Что такое межфазное короткое замыкание и как защититься от него?

 

Короткое замыкание в цепи, питающейся от шин неизменного напряжения

На рис.1 показана простая симметричная трехфазная цепь с активноиндуктивным сопротивлением, что характерно для большинства реальных электрических сетей.

Цепь питается от источника, у которого в нормальном режиме работы и при КЗ на зажимах сохраняется симметричная и неизменная по значению трехфазная система напряжений. Векторная диаграмма рассматриваемой цепи для нормального режима работы показана на рис.2,а.

Угол φ между током и напряжением каждой фазы определяется соотношением активных и индуктивных сопротивлений всей цепи, включая нагрузку.

Рис.1. Трехфазная симметричная цепь, питаемая от шин неизменного напряжения(от источника бесконечной мощности)

Рис.2. Векторные диаграммы токов и напряжений: а — в нормальном режиме;

б — при трехфазном коротком замыкании

Короткое замыкание делит цепь на две части: правую с сопротивлениями r1 и x1 = ωL1 в каждой фазе и левую, содержащую источник питания и сопротивления цепи КЗ rK и xK = ωLK. Процессы в обеих частях схемы при трехфазном КЗ протекают независимо.

Правая часть рассматриваемой цепи оказывается зашунтированной КЗ, и ток в ней будет поддерживаться лишь до тех пор, пока запасенная в индуктивности L1 энергия магнитного поля не перейдет в тепло, выделяющееся в активном сопротивлении r1. Этот ток при активно-индуктивном характере сопротивления цепи не превышает тока нормального режима и, постепенно затухая до нуля, не представляет опасности для оборудования.

Изменение режима в левой части цепи, содержащей источник питания, при наличии индуктивности LK также сопровождается переходным процессом. Из курса «Теоретические основы электротехники» известно уравнение, описывающее этот процесс:

где u и i — соответственно мгновенные значения напряжения и тока рассматриваемой фазы.

Решение этого уравнения дает выражение для мгновенного значения тока в любой момент времени t от начала КЗ:

где Um — амплитудное значение фазного напряжения источника; ZK — полное сопротивление присоединенного к источнику участка цепи (цепи КЗ); α — фазовый угол напряжения источника в момент t = 0; φK — угол сдвига тока в цепи КЗ относительно напряжения источника той же фазы; Тa — постоянная времени цепи КЗ:

Как видно из (2), полный ток КЗ слагается из двух составляющих: вынужденной, обусловленной действием напряжения источника (первый член в правой части уравнения), и свободной, обусловленной изменением запаса энергии магнитного поля в индуктивности LK (второй член уравнения).

Вынужденная составляющая тока КЗ имеет периодический характер с частотой, равной частоте напряжения источника. Называют эту составляющую обычно периодической составляющей тока КЗ

где Iп,m — амплитудное значение периодической составляющей тока.

Угол сдвига φK между векторами тока и напряжения определяется соотношением активных и индуктивных сопротивлений цепи КЗ. Для реальных цепей обычно хK » rK и φK = 45-90°. Векторная диаграмма для периодической составляющей КЗ при φK = 90° показана на рис.2,б. Свободная составляющая тока

имеет апериодический характер изменения, на основании чего эту составляющую тока называют также апериодической составляющей тока КЗ.

Начальное значение апериодической составляющей тока КЗ в каждой фазе определится по выражению (2) для момента времени t=0:

здесь iK,0 — начальное значение тока КЗ, которое с учетом невозможности изменения тока скачком в цепи с индуктивностью равно i(0) — току предшествующего режима в данной фазе к моменту t=0. Значение периодической составляющей тока при t=0 определится как

Представляют определенный интерес условия возникновения максимально возможного значения полного тока КЗ и его апериодической составляющей.

Из (6) и (7) при xK » rK и φK≈90° следует, что максимальное значение тока ia,0 будет в случае, если напряжение в момент возникновения КЗ проходит через нулевое значение (α=0) и тока в цепи до КЗ нет, т.е. i(0)=0. При этом ia,0=Iп,m.

Кривая изменения тока при условии максимального значения апериодической составляющей тока показана на рис.4. Здесь ia,0=Iп,m.

Рис.3. Изменение тока КЗ в цепи, питаемой от шин неизменного напряженияпри максимальном значении апериодической составляющей

Максимальное мгновенное значение полного тока наступает обычно через 0,01 с после начала процесса КЗ (рис.3). Оно носит название ударного тока и обозначается iy. Ударный ток определится из (2) для момента времени t=0,01с:

• (8)
• или
• (9)
• где ky — ударный коэффициент, зависящий от постоянной времени цепи КЗ:
• (10)
• Переходный процесс в случае питания от шин неизменного напряжения завершается после затухания апериодической составляющей тока, и далее полный ток КЗ равен его периодической составляющей, неизменной по амплитуде.
• Действующее значение тока для произвольного момента времени КЗ t равно:
• периодической составляющей
• (11)
• апериодической составляющей
• (12)
• полного тока КЗ
• (13)

Короткое замыкание в цепи, питающейся от генератора ограниченной мощности

В отличие от предыдущего в данном случае рассматриваются такие повреждения, при которых сопротивление цепи КЗ равно нулю (замыкание на выводах генератора) или одного порядка с сопротивлением генератора.

