Замыкание – это всякое случайное или преднамеренное, непредусмотренное нормальным режимом работы электрическое соединение различных точек электроустановки между собой или с землей.
Короткое замыкание (КЗ) – это замыкание, при котором токи в ветвях электроустановки, примыкающих к месту замыкания, резко возрастают, превышая наибольший допустимый ток продолжительного режима.
Т.о. грань между простым замыканием и КЗ: если ток в ветвях, примыкающих к месту замыкания, не превышает длительно допустимый ток, то это замыкание, а если превышает – это КЗ.
По числу замкнувшихся фаз КЗ бывают:
- Трехфазные, когда все три фазы замкнуты между собой. Обозначение на схемах: при трехфазном изображении
и ли при однолинейном изображении
- Двухфазные КЗ. Обозначается К (2) .В зависимости от сочетания замкнувшихся фаз могут быть трех видов «АВ», «ВС» и «СА».
- Двухфазные КЗ на землю. Обозначается К (1,1) . В зависимости от сочетания замкнувшихся фаз могут быть трех видов «АВО», «ВСО» и «САО».
- Однофазные КЗ на землю. Обозначается К (1) .
В сложных схемах, а также на схемах замещения стрелку обычно не указывают. Вместо стрелки место КЗ указывают точкой. Например
или без указания вида КЗ
Трехфазное КЗ является симметричным. Все другие виды КЗ — несимметричные. Трехфазное КЗ на землю отдельно не рассматривается, так как оно не отличается от трехфазного без земли.
КЗ на землю могут быть только в сетях с глухо заземленной или эффективно заземленной нейтралью. В сетях с изолированной нейтралью однофазное замыкание на землю называют «простым замыканием».
Если в месте КЗ присутствует электрическая дуга или внешние предметы, например, ветки дерева, опора линии передач, птицы, КЗ через тело человека и т. д., то такое КЗ называется коротким замыканием через переходное сопротивление.
Если в месте замыкания нет переходного сопротивления, то КЗ называют металлическим.
- Повреждение изоляции (старение изоляции, повреждение внешними предметами (например, лопатой), электрические пробои и т.д.);
- Замыкание через посторонние (внешние) предметы.
Дерево упало (или подросло) на провода линии электропередачи, мальчишки запускали змея и т.д.
- Ошибки персонала (например, не убрали за собой инструмент после ремонта, забыли убрать заземления и т. д.);
- Влияние окружающей среды (схлестывание проводов при сильном ветре, дождь (вода затекает в дефекты изоляции), обледенение).
Последствия КЗ.
Все последствия связаны с увеличением тока.
- Термическое действие тока КЗ. Повышение температуры проводников вблизи места КЗ вплоть до возгорания. На практике термическое действие тока КЗ каждый год приводит к пожарам в электрических сетях и даже к выгоранию подстанций.
- Электродинамическое действие тока КЗ.
Под электродинамическим действием электрического тока понимают силовое воздействие двух проводников с токами друг на друга. При КЗ электродинамическое действие тока резко возрастает. Это приводит к деформации шин (гнет и изгибает шины), разрушению изоляторов, повреждению двигателей (отрывает кольца короткозамкнутого ротора).
Все про короткое замыкание
- Протекание больших токов КЗ вызывает увеличенные потери напряжения в элементах сети.
где Uэн. – напряжение энергосистемы, приведенное к напряжению сети, в которой произошло КЗ;
— сумма потерь напряжения в элементах сети от источника до шин питающей подстанции (центра питания);
Zшк – сопротивление линии от центра питания до точки КЗ.
Резкое снижение напряжения на шинах называют провалом или посадкой напряжения, а само напряжение на шинах UШ при КЗ в сети называют остаточным напряжением UОСТ. Его можно определить и по другому, используя закон Ома
Глубокая посадка напряжения может привести, к остановке всех двигателей предприятия, а, следовательно, к развитию аварии.
4) При КЗ в сетях энергосистемы (или вблизи ТЭЦ или электростанций) возможно изменение режима работы генераторов (КЗ изменяет ток генератора). Такие КЗ называют близкими.
