Короткое замыкание что это простыми словами
Что такое короткое замыкание?
Определение и особенности.
Короткое замыкание (short-circuit) — это случайный или преднамеренно созданный проводящий путь между двумя или более проводящими частями, вызывающий уменьшение разности электрических потенциалов между этими проводящими частями до нуля или значения, близкого к нулю (определение согласно ГОСТ 30331.1-2013 [1]).
Харечко Ю.В. в своей книге [2] дополняет:
« Короткое замыкание характеризуется током короткого замыкания, который может многократно превышать значение номинального тока электрической цепи и допустимые длительные токи ее проводников. Даже кратковременное воздействие тока короткого замыкания на элементы электроустановки здания может вызвать их возгорание и явиться причиной пожара в здании. Поэтому в электроустановках зданий всегда проводят мероприятия, направленные на снижение вероятности возникновения короткого замыкания, а также выполняют защиту от короткого замыкания с помощью устройств защиты от сверхтока – автоматических выключателей и плавких предохранителей. »
Причины возникновения короткого замыкания.
Харечко Ю.В. в своей книге [2] описывает причины возникновения короткого замыкания следующим образом:
« Короткое замыкание обычно возникает в условиях единичного или множественных повреждений изоляции каких-то проводящих частей, находящихся под разными электрическими потенциалами. Эти проводящие части замыкаются друг на друга, образуя между собой электрические контакты с ничтожно малыми переходными сопротивлениями. Такие короткие замыкания обычно возникают из-за случайных повреждений изоляции проводящих частей. »
« В электроустановках зданий могут происходить однофазные короткие замыкания, когда замыкаются фазный и нейтральный проводники, двух- и трехфазные короткие замыкания, когда замыкаются два или три фазных проводника. В условиях повреждений возможно также короткое замыкание на землю, когда части, находящиеся под напряжением, замыкаются на открытые и сторонние проводящие части, а также защитные проводники. Если подобное короткое замыкание на землю происходит в электроустановке здания, соответствующей типу заземления системы TN‑S, TN‑C или TN‑C‑S, ток замыкания на землю может быть равен току однофазного короткого замыкания. »
В качестве примера, на рисунке 1 показан путь протекания тока замыкания на землю Iз для распространенной системы TN-C-S, который возник при коротком замыкании между фазным и нейтральным проводниками в электроустановке здания. При этом, максимальное значение тока замыкания на землю в системе TN-C-S равно току однофазного короткого замыкания между фазным и нейтральным проводниками.
Короткое замыкание также может быть результатом действий, совершаемых персоналом при монтаже и эксплуатации электроустановки здания, когда по ошибке соединяют между собой проводящие части, которые в нормальных условиях находятся под разными электрическими потенциалами. Например, ошибочное электрическое соединение между собой фазного и нейтрального проводников или двух фазных проводников разных фаз какой-то электрической цепи переменного тока, полюсного и среднего проводников или двух полюсных проводников электрической цепи постоянного тока неминуемо приводит к короткому замыканию.
Частные виды коротких замыканий.
В стандарте МЭК 60909‑0 [3] также определены следующие термины, характеризующие частные виды короткого замыкания:
В электрических системах переменного тока первому термину соответствует термин «двухфазное короткое замыкание», посредством которого идентифицируют замыкание между двумя фазными проводниками разных фаз. Применительно к электрическим системам постоянного тока применяют термин «двухполюсное короткое замыкание», с помощью которого определяют замыкание между двумя полюсными проводниками. Аналогом второго термина является термин «короткое замыкание на землю».
Короткое замыкание с точки зрения физики
Электрические цепи всегда рассчитаны на определённую силу тока. Если по этой или иной причине сила тока в электрической цепи становится больше допустимой, то провода могут значительно нагреться, а покрывающая их изоляция — воспламениться.
Причиной значительного увеличения силы тока в электрических цепях может быть или одновременное включение мощных потребителей электрического тока, например, электрических плиток, или короткое замыкание.
« Коротким замыканием называют соединение концов участка электрической цепи проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением участка электрической цепи. »
Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
Короткое замыкание может возникнуть, например, при ремонте электропроводки под электрическим током или при случайном соприкосновении с открытыми контактами.
Электрическое сопротивление цепи при коротком замыкании незначительно, поэтому в электрической цепи возникает большая сила тока, провода при этом могут сильно накалиться и стать причиной пожара. Чтобы избежать этого, в электрические цепи включают предохранители.
Назначение предохранителей — сразу отключить линию, если сила тока вдруг окажется больше допустимой нормы. Они защищают электроприборы от выхода из строя при перегрузках в электрической цепи.