При малой электрической удаленности места повреждения существенное влияние на переходный процесс оказывает АРВ генератора. Для упрощения рассмотрим сначала генератор с отключенным АРВ. В такой машине ток возбуждения if остается постоянным и обеспечивает неизменный магнитный поток возбуждения Фf.

Рис.4. Трехфазная симметричная цепь, питаемая от синхронного генераторе

На рис.4 показан генератор, питающий простую трехфазную цепь КЗ. Основная особенность данного случая состоит в том, что параметры генератора и их изменение в переходном режиме существенно влияют на ход процесса КЗ.

Рис.5. Кривая изменения токов при КЗ в цепи по рис.4 а — полного тока и его составляющих,б — тока в обмотке возбуждения,

в — тока в демпферной (успокоительной) обмотке генератора

На рис.5,а приведена кривая изменения тока в одной фазе цепи, питаемой от генератора без АРВ. Показаны кривая изменения полного тока КЗ и его отдельных составляющих. Момент возникновения КЗ соответствует случаю, когда апериодическая составляющая тока и полный ток достигают максимального значения.

Проведем анализ факторов, оказывающих влияние на величину и характер изменения отдельных составляющих полного тока КЗ во времени.

При работе генератора на холостом ходу под действием тока ротора в машине наводится магнитный поток возбуждения Фf. В момент возникновения КЗ в статоре генератора появляется ток.

Периодическая составляющая тока отстает от напряжения на выводах генератора на угол φк, определяемый параметрами цепи КЗ.

Протекая по обмоткам генератора, периодическая составляющая тока создает магнитный поток Фст, который будет направлен встречно потоку возбуждения Фf, как поток реакции якоря по продольной оси ротора (рис.6).

Рис.6. Демпферные контуры для генераторов явнополюсных (а) и неявнополюсных (б)

На пути потока Фст находятся два проводящих контура: короткозамкнутый контур демпферной обмотки (только у гидрогенераторов) и замкнутый на возбудитель контур обмотки возбуждения.

В установившихся режимах работы генератора поток Фст замыкается через сталь ротора. В переходном процессе сказывается наличие на этом пути упомянутых выше контуров.

Замкнутые контуры свободных токов iсв,д в переходных режимах возникают также и в массивном теле ротора турбогенератора (рис.7).

Указанные апериодические токи затухают с постоянной времени, равной отношению индуктивности контура к его активному сопротивлению. Им соответствуют свободные магнитные потоки обмоток: демпферной Фсв,д и возбуждения Фсв,f.

Рис.7. Магнитные потоки генератора в разные моменты временипроцесса короткого замыканияа — t=0,

б — посте затухания Фсв,д,

в — установившийся режим

Так как магнитный поток ротора не может изменяться скачком, очевидно, что для момента времени t = 0 должно выполняться условие Фст= Фсв,д+Фсв,f и результирующий поток в немагнитном зазоре (рис.7, а) будет равен.

Фрез=Фf+Фсв,д+Фсв,f-Фст

Данное обстоятельство означает следующее, в начальный момент КЗ поток Фст в роторе компенсируется свободными потоками и в немагнитном зазоре машины действует результирующий магнитный поток, равный потоку обмотки возбуждения Фf до начала КЗ. В результате магнитный поток Фст вытесняется из ротора и замыкается в основном по путям рассеяния обмотки статора.

1. Из сказанного следует, что ЭДС машины в начальный момент КЗ не меняется скачком, а равна значению ЭДС предшествующего режима.
2. Параметры, которыми характеризуется генератор в момент КЗ (t=0), называют сверхпереходными: сверхпереходное сопротивление генератора по продольной оси x»d; сверхпереходная ЭДС, действующее фазное значение которой обозначают как E»ф.
3. Начальное значение периодической составляющей тока КЗ обозначают: Iп m — амплитуда, Iп 0 — действующее значение за первый период.
4. Для синусоидального тока Iп,0=Iп,m/√2. Величина Iп,0 может быть определена, если известны значение ЭДС E»ф, сопротивление генератора х»d и сопротивление цепи КЗ хк:
5. (14)
6. где хрез — результирующее сопротивление цепи с учетом сопротивления генератора при условии хрез » rрез.
7. Сверхпереходное значение ЭДС генератора может быть определено по формуле
8. (15)
9. где U(0) и I(0) — соответственно фазное напряжение и ток генератора в предшествующем КЗ режиме; φ(0) — угол между векторами тока и напряжения в том же режиме; х»d — сверхпереходное индуктивное сопротивление генератора.

