Меню

Запишите формулу силы тока при коротком замыкании

Короткое замыкание сети или других источников питания

Под коротким замыканием (КЗ) понимают особый случай, когда соединены 2 проводника электрического тока разных потенциалов или фаз электрического прибора между собой или землей. В месте соединения проводников происходит резкое увеличение значения силы электрического тока с превышением максимально допустимого параметра. Это приводит к остановке нормального функционирование прибора и смежных элементов.

Короткое замыкание 1

По упрощенной формулировке представленный тип замыкания является любым нештатным и незапланированным соединением проводников электричества, имеющих разное значение потенциала. Это могут быть, к примеру, фаза и ноль, что приводит к образованию токов разрушительного действия.

Явление опасно для здоровья человека и его имущества. КЗ вызывает не только сбой оборудования, остановку работы электроприборов. Если пренебрегать правилами безопасности, то это потенциально может обернуться полным выходом из строя аппаратов или их отдельных частей с невозможностью восстановления. Также может возникнуть возгорание, приводящее к пагубным последствиям для жизни людей, их имущества и окружающей среды.

Расчет тока короткого замыкания

Чтобы понимать, почему возникает этот процесс, необходимо провести расчет значений токов короткого замыкания. Для этого надо знать закон Ома: «Значение силы тока в некотором промежутке электрической цепи является прямо пропорциональным значению напряжения и обратно пропорциональным сопротивлению тока на этом промежутке». Это основополагающий закон электрики, который изучается даже в школьной программе. Для большей наглядности, следует обозначить его формулой: I=U/R, где:

  • I — сила тока;
  • U — напряжение на участке цепи;
  • R — сопротивление.

Любое электрооборудование, подключенное к бытовой или промышленной электрической цепи, является активным сопротивлением. Параметр напряжения сети бытового назначения — 220 В (в некоторых случаях 230 В). Представленное значение неизменно. Чем выше значение сопротивления прибора (проводника или некоторого материала), подключенного к электропитанию, тем меньшей будет величина электрического тока.

Для расчёта тока короткого замыкания лучше воспользоваться более «продвинутой» формой закона Ома, называемой законом Ома для полной цепи.

Эта форма закона Ома также изучается в школьной программе, однако мало кто о ней помнит. А ведь именно она применяется для расчёта тока КЗ. Дело в том, что если сопротивление внешних элементов цепи равно 0, то странного деления на ноль не появится, а вместо этого ток будет вполне конкретно и точно вычисляем как результат деления ЭДС источника на внутреннее сопротивление источника напряжения:

Iкз=ε / r

Конечно в случае, если КЗ возникает в доме или квартире — от места замыкания до точки возникновения ЭДС ток проходит через проводку. И неважно, медные это провода или изготовленные из алюминия — они обладают сопротивлением. И в таком случае R не равно нулю. Чему же оно равно — читаем дальше.

Пример 1. Сеть с напряжением 220–230В

Давайте возьмем для конкретного примера: длину проводки 100 м и площадь сечения проводов 2,5 мм² и затем посмотрим каково же будет их сопротивление в случае, если они сделаны из меди.

Формула, также известная из учебника физики любой самой средней школы, гласит:

R=ρ·L/S,

ρ — удельное сопротивление меди, равное приблизительно 0,017–0,018 Ом·мм²/м;

L — длина проводника, выраженная в метрах;

S — площадь проводника, выраженная в мм².

Учтем, что подводящих электроэнергию провода не один, а два (ток приходит по одному проводу и уходит по второму), поэтому длина провода L при расчёте удваивается:

R=0.018·2·100/2,5=1,44 Ом

Итак, теперь видно, что провода имеют достаточно большое сопротивление. Чтобы теперь прикинуть ток КЗ можно воспользоваться законом Ома. Внутреннее сопротивление источника питания нам не известно, но как видно из формулы закона Ома для полной цепи, что чем оно больше, тем меньше будет ток КЗ. Следовательно, приняв r=0 мы найдем максимально возможный ток КЗ при вычисленном R=1,44 Ом.

Также примем, что напряжение питания в сети также максимально возможное, и составляет 230+10%=253 В. В таком случае ток короткого замыкания будет равен:

Iкз=253/1,44 = 175,7 А

Итак, мы провели расчет для конкретного питающего проводника. Для проводки с другими параметрами вычисление может быть произведено аналогичным образом.