Предохранители устанавливают на входе электроприборов, радиоприборов и электроустановок.
Что такое короткое замыкание — причины, чем опасно и что делать
Для того чтобы понять что такое короткое замыкание, необходимо рассматривать это явление не как физический процесс перемещения тока, а как работу конкретной электрической системы. Коротким замыкание может быть только в полностью сформированной электрической сети.
Что такое короткое замыкание
Проблема заключается не только в том, что при коротком замыкании потребители не получают энергию, но и в разрушении всей системы
Каждая электрическая цепь рассчитана на определённое количество потребителей, длину и состояние проводников, напряжение и другие специфические характеристики. До тех пор, пока в этой цепи всё соответствует системным признакам, потребители электроэнергии не знают проблем.
При соединении проводников там, где этого быть не должно, вся система меняется. Ток перемещается по короткому пути, в то время как вся электрическая сеть обесточивается.
Дело в том, что при соединении проводников сила тока в короткой системе резко увеличивается, это приводит к перегреву проводов и возгоранию. Часть проводников системы разрушается, в результате чего прохождение электроэнергии по цепи прекращается, а возгорание может перейти в пожар.
Причины возникновения
Короткое замыкание обычно возникает там, где нарушается изоляция между проводами. В результате они соединяются, а ток направляется по другой цепи. Нарушение изоляции может возникнуть по причинам:
Если обобщить все причины, то наиболее распространённым следует считать действия человека. На втором месте оказывается износ системы. Третье место занимает фактор стихийного бедствия, то есть молнии, землетрясения, наводнения и т. д.
Чем опасно короткое замыкания и что делать, если оно возникло
Перед тем как тушить возгорание, необходимо обесточить сеть
Главная опасность при укорачивании электрической цепи состоит в прохождении электричества через человека, а также в появлении очага возгорания. По сравнению с этим отсутствие электроэнергии у потребителей окажется мелочью, недостойной внимания.
Если произошло КЗ, необходимо следовать алгоритму:
Короткое замыкание — это чрезвычайная ситуация. Действовать в ней нужно грамотно и быстро, но без суеты и паники, стараясь свести к минимуму негативные последствия этого явления.
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:
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.
В чем опасность?
Последствия короткого замыкания могут быть следующими:
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:
Варианты защиты от КЗ
В качестве защиты от возникновения короткого замыкания можно использовать:
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.
Что такое ток короткого замыкания и петля фаза-ноль
Сегодня будет статья о токе короткого замыкания и сопротивлении петли фаза-ноль. Разберёмся, как эти понятия связаны между собой, и какую ценность имеет эта информация для практикующего электрика. С одной стороны – всё можно объяснить на законе Ома, с другой – это очень и очень обширная тема, и я не знаю, хватит ли одной статьи.
Скажу сразу, что я не претендую на полноту изложения информации. Поэтому в конце, как всегда, будут выложены для скачивания несколько хороших книг на тему статьи.
Что такое короткое замыкание?
Многие знают такое устойчивое выражение – “короткое замыкание”. Кроме названия известного блокбастера из 90-х, эти слова ассоциируются у обывателя с частой причиной пожаров. На эту тему гуляет множество мифов и штампов. Я решил разобраться, что тут к чему и зачем всё это нужно.
Короткое замыкание (КЗ) – это такой режим работы электросети, или явление, при котором в цепи в месте замыкания протекает максимально возможный ток. Это событие – трудно предсказуемое и аварийное, и чем быстрее оно прекратится, тем лучше. При возникновении КЗ вся энергия источника питания тратится только на нагрев проводов. Кроме того, возможны динамические (механические) последствия. Процесс этот обычно очень скоротечный и взрывообразный, поскольку тепловая энергия выделяется колоссальная. Если не прекратить это безобразие как можно быстрее (какими способами это делается – разберёмся ниже), то КЗ может привести к большим материальным и человеческим потерям.
Время отключения автоматических выключателей бытовых серий при КЗ на землю должно быть менее 0,4 с (ПУЭ 1.7.79, 7.1.72). Если скорость не обеспечивается из-за низкого тока КЗ, выключение должно происходить посредством устройств, реагирующих на дифференциальный ток (УЗО, АВДТ), время реакции будет (согласно ГОСТ) менее 0,04 с.
Замыкание может происходить между любыми точками электрической цепи, обладающими разным потенциалом. Вот как это выглядит в трехфазном варианте:
Короткие замыкания в системе питания с системой заземления TN-S. Кто увидит ошибку на схеме?