С течением времени происходит затухание апериодических токов в демпферной обмотке и обмотке возбуждения с одновременным уменьшением соответствующих магнитных потоков Фсв,д и Фсв,f, причем первым затухает магнитный поток Фсв,д. В цепи обмотки возбуждения, имеющей малое активное сопротивление, свободный ток затухает медленнее.

Свободные магнитные потоки уже не могут компенсировать размагничивающее действие потока реакции якоря Фст, вследствие чего происходит уменьшение ЭДС генератора. Изменение параметров машины оказывает влияние на периодическую составляющую тока КЗ, которая также уменьшается:

(16)

После затухания свободных токов в демпферной обмотке и в обмотке возбуждения наступает установившийся режим для периодической состав¬ляющей тока статора. Результирующий магнитный поток (рис.7,в) при этом равен:

Фрез=Фf-Фст

т.е. размагничивающее действие потока статора максимально.

Следует, правда, учесть, что магнитный поток Фст несколько уменьшается по сравнению с начальным моментом вследствие уменьшения периодической составляющей тока КЗ. Таким образом, при отсутствии на генераторе АРВ установившееся значение периодической составляющей тока КЗ (действующее значение обозначается как I∞) оказывается меньше его начального значения.

Апериодическая составляющая тока КЗ затухает, как было показано выше, по экспоненте с постоянной времени Ta. В рассматриваемом случае сопротивления цепи КЗ и генератора соизмеримы, поэтому при вычислении Ta необходимо учитывать соответствующие сопротивления обмотки статора. Таким образом,

(17)

Длительность переходного процесса КЗ для современных генераторов обычно составляет не более 3-5 с. Как и в случае питания цепи КЗ от шин неизменного напряжения, максимальное значение полного тока — ударный ток имеет место обычно через 0,01 с после начала процесса.

При определении ударного тока условно считают, что к этому времени периодическая составляющая тока не претерпевает существенных изменений и равна, как и в начальный момент КЗ, Учитывается лишь затухание апериодической составляющей, максимальное начальное значение которой принимается равным также Iп,m.

На основании принятых допущений ударный ток определится как (рис.5,а).

• Учитывая, что Iп,m=Iп,0√2 и выражение в скобках представляет собой значение ударного коэффициента ky, получаем:
• iy=Iп,0ky√2 (18)

Рассмотрим теперь, как будет происходить процесс КЗ при включенном АРВ.

В этом случае снижение напряжения при КЗ компенсируется увеличением тока возбуждения, причем при снижении напряжения на выводах генератора ниже 0,85-0,9 номинального срабатывает форсировка возбуждения, обеспечивающая нарастание возбуждения генератора до предельного значения. Таким образом, АРВ изменяет магнитный поток возбуждения Фy, ЭДС генератора, а следовательно, и ток КЗ (рис.8).

Рис.8. Кривые изменения тока КЗ синхронного генераторапри наличии автоматического регулятора напряжения

Все АРВ действуют с небольшим запаздыванием. Кроме того, значительная индуктивность обмотки возбуждения генератора приводит к задержке увеличения тока ротора. В результате этого действие АРВ начинает проявляться только спустя некоторое время после возникновения КЗ.

Из сказанного можно сделать вывод, что АРВ не влияют на ток КЗ в первые периоды короткого замыкания.

Рис.9. Характер изменения периодической составляющей тока КЗ для генераторов с АРВпри различной удаленности места повреждения: а — КЗ на зажимах генератора (1 — генератор без АРВ: 2 — генератор с АРВ).

б — КЗ за сопротивлением xк (1 — xк=x»d; 2 — xк= 5x»d).

в — КЗ в удаленной точке

Глубина снижения напряжения на выводах генератора при КЗ, а следовательно, и реакция системы регулирования зависят от электрической удаленности места повреждения. На рис.

9 приведены кривые изменения действующего значения периодической составляющей тока КЗ во времени при различной удаленности места КЗ от генератора.

При коротком замыкании на выводах машины работа АРВ оказывает слабое влияние на ток КЗ, так как размагничивающее действие реакции якоря преобладает (рис.9,а).

С увеличением хк отношение установившегося тока I∞ к начальному Iп,0 возрастает. При определенных значениях хк I∞ может быть больше Iп,0.

Обычно это имеет место, когда сопротивление хк превышает сопротивление генератора в 4-6 раз. В этом случае форсировка возбуждения не только компенсирует снижение напряжения на генераторах, но и сообщает дополнительное приращение потоку и ЭДС (рис.9,б).

При дальнейшем увеличении электрической удаленности места повреждения ток КЗ уменьшается и короткое замыкание все в меньшей степени влияет на работу генератора.

Удаленной точкой КЗ условно называют такое место в электрической сети, при коротком замыкании в котором ток в генераторах станций изменяется настолько незначительно, что можно пренебречь изменением ЭДС и напряжений генераторов и считать напряжение на их зажимах неизменным и равным номинальному.