Пример 2. Аккумуляторная батарея

Если КЗ возникает непосредственно у источника ЭДС (с таким явлением мы можем встретиться в случае «коротыша» бытового или автомобильного аккумулятора или батареи питания), то в таком случае внешнее сопротивление R≈0. Следовательно, для расчета понадобится знать внутреннее сопротивление r максимально точно (иначе опять возникнет деление на ноль и ничего стоящего мы не насчитаем). Вычислить его не составит труда, если у вас имеется сопротивление (резистор) и мультиметр.

Теперь давайте рассмотрим конкретный пример. Допустим, имеется автомобильный аккумулятор на 12В. Как необходимо действовать, чтобы определить его ток КЗ.

Нам понадобится резистор номиналом 10 Ом на 15Вт, который поможет выполнить необходимый эксперимент:

  1. Измеряем напряжение питания аккумулятора в режиме холостого хода (без нагрузки) мультиметром, допустим мы получили значение 11,85 В.
  2. Далее подключаем в качестве нагрузки резистор 10 Ом 15Вт и замеряем мультиметром ток. Получили 1,07 А.
  3. Не отключая резистор на 100 Ом измеряем падение напряжения на клеммах аккумулятора. Пусть будет 10,8 В.
  4. Теперь можно вычислить внутреннее сопротивление: r=11,85–1,07·10,8=0,3 Ом.
  5. Теперь можно определить ток КЗ: Iкз=11,85/0,3 = 39,5 А

Если вы ещё не догадались что за формулы были применены, то вот подсказки:

r=Uхх–Iн·Uн,

Iкз=Uхх/r,

Uхх — напряжение холостого хода источника питания;

— ток, отдаваемый источником питания под нагрузкой;

— напряжение источника питания под нагрузкой.

Как видно из формул, само значение нагрузки знать не нужно, тем не менее оно подбирается таким образом, чтобы погрешность измерения прибора не давала слишком большой разброс результата (если нагрузка будет незначительно «просаживать» напряжение источника питания, то есть Uхх, то точность результата будет крайне низкой).

Причины возникновения КЗ

Теперь кратко пробежимся по возможным причинам возникновения КЗ.

Короткое замыкание 3

Распространенные причины появления КЗ следующие:

  • устаревшая проводка;
  • механические повреждения внутри цепи;
  • неправильная организация электрических проводов;
  • нарушение правил эксплуатации электроприбора;
  • бесконтрольное увеличение показателя мощности приборов;
  • несоблюдение норм строительства.

Отрицательное воздействие КЗ для человека и его имущества

КЗ, в зависимости от места возникновения, приводит к пагубным последствиям для имущества и безопасности жизни человека. К таковым относят:

Короткое замыкание 4

  • обгорание и выход из строя электрических приборов;
  • воспламенение электрической проводки;
  • снижение напряжения электросети (в промышленных условиях приводит к остановке работы предприятий);
  • падение эффективности работы систем электроснабжения;
  • возникновение электромагнитного воздействия приводит к нарушению функционирования коммуникаций, расположенных под землей.

Виды КЗ

Электричество используется повсеместно и бытовой и промышленной сфере. Чтобы свести риск появления короткого замыкания к минимуму, разработан ряд мероприятий и устройств по обеспечению защиты от КЗ. Однако, чтобы точно понимать в каком случае и какой прибор использовать, нужно знать виды замыкания. Основными из них являются:

  • в цепях постоянного тока;
  • в цепях переменного тока (между: фазой и землей, двумя разными фазами, тремя фазами, двумя разными фазами и землей, тремя фазами и землей).

Доля однофазных КЗ составляет 65% повреждений, 2 фазы с землей — 20%, двухфазных — 10%, трехфазных — 5%. Часто случаются сложные виды повреждений, сопровождающиеся многократной несимметрией. Это означает тип замыкания различных фаз, происходящего в нескольких точках единовременно.

