Что такое короткое замыкание
Что называется коротким замыканием (КЗ)? Короткое замыкание – это соединение токоведущих частей разных фаз или потенциалов между собой или на корпус оборудования, соединенный с землей, в сетях электроснабжения или в электроприемниках.
Почему происходит короткое замыкание (кз)?
- ухудшение сопротивления изоляции во влажной или химически активной среде;
- при недопустимом перегреве изоляции;
- механические воздействия;
- ошибочные воздействия персонала при обслуживании и ремонте и т. д.
Как видно из самого названия процесса, при КЗ путь тока укорачивается, т. е. он идет, минуя сопротивление нагрузки, поэтому он может увеличиться до недопустимых величин, если напряжение не отключится под действием электрической зашиты. Но напряжение может не отключиться и при наличии защиты, если КЗ случилось в удаленной точке, и из-за большого сопротивления до места КЗ ток недостаточен для срабатывания защиты. Но этот ток может быть достаточным для возгорания проводов, что может привести к пожару.
Как образуется короткое замыкание
Как мы помним из учебника физики за 8 класс, закон Ома для участка цепи определяется по формуле:
где
I — сила тока в цепи, А
U — напряжение, В
R — сопротивление, Ом
Давайте рассмотрим вот такую схему
Если мы подключим настольную лампу EL к источнику тока Bat и замкнем ключ SA, то вольфрамовая нить лампы начнет разогреваться под тепловым воздействием тока. В этом случае значительная часть электрической энергии преобразуется в световую и тепловую.
А теперь покончим с лирическими отступлениями и замкнем два провода, которые идут на лампочку, через толстый провод AВ
Что будет дальше, если мы замкнем контакты ключа SA?
В результате ток пойдет по укороченному пути, минуя нагрузку. Короткий путь в данном случае и есть провод AB. Сопротивление провода АВ близко к нулю. В результате наша схема преобразуется в делитель тока. Согласно правилу делителя тока, если нагрузки соединены параллельно, то через нагрузку с меньшим сопротивлением побежит большая сила тока, а через нагрузку с большим значением сопротивления — меньшая сила тока. Так как провод АВ обладает почти нулевым сопротивлением, то через него потечет большая сила тока, согласно опять же закону Ома:
Как я уже сказал, в режиме КЗ сила тока достигает критических значений, превышающих допустимые для данной цепи.
Основные причины короткого замыкания
Все многообразие причин возникновения коротких замыканий можно свести к следующим:
- Нарушение изоляции
- Внешние воздействия
- Перегрузка сети
Нарушение изоляции вызывается как естественным износом, так и внешним вмешательством. Естественное старение элементов электросети ускоряется за счет длительного теплового воздействия тока (тепловое старение изоляции), агрессивных химических сред.
Внешние воздействия могут быть вызваны грызунами, насекомыми и другими животными. Сюда же относится и человеческий фактор. Это может быть «кривой» электромонтаж, либо несоблюдение техники электробезопасности.
Намного чаще короткое замыкание вызывается перегрузкой сети из-за подключения большого количества потребителей тока. Так, если совокупная мощность одновременно включенных в бытовую сеть электроприборов превышает допустимую нагрузку на проводку, с большой вероятностью произойдет короткое замыкание, так как сила тока в такой цепи начинает превышать допустимое значение. Такое явление можно часто наблюдать в домах со старой проводкой, где провода чаще всего алюминиевые и не рассчитаны на современные мощные электроприборы.
Какие бывают виды
Короткое замыкание. Каждый слышал это словосочетание. Многие видели надпись «Не закорачивать!» Часто, когда ломается какой-нибудь электроприбор, говорят: «Коротнуло!» И несмотря на негативный оттенок этих слов, профессионалы знают, что короткое замыкание – не печальный приговор. Иногда с коротким замыканием (КЗ) бороться бессмысленно, а порой и принципиально невозможно. В этой статье будут даны ответы на самые важные вопросы: что такое короткое замыкание и какие виды КЗ встречаются в технике.
