепи, А

U — напряжение, В

R — сопротивление, Ом

Давайте рассмотрим вот такую схему

Если мы подключим настольную лампу EL к источнику тока Bat и замкнем ключ SA, то вольфрамовая нить лампы начнет разогреваться под тепловым воздействием тока. В этом случае значительная часть электрической энергии преобразуется в световую и тепловую.

А теперь покончим с лирическими отступлениями и замкнем два провода, которые идут на лампочку, через толстый провод AВ

Что будет дальше, если мы замкнем контакты ключа SA?

В результате ток пойдет по укороченному пути, минуя нагрузку. Короткий путь в данном случае и есть провод AB. Сопротивление провода АВ близко к нулю. В результате наша схема преобразуется в делитель тока. Согласно правилу делителя тока, если нагрузки соединены параллельно, то через нагрузку с меньшим сопротивлением побежит большая сила тока, а через нагрузку с большим значением сопротивления — меньшая сила тока. Так как провод АВ обладает почти нулевым сопротивлением, то через него потечет большая сила тока, согласно опять же закону Ома:

Как я уже сказал, в режиме КЗ сила тока достигает критических значений, превышающих допустимые для данной цепи.

Закон Джоуля-Ленца

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

Q — это количество теплоты, которое выделяется на сопротивлении нагрузки R_н . Выражается в Джоулях. 1 Джоуль = 1 Ватт х секунда.

I — сила тока в этой цепи, А

R_н — сопротивление нагрузки, Ом

t — период времени, в течение которого происходит выделение теплоты на нагрузке R_н , секунды

Это означает, что на проводе AB будет выделяться бешеное количество теплоты. Провод резко нагреется от температуры, а потом и сгорит. Все зависит от мощности источника питания.

То есть, если ток при коротком замыкании возрастет в 20 раз, то количество выделяющейся при этом теплоты — примерно в 400 раз! Вот почему бывшая еще мгновение назад мирной электроэнергия превращается в настоящее стихийное бедствие: горит проводка, расплавленный металл проводов поджигает находящиеся рядом предметы, возникают пожары.

Существуют еще запланированные и контролируемые КЗ, а также специальное замыкающее оборудование. Например, сварочные аппараты работают как раз на контролируемом КЗ, где требуется большая сила тока для плавки металла.

Основные причины короткого замыкания

Все многообразие причин возникновения коротких замыканий можно свести к следующим:

Нарушение изоляции
Внешние воздействия
Перегрузка сети

Нарушение изоляции вызывается как естественным износом, так и внешним вмешательством. Естественное старение элементов электросети ускоряется за счет 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» электромонтаж, либо несоблюдение техники электробезопасности.

Намного чаще короткое замыкание вызывается перегрузкой сети из-за подключения большого количества потребителей тока. Так, если совокупная мощность одновременно включенных в бытовую сеть электроприборов превышает допустимую нагрузку на проводку, с большой вероятностью произойдет короткое замыкание, так как сила тока в такой цепи начинает превышать допустимое значение. Такое явление можно часто наблюдать в домах со старой проводкой, где провода чаще всего алюминиевые и не рассчитаны на современные мощные электроприборы.

Ток короткого замыкания

Сверхток, образующийся в результате КЗ, называется током короткого замыкания. Как только произошло короткое замыкание в цепи, ток короткого замыкания достигает максимальных значений. После того, как провода начнут греться и плавиться, ток короткого замыкания идет на спад, так как сопротивление проводов в при нагреве возрастает.

Для источников ЭДС ток короткого замыкания может быть вычислен по формуле

I_кз — это ток короткого замыкания, А

E — ЭДС источника питания, В

R_внутр. — внутреннее сопротивление источника ЭДС, Ом

Более подробно про ЭДС и внутреннее сопротивление читайте здесь.

Ниже на рисунке как раз изображен такой источник ЭДС в виде автомобильного аккумулятора с замкнутыми клеммами

Внутреннее сопротивление автомобильного аккумулятора может достигать значений в доли Ома. Теперь представьте, какой ток короткого замыкания будет течь через проводник, если закоротить им клеммы аккумулятора. Внутреннее сопротивление аккумулятора зависит от многих факторов. Возьмем среднее значение R_внутр = 0,1 Ом. Тогда ток короткого замыкания будет равен I_кз =E/R_внутр. = 12/0,1=120 Ампер. Это очень большое значение.