Методы поиска короткого замыкания

Заранее найти место возникновения этого явления довольно сложно. В большинстве случаев до него нет дела ни специалистам, ни обычным пользователям. Однако это поможет вовремя нейтрализовать его, что приведет к невозможности появления пагубных последствий. Благодаря своевременному реагированию, экономятся финансовые средства и время. Методов как определить короткое замыкание существует несколько:

  • визуальный осмотр проводки (на не должно быть разрывов и оголенных проводов);
  • использование мультиметра или мегаомметра;
  • по звуку;
  • исключение.

Короткое замыкание 5

Провода, являющиеся составной частью токоведущего кабеля, могут соприкасаться между собой. Если они оголены, то именно это и является явной причиной КЗ. Подобные повреждения, как правило, находятся в распределительных коробках и других узлах электроснабжения (розетки, выключателях и так далее). Подгорелая изоляция кабеля — явное место, где потенциально может образоваться КЗ.

Применение специальных приборов помогает измерить значение сопротивления цепи. В их составе имеется 2 провода: один из них подключается к фазе, а другой — к нолю (далее к заземлению). Если на дисплее прибора отображается 0, значит целостность проводки в норме, если какое-либо другое значение — контакты соприкасаются. Обратите внимание, что напряжение мультиметра довольно маленькое. Им можно измерять цепи, протяженностью не более 3 метров.

Поиск места возникновения короткого замыкания по звуку — народный метод определения этого явления. Для этого необходимо тщательно прислушиваться у всех соединений. В месте контакта будет слышно характерное потрескивание. Иногда возникает запах горелой пластмассы и изоляции. Пользоваться таким способом нахождения КЗ следует пользоваться только в крайнем случае при недоступности других методов.

Очень часто бывает, что виновником является подключенный электроприбор. Его включение сразу приведет к срабатыванию предохранителя. Это приведет к моментальному отключению электроснабжения участка. Найти такой прибор можно методом исключения, поочередно включая все устройства.

Специалисты настоятельно рекомендуют не применять устаревшие способы поиска КЗ. В большинстве случаев они не показывают должной точности и эффективности. Если возникла необходимость найти место КЗ, необходимо пригласить профессионалов, которые будут использовать качественное и точное оборудование.

Защита от КЗ

Для защиты от КЗ существуют различные устройства:

  • автоматические выключатели;
  • автоматические выключатели с автоматическим возвратом во включенное состояние;
  • УЗО;
  • плавкие предохранители;
  • «пробки»;
  • самовосстанавливающиеся предохранители.

В представленной схеме участвуют стабилитрон и диоды, защищающие светодиоды от воздействия обратных токов. За ограничение тока в системе защиты отвечают 2 резистора. Предохранитель должен быть самовосстанавливающегося типа, номиналы элементов должны подбираться индивидуально в зависимости от условий.

Эффективный способ защиты от представленного явления — применение реактора, ограничивающего ток. Он применяется в системе защиты электрических цепей, где величина КЗ может быть такой силы, с которой обычное оборудование не справится.

Ректор имеет вид катушки с сопротивлением индуктивного типа, подключенной к сети по последовательной схеме. Приемлемое функционирование цепи позволяет соблюдать уровень падения напряжения реактора около 4%. При образовании КЗ основная часть напряжения поступает на это устройство. Такое оборудование бывает масляного и бетонного типов. Каждый из них применяется в зависимости от типа электропроводки и питаемого ею оборудования.

Полезное КЗ

Ток, возникающий по причине подобного явления, может принести не только разрушение, но и пользу. Существует ряд оборудования, функционирующего в условиях повышенного значения тока. Классическим примером таких устройств является электродуговая сварка. Ее работа обусловлена соединением сварочного электрода и контура заземления.

Короткое замыкание 7

При существенных перегрузках функционирование таких аппаратов кратковременно. Его обеспечивает сварочный трансформатор большой мощности. В месте, где происходит соприкосновение 2 электродов происходит выработка тока довольно значительной силы. Это приводит к выделению большого количества тепловой энергии, которой достаточно для плавления металла в области соприкосновения. Таким процессом обеспечена работа сварки. Шов получается аккуратным, долговечным и прочным.

Видео по теме

Источник

Ток короткого замыкания — формула и методы расчета

Общие сведения

Все существующие материалы в электротехнике разделяют на 2 больших класса: проводники и диэлектрики. Первые способны пропускать через себя электрический ток. В качестве примера проводников можно привести металлы, а непроводников — пластмассы, резину. С физической точки зрения, способность пропускать электроток зависит от свойств материалов.