Поэтому при коротком замыкании в удаленной точке периодическая составляющая тока не изменяется и с первого же момента времени ток КЗ принимает свое установившееся значение Iп,0=Iп,i=I∞.

   

Источник: http://www.gigavat.com/obschie_svedeniya_ob_elektroustanovkah6.php

Защита от токов короткого замыкания

:

В электротехнике нередко возникают различные аварийные ситуации, из которых наибольшую опасность представляет короткое замыкание.

В таких случаях источники напряжения начинают работать в особом режиме, вызывающем разрушения всех составляющих электрической цепи, расположенных на данном участке.

Основном причиной этого явления считается прямое замыкание между собой выходных клемм генератора или аккумуляторной батареи. Вся мощь источника тока сосредотачивается в одном месте, сжигая оборудования и травмируя находящихся рядом людей.

Поэтому при работе с электрическими сетями большое значение приобретает надежная защита от короткого замыкания, осуществляемая разными способами. Ее основная функция заключается в предотвращении опасных ситуаций и локализации возможных негативных последствий.

Физические свойства данного явления

Опасность короткого замыкания напрямую связана с физическими законами, объясняющими природу этого явления.

В первую очередь, это закон Ома, согласно которого ток в электрической цепи находится в прямой пропорции с напряжением и в обратной пропорции – с сопротивлением (I = U/R).

То есть, при малом сопротивлении ток будет высокий, а при большом он пропорционально снижается. Кроме того, при росте напряжения одновременно возрастает и сила тока.

Сопротивление при коротком замыкании представляет собой сумму сопротивлений проводов и контактов вместе с внутренним сопротивлением источника питания. Как правило, в бытовых условиях их значения чрезвычайно малы и составляют всего лишь несколько долей Ом. Проводка домашней сети рассчитана на 16-40 ампер, тогда как в момент короткого замыкания ток может доходить до сотен, и даже тысяч ампер.

Явление КЗ тесным образом связано еще и с законом Джоуля-Ленца. Он касается количества теплоты, выделяемой на данном участке за единицу времени.

Ее значение определяется квадратом силы тока умноженном на сопротивление этого участка цепи. Это означает рост выделяемого тепла проводником при повышении его сопротивления.

Каждый проводник обладает собственным сопротивлением, но греются они все без исключения, но выделяют при этом разное количество тепла.

Во избежание перегрева, сечение каждого из них подбирается под определенную силу тока.

В противном случае слишком тонкие проводники под высокими нагрузками становятся горячими, а провода с большим сечением практически не греются, поскольку успевают отдать тепло с большой площади в окружающую среду. Все эти физические законы и явления обязательно учитываются, когда оборудуется защита от токов короткого замыкания.

Виды коротких замыканий

Данное явление нередко наблюдается под действием природных электрических аномалий. Как правило, это мощные грозовые разряды, сопровождаемые молниями. Их основным источником служит статическое электричество с огромным потенциалом, с различными знаками и величинами, накопленное облаками в процессе перемещения силой ветра с одного места на другое на большие расстояния.

Влажные пары, находящиеся в облаке, поднимаются на высоту, охлаждаются естественным путем. Образующийся конденсат проливается на землю в виде дождя. Из-за низкого сопротивления влажной среды воздушная прослойка подвергается пробою, по которому и проходит высокий электрический ток, представляющий собой молнию.

Для прохождения электрического разряда требуется два отдельных объекта с разными значениями потенциалов. Чаще всего, это два облака, идущие на сближение, или сама грозовая туча и поверхность земли.

В первом случае опасность грозит в основном летательным аппаратам, а во втором под действие разряда могут попасть любое устройство или объект, в том числе и воздушные ЛЭП.

Защита обеспечивается путем установки молниеотводов, нейтрализующих грозовые разряды.

В других случаях коротким замыканиям подвергаются цепи постоянного тока. У всех аккумуляторов или выпрямителей на выходе установлены контакты с положительным и отрицательным потенциалом. В обычных условиях они поддерживают рабочий режим схемы, обеспечивая нормальную работу потребителей.

Все процессы определяются математическим выражением закона Ома для полной цепи. Происходит равномерное распределение нагрузки в обоих контурах – внутреннем и внешнем.

При возникновении аварийной ситуации, между плюсовой и минусовой клеммами возникает непредвиденный контакт в виде короткой цепи, в которой чрезвычайно низкое электрическое сопротивление.

Внешний контур выключается из работы, и циркуляция тока происходит лишь по внутреннему контуру с маленьким сопротивлением. ЭДС, при этом, остается неизменной, что приводит к резкому росту силы тока.

Все это сопровождается большим тепловыделением и нарушениями целостности цепи.