Увеличение тока в обмотке генератора при близких КЗ приводит к увеличению тормозного момента. Скорость вращения ротора генератора снижается. При этом изменяется частота ЭДС такого генератора. В нормальном режиме при одинаковой частоте генераторов их ЭДС совпадают по фазе. При КЗ вследствие изменения частоты ЭДС одного из генераторов векторы ЭДС разных генераторов начинают вращаться друг относительно друга. Это означает, что в энергосистеме наступает асинхронный режим или режим качания.
В режиме качания снижается отдача мощности в нагрузку, а при различии фаз ЭДС на 180 0 ток в нагрузке может совсем не протекать.
Ток протекает в нагрузку Zн, т. к. ЭДС генераторов совпадают по фазе
Ток не протекает в нагрузку Zн, т. к. ЭДС генераторов в противофазе
5) КЗ на межсистемных линиях (330 кВ и выше) с последующим отключением линий может привести к делению единой энергосистемы на отдельные части. А в каждой из частей может не быть баланса мощностей. Это приводит к нарушению нормального режима работы генераторов и снова может наступить режим качания.
Возможно возникновение системных аварий. Которые называют лавинными по причине лавинного нарастания отклонений напряжения или частоты.
Основные причины короткого замыкания
- Фазы. Провод, подающий электрический ток к потребителю. Может иметь различный цвет — черный, красный, белый и другие. В однофазной сети такой провод один, в трехфазной — три.
- Ноля. Синий или сине-зеленый провод, возвращающий электрический ток обратно к источнику и выравнивающий напряжение.
Соприкасаясь между собой напрямую, фаза и ноль вызывают короткое замыкание, кратковременно повышая силу тока. На этом основан принцип работы электродуговой электродной сварки.
Короткое замыкание в квартире или машине может возникнуть по следующим причинам :
- Сильный износ изоляции проводов. Оголяет металлическую часть и замыкает между собой фазу и ноль. Износ происходит по различным причинам, например, из-за низкой температуры воздуха. При сильном износе изоляции короткое замыкание может быть вызвано повышенной влажностью или запыленностью (вода и пыль пропускают ток).
- Перегрев изоляции / перенапряжение. При работе на предельной мощности, обмотка проводов оплавляется и оголяет металлическую часть. Это часто происходит в домах со старой электропроводкой, где одновременно включается несколько мощных приборов. Они создают повышенную нагрузку на сеть, провода сильно нагреваются. В машинах перегрев может произойти из-за неправильной установки мощных устройств, например, автозвука.
- Некачественный монтаж электропроводки. Провода соединяют на скрутку вместо клеммных колодок, пайки или опрессовки. Это часто приводит к перегреву и короткому замыканию . Провода окисляются, постепенно разматывая скрученные жилы проводов.
Правильно проложенная проводка служит в течение 20-30 лет. После этого срока необходимо проложить ее заново. Это устранит возможность короткого замыкания по причине естественного износа проводов и их изоляционных материалов.
Последствия короткого замыкания
По статистике МЧС России, 70% пожаров происходит по причине короткого замыкания. Более 10 миллионов квартир в РФ имеют проблемы с проводкой или устаревшие электрокоммуникации, повышающие риск КЗ.
Короткие замыкания также вызывают следующие последствия :
- Приводят к поломке бытовой техники, подключенной к розетке. Стиральных машин, компьютеров, телевизоров и других приборов.
- Расплавляется изоляция проводов. Это увеличивает риск пожара в будущем.
Причины
Нарушение изоляционной оболочки проводов – то, из-за чего происходит короткое замыкание в быту чаще всего. Однако приводить к этому может несколько факторов:
- Резкий рост напряжения. При повышении потенциала сверх нормы в изоляции смежных проводников возникает точка утечки тока, которая затем расширяется и приводит к дуговому пробою.
- Перегрев вследствие перегрузки. При подключении к цепи нагрузки сверх нормы проводники начинают перегреваться, и изоляция плавиться. В итоге это приводит к соприкосновению оголенных токоведущих жил.
- Износ электропроводки. Со временем изоляционный слой теряет свои рабочие свойства. Растрескивание, отслоение, разрушение приводит к тому, что незащищенные металлические части контактируют между собой.