Виды коротких замыканий

В цепи постоянного тока

В этом случае КЗ бывает, как правило, между напряжением питания, которое чаще всего обозначается как «+», и общим проводом схемы, который соединяют с «-«. Последствия такого КЗ зависят от мощности источника питания постоянного тока. Если в автомобиле голый плюсовой провод заденет корпус автомобиля, который соединяется с «минусом» аккумулятора, то провода начнут плавится и гореть как спички, при условии если не сработает предохранитель, либо вместо него уже стоит «жучок» — самопальный предохранитель. Ниже на фото вы можете увидеть результат такого КЗ.

В цепи переменного тока

Трехфазное замыкание

Это когда три фазных провода коротнули между собой.

Трехфазное на землю

Здесь все три фазы соединены между собой, да еще и замкнуты на землю

Двухфазное

В этом случае любые две фазы замкнуты между собой

Двухфазное на землю

Любые две фазы замкнуты между собой, да еще и замкнуты на землю

Однофазное на землю

Однофазное на ноль

Эти две ситуации чаще всего бывают в ваших квартирах и домах, так как к простым потребителям идет два провода: фаза и ноль.

В трехфазных сетях наиболее часто происходит однофазное замыкание на землю — 60-70% всех коротких замыканий. Двухфазные КЗ составляют 20-25%. Двойное замыкание фаз на землю происходит в электросетях с изолированной нейтралью и составляет 10-15% всех случаев. До 3-5% занимают трехфазные КЗ, при которых происходит нарушение изоляции между всеми тремя фазами.

В электрических двигателях короткое замыкание чаще всего возникает между обмотками двигателя и его корпусом.

Последствия короткого замыкания

Во время КЗ температура в зоне контакта возрастает до нескольких тысяч градусов. Помимо воспламенения изоляции, расплавления и механических повреждений выключателей и розеток и возгорания проводки, следствием замыкания может стать выход из строя компьютерного и телекоммуникационного оборудования и линий связи, которые находятся рядом, вследствие сильного электромагнитного воздействия.

Но падение напряжения и выход из строя оборудования — не самое опасное последствие. Нередко короткие замыкания становятся причиной разрушительных пожаров, зачастую с человеческими жертвами и огромными экономическими потерями.

Из-за удаленности и большого сопротивления до места замыкания защитное оборудование может не сработать. Бывают ситуации, когда ток недостаточен для срабатывания защиты и отключения напряжения, но в месте КЗ его вполне хватает для расплавления проводов и возникновения источников возгорания. Поэтому, токи коротких замыканий очень важны для расчетов аварийных режимов работы.

Меры, исключающие короткое замыкание

Еще на заре развития электротехники появились плавкие предохранители. Принцип действия подобной защиты очень прост: под влиянием теплового действия тока предохранитель разрушается, тем самым размыкая цепь. Предохранители наиболее часто используются в бытовых электросетях и бытовых электроприборах, электрическом оборудовании транспортных средств и промышленном электрооборудовании до 1000 В. Встречаются они и в цепях с высоковольтным оборудованием.

Вот такие предохранители используются в цепях с малыми токами

вот такие плавкие предохранители вы можете увидеть в автомобилях

А вот эти большие предохранители используются в промышленности, и они уже рассчитаны на очень большие значения токов

Более сложную конструкцию имеют автоматические выключатели, оснащенные электромагнитными и/или тепловыми датчиками. Ниже на фото однофазный автоматический выключатель, а справа — трехфазный

Их принцип действия основан на размыкании цепи при превышении допустимых значений силы тока.

В быту мы чаще всего сталкиваемся со следующими устройствами защиты электросети:

Плавкие предохранители (применяются в том числе в бытовых электроприборах).
Автоматические выключатели.
Стабилизаторы напряжения.
Устройства дифференциального тока.

Все вышеперечисленное защитное оборудование относится к устройствам вторичной защиты, действующим по инерционному принципу. На вводе бытовых электросетей наиболее часто устанавливаются автоматические защитные устройства, действующие по адаптивному принципу. Такие устройства можно увидеть возле счетчиков электроэнергии квартир, коттеджей, офисов.