Начнем рассматривать эти вопросы под необычным углом – узнаем, в каких случаях короткие замыкания неизбежны и где они не играют роль повреждений. Возьмем за оба конца обыкновенный металлический провод. Соединим концы вместе. Провод замкнулся накоротко – произошло КЗ. Но так как в цепи отсутствуют источники электрической энергии и нагрузка, такое короткое замыкание никакого вреда не несет. В некоторых областях электротехники КЗ, которое мы рассмотрели, играет на руку, например, в электрических аппаратах и электрических машинах.
Взглянем на однофазное реле или пускатель, в конструкции которых есть магнитная система с подвижными частями – электромагнит, притягивающий якорь. Из-за постоянно меняющейся полярности тока, текущего в обмотках электромагнита, его магнитный поток периодически становится равен нулю, что вызывает дребезжание якоря, появляются вибрации и характерное, знакомое всем электрикам гудение. Чтобы избавиться от этого явления, на торец сердечника электромагнита или якоря прикрепляют короткозамкнутый виток – кольцо или прямоугольник из меди или алюминия.
Из-за явления электромагнитной индукции в витке создается ток, создающий свой магнитный поток, компенсирующий пропадание основного магнитного потока, создаваемого электромагнитом, что приводит к уменьшению или исчезновению вибраций, разрушающих конструкцию.
Так же на руку играет короткое замыкание и в роторе асинхронного электродвигателя. Благодаря взаимодействию магнитного поля, создаваемого обмотками статора, с короткозамкнутым ротором, в роторе по уже упомянутому закону появляются свои токи, создающие свое поле, что приводит ротор во вращение. Конечно, важно грамотное проектирование электродвигателя или электрического аппарата, чтобы токи, протекающие в короткозамкнутых элементах, не приводили к перегреву и порче изоляции основных обмоток.
Подобным образом понятие «короткое замыкание» используется применительно к трансформаторам. Люди, так или иначе связанные с энергетикой, знают, что одна из важнейших характеристик трансформатора – это напряжение короткого замыкания, UКЗ, измеряемое в процентах. Возьмем трансформатор. Одну из его обмоток, скажем, низшего напряжения (НН) закоротим амперметром, сопротивление которого, как известно, принимается равным нулю. Обмотку высшего напряжения (ВН) подключаем к источнику напряжения. Повышаем напряжение на обмотке ВН до тех пор, пока ток в обмотке НН не станет равным номинальному, фиксируем это напряжение.
Делим его на номинальное напряжение высшей стороны, умножаем на 100%, получаем UКЗ. Эта величина характеризует потери мощности в трансформаторе и его сопротивление, от которого зависит ток короткого замыкания, ведущий к повреждениям. Поговорим наконец о коротких замыканиях, несущих негативные последствия. Такие короткие замыкания появляются, когда ток от источника питания протекает не через нагрузку, а только через провода, обладающие ничтожно маленьким сопротивлением. Например, трехфазный кабель питается от трансформатора, и одним неосторожным движением ковша экскаватора происходит его повреждение – две фазы закорачиваются через ковш. Такое КЗ называют двухфазным. Аналогично по количеству замкнутых фаз называют другие КЗ.
Однофазное замыкание на землю в сетях с изолированной нейтралью не является коротким, но может представлять угрозу жизни живых существ. Металлическим называют КЗ, в котором переходное сопротивление равно нулю – например, при болтовом или сварочном соединении. Токи КЗ в зависимости от напряжения и вида повреждения могут достигать тысяч и сотен тысяч ампер, приводить к пожарам и колоссальным электродинамическим усилиям, «выворачивающим» шины и провода. Защита от КЗ может осуществляться автоматическими выключателями или предохранителями, а в высоковольтных сетях – средствами релейной защиты и автоматики.