Читайте также:  Трансформаторы тока в сургуте

Как оказалось, в процессе переноса зарядов участвуют электроны. Природа так устроена, что все тела состоят из атомов и молекул. Они связаны между собой электромагнитными силами. Основу вещества составляет ядро, включающее в себя нейтрон и протон — положительно заряженную частицу. Вокруг центра по орбитали вращается электрон — отрицательный элемент. В нормальном состоянии количество и тех и других совпадает, поэтому тело электрически нейтральное.

Если на вещество действует сторонняя сила, электроны могут разорвать свою связь с атомом и стать свободными. При этом в структуре материала могут уже быть свободные частицы. Возникают они из-за примесей или различных дефектов кристаллической решётки. В состоянии покоя свободные частицы могут хаотично двигаться по структуре.

Но стоит только к телу приложить электромагнитную силу, их движение становится упорядоченным. Возникает явление, называемое электрическим током. Характеризуется он силой. Это величина, показывающая, какое количество зарядов может протечь через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Чтобы возникла сила тока, нужно выполнение трёх условий:

  • существование свободных носителей заряда;
  • создание электромагнитного поля;
  • замкнутость цепи.

Количественно определить силу тока можно с помощью закона Ома: I = U/R. Проведя ряд экспериментов, учёный открыл правило, согласно которому значение тока пропорционально работе, выполняемой для переноса заряда из одной точки в другую и обратно пропорционально сопротивлению материала.

Последняя величина довольно важная характеристика. По своему смыслу сопротивление — параметр обратный проводимости, то есть определяет тип материала.

Суть процесса

При включении любого электрического прибора в цепь происходит замыкание линии. По ней начинает проходить электроток. Он течёт от источника питания через нагрузку (потребителя) и возвращается. Сила тока определяется нагрузочным сопротивлением элементов, подключённых к цепи. Если R большое, величина силы тока небольшая. В ином случае она может достигать больших значений. Ситуация, при которой происходит электрическое соединение плюсового и минусового контакта электрической линии, называют коротким замыканием.

Например, можно представить простую цепь, состоящую из источника тока и лампы накаливания. Чтобы она засветилась, один из выводов источника (фаза) следует подключить к одному из электродов лампы, а другой — ко второму контакту осветительного устройства (нулевой). В замкнутой цепи появится ток, который, проходя по вольфрамовому проводнику лампы, приведёт к его разогреву с излучением света. Такая работа называется штатной или нормальной.

Но если по каким-то причинам возникнет дополнительный контакт между выводами источника питания, причём его сопротивление будет пренебрежительно мало, практически весь генерируемый ток устремится по нему. Произойдёт шунтирование фазы питания с нулём. В результате всё напряжение окажется приложенным к выводам генерирующего устройства. И сила тока, возникшая в цепи, будет определяться только внутренним сопротивлением источника питания.

Сила тока резко возрастёт. Учитывая закон Джоуля — Ленца, определяющий тепловое действие электротока, возрастёт нагрев электрической цепи. Если сила тока при КЗ вырастет в 2 раза, выделившееся тепло увеличится в 40 раз. Явление часто сопровождается расплавлением проводов и возгоранием. Вот поэтому так важно уметь выполнять расчёт токов короткого замыкания для 110 В, 220 В или 380 В. Это те напряжения, что используются в быту и промышленности, обеспечивающие работу электроприборов и установок.

Различают следующие виды КЗ:

  • однофазное — установление контакта между фазовой линией и нулевой;
  • двухфазное — замыкание фаз между собой или их общее соединение с землёй;
  • трёхфазное — наблюдается в сетях 380 вольт при соединении трёх фаз.

Следует отметить, что КЗ возникнет лишь в том случае, если соединение будет иметь наименьшее сопротивление на замкнутом участке цепи, чем предусмотренное нормальным режимом работы. Определяется же он согласно ГОСТ и правилами устройства электроустановок (ПУЭ).

Измерение тока КЗ

Расчёт КЗ необходим для правильного подбора устройств, способных защищать цепи от этого явления, поэтому крайне важно знать, до какой величины может подняться ток при замыкании в определённой точке. Выполнение работ предполагает определение сопротивления линии от места измерений до трансформаторной подстанции. Затем по результатам выполняется расчёт токов трёхфазного КЗ или однофазного, в зависимости от типа используемой электролинии.