В высоковольтных сетях защита чаще обеспечивается:

Устройствами релейной защиты и другим отключающим оборудованием.
Понижающими трансформаторами.
Распараллеливанием цепей.
Токоограничивающими реакторами.

Большинства коротких замыканий можно избежать, если устранить основные причины их возникновения: своевременно ремонтировать или заменять изношенное оборудование, исключить вредные воздействия человека. Не допускать неправильных действий при монтажных и ремонтных работах, соблюдать СНИПы и правила техники безопасности.

Что такое короткое замыкание по-простому?

Ток короткого замыкания — это возрастающий электрический импульс ударного типа. Из-за его появления могут расплавиться провода, выйти из строя некоторые электрические приборы.

Почему происходит короткое замыкание?

Ток КЗ возникает в следующих случаях:

При высоком уровне напряжения. Происходит резкий скачок, уровень напряжения начинает превышать допустимые нормы, возникает вероятность появления электрического пробоя изоляционного покрытия проводника или схемы электрического типа. Образуется утечка тока, повышается температура дуги. Напряжение короткого замыкания приводит к созданию кратковременного дугового разряда.
При старом изоляционном покрытии. Такое замыкание возникает в жилых и промышленных зданиях, в которых не проводилась замена проводки. У любого изоляционного покрытия есть свой ресурс, который со временем истощается под воздействием факторов внешней среды. Несвоевременная замена изоляции может стать причиной КЗ.
При внешнем воздействии механического типа. Перетирание защитной оболочки провода или снятие его изоляционного покрытия, а также повреждение проводки приводят к возгоранию и КЗ.
При попадании посторонних предметов на цепь. Попавшие на проводник пыль, мусор или другие мелкие предметы способны вызвать замыкание в цепи механизма.
Во время удара молнии. Повышается уровень напряжения, пробивается изоляционное покрытие провода или электрической схемы, из-за чего и возникает КЗ в электро цепи.

Почему КЗ так называется?

Рассмотрим определение КЗ, расшифровка — короткое замыкание. Это объединение 2 любых точек (обладающих различным потенциалом), которые находятся в электрической цепи. Соединение не предусмотрено нормальным режимом функционирования цепи, что приводит к критическим показателям силы тока на месте объединения этих точек.

Такое замыкание называется коротким, потому что образуется, минуя прибор, т.е. по короткому пути.

Простым языком: происходит соединение положительного и отрицательного проводника (короткий путь), что приводит к тому, что значение сопротивления становится равно 0. Для нормального функционирования механизма необходимо сопротивление, а его отсутствие вызывает сбой в работе источника напряжения, что приводит к замыканию.

КЗ — это любое соединение проводников с разным потенциалом между собой или с землей. КЗ возникает только в том случае, если такое объединение не запланировано конструкцией данного прибора или механизма. Например, соединение между любыми точками разных фаз или объединение фазы и 0, когда образуется разрушительный ток, превышающий все критические значения электрической схемы устройства.

Читайте также:

Что такое ручные рубанки

В чем опасность?

Последствия короткого замыкания могут быть следующими:

Падает уровень напряжения в электро цепи. Это может привести к выходу из строя и обгоранию электрического прибора или сбоям в функционировании устройства.
Повреждения механического и термического типа: обрыв цепи, повреждение проводки или отдельных проводов, розеток и выключателей.
В зависимости от мощности короткого замыкания возможно возгорание проводки и расположенных рядом с ней материалов и предметов.
Деструктивное электромагнитное воздействие на телефонную линию связи, компьютер, телевизор и другие электроприборы.
Опасность для жизни. Если в момент возникновения замыкания человек находится рядом с источником КЗ, то он может получить ожоги.
Нарушается функционирование электропоставляющих систем.
В зависимости от параметров КЗ возможны сбои в работе подземных коммуникаций при электромагнитном воздействии.

Многих людей интересует вопрос о том, как посчитать, чему равна сила тока при коротком замыкании. Для этого необходимо воспользоваться законом Ома: сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению на ее концах и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.

Вычисление КЗ осуществляется по формуле: I= U/R (I — сила тока, U — напряжение, R — сопротивление).