На рисунке условно показана вторичная обмотка понижающего трансформатора, установленного в трансформаторной подстанции (ТП), пятипроводная линия электропередачи и трехфазная электроустановка. Электроустановкой может быть частный или многоквартирный дом, а может и что-то промышленное.
Замыкания могут быть в разных вариантах:
Если рассматривать наиболее безопасную систему заземления TN-S с глухозаземленной нейтралью трансформатора, то наиболее часто (на практике – около 90%) встречается однофазное замыкание между фазным проводом и нейтралью N (либо защитным проводником РЕ). Поэтому далее будет рассматривать более простой, однофазный вариант:
Короткое замыкание на нейтральный и защитный проводники
Замыкание может произойти где угодно – хоть около трансформаторной подстанции (ТП) из-за невнимательности экскаваторщика, хоть в квартире из-за кота, уронившего ёлку. В любом случае, защита должна отработать чётко, сведя к минимуму последствия КЗ.
Кстати, у нас однажды кошка уронила ёлку. Выкинули её с 5-го этажа.
Причины короткого замыкания
Пример, который оценят женщины (чудо, если они будут читать эту статью) – из-за постоянных перегибов ухудшается изоляция, и в один “прекрасный” момент фен или утюг “бахают” на вводе или около вилки.
Другой пример – из-за механической поломки или внешнего воздействия токоведущие части по какой-то причине оказываются слишком близко друг к другу, вплоть до полного соприкосновения. Это может случиться из-за природных явлений (упало дерево на провода), ударов, падений электроприборов.
Ну и классический пример – КЗ из-за вмешательства в электропроводку домашних “мастеров на все руки”. По законам жанра, у мастера после этого инцидента обязательно должны стоять дыбом волосы, а лицо быть черным. Мне от таких картинок не смешно – всё происходит по другому.
Как избежать КЗ?
Понятно, что полностью избежать этого неприятного явления невозможно – тут велик элемент случайности. Однако, в наших силах существенно снизить риск возникновения КЗ. И тут колоссальное значение приобретает регулярный осмотр и техническое обслуживание электросетей.
Примеры превентивных мер:
Как думаете, какие нужны превентивные меры защиты от КЗ на фото ниже?
Водосточная труба, электрощиты и гофра, уходящая под плитку. Инсталляция в старой части Батуми
В серьезных организациях регулярно проводят проверку кабелей и контактов тепловизором, а также измерение сопротивления изоляции и испытания изоляции высоковольтным напряжением.
Замыкание и перегрузка
Чем отличаются эти два явления – короткое замыкание и перегрузка?
В электрической цепи можно выделить 4 принципиально разных режима, которые отличаются по току потребления:
То есть, перегрузка от короткого замыкания отличается величиной сверхтока. При КЗ ток становится максимально возможным в данной точке цепи, а при перегрузке значение тока больше номинального, но меньше тока КЗ.
Любые токи выше номинального называются сверхтоком.
Из-за перегрузки может легко возникнуть КЗ – провода греются, изоляция плавится, и так далее, со всеми вытекающими, стреляющимися и взрывающимися последствиями.
Не стоит путать перегрузку, короткое замыкание и искрение (дуговой пробой). Если первые два понятия отличаются значением сверхтока, то при последовательном дуговом пробое (например, ослабла затяжка клеммы в розетке) действующее значение тока может быть совсем незначительным (единицы ампер), что не вызовет срабатывания ни автоматического выключателя, ни УЗО. Спасти ситуацию от пожара сможет лишь Устройство защиты от искрения (от дугового пробоя), которое ещё встречается сравнительно редко.
По таким устройствам у меня на блоге несколько статей, вот последняя на сегодняшний день.
Чем определяется напряжение и ток при коротком замыкании?
Короткое замыкание – это физическое явление. Ток короткого замыкания – это параметр питающей электросети, измеряемый в амперах или килоамперах (кА).
Немецкий физик Ом со школьных лет учит нас, что напряжение и ток определяются через сопротивление цепи:
Ток короткого замыкания, как и любой ток, тоже рассчитывается по закону Ома и зависит от напряжения и сопротивления на данном участке цепи. Поскольку сопротивление проводов в реальной жизни – это не только то, что показывает мультиметр, но и индуктивная составляющая, закон Ома для тока КЗ запишем в более общем виде:
В числителе U – номинальное напряжение в сети (напряжение холостого хода на выходе трансформатора на ТП). Число, которое получается при расчетах в знаменателе – полное сопротивление цепи Z, от которого и зависит ток КЗ. Рассмотрим схему однофазного питания квартиры и реальный случай КЗ с замкнувшим феном:
Замыкание в конце питающей линии (ток КЗ минимальный)
В схеме обозначены полные сопротивления различных участков питающей сети:
Фен сгорел и устроил короткое замыкание
Вот как может выглядеть график уровня напряжения на разных участках – от клемм трансформатора на подстанции до замкнувшей вилки фена:
Понижение напряжения до нуля в результате КЗ в конце линии
Падение напряжения сопровождается выделением тепла на всех участках питающей линии. На мощных участках с большим сечением проводов доля “квартирного” тока КЗ ничтожна, поэтому там падение небольшое (участки с сопротивлением Z1, Z2).
