Короткое замыкание что это
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
КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ – это электрическое соединение разных фаз или потенциалов электроустановки между собой или с землей, не предусмотренное в нормальном режиме работы, при котором в проводниках, в месте контакта, резко возрастает сила тока, превышая максимально допустимые величины.
Если же говорить простым языком, короткое замыкание – это любое незапланированное, нештатное соединение электрических проводников с разным потенциалом, например, фазы и ноля, при котором образуются разрушительные токи.
Почему происходит короткое замыкание
Для того чтобы понять почему происходит короткое замыкание, нужно вспомнить закон Ома для участка цепи – «Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению на этом участке», формула при этом следующая:
где I – сила тока, U – напряжение на участке цепи, R – сопротивление.
Любой электроприбор в квартире, включающийся в розетку, это активное сопротивление (R – в формуле), напряжение в бытовой электросети вам должно быть известно – 220В-230 В и оно практически не меняется. Соответственно, чем выше сопротивление электроприбора (или материала, проводника и т.д.) включаемого в сеть, тем меньше величина тока, так, как зависимость между этими величинами обратно пропорциональная.
Теперь представьте, что мы включаем в сеть электроприбор практически без сопротивления, допустим его величина R=0.05 Ом, считаем, что тогда будет с силой тока по закону Ома.
I=220В(U)/0,05(Ом)=4400А
В результате получается очень высокий ток, для сравнения стандартная электрическая розетка в нашей квартире, выдерживает лишь ток 10-16А, а у нас по расчетам 4,4 кА.
Современные медные провода, используемые в проводке, имеют настолько хорошие показатели электрической проводимости, что их сопротивление, при относительно небольшой длине, можно принять за ноль. Соответственно, прямое соединение фазного и нулевого провода, можно сравнить, с подключением к сети электроприбора, с очень низким сопротивлением. Чаще всего, в бытовых условиях, мы сталкиваемся именно с таким типом короткого замыкания.
Конечно, это очень грубый пример, в реальных условиях, при расчете силы тока при коротком замыкании, учитывать приходится гораздо больше показателей, таких как: сопротивление всей линии проводов, идущих к вам, соединений, дополнительного оборудования сети и даже дуги образующейся при коротком замыкании, а также некоторых других.Поэтому, чаще всего, сопротивление будет выше тех 0,05 Ом, что мы взяли в расчете, но общий принцип возникновения КЗ и его разрушительных эффектов понятен.
Почему короткое замыкание так называется
Подключая какую-то нагрузку к сети, например, утюг, телевизор или любой другой электроприбор, мы создаём сопротивление для протекания электрического тока.
Если же мы умышленно или случайно соединим, например, фазу и ноль напрямую, без нагрузки, мы, в каком-то смысле, укорачиваем путь, делаем его коротким.
Поэтому, короткое замыкание и называют коротким, подразумевая движение электронов по кротчайшему пути, без сопротивления.
Чем опасно короткое замыкание
Самая значительная опасность при коротком замыкании – это большая вероятность возникновения пожара.
При значительном увеличении силы тока, которое происходит при КЗ, выделяется большое количество теплоты в проводниках, что вызывает разрушение изоляции и возгорание.
Кроме того, в быту, чаще всего происходит дуговое короткое замыкание, при котором, между проводниками в месте КЗ, возникает мощнейший электрический разряд, который нередко воспламеняет окружающие предметы.
Так же не стоит забывать про опасность поражения электрическим током или резким выделением тепла человека, которая так же достаточно высока.
Из менее опасных последствий, происходящих при КЗ, стоит отменить значительное снижение напряжения в электрической сети особенно в месте его возникновения, что негативно влияет на различные электроприборы, в частности оснащенные двигателями. Также, не стоит забывать про сильное электромагнитное воздействие на чувствительное к этому оборудование.
Как видите, последствия от возникновения короткого замыкания могут быть очень серьезными, поэтому, при проектировании любой электроустановки и монтаже электропроводки, необходимо предусмотреть защиту от короткого замыкания.
Защита от короткого замыкания
Большинство современных способов защиты от короткого замыкания основаны на принципе разрыва электрической цепи, при обнаружении КЗ.
Самые простые устройства, которые есть во многих электроприборах, защищающие от последствий коротких замыканий – это плавкие предохранители.
Каждый автоматический выключатель рассчитан на определенный рабочий ток, при превышении которого он разрывает цепь. Это происходит либо с помощью теплового расцепителя, который при нагреве, вследствие протекания высокого тока, механически разъединяет контакты, либо с помощью электромагнитного.
Принцип работы автоматических выключателей — это тема отдельной статьи, о них мы поговорим в другой раз. Сейчас же, хочу еще раз напомнить, что от короткого замыкания не спасает УЗО, его предназначение совсем в другом.
Для того, чтобы правильно выбрать защитный автоматический выключатель, делаются расчеты величины возможного тока короткого замыкания для конкретной электроустановки. Чтобы в случае, если КЗ произойдёт, автоматика сработала оперативно, не пропустив резко возросший ток и не сгорев от него, не успев разорвав цепь.
Причины короткого замыкания
Чаще всего в бытовых условиях квартиры или частного дома, короткое замыкание возникает по нескольким причинам, основные из которых:
— в следствии нарушения изоляции электрических проводов или мест их соединений. Факторов приводящих к этому достаточно много, здесь и банальное старение материалов, и механическое повреждение, и даже загрязнения изоляторов.
— из-за случайного или преднамеренного соединения проводников с различным потенциалом, чаще всего фазного и нулевого. Это может быть вызвано ошибками при работе с электропроводкой под напряжением, неисправностью электроприборов, случайным попаданием проводников на контактные группы и т.д.
Поэтому, очень важно ответственно относится как к монтажу электроустановки, так и к её эксплуатации и обслуживанию.
Будьте аккуратны и осмотрительны при обращении с электрическими приборами и оборудованием, не включайте их в сеть если они повреждены или открыты. Не хватайтесь за электрические провода, если точно не знаете, что они не под напряжением.
Ну и как всегда, если у вас есть что добавить, вы нашли неточности или ошибки – обязательно пишите в комментариях к статье, кроме того задавайте свои вопросы, делитесь полезным опытом.
Короткое замыкание
Что такое 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
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
I — сила тока в этой цепи, А
Rн — сопротивление нагрузки, Ом
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 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
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.
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 Rвнутр = 0,1 Ом. Тогда ток короткого замыкания будет равен Iкз =E/Rвнутр. = 12/0,1=120 Ампер. Это очень большое значение.
Виды коротких замыканий
В цепи постоянного тока
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:
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:
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.