Виды короткого замыкания и их причины

Существуют такие виды КЗ, как:

Однофазное КЗ. Повреждение на линиях электропередачи, когда 1 из фаз электрической системы замыкается на землю или на элемент, который соединен с землей. Причиной замыкания может стать неправильное заземление.
Двухфазное КЗ. Тип замыкания, возникающий между 2 фазами с различным потенциалом в электроэнергетической цепочке. Причина — нарушение изоляции проводов. Также это может быть одновременное соединение 2 фаз не между собой, а на землю.
КЗ трехфазное (симметричное). Замыкание 3 фаз друг на друга. Причиной может стать механическое повреждение изоляционного покрытия, перегрев и пробой в изоляции или схлестывание проводов.
Межвитковое. Такой тип замыкания характерен для электрических машин. В этом случае происходит замыкание витков механизма обмотки статора, трансформатора или ротного устройства между собой.
Замыкание на металлический корпус прибора или системы. Такое короткое замыкание возникает при нарушении изоляции проводки на металлическом корпусе.

Варианты защиты от КЗ

В качестве защиты от возникновения короткого замыкания можно использовать:

реакторы электрического типа, которые будут ограничивать ток;
распараллеливание электрической цепи;
отключение секционных выключателей;
трансформаторы понижающего типа с расщепленной обмоткой с низким уровнем напряжения;
быстродействующие коммутационные аппараты, в которых есть опция ограничения поступления тока;
плавкие предохранительные элементы;
установку автоматических выключателей;
своевременную замену изоляционного покрытия проводов и регулярный осмотр проводки на наличие дефектов;
устройства релейной защиты, которые будут отключать поврежденные участки цепи.

Автоматы можно устанавливать только на всю систему, а не на отдельные фазы и цепь нуля. В противном случае во время замыкания выйдет из строя нулевой автомат, а вся электросеть окажется под напряжением, т.к. фазный автомат будет включен. По этой же причине не рекомендуется устанавливать провод меньшего сечения, чем может позволить автомат.

Использование этого явления

Данное явление нашло свое применение в дуговой сварке, принцип работы которой построен на взаимодействии стержня с металлической поверхностью. Поверхность нагревается до температуры плавки, благодаря чему появляется новое прочное соединение, т.е. сварочный электрод замыкается с заземляющим контуром.

Такие режимы короткого замыкания действуют непродолжительный промежуток времени. В момент сварки в месте соединения стержня и поверхности возникает нестандартный заряд тока, из-за чего выделяется большое количество теплоты. Ее достаточно для плавки металла и создания сварочного шва.

Также короткое замыкание используется в сфере промышленной автоматики, с его помощью создаются информационные системы, которые отражают параметры передачи токового сигнала.

Полезное КЗ применяется в электродинамических датчиках. Например, в индукционных виброметрах, сейсмических приемниках. Короткое замыкание дает возможность дополнительно уменьшить количество колебаний подвижной системы.

Режим КЗ может использоваться при объединении каскадов в электронике, когда выход первого активного компонента работает в режиме КЗ.

Какие виды систем заземления существуют и что такое защитное заземление?

Чем отличается УЗО от дифавтомата

Почему при включении или во время работы стиральной машины выбивает пробки, УЗО или дифавтомат

Как сделать короткое замыкание автомобиля

Как образуется короткое замыкание

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

I – сила тока в цепи, А

U – напряжение, В

R – сопротивление, Ом

Давайте рассмотрим вот такую схему

Что будет дальше, если мы замкнем контакты ключа SA?

В результате ток пойдет по укороченному пути, минуя нагрузку. Короткий путь в данном случае и есть провод AB. Сопротивление провода АВ близко к нулю. В результате наша схема преобразуется в делитель тока. Согласно правилу делителя тока, если нагрузки соединены параллельно, то через нагрузку с меньшим сопротивлением побежит большая сила тока, а через нагрузку с большим значением сопротивления – меньшая сила тока. Так как провод АВ обладает почти нулевым сопротивлением, то через него потечет большая сила тока, согласно опять же закону Ома:

Принцип действия

Резонанс в электрической цепи

Из представленной выше формулы понятно, что ток проходит по пути наименьшего электрического сопротивления. Этот процесс можно наблюдать, если разрушить изоляционные оболочки и соединить провода (уменьшить расстояние до критически малого уровня). Электрический пробой создает локальный нагрев. При значительном энергетическом потенциале такое воздействие провоцирует пожар, разрушает кабель.