Статья про падение напряжения. Расчет в низковольтных цепях и в цепях постоянного тока, без учета реактивной составляющей.
В связи с понижением напряжения в результате КЗ можно отметить, что это будет заметно на параллельных нагрузках, подключенных например к тому же РП. При КЗ или сильной перегрузке у одного из потребителей лампочки в соседних домах и подъездах станут гореть тусклее. Бывало?
А вот как может выглядеть изменение тока КЗ от источника до места замыкания:
Уменьшение тока при удалении от источника электроэнергии
Типичное значение тока КЗ на клеммах трансформатора мощностью до 1000 кВА, которые применяются для питания городских потребителей – порядка 10 кА. А вот в розетках наших квартир ток КЗ может составлять значение порядка 1000 А. В частном секторе и сельских районах значение тока КЗ может быть гораздо меньше – до 100 А.
Трансформатор на подстанции 10000/0,4 кВ мощностью 1000 кВА с глухозаземленной нейтралью вторичной обмотки. Примерно от таких питаются наши “районы, кварталы, жилые массивы”.
Расчетное значение тока КЗ
Как же узнать ток КЗ? Казалось бы – что трудного? Подставляем значения в формулу и считаем!
Однако, полный расчет тока КЗ весьма сложен, и ему можно посвятить курсовой, а то и дипломный проект. При этом нужно знать много исходных данных (например, мощность трансформатора на ТП и индуктивное сопротивление всех участков кабельных линий), и всё равно результат будет теоретическим, не учитывающим реальность – например, переходные сопротивления контактов. Важно учитывать и то, что при КЗ действуют две составляющие тока: апериодическая (ударная часть, наиболее мощная и непредсказуемая), действующая только в начальный момент во время переходного процесса, и периодическая, которая практически не меняет своего значения от начала до конца инцидента.
Поэтому расчеты обычно оставляют дипломникам и проектировщикам, а на практике измеряют фактический ток КЗ при помощи специальных приборов. Для более точного расчета можно воспользоваться книгами, выложенными в конце статьи, либо программами для расчета.
Как измерить ток короткого замыкания?
Для измерения тока КЗ в продаже есть много профессиональных приборов различных производителей, по цене от 10 тыс. рублей. Все они прекрасно справляются со своей задачей.
Замечательно, что есть и бытовое исполнение на ДИН-рейку – например, ВРТ-М02 от фирмы Меандр. Прибор имеет размеры автоматического выключателя, имеет необходимые настройки и индикацию напряжения. При понижении тока КЗ ниже порога срабатывает индикация. Хочу себе такой.
Что делать, если измеренный ток КЗ слишком низкий?
Допустим, мы измерили прибором и получили значение тока КЗ в розетке (как правило, измерение проводят в самой удалённой точке). Как понять, что этот ток – слишком низкий? Это оценивается по критерию гарантированного срабатывания электромагнитного расцепителя автоматического выключателя в измеренной цепи. Логично, что для этого ток КЗ должен быть больше, чем верхний предел диапазона расцепления. Напоминаю, для характеристики “В” разброс 3…5 In, для “С” – 5…10 In, для “D” – 10…20 In. Чтобы сказать точнее, обратимся в ПУЭ (п.7.3.139):
7.3.139. В электроустановках до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью в целях обеспечения автоматического отключения аварийного участка проводимость нулевых защитных проводников должна быть выбрана такой, чтобы при замыкании на корпус или нулевой защитный проводник возникал ток КЗ, превышающий не менее чем в 4 раза номинальный ток плавкой вставки ближайшего предохранителя и не менее чем в 6 раз ток расцепителя автоматического выключателя, имеющего обратнозависимую от тока характеристику.
При защите сетей автоматическими выключателями, имеющими только электромагнитный расцепитель (без выдержки времени), следует руководствоваться требованиями, касающимися кратности тока КЗ и приведенными в 1.7.79.