Процессы в цепях переменного тока также попадают под действие закона Ома. В отличие от предыдущего варианта, эти схемы могут быть одно- или трехфазными, подключаться к заземляющему контуру. Короткие замыкания в таких цепях возникают в самых разнообразных формах: «фаза-земля», «фаза-фаза», «фаза-фаза-земля», «фаза-фаза-фаза», «фаза-фаза-фаза-земля».

В воздушных ЛЭП применяются изолированная и глухозаземленная схемы подключения нейтрали. В каждой из них ток короткого замыкания будет прокладывать собственный путь, который обязательно учитывается при создании защитной системы.

Иногда замыкания могут возникнуть внутри самой нагрузки, например, в электродвигателях. При одной фазе возможен пробой изоляции корпуса или нулевого проводника.

У трехфазных потребителей возможны замыкания между фазами и другие аналогичные сочетания. В любом случае все это приводит к аварийному режиму с тяжелыми последствиями.

Предотвратить подобные ситуации помогает автомат снимающий опасное напряжение с участка цепи и подключенного оборудования.

Правильный выбор сечения проводов и кабелей

Основным мероприятием по защите от коротких замыканий является выбор подходящего сечения для кабелей и проводников. Следует учитывать и условия будущей эксплуатации, а также оборудование, которое планируется к подключению.

Способность проводников к работе в условиях продолжительных нагрузок целиком зависит от площади сечения жил, измеряемой в мм2. Существуют специальные таблицы, облегчающие выбор, в которых подробно расписаны показатели проводников, в соответствии с нагрузкой, учитывая электрические параметры сети.

Все проводники выбираются с некоторым запасом, поэтому в большинстве домашних сетей на освещение используются проводники 1,5 мм2, а для розеточной группы – 2,5 мм2. При необходимости выполняются индивидуальные расчеты электропроводки, исключающие перегрев и другие негативные последствия.

Следует учитывать и материал проводников. Например, сопротивление алюминия примерно в 1,8 раза превышает этот показатель у меди. То есть, при одинаковой силе тока и сечении, алюминиевая жила нагреется в 2 раза быстрее.

Поэтому в современных схемах проводки используется кабельно-проводниковая продукция только с медными жилами. Алюминиевые провода используются лишь в электроустановках высокой мощности и для передачи электроэнергии по ЛЭП.

Электротехнические средства защиты

Защитить электрическую цепь от КЗ помогают различные типы предохранителей. Наиболее простыми считаются плавкие предохранители одноразового действия, различающиеся по внешнему виду.

Они выступают в качестве наиболее слабого звена и в случае аварии срабатывают, разрывая цепь и защищая вверенный участок.

Жертвуя собой, эти компоненты предотвращают разрушение и выход из строя других, более важных приборов от действия высоких температур, образовавшихся из-за резкого увеличения силы тока.

Плавкие предохранители для защиты от короткого замыкания выпускаются в широком ассортименте и могут работать с напряжением 600-35000В и силой тока от нескольких миллиампер до 1 тысячи ампер. Конструкция у всех одинаковая, состоит из плавкой вставки, контакта, дугогасящей среды или устройства для гашения дуги. Все элементы размещаются в общем корпусе.

Срабатывание предохранителя происходит следующим образом. Вначале вставка нагревается до температуры плавления, после чего она расплавляется и испаряется. Одновременно возникает электрическая дуга, которая быстро гасится в изоляционном промежутке. После этого цепь в электроустановках оказывается полностью разорванной.

Обеспечить нормальную защиту можно лишь соблюдая определенные условия:

• Времятоковая характеристика предохранителя должна быть ниже этого показателя на защищаемом участке.
• Срабатывание происходит за минимальный промежуток времени.
• Защитный элемент должен обладать высокой отключающей способностью.
• Простая конструкция, позволяющая быстро заменить сгоревшую плавкую вставку.

Кроме одноразовых, существует автоматический предохранитель, проводящий ток в нормальном состоянии, и отключающий его в случае отклонений от нормы. Он устанавливается в начале линии и обеспечивает защиту электрооборудования от перегрузок, коротких замыканий и пониженного напряжения. Основным плюсом этих устройств считается их многоразовое использование в течение продолжительного времени.

Более серьезная защита от короткого замыкания, получившая широкое распространение, представлена автоматическим выключателем он же автомат. Все компоненты устройства помещены в корпус из диэлектрического материала.

Для включения и выключения прибора предусмотрен выключатель-рычажок. Подключение проводов осуществляется через винтовые клеммы. Автомат коммутирует электрическую цепь с помощью подвижного и неподвижного контактов.

К подвижному контакту подводится пружина, обеспечивающая быстрое расцепление. Сами контакты разъединяются за счет действия электромагнитного или теплового расцепителя.

Первое устройство срабатывает практически мгновенно, сердечник втягивается, когда ток превышает заданное значение. Тепловой расцепитель является биметаллической пластиной, нагревающейся под действием тока.