На этом этапе рассуждений надо вспомнить следующую формулу:

Читайте также: Резонанс в электрической цепи переменного тока» Урок физики в 11 классе с применением информационных технологий. план-конспект урока по физике (11 класс) на тему

По мощности определяют потребление энергии нагрузкой. Увеличение этого параметра повышает вероятность повреждения силовых линий.

Закон Джоуля-Ленца

Q – это количество теплоты, которое выделяется на сопротивлении нагрузки Rн . Выражается в Джоулях. 1 Джоуль = 1 Ватт х секунда.

I – сила тока в этой цепи, А

Rн – сопротивление нагрузки, Ом

t – период времени, в течение которого происходит выделение теплоты на нагрузке Rн , секунды

Что происходит в цепи при коротком замыкании

Рассчитать количество выделяемого тепла можно с помощью математического выражения закона Джоуля-Ленца:

Закон Ома для переменного тока

Расшифровка отдельных обозначений:

Q – тепло в калориях (кал);
k – поправочный коэффициент (0,239);
t – время в секундах.

К сведению. Для достаточно точных расчетов k принимают равным 0,24. Такое количество тепла выделяется при нагревании на 1°C одного грамма воды.

Эта зависимость в совокупности с рассмотренными выше формулами закона Ома объясняет критически быстрый (ударный) рост температуры при возникновении КЗ. В аварийной ситуации снижение сопротивления в цепи провоцирует увеличение тока. В соответствии с законом Джоуля-Ленца выделяется большое количество тепла (прямая квадратичная зависимость от I).

Экстремально быстрое повышение температуры объясняет потенциальную опасность возникновения открытого пламени

Читайте также:

Уход за паркетной доской с лаковым

Основные причины короткого замыкания

Все многообразие причин возникновения коротких замыканий можно свести к следующим:

Нарушение изоляции
Внешние воздействия
Перегрузка сети

Внешние воздействия могут быть вызваны грызунами, насекомыми и другими животными. Сюда же относится и человеческий фактор. Это может быть “кривой” электромонтаж, либо несоблюдение техники электробезопасности.

Причины возникновения

Считается, что короткое замыкание (КЗ) — явление случайное, которое может произойти в любое время. Существует ряд прямых и косвенных причин, приводящих к этому негативному событию. К ним относятся:

В процессе длительной эксплуатации большой износ энергетических систем или бытовой электрической сети. Провода со временем теряют качество изоляции, что приводит к непреднамеренным соединениям. Проверяется такая ситуация в местах соединения электрической проводки по степени ее нагрева. Если происходит большой нагрев проводников, значит, где-то произошло нарушение изоляции.
Часто причиной короткого замыкания считается удар молнии в высоковольтную линию. Происходит кратковременное перенапряжение сети с последующим замыканием. Если даже молния ударила рядом с линией, все равно это вызывает ионизацию воздуха, что приводит к увеличению электрической проводимости. Вследствие чего образуется дуга, соединяющая линии электрических передач.
В бытовых условиях происходит механическое повреждение изоляции. Особенно часто такая ситуация возникает во время проведения ремонта.
Возможно попадание на токоведущие элементы посторонних металлических предметов. Такая ситуация говорит о неудовлетворительном уходе за электрическим оборудованием.
Подключение к сети неисправных приборов, у которых низкое внутреннее сопротивление.

Вам это будет интересно Описание принципиальной электрической схемы с примером

Кроме того, большое значение имеют действия человека, которые иногда могут привести к замыканию. Особенно такие моменты часто происходят при неправильном монтаже электрической проводки.

Ток короткого замыкания

Для источников ЭДС ток короткого замыкания может быть вычислен по формуле

Iкз – это ток короткого замыкания, А

E – ЭДС источника питания, В

Rвнутр. – внутреннее сопротивление источника ЭДС, Ом

Более подробно про ЭДС и внутреннее сопротивление читайте здесь.

Внутреннее сопротивление автомобильного аккумулятора может достигать значений в доли Ома. Теперь представьте, какой ток короткого замыкания будет течь через проводник, если закоротить им клеммы аккумулятора. Внутреннее сопротивление аккумулятора зависит от многих факторов. Возьмем среднее значение Rвнутр = 0,1 Ом. Тогда ток короткого замыкания будет равен Iкз =E/Rвнутр. = 12/0,1=120 Ампер. Это очень большое значение.