Как я понял, в первой части 7.3.139 говорится только о тепловом расцепителе – его номинальный ток должен быть по крайней мере в 6 раз меньше тока КЗ. Во второй части этого пункта, а также в п.1.7.79 говорится о максимальном времени отключения при КЗ (0,4 с), которое должно быть обеспечено только электромагнитным расцепителем. При этом четко не указано о выборе АВ с учетом его характеристики отключения.
Из-за этой расплывчатости формулировки пользуются правилом, изложенным в ПТЭЭП (проверка срабатывания защиты при системе питания с заземленной нейтралью, п.28.4), где говорится о том, что при замыкании на нулевой защитный проводник ток КЗ должен быть не менее “1,1 верхнего значения тока срабатывания мгновенно действующего расцепителя”.
То есть, для автомата В10 ток КЗ в конце линии, которую он защищает, должен быть не менее 10х5х1,1 = 55 А. Если же установлен автомат С25, ток КЗ должен быть не менее 25х10х1,1 = 275 А.
Если же ток КЗ меньше, допустимое время срабатывания отнюдь не гарантируется. Что же делать? Тут два выхода:
Что такое петля “Фаза-ноль” и как она связана с током КЗ?
Петля “Фаза-ноль” (или Фаза-нУль, можно и так) – это цепь, или контур, по которому проходит ток от источника напряжения через нагрузку обратно в источник. Сопротивление петли “Фаза-ноль” обратно пропорционально току КЗ, измеряется в Омах:
Иными словами, два этих понятия связаны так же, как ток и сопротивление в законе Ома – одно можно рассчитать из другого, зная напряжение (в данном случае это номинальное напряжение 230 В).
Зачем нужно знать значения тока КЗ и сопротивления петли “Фаза-ноль”?
Я уже много чего рассказал в статье. Но какой нам толк от знания этих параметров электросети?
Знание тока КЗ (или сопротивления петли “Фаза-ноль”) и мощности нагрузки позволяет нам правильно и оптимально (по соотношениям безопасность/функциональность/надежность/цена) выбрать основные элементы энергосистемы – аппараты защиты и сечение кабелей. Далее немного подробнее.
Безопасность
Об этом я уже говорил, но повторю. Электрические сети должны быть безопасными на всех участках и во всех режимах. Для этого, кроме изоляции, применяют автоматические выключатели и устройства, управляемые дифференциальным током (УЗО). Вкупе с защитным заземлением, эти устройства защищают оборудование от КЗ и перегрузок, а человека – от опасности прямого или косвенного прикосновения.
Функциональность
Зная ток КЗ, можно выдать заключение о необходимости установки стабилизатора, или замены кабельной линии на новую. Кроме того, можно сделать вывод о селективности – можно ли её обеспечить хотя бы частично?
Надежность
В случае высокого тока КЗ необходимо применить выключатели с высокой отключающей способностью для надежного функционирования в момент КЗ. Кроме того, должны быть предъявлены высокие требования к качеству монтажа и комплектующих.
Тут понятно – выполнение предыдущих пунктов значительно влияет на цену всей электросети.
Высокий ток КЗ – это хорошо или плохо?
Как я показал на графике ранее, чем дальше место замыкания от источника питания, тем меньше будет ток короткого замыкания, поскольку сопротивление линии будет больше. Высокий ток КЗ обычно бывает в тех местах электросети, которые расположены наиболее близко к подстанции, а кабельные линии имеют большое сечение проводов. В питающих сетях с напряжением 0,4 кВ относительно высокими считаются токи КЗ более 6кА, а токи КЗ выше 15 кА практически не встречаются. Итак, что мы имеем:
Минусы низкого тока КЗ
Плюсы низкого тока КЗ
Минусы высокого тока КЗ
Плюсы высокого тока КЗ
Селективность автоматических выключателей и УЗО – отдельная большая тема, в планах есть.
Резюмируя плюсы и минусы, можно сказать, что значение тока КЗ – палка о двух концах. В бытовом секторе ток КЗ часто бывает низким, и его стараются увеличить, прокладывая новые линии с высоким сечением проводов и устанавливая новые трансформаторные подстанции. В серьезной энергетике наоборот, применяют методы по уменьшению тока КЗ.
Видео
Если есть время, посмотрите Алекса Жука:
Про сопротивление петли “Фаза-нуль”:
А вот реальные короткие замыкания. Слабонервным не смотреть!
Скачать
Эта же статья, красиво свёрстанная и опубликованная в бумажном журнале “Электротехнический рынок”:
• Ток КЗ: размер имеет значение / Статья про ток КЗ, опубликованная в журнале Элек.ру, pdf, 4.45 MB, скачан: 527 раз./
Респект и уважение, если дочитали досюда и намереваетесь скачать книги по этой теме! Вы серьёзный человек!