Далее, она сгибается и производит разъединение контактов. Величина тока срабатывания устанавливается с помощью регулировочного винта.

Источник: https://electric-220.ru/news/zashhita_ot_korotkogo_zamykanija/2019-07-16-1718

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.

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:

1. Поражение человека электрическим током и выделяющимся теплом.
2. Пожар.
3. Выход из строя приборов.
4. 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.


Источник: https://Zaochnik-com.ru/blog/chto-takoe-korotkoe-zamykanie-opredelenie-obyasnenie-dlya-chajnikov/

Короткое замыкание: причины, классификация, защита :: SYL.ru

Даже человек, далекий от электричества, хоть раз в жизни, но сталкивался с явлением, которое получило название «короткое замыкание». Для того чтобы обезопасить себя, своих близких, а также свое жилье и электроприборы от этого процесса, следует тщательно разобраться в его природе, причинах возникновения и разновидностях.

Понятие и характеристика короткого замыкания

Короткое замыкание с точки зрения электротехники представляет собой явление, при котором сопротивление электрической цепи, состоящей из нескольких проводов, крайне незначительно, и его вполне можно сопоставить с сопротивлением самих проводов.

В этом случае согласно закону Ома сила тока превысит свое номинальное значение сразу в несколько раз, причем произойдет это практически в одно мгновение.

Это, в свою очередь, приведет к тому, что электрическая цепь разорвется намного раньше, чем произойдет критическое увеличение температуры проводов.

Основные причины короткого замыкания

Как показывает практика, короткое замыкание возникает чаще всего из-за того, что по каким-либо причинам оказывается нарушенной внешняя изоляция проводов или электрического оборудования.

Это, в свою очередь, может быть связано и с постепенным старением основных элементов электрической цепи, и с ее механическими повреждениями, и даже с ударом молнии.

Кроме того, в последние годы на предприятиях участились случаи, когда короткое замыкание становилось следствием недобросовестного обслуживания электрооборудования со стороны соответствующих служб.

Искусственное замыкание

Впрочем, в работе фабрик и заводов может наступить такой момент, когда возникнет потребность вызвать это явление искусственным путем. В частности, преднамеренное короткое замыкание достаточно часто используют в цепи трансформаторных подстанций, которые действуют на понижении тока.

Для этого используется специальное оборудование – короткозамыкатели, выполняющие роль своеобразных контролеров.

В том случае, если на линии или в самом трансформаторе возникнет какое-либо повреждение, то этот прибор искусственно вызовет короткое замыкание, цепь окажется разорванной и никаких тяжелых последствий (например пожара) не будет.

Последствия короткого замыкания

Данное явление приводит к весьма серьезным последствиям. Во-первых, достаточно часто оно сопровождается выходом из строя электроустановок и возникновением в них пожаров. Во-вторых, из-за резкого увеличения силы тока в цепи отдельные части кабеля могут быть подвергнуты механическому воздействию, в результате чего появятся механические и термические повреждения. В-третьих, достаточно часто короткое замыкание сопровождается значительным падением напряжения в цепи или на отдельных ее участках. Это, в свою очередь, ведет к ухудшению работы электрооборудования. Наконец, в-четвертых, это явление оказывает крайне негативное влияние на находящиеся поблизости приборы, провода и другое электрическое оборудование.

Способы защиты от короткого замыкания

Защита от короткого замыкания включает в себя целый комплекс мер, исходным пунктом в которых является профилактика повреждений линий электропередач и оборудования. Кроме того, чтобы предотвратить возникновение пожара, используют специальные приборы – плавкие ставки, которые при замыкании сгорают и размыкают электрическую цепь.

Выполнение правил техники безопасности как основной способ профилактики короткого замыкания

Мощность короткого замыкания зависит от множества факторов, главным из которых является сила тока в цепи. В то же время следует помнить, что любое подобное явление представляет собой потенциальную опасность для человека, поэтому при работе с электричеством следует четко придерживаться правил техники безопасности.

Источник: https://www.syl.ru/article/84749/korotkoe-zamyikanie-prichinyi-klassifikatsiya-zaschita

Короткое замыкание

Одним из самых опасных моментов для работы электрических сетей является процесс короткого замыкания.

Он связан с высокими токовыми перегрузками, выбросом большого количества тепловой энергии и, как следствие, нарушением надёжности электроснабжения потребителей и подключенного к источнику энергии оборудования.

В этом режиме неизбежно отключение повреждённого участка от сети, значит, перебои в электроснабжении при устранении аварии.

Что собой представляет КЗ

Что такое короткое замыкание

Короткое замыкание (сокращённо КЗ) – это аварийный режим электрической цепи, который представляет собой соединение двух точек этой цепи с разницей потенциалов.

Так как это аварийный режим работы, то он не предусматривается конструкцией устройства или линией электроснабжения, находящейся под напряжением.