Основные характеристики ОЗЗ
Одним из наиболее частых видов повреждений на линиях электропередачи является однофазное замыкание на землю (ОЗЗ) – это вид повреждения, при котором одна из фаз трехфазной системы замыкается на землю или на элемент электрически связанный с землей. ОЗЗ является наиболее распространенным видом повреждения, на него приходится порядка 70-90 % всех повреждений в электроэнергетических системах. Протекание физических процессов, вызванных этим повреждением, в значительной мере зависит от режима работы нейтрали данной сети.
В сетях, где используется заземленная нейтраль, замыкание фазы на землю приводит к короткому замыканию. В данном случае ток КЗ протекает через замкнутую цепь, образованную заземлением нейтрали первичного оборудования. Такое повреждение приводит к значительному скачку тока и, как правило, незамедлительно отключается действием РЗ, путем отключения поврежденного участка.
Электрические сети классов напряжения 6-35 кВ работают в режиме с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземленной через большое добавочное сопротивление. В этом случае замыкание фазы на землю не приводит к образованию замкнутого контура и возникновению КЗ, а ОЗЗ замыкается через емкости неповрежденных фаз.
Величина этого тока незначительна (достигает порядка 10-30 А) и определяется суммарной емкостью неповрежденных фаз.
Такое повреждение не требует немедленного отключения, однако, его длительное воздействие может привести к развитию аварийной ситуации. Однако при ОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью происходят процессы, влияющие на режим работы электрической сети в целом.
При ОЗЗ происходит нарушение симметрии линейных фазных напряжений, напряжение поврежденной фазы снижается практически до 0, а двух “здоровых” фаз поднимаются до уровня линейных. При этом линейные напряжения остаются неизменными.
Расчет суммарного тока ОЗЗ
При замыкании на землю фазы одной из нескольких ЛЕП, что включенные к общему источнику, суммарный ток в месте замыкания за счет емкостных токов всех ЛЕП можно рассчитать несколькими методами.
Первый метод заключается в использовании удельных емкостей ЛЭП. Этот способ расчета даст наиболее точный результат и является предпочтительным. Удельные емкости ЛЭП можно взять из справочной литературы, или же из технических характеристик кабеля, предоставляемых заводом-изготовителем.
Выражение для определения тока ОЗЗ:
,
где С∑ – суммарная емкость фазы всех ЛЕП, причем С∑ = Суд l;
Суд – удельная емкость фазы сети относительно земли, Ф/км;
l – общая длина проводника одной фазы сети.
Второй метод применим для сетей с кабельными ЛЭП. Ток замыкания на землю для такой сети можно определить по эмпирической формуле:
,
где UНОМ – номинальное линейное напряжение сети, кВ;
li – длина кабельной линии, км;
qi – сечение жилы кабеля, мм2.
Кроме этих методов для расчета суммарного тока ОЗЗ, можно использовать значения емкостных токов каждого кабеля взятых из справочной литературы.
Защита от токов короткого замыкания
Как мы выяснили, токи КЗ весьма опасны, прежде всего с точки зрения пожарной безопасности. Поэтому необходимо построить защиту от токов короткого замыкания, то есть установить в щите автоматические выключатели. Автоматические предохранители устроены так, что в случае короткого замыкания рост тока КЗ приводит к срабатыванию электромагнитного расцепителя мгновенного действия, который разъединяет электрическую цепь без ущерба для себя.
Для того, чтобы после устранения короткого замыкания снова включить электричество, необходимо просто нажать на белую кнопку (красная служит для выключения) или перекинуть вверх опустившийся при срабатывании предохранителя рычажок.
Правила монтажа электропроводки предусматривают расчет нагрузки и токов, идущих через автоматы защиты. Понятно, что предохранитель должен срабатывать при значениях тока, выбранных с солидным запасом. Иначе случайные небольшие колебания напряжения в сети (а следовательно, и тока) будут приводить к постоянному ложному срабатыванию защиты. С другой стороны, запас не должен быть и слишком велик, чтобы действия тока не причинило вреда сети раньше, чем произойдет отсечка.