При возникновении аварийной ситуации замыкания фазы на фазу или на корпус фактически появляется новая электрическая цепь — «петля» короткого замыкания. Есть несколько способов, с помощью которых можно определить величину сопротивления линии КЗ:

  • метод вычисления напряжения в обесточенной цепи;
  • способ определения падения разности потенциалов на нагрузочном импедансе;
  • измерение полного сопротивления цепи.

Посчитать импеданс петли можно, создав искусственное короткое замыкание. Для этого используют специальные приборы. Они позволяют сначала измерить напряжение без подключённой нагрузки, а затем при включении малоомного резистора (до 10 Ом) в течение короткого времени (порядка 10 миллисекунд).

Полное сопротивление линии состоит из активной и реактивной составляющей. Расчёт выполняют по формуле: Z = √ (R 2 + (Xl + Xc) 2 ). Чтобы рассчитать импеданс линии, состоящей из множества элементов, используют эквивалентную схему, состоящую из резисторов. Все данные трансформаторов, линий, различных электрических компонентов, необходимые для расчётов, приведены в справочных таблицах. Выполняя приведение, получают простую схему, состоящую из двух сопротивлений — активного и реактивного.

Выполнять можно расчёт токов КЗ в именованных единицах и относительных. Для нахождения номинальных параметров системы применяют стандартные формулы: Zn = U / P и I = P / √ (3 * U). Связь между единицами можно установить, выразив параметры через базисные значения. Z = Zn * (Un 2 /Sn). При упрощённых вычислениях принято делать расчёт токов КЗ в относительных единицах.

Явления при замыкании

Как оказалось, ток короткого замыкания непостоянен во времени. Существует 2 понятия, описывающие процесс становления ТКЗ: ударный ток и установившийся. Они определяют поведение протекания процесса. Ударный возникает в первый момент времени при замыкании проводников. Он представляет собой импульс с максимальной амплитудой. Затем сила тока спадает, её значение становится постоянным. При расчётах процесс представляют суммой двух коэффициентов: апериодическим и периодическим. То есть считают, что ток постоянен на всём протяжении времени.

Если рассмотреть эквивалентную схему, становится понятным, почему при КЗ происходит просадка напряжения в сети. Ток, проходя через все элементы, которые находятся между ним и источником, вызывает потери. В точке КЗ напряжение становится минимальным, а во всей сети резко уменьшается. Причём чем дальше находится генератор, тем снижение весомее.

Это явление опасно тем, что на шинах генераторного напряжения происходит перевозбуждение обмоток. В них возникает большой нагрев, что в итоге приводит к пробою. Причём он часто сопровождается появлением искры. Чем дальше возникает КЗ от электростанции, тем его значение меньше. Если в высоковольтных цепях происходит существенное выделение тепла и возникновение искр, ближе к потребителю обычно возникает только дуга или маленькая вспышка. С другой стороны, на этом явлении построена работа аналогового сварочного трансформатора.

Однако методика вычисления остаётся неизменной. Но вместе с этим, чтобы точно убедиться, насколько правильно выбран автоматический предохранитель от КЗ, выполняют измерение сопротивление петли фаза-ноль. Считается, что безопасность выполнима, если измерения удовлетворяют следующему неравенству: Z ≤ 2 * U 0 / 3 * Ia, где:

  • Z — измеренное значение петли в омах;
  • U0 — напряжение фазы в вольтах;
  • I0 — ток срабатывания автомата в соответствии с условиями, приведёнными в ГОСТ 50571 .16−99.

Вычисления можно выполнить и на так называемых онлайн-калькуляторах. Найти с их использованием ТКЗ не представляет трудностей даже человеку, слабо разбирающемуся в процессах, возникающих при замыкании.

Чтобы определить, чему он будет равен, нужно на сайте заполнить предлагающиеся графы и нажать кнопку «Расчёт». Через несколько секунд результат будет выведен на экран.