Возникновение процесса КЗ связано с резким увеличением силы тока, до максимально возможного значения, при этом масштабы повышения характеризуются мощностью источника питания. Также увеличение тока в режиме замыкания сопровождается снижением величины напряжения, так как происходит падение напряжения.

Важно! Увеличение силы тока вызывает повышенный резкий перегрев проводников. Соответственно, для надёжности электроснабжения в случае возникновения короткого замыкания любая (без исключения) цепь должна иметь надёжные инструменты и быстро реагирующую аппаратуру для аварийного отключения потенциально опасного участка от источника напряжения.

Почему короткое замыкание так называется

Основные понятия о релейной защите

Почему короткое замыкание так называется? Этот процесс выхода устройства или электрической цепи из нормального режима работы получил своё название, благодаря низкому сопротивлению между точками соприкосновения цепи с разным потенциалом. Так как доказано, что электроны двигаются по самому короткому пути с минимальным электрическим сопротивлением, то во время соединения двух проводников в точке КЗ их путь будет кротчайшим, поэтому этот процесс получил соответствующее название.

Причины возникновения короткого замыкания

Коротит проводка — причины и способы устранения проблемы

Несмотря на то, что этот нежелательный аварийный процесс считается случайным, на его создание могут влиять следующие причины, связанные с некачественным монтажом или неправильной эксплуатацией электрического оборудования (цепей). Вот основные причины появления короткого замыкания:

1. Снижение качества изоляции токоведущих проводников. Это одна из самых распространенных причин перехода сети в режим КЗ, который возникает вследствие пересыхания, механического повреждения или разрушения изоляции между проводниками с разным потенциалом. Чаще всего все перечисленные причины снижения сопротивления изоляции и её разрушения связаны с воздействием на неё вредных факторов, на которые она не рассчитана. Например, при длительном воздействии солнечных лучей на изоляцию, которая боится ультрафиолетового излучения, происходят пересыхание, потрескивание и, как следствие, короткое замыкание.

Нужно отметить! У любой изоляции есть свой срок использования, старение её приводит к аварийным режимам.

1. Изменение физических параметров электрической сети, например, перенапряжение. Такое явление возможно во время грозы, а именно попадания молнии в проводник с током.
2. Неправильная коммутация, ошибки монтажа или укладки кабеля, с несоответствием техническим условиям, заявленным заводом производителем.

Любой электромонтажник или электромонтер не застрахован от ошибочных, неправильных действий при монтаже электропроводки или при выполнении оперативных переключений.

В низковольтных цепях такие ошибки менее опасны, чем в высоковольтных цепях с мощными источниками энергии, например, на высоковольтных силовых подстанциях электроснабжения.

Даже с современными элементами и устройствами защиты от превышения нагрузок процесс КЗ в силовых высоковольтных цепях опасен не только для оборудования, но и для обслуживающего персонала, из-за появления мощной электрической дуги.

1. Длительная эксплуатация электрического оборудования и линий в режиме перегрузок или в условиях с завышенными температурами окружающей среды. Это приводит к перегреву изоляции между обмотками электрооборудования, значит, происходит снижение сопротивления изоляции, которое в какой-то момент достигает критического значения.

Выполнение монтажа качественными материалами, правильная организация работ в электроустановках, а также своевременное обслуживание, с заменой повреждённых участков линии, снизят риск появления короткого замыкания.

Виды коротких замыканий

Рассматривая трёхфазные электрические сети и аварийные режимы в них, можно выделить следующие возможные виды короткого замыкания:

1. трёхфазное – три фазных провода замыкаются между собой;
2. однофазное – электрическое соединение фазного провода с земляным, нейтральным или токопроводящим элементом, которые присоединены к земле;
3. двухфазное – замыкание двухфазных проводов с разным потенциалом между собой;
4. двухфазное замыкание на землю – это два любых фазных провода с током замыкаются между собой и прикасаются к земле или заземлению.

Замыкание внутри электрических устройств и оборудования – это процесс, идентичный КЗ, но происходит он из-за ухудшения изоляции внутри электрических машин и чаще всего требует замены статорной или роторной обмотки. Внутри электрических машин короткое замыкание может быть двух типов:

1. межвитковое, снижающее сопротивление обмоток до критического значения;
2. замыкание обмотки на корпус, который изготовлен из токопроводящего материала.

Как предотвратить КЗ, защита от него

Так как КЗ – это аварийный режим, то существуют способы защиты от этого опасного процесса и его предотвращения:

• Быстродействующая электромагнитная или электронная защита от мгновенного увеличения тока в нагрузке или линии, которая максимально быстро отключит аварийный участок цепи от напряжения. Для этого используются автоматические выключатели, предохранители, дифференциальные автоматы. В домашних условиях для защиты от КЗ достаточно установить на группу приборов правильно рассчитанный автоматический выключатель (АВ).
• Для высоковольтных линий и силовых цепей подстанций используются масляные (вакуумные и другие) аппараты коммутации с настроенной и проверенной защитой от резкого увеличения тока на отходящих линиях.