Автоматический предохранитель защищает внутреннюю и внешнюю сеть
Заметим, что автоматические предохранители, установленные в начале каждой домовой линии (рабочей группы), защищают от короткого замыкания не только домовую сеть, но и наружную. В самом деле, если бы их не было, то аварийное короткое замыкание привело бы к выходу из строя трансформаторной подстанции, а вернее, электрического силового щита более высокого уровня, так что электричества лишилось бы значительное количество пользователей, да и без вызова аварийной службы было бы не обойтись. А при наличии «автомата» достаточно включить его после срабатывания (удалив, конечно, причину короткого замыкания).
Становится понятна и необходимость нескольких линий в доме: если одна линия вылетела, в запасе есть другие. Кстати, отсюда вывод: удобно, если от каждой рабочей группы питается лампочка аварийного освещения в районе счетчика или аварийная розетка, в которую можно включить переносную лампу.
Последствия ОЗЗ
Несмотря на преимущества изолированной нейтрали, такой режим работы имеет ряд недостатоков:
- В зависимости от разветвленности сети емкостной ток может находиться в пределах от 0,1 до 500 ампер. Такая величина тока может представлять опасность для животных и людей, находящихся рядом с местом замыкания, по этой причине данные замыкания нужно выявлять и отключать, так же, как это делается и в сетях с глухозаземленной нейтралью.
- В большинстве случаев при ОЗЗ возникает дуговое замыкание на землю, которое может носить прерывистый характер. В таком случае, в процессе дугового замыкания возникают перенапряжения, превышающие в 2-4 раза номинальное фазное напряжение. Изоляция в процессе замыкания может не выдержать такие перенапряжения, вследствие чего возможны возникновения пробоя изоляции в любой другой точке сети и тогда замыкание развивается в двойное короткое замыкание на землю.
- В процессе развития и ликвидации ОЗЗ в трансформаторах напряжения возникает эффект феррорезонанса, что с высокой вероятностью приводит к их преждевременному выходу из строя.
Несмотря на перечисленные недостатки ОЗЗ не требует немедленного ликвидации повреждения. Согласно ПУЭ, при возникновении ОЗЗ возможно эксплуатация сети без отключения аварии в течении 4 часов, которые выделяются на поиск поврежденного участка.
Опасность для жизни
Единственным путем протекания тока однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью является емкостная связь между фазными проводами линий и землей. В зависимости от разветвленности сети емкостной ток может находиться в пределах от 0,1 до 500 ампер. Что достаточно, чтобы представлять опасность для животных и людей, находящихся рядом с местом замыкания, по этой причине данные замыкания нужно выявлять и отключать, так же, как это делается и в сетях с глухозаземленной нейтралью.
Риск двойного короткого замыкания
В большинстве случаев возникает дуговое замыкание на землю, которое может носить прерывистый характер. В таком случае, в процессе дугового замыкания возникают перенапряжения между элементами подключенными к фазам сети и землей, превышающие в 2-4 раза номинальное фазное напряжение. Оборудование в сети с изолированной нейтралью рассчитано, на длительную работу максимум только на линейное напряжение. Изоляция в процессе замыкания может не выдержать таких перенапряжений и возможны возникновения пробоя изоляции в любой другой точке сети и тогда замыкание развивается в двойное короткое замыкание на землю.
Преждевременный износ оборудования
В процессе развития и ликвидации ОЗЗ в трансформаторах напряжения возникает эффект феррорезонанса, что с высокой вероятностью приводит к их преждевременному выходу из строя.
Учитывая все вышеизложенные факторы, данные замыкания должны идентифицироваться релейной защитой, и поврежденная линия должна селективно отключаться.
Чем КЗ отличается от перегрузки
Если фазу и ноль электрической сети соединить под напряжением друг с другом не через потребитель, а напрямую, то возникнет короткое замыкание, сокращенно КЗ. Коротким замыканием называется соединение проводников отдельных фаз между собой или с землей через относительно малое сопротивление, принимаемое равным нулю при глухом металлическом коротком замыкании.