Источник

Ток короткого замыкания и его расчет. Ударный ток короткого замыкания

Однажды одной даме, не очень сведущей в электротехнике, монтер сообщил причину пропадания света в ее квартире. Это оказалось короткое замыкание, и женщина потребовала немедленно его удлинить. Над этой историей можно посмеяться, но лучше все же рассмотреть эту неприятность подробнее. Специалистам-электрикам и без этой статьи известно, что это за явление, чем оно грозит и как рассчитать ток короткого замыкания. Изложенная ниже информация адресована людям, не имеющим технического образования, но, как и все прочие, не застрахованным от неприятностей, связанных с эксплуатацией техники, машин, производственного оборудования и самых обычных бытовых приборов. Каждому человеку важно знать, что такое короткое замыкание, каковы его причины, возможные последствия и методы его предотвращения. Не обойтись в этом описании и без знакомства с азами электротехнической науки. Не знающий их читатель может заскучать и не дочитать статью до конца.

ток короткого замыкания

Популярное изложение закона Ома

Независимо от того, каков характер тока электрической цепи, он возникает только в том случае, если существует разница потенциалов (или напряжение, это то же самое). Природа этого явления может быть объяснена на примере водопада: если есть разность уровней, вода течет в каком-то направлении, а когда нет – она стоит на месте. Даже школьникам известен закон Ома, согласно которому, ток тем больше, чем выше напряжение, и тем меньше, чем выше сопротивление, включенное в нагрузку:

I – величина тока, которую иногда называют «силой тока», хотя это не совсем грамотный перевод с немецкого языка. Измеряется в Амперах (А).

На самом деле силой (то есть причиной ускорения) ток сам по себе не обладает, что как раз и проявляется во время короткого замыкания. Этот термин уже стал привычным и употребляется часто, хотя преподаватели некоторых вузов, услышав из уст студента слова «сила тока» тут же ставят «неуд». «А как же огонь и дым, идущие от проводки во время короткого замыкания? – спросит настырный оппонент, — Это ли не сила?» Ответ на это замечание есть. Дело в том, что идеальных проводников не существует, и нагрев их обусловлен именно этим фактом. Если предположить, что R=0, то и тепло бы не выделялось, как ясно из закона Джоуля-Ленца, приведенного ниже.

U – та самая разница потенциалов, называемая также напряжением. Измеряется в Вольтах (у нас В, за границей V). Его также называют электродвижущей силой (ЭДС).

R – электрическое сопротивление, то есть способность материала препятствовать прохождению тока. У диэлектриков (изоляторов) оно большое, хотя и не бесконечное, у проводников – малое. Измеряется в Омах, но оценивается в качестве удельной величины. Само собой, что чем толще провод, тем он лучше проводит ток, а чем он длиннее, тем хуже. Поэтому удельное сопротивление измеряется в Омах, умноженных на квадратный миллиметр и деленных на метр. Кроме этого, на его величину влияет температура, чем она выше, тем больше сопротивление. Например, золотой проводник длиной в 1 метр и сечением в 1 кв. мм при 20 градусах Цельсия обладает общим сопротивлением 0,024 Ома.

Есть еще формула закона Ома для полной цепи, в нее введено внутреннее (собственное) сопротивление источника напряжения (ЭДС).

ударный ток короткого замыкания

Две простых, но важных формулы

Понять причину, по которой возникает ток короткого замыкания, невозможно без усвоения еще одной нехитрой формулы. Мощность, потребляемая нагрузкой, равна (без учета реактивных составляющих, но о них позже) произведению тока на напряжение.

P – мощность, Ватт или Вольт-Ампер;

U – напряжение, Вольт;

Мощность бесконечной не бывает, она всегда чем-то ограничена, поэтому при ее фиксированной величине при увеличении тока напряжение уменьшается. Зависимость этих двух параметров рабочей цепи, выраженная графически, называется вольт-амперной характеристикой.

И еще одна формула, необходимая для того, чтобы произвести расчет токов короткого замыкания, это закон Джоуля-Ленца. Она дает представление о том, сколько тепла выделяется при сопротивлении нагрузке, и очень проста. Проводник будет греться с интенсивностью, пропорциональной величинам напряжения и квадрата тока. И, конечно же, формула не обходится без времени, чем дольше раскаляется сопротивление, тем больше оно выделит тепла.