Способ предотвращения короткого замыкания в тот момент, когда этот процесс уже произошел, простой: он заключается в немедленном автоматическом отключении участка цепи от напряжения. В принципе, любой автоматический выключатель имеет внутри конструкции электромагнитный разцепитель, который при превышении номинального тока разрывает цепь нагрузки достаточно эффективно и быстро.

Важно! Защита от КЗ должна быть надёжной и быстродействующей, это два основных правила безопасной эксплуатации электрических цепей.

Виды предохранителей и автоматических выключателей

Так как предохранители и автоматические выключатели – это самые распространённые элементы защиты участков цепей от коротких замыканий, то стоит рассмотреть основные виды этой токоограничивающей аппаратуры.

Предохранители делятся на три основные группы, которые отличаются по типу срабатывания:

• с плавкой вставкой;
• электромеханические с повторным взводом путём нажатия кнопки;
• электронные (редко применяемые в быту).

Автоматические выключатели делятся по количеству полюсов:

• однополюсные;
• двухполюсные;
• трёхполюсные.

Подбор данной аппаратуры для отключения напряжения вследствие короткого замыкания связан с величиной напряжения сети, номинальной силой тока и порога срабатывания защиты. В зависимости от назначения электроустановки, конструктивных особенностей, а также местных условий работы, проектировщики выбирают необходимую и максимально эффективную систему защиты от КЗ.

Автоматический выключатель считается более надёжным и быстродействующим элементом защиты от короткого замыкания, нежели предохранитель, даже если автомат включить повторно на цепь с коротким замыканием – это не так опасно для человека, нежели установка предохранителя под нагрузкой и напряжением.

Что такое УЗО

Появившиеся недавно на рынке защитного оборудования системы УЗО (внешне похожи на автоматические выключатели) – это надёжные устройства для защиты от токовой утечки из-за появления повреждений изоляции, которые выявляются за счёт токового перекоса цепи.

Данная система отлично справляется с защитой от попадания человека под напряжение, но никак не от короткого замыкания.

Таким образом, установка УЗО повышает безопасность участка цепи и обслуживаемого оборудования, но это не значит, что в этой цепи не требуется установка автоматических выключателей с токовым разцепителем.

Внимание! Существует ошибочное мнение, что устройство защитного отключения (УЗО) защитит цепь от короткого замыкания. УЗО выполняет защитную функцию при попадании человека под опасное напряжение сети (потенциал), а также реагирует на ухудшение сопротивления изоляции, которое в дальнейшем может привести к замыканию на землю или на нулевой проводник.

Последствия короткого замыкания

Согласно закону Ома, при снижении сопротивления в цепи, которое характерно при КЗ, происходит пропорциональное многократное увеличение силы тока. При этом увеличение тока сопровождается значительным выделением тепла, согласно закону Джоуля Ленца, что приводит к возгоранию, пожару, нагреву и расплавлению изоляции на проводах с током.

Что такое КЗ и его последствия, часто видят и знают пожарные службы, которым приходится устранять возгорания, а также электромонтёры с опытом работы в электроустановках.

Короткое замыкание у одного из потребителей способно нарушить электроснабжение и привести к отключению целого участка энергосистемы, поэтому установка, обслуживание, а также проверка срабатывания токоограничивающей защиты являются очень важными и актуальными.

Чем опасно КЗ и его последствия

Преднамеренное использование

Короткое замыкание лишь в некоторых случаях оправдывает себя, а именно:

• Для обесточивания участка цепи, на которой человек попал под воздействие опасного напряжения. Если индивид попадает под опасный потенциал, а в цепи нет УЗО, и автоматический выключатель находится далеко от места происшествия, то для спасения человека выполняется искусственное КЗ, отключающее линию;
• При отключении цепей высоковольтных участков от источника напряжения с помощью короткозамыкателей. Короткозамыкатель – это коммутационный аппарат, имеющий мощную контактную часть, которая конструктивно рассчитана и предназначена для создания искусственного короткого замыкания в сетях электроснабжения;
• В сварочных аппаратах. Конструкция этих устройств рассчитана на технологическое создание электрической дуги. За счёт низкого напряжения (практически безопасного) и электрического соединения с землёй через сварочный электрод, который плавится, выполняется сваривание металлических поверхностей.

Преднамеренное короткое замыкание с помощью короткозамыкателя

Электрическая энергия и возникающее в сетях короткое замыкание – это опасный процесс, который может привести к ужасным последствиям с человеческими жертвами.

Однако, если правильно рассчитать и установить токоограничивающие аппараты, а также своевременно проверять их работоспособность, то его можно контролировать.

Быстрое реагирование качественной защитной аппаратуры на режим КЗ предотвратит крупные аварии.

Видео

Источник: https://amperof.ru/teoriya/korotkoe-zamykanie.html