Никакая сеть не предназначена для длительной работы в таком режиме. Однако данный аварийный режим иногда возникает. Так, короткое замыкание может случиться из-за нарушения изоляции электропроводки или из-за случайного замыкания разноименных проводников проводящими частями электрооборудования. Нормальная работа электрической сети будет нарушена. Чтобы это нежелательное явление предотвратить, электрики используют клеммники либо просто изолируют соединения.
Проблема режима КЗ заключается в том, что в момент его возникновения в сети многократно увеличивается ток (до 20 раз превышает номинал), что приводит к выделению огромного количества джоулева тепла (до 400 раз превышает норму), поскольку количество выделяемой теплоты пропорционально квадрату тока и сопротивлению потребителя.
Теперь представьте: сопротивление потребителя здесь — доли ома проводки, а ток, как известно, тем выше, чем меньше сопротивление. В итоге, если мгновенно не сработает защитное устройство, произойдет чрезмерный перегрев проводки, провода расплавятся, изоляция воспламенится, и может случиться пожар в помещении. В соседних помещениях, питаемых этой же сетью, упадет напряжение, и некоторые электроприборы могут выйти из строя.
Типичный вид короткого замыкания для жилых квартир — однофазное короткое замыкание, когда фаза смыкается с нулем. Для сетей трехфазных, например в цеху или в гараже, возможно трехфазное или двухфазное короткое замыкание (две фазы между собой, три фазы между собой, или несколько фаз на ноль). Для трехфазного оборудования, такого как асинхронный двигатель или трехфазный трансформатор, характерно межвитковое замыкание, когда витки замыкаются накоротко внутри обмотки статора или внутри обмотки трансформатора, шунтируя остальные рабочие витки и выводя таким образом прибор из строя.
Или замыкание может случиться через проводящий корпус прибора. Вообще проводящие корпуса следует заземлять, дабы защитить персонал от случайного поражения током, а провода в квартирах использовать те, что в негорючей изоляции. Есть еще один вид аварийного режима нагрузки электрической сети, связанный с превышением нормального тока.
Это так называемая перегрузка. Перегрузки иногда возникают в квартирах, в домах, на предприятиях. Это опасный режим, порой более опасный, чем короткое замыкание. Ведь короткое замыкание в квартире может быть на корню остановлено мгновенно сработавшим автоматическим выключателем в щитке. А вот токовая перегрузка — случай более хитрый.
Выключатели для защиты от короткого замыкания.
Представьте себе, что в одну единственную розетку вы решили понавтыкать множество электроприборов через тройник да через удлинители. Что нежелательного может в этом случае произойти? Если жила проводки, подведенный к розетке, не рассчитана на ток более 16 ампер, то при включении в такую розетку нагрузки более 3500 ватт начнется перегрев электропроводки чреватый пожаром.
Вообще тепловое воздействие на изоляцию проводов резко снижает ее механические и диэлектрические свойства. Например, если проводимость электрокартона (как изоляционного материала) при 20°С принять за единицу, то при температурах 30, 40 и 50°С она увеличится в 4, 13 и 37 раз соответственно.
И тепловое старение изоляции наиболее часто возникает именно из-за перегрузки электросетей токами, превышающими длительно допустимые для данного вида и сечений проводников. Также нельзя в розетку, на которой указано 250 В 10 А, включать потребителей более чем на 2500 Вт, ибо может начаться перегрев контактов, ведущий к их ускоренному окислению. Для защиты от перегрузок в квартире, а также для мгновенного купирования режима КЗ, используйте автоматические выключатели.
Заключение
Одно из основных достоинств сетей с изолированной нейтралью является возможность сохранения их в работе при однофазном замыкании на землю. Однако при работе с таким нарушением нормального режима возможно дальнейшее развитие аварии. Вследствие этого сети 6-35 кВ необходимо оснащать ДГР для уменьшения тока замыкания на землю и облегчения аварийного режима.
Предыдущая