Читайте также:  Изменение числа пар полюсов при переменном токе

формула тока короткого замыкания

Что происходит в цепи при коротком замыкании

Итак, читатель может считать, что освоил все главные физические закономерности для того, чтобы разобраться в том, какой может быть величина (ладно, пусть будет сила) тока короткого замыкания. Но сначала следует определиться с вопросом о том, что, собственно, это такое. КЗ (короткое замыкание) — это ситуация, при которой сопротивление нагрузки близко к нулю. Смотрим на формулу закона Ома. Если рассматривать его вариант для участка цепи, несложно понять, что ток будет стремиться к бесконечности. В полном варианте он будет ограничен сопротивлением источника ЭДС. В любом случае ток короткого замыкания очень велик, а по закону Джоуля-Ленца, чем он больше, тем сильнее греется проводник, по которому он идет. Причем зависимость не прямая, а квадратичная, то есть, если I увеличится стократно, то тепла выделится в десять тысяч раз больше. В этом и состоит опасность явления, приводящего порой к пожарам.

Провода накаляются докрасна (или добела), они передают эту энергию стенам, потолкам и другим предметам, которых касаются, и поджигают их. Если фаза в каком-то приборе касается нулевого проводника, возникает ток короткого замыкания источника, замкнутого на самого себя. Горючее основание электропроводки – страшный сон инспекторов пожарной охраны и причина многих штрафов, налагаемых на безответственных собственников зданий и помещений. И всему виной, конечно же, не законы Джоуля-Ленца и Ома, а пересохшая от старости изоляция, неаккуратно или безграмотно произведенный монтаж, повреждения механического характера или перегрузка проводки.

Однако и ток короткого замыкания, каким бы он ни был большим, также не бесконечен. На размеры бед, которые он может натворить, влияет продолжительность нагрева и параметры схемы электроснабжения.

Цепи переменного тока

Рассмотренные выше ситуации имели общий характер или касались цепей постоянного тока. В большинстве случаев электроснабжение и жилых, и промышленных объектов производится от сети переменного напряжения 220 или 380 Вольт. Неприятности с проводкой, рассчитанной на постоянный ток, чаще всего случаются в автомобилях.

Между этими двумя основными типами электропитания есть разница, и существенная. Дело в том, что прохождению переменного тока препятствуют дополнительные составляющие сопротивления, называемые реактивными и обусловленные волновой природой возникающих в них явлений. На переменный ток реагируют индуктивности и емкости. Ток короткого замыкания трансформатора ограничивается не только активным (или омическим, то есть таким, которое можно измерить карманным приборчиком-тестером) сопротивлением, но и его индуктивной составляющей. Второй тип нагрузки – емкостный. Относительно вектора активного тока векторы реактивных составляющих отклонены. Индуктивный ток отстает, а емкостный опережает его на 90 градусов.

Примером разницы поведения нагрузки, обладающей реактивной составляющей, может служить обычный динамик. Его некоторые любители громкой музыки перегружают до тех пор, пока диффузор магнитное поле не выбивает вперед. Катушка слетает с сердечника и тут же сгорает, потому что индуктивная составляющая ее напряжения уменьшается.

Виды КЗ

Ток короткого замыкания может возникать в разных цепях, подключенных к различным источникам постоянного или переменного тока. Проще всего дело обстоит с обычным плюсом, который вдруг соединился с минусом, минуя полезную нагрузку.

А вот с переменным током вариантов больше. Однофазный ток короткого замыкания возникает при соединении фазы с нейтралью или ее заземлении. В трехфазной сети может возникнуть нежелательный контакт между двумя фазами. Напряжение в 380 или более (при передаче энергии на большие расстояния по ЛЭП) вольт также может вызвать неприятные последствия, в том числе и дуговую вспышку в момент коммутации. Замкнуть может и все три (или четыре, вместе с нейтралью) провода одновременно, и ток трехфазного короткого замыкания будет течь по ним до тех пор, пока не сработает защитная автоматика.

Но и это еще не все. В роторах и статорах электрических машин (двигателей и генераторов) и трансформаторах порой случается такое неприятное явление, как межвитковое замыкание, при котором соседние петли провода образуют своеобразное кольцо. Этот замкнутый контур обладает крайне низким сопротивлением в сети переменного тока. Сила тока короткого замыкания в витках растет, это становится причиной нагрева всей машины. Собственно, если такая беда произошла, не следует ждать, пока оплавится вся изоляция и электромотор задымится. Обмотки машины нужно перематывать, для этого необходимо специальное оборудование. Это же касается и тех случаев, когда из-за «межвиткового» возник ток короткого замыкания трансформатора. Чем меньше обгорит изоляция, тем проще и дешевле будет перемотка.