Условия возникновения КЗ

Чтобы полнее ощутить проблему, про которую мы будем говорить, почитайте мою недавнюю статью – что такое ток короткого замыкания – его причины, разновидности, измерение, и т.д.

Что мы имеем? Линия питания в данном случае имеет такое строение.

Источник напряжения – КТП (комплектная трансформаторная подстанция) с трансформатором 10/0,4 кВ, мощностью 1000 кВА:

Читайте также: Многооборотные подстроечные резисторы типоразмера 3296. Продолжаем сборку Линейного ЛабБП. 2 часть.

Трансформатор масляный ТМ 10/0,4 кВ на КТП

В составе КТП – автоматический выключатель выкатного типа АВМ-20, сделанный при Брежневе, с неизвестными уставками по сверхтоку (перегрузке и короткому замыканию).

С выключателя АВМ-20 напряжение поступает на шинопровод ШРА-73 с алюминиевыми шинами. Номинальный ток – 630 А. Длина – около 70 м.

Шинопровод ШРА-73, бирка на шинопроводе

К шинопроводу подключены питающие одножильные гибкие кабели типа КГ сечением 95 мм². Длина этого участка – 15 м.

Подключение гибких медных проводов к шинопроводу через наконечники (на фото – другие провода, но суть та же)

Наконечники “алюмомедные”, место опрессовки мы заматываем белой изолентой. Почему не белой термоусадкой? Потому что белая изолента под рукой всегда, а белая термоусадка с феном – нет. А почему именно белой? Я рассказал подробно об этом в статье на Дзене Лайфхак с белой изолентой.

Через кабельные муфты провода вводятся в силовой шкаф на клеммы рубильника АВВ OT630E30 с номинальным током 630 А.

Рубильник ABB с номинальным током 630 А. Рубильник выключен, но на верхних контактах напряжение 400 В!

Данные питаемого оборудования:

Электротехнические данные подключенной технологической линии

Из приведенных данных можно судить, что ток КЗ в точке предполагаемого КЗ должен быть огромным – более 10 килоампер. А последствия – феерическими!

Виды коротких замыканий

В цепи постоянного тока

В этом случае КЗ бывает, как правило, между напряжением питания, которое чаще всего обозначается как “+”, и общим проводом схемы, который соединяют с “-“. Последствия такого КЗ зависят от мощности источника питания постоянного тока. Если в автомобиле голый плюсовой провод заденет корпус автомобиля, который соединяется с “минусом” аккумулятора, то провода начнут плавится и гореть как спички, при условии если не сработает предохранитель, либо вместо него уже стоит “жучок” – самопальный предохранитель. Ниже на фото вы можете увидеть результат такого КЗ.

В цепи переменного тока

Трехфазное замыкание

Это когда три фазных провода коротнули между собой.

Трехфазное на землю

Здесь все три фазы соединены между собой, да еще и замкнуты на землю

Двухфазное

В этом случае любые две фазы замкнуты между собой

Двухфазное на землю

Любые две фазы замкнуты между собой, да еще и замкнуты на землю

Однофазное на землю

Однофазное на ноль

В трехфазных сетях наиболее часто происходит однофазное замыкание на землю – 60-70% всех коротких замыканий. Двухфазные КЗ составляют 20-25%. Двойное замыкание фаз на землю происходит в электросетях с изолированной нейтралью и составляет 10-15% всех случаев. До 3-5% занимают трехфазные КЗ, при которых происходит нарушение изоляции между всеми тремя фазами.

Применение короткого замыкания

Помимо негативных характеристик, это явление широко применяется в некотором электрическом оборудовании. По этому принципу работают короткозамыкатели, которые представляют собой быстродействующие приводы.

Используются они для создания преднамеренного замыкания с целью вызвать защитное отключение. Такие приборы применяются при аварийных ситуациях в высоковольтных линиях. При поломке силового трансформатора устройство вызывает замыкание между фазами в электрических магистралях до 35 кВ или фазой и землей при напряжении от 110 кВ.

Вам это будет интересно Устройство термопары, ее виды и принцип работы

Прибор включается как автоматически, так и вручную, если есть необходимость. На основе замыкания работает электродуговая сварка, которая позволяет получить крепкие металлические соединения. Чаще всего такое устройство используется для соединения кузовных деталей автомобилей.