- Оседание пыли, грязи, воды. В местах без изоляции металлические элементы покрываются токопроводящим слоем из пылевых частиц и влаги. В определенный момент такое покрытие приводит к пробою тока.
- Воздействие биологических факторов. В сопутствующих условиях грызуны нередко повреждают защитную оболочку, создавая неминуемые предпосылки для замыкания.
- Природные стихийные бедствия. Удар молнии способен привести к расплавлению изоляции, пробою электричества и порче оборудования и материалов.
- Человеческий фактор. По ошибке электромонтажники могут соединить фазные контакты с нулевыми или заземляющими проводами. При подаче тока произойдет корочение.
Важно! Болтовые соединения требуют регулярного осмотра на предмет расшатывания контактов. Так как именно они из-за расслабления часто перегреваются и горят.
Методы обнаружения
Если выключение автомата при замыкании произошло без видимых признаков, потребуется определить место повреждения. Сделать это можно несколькими путями:
- Осмотр. В первую очередь следует проверить стыки проводов, распредкоробки, розетки и выключатели. Как правило, последствия заметны сразу – по обгорелой изоляции с характерным запахом.
- Исключение. Поэтапно отключая оборудование – пока автомат перестанет вырубать, можно найти именно тот прибор, из-за которого произошло обесточивание.
- Применение специальных измерителей. Суть метода состоит в прозвонке цепи с помощью мультиметра. При обнаружении замыкающего сектора он начнет издавать сигнал.
Поврежденный участок также можно обнаружить по звуку, световой вспышке и дыму в момент замыкания.
Причины короткого замыкания
В чем заключается опасность короткого замыкания для электрической сети? В первую очередь – это риски повреждения электротехнического оборудования и, как следствие, обесточение потребителей электрической энергии. Результатом отключения потребителей является недоотпуск электроэнергии, т.е. фактически упущенная прибыль распределительной сетевой компании.
Для расчета режимов работы электрической сети и защиты электрооборудования от коротких замыканий выполняется расчет токов короткого замыкания. Данный расчет выполняется, как правило, с применением специализированных компьютерных программ, которые разрабатываются для электрических сетевых компаний, эксплуатирующих электрические сети, а также для Системного Оператора – структуры, осуществляющей единое диспетчерское управление электрическими сетями. Основным параметром короткого замыкания является сила тока короткого замыкания, которая определяется расчетным путем для различных видов короткого замыкания. Расчет токов короткого замыкания используется при выборе электрооборудования по условиям термической стойкости и электродинамической устойчивости, а также в целях определения уставок (характеристик) срабатывания защитных аппаратов (устройств), устанавливаемых на объектах электрической сети.
Одной из основных причин возникновения коротких замыканий является повреждение (нарушение) изоляции электрического оборудования. Условно все повреждения изоляции можно разделить на следующие группы:
- перенапряжения (природные и коммутационные, возникающие в электрической сети);
- неудовлетворительная организация технического обслуживания и ремонтов электрооборудования, в т.ч. ошибочные (неквалифицированные) действия обслуживающего персонала;
- воздействия сторонних лиц на электросетевые объекты.
В целях снижения (исключения) возможности повторения случаев коротких замыканий должна проводиться системная работа по предотвращению причин их возникновений.
Чем короткое замыкание отличается от перегрузки?
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.
Представьте себе, что в одну единственную розетку вы решили вставить множество электроприборов через тройник да через удлинители. Что нежелательного может в этом случае произойти? Если жила проводки, подведенной к розетке, не рассчитана на ток более 16 ампер, то при включении в такую розетку нагрузки более 3500 ватт начнется перегрев электропроводки чреватый пожаром.
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.
В «теорию» глубже
В соответствии с ГОСТ Р МЭК 60724-2009 «Предельные температуры электрических кабелей на номинальное напряжение 1кВ в условиях короткого замыкания» температура жил кабеля (до 300 мм2 включительно) с изоляцией из ПВХ при коротком замыкании не должна превышать 160 градусов. Достижение этой температуры допускается при длительности короткого замыкания до 5 секунд. При такой продолжительности короткого замыкания изоляция кабеля не успевает нагреться до такой температуры. При более длительных коротких замыканиях предельная температура нагрева жил должна быть уменьшена.
Рассмотрим возникновение подобной ситуации на примере использования автоматического выключателя группы «С». Время – токовая характеристика выключателя приведена на Рис. 1.
В приведенных характеристиках выделены: зона «a» — тепловой расцепитель и зона «b» — электромагнитный расцепитель. На графике показаны две кривые 1 и 2 — это зависимости времени срабатывания выключателя от тока, которые показывают пределы технологического разброса параметров выключателя при его изготовлении.
Для автоматических выключателей группы «С» в пределах технологического разброса кратность тока срабатывания электромагнитного расцепителя к номинальному току срабатывания теплового расцепителя находится в пределах от 5 до 10.
Нас интересует только кривая 2 для переменного тока (АС), показывающая максимальное время срабатывания выключателя. Как видно из графика, при незначительном уменьшении тока короткого замыкания ниже порога срабатывания электромагнитного расцепителя время срабатывания автоматического выключателя определяется тепловым расцепителем и достигает величины порядка 6 секунд.
Из выше сказанного делаем вывод, что автоматический выключатель объединяет в себе две защиты. Защита от многократного превышения номинального тока, то есть непосредственно КЗ, и так называемый тепловой расцепитель, который срабатывает при незначительном повышении тока, то есть при перегрузках.
График №1 Время-токовая характеристика автоматов группы С.
Попробуем выяснить, что происходит с кабелями за промежуток времени, в течение которого сработает тепловой расцепитель. Для этого необходимо вычислить зависимости температуры жил кабелей от времени прохождения по ним токов, близких к порогу срабатывания электромагнитного расцепителя.
В Таблице 1 даны расчетные значения температур жил кабелей в зависимости от продолжительности короткого замыкания (при разных токах) для кабеля с медными жилами сечением 1,5 кв. мм. Кабель данного сечения повсеместно используется в осветительных групповых сетях жилых и общественных зданий.
Из Таблицы видно, что максимальный ток короткого замыкания (при несрабатывании электромагнитного расцепителя), который не вызывает нагрев жил выше 160 градусов за время 6 секунд равен примерно 100 А. То есть кабель с сечением 1,5 мм2 можно защищать автоматическим выключателем группы «С» с номинальным током не более 10А.
Виды коротких замыканий и их причины
В быту короткие замыкания бывают:
- однофазные – когда фазный провод замыкается на ноль. Такие КЗ случаются чаще всего;
- двухфазные – когда одна фаза замыкается на другую;
- трехфазные – когда замыкаются сразу три фазы. Это самый проблемный вид КЗ.
Например, утром в воскресенье ваш сосед за стенкой соединяет фазу и ноль в розетке, включив в нее перфоратор. Это значит, что цепь замыкается, и ток идет через нагрузку, то есть через включенный в розетку прибор.
Если же сосед соединит провода фазы и нуля в розетке без подключения нагрузки, то в цепи возникнет КЗ, но вы сможете поспать подольше.
Тем, кто не знает, для лучшего понимания полезно будет почитать, что такое фаза и ноль в электричестве.
Короткое замыкание называют коротким, так как ток при таком замыкании цепи как бы идет по короткому пути, минуя нагрузку. Контролируемое или длинное замыкание – это обычное, привычное всем включение приборов в розетку.
Защита от короткого замыкания
Сначала о том, какие последствия может вызвать КЗ:
- Поражение человека электрическим током и выделяющимся теплом.
- Пожар.
- Выход из строя приборов.
- Отключение электричества и отсутствие интернета дома. Как следствие — вынужденная необходимость читать книги и ужинать при свечах.
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.
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.
Мы поможем сдать на отлично и без пересдач
- Контрольная работа от 1 дня / от 120 р. Узнать стоимость
- Дипломная работа от 7 дней / от 9540 р. Узнать стоимость
- Курсовая работа от 5 дней / от 2160 р. Узнать стоимость
- Реферат от 1 дня / от 840 р. Узнать стоимость
Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.