Расчет величины тока при коротком замыкании

Каким бы ни было катастрофичным то или иное явление, для инженерной и прикладной науки важна его количественная оценка. Формула тока короткого замыкания очень похожа на закон Ома, просто к ней требуются некоторые пояснения. Итак:

I к.з.=Uph / (Zn + Zt),

I к.з. — величина тока короткого замыкания, А;

Uph – фазное напряжение, В;

Zn — полное (включая реактивную составляющую) сопротивление короткозамкнутой петли;

Zt – полное (включая реактивную составляющую) сопротивление трансформатора питания (силового), Ом.

Полные сопротивления определяются как гипотенуза прямоугольного треугольника, катеты которого представляют собой величины активного и реактивного (индуктивного) сопротивления. Это очень просто, нужно пользоваться теоремой Пифагора.

Несколько чаще, чем формула тока короткого замыкания, на практике используются экспериментально выведенные кривые. Они представляют собой зависимости величины I к.з. от длины проводника, сечения провода и мощности силового трансформатора. Графики представляют собой совокупность нисходящих по экспоненте линий, из которых остается лишь выбрать подходящую. Метод дает приблизительные результаты, но его точность вполне отвечает практическим потребностям инженеров по энергоснабжению.

Как проходит процесс

Кажется, что все происходит мгновенно. Что-то загудело, свет померк и тут же погас. На самом деле, как любое физическое явление, процесс можно мысленно растянуть, замедлить, проанализировать и разбить на фазы. До наступления аварийного момента цепь характеризуется установившимся значением тока, находящимся в пределах номинального режима. Внезапно полное сопротивление резко уменьшается до величины, близкой к нулю. Индуктивные составляющие (электродвигатели, дроссели и трансформаторы) нагрузки при этом как бы замедляют процесс роста тока. Таким образом, в первые микросекунды (до 0,01 сек) сила тока короткого замыкания источника напряжения остается практически неизменной и даже несколько снижается за счет начала переходного процесса. ЭДС его при этом постепенно достигает нулевого значения, затем проходит через него и устанавливается в каком-то стабилизированном значении, обеспечивающем протекание большого I к.з. Сам ток в момент переходного процесса представляет собой сумму из периодической и апериодической составляющих. Форма графика процесса анализируется, в результате чего можно определить постоянную величину времени, зависящую от угла наклона касательной к кривой разгона в точке ее перегиба (первой производной) и времени запаздывания, определяемого величиной реактивной (индуктивной) составляющей суммарного сопротивления.

ток короткого замыкания трансформатора

Ударный ток КЗ

В технической литературе часто встречается термин «ударный ток короткого замыкания». Не следует пугаться этого понятия, оно вовсе не такое страшное и к поражению электричеством прямого отношения не имеет. Понятие это означает максимальное значение I к.з. в цепи переменного тока, достигающее своей величины обычно через полпериода после того, как возникла аварийная ситуация. При частоте 50 Гц период составляет 0,2 секунды, а его половина – соответственно 0,1 сек. В этот момент взаимодействие проводников, расположенных вблизи друг относительно друга, достигает наибольшей интенсивности. Ударный ток короткого замыкания определяется по формуле, которую в этой статье, предназначенной не для специалистов и даже не для студентов, приводить не имеет смысла. Она доступна в специальной литературе и учебниках. Само по себе это математическое выражение не представляет особой сложности, но требует довольно объемных комментариев, углубляющих читателя в теорию электроцепей.

защита от токов короткого замыкания

Полезное КЗ

Казалось бы, очевидный факт состоит в том, что короткое замыкание – явление крайне скверное, неприятное и нежелательное. Оно может привести в лучшем случае к обесточиванию объекта, отключению аварийной защитной аппаратуры, а в худшем – к выгоранию проводки и даже пожару. Следовательно, все силы нужно сосредоточить на том, чтобы избежать этой напасти. Однако расчет токов короткого замыкания имеет вполне реальный и практический смысл. Изобретено немало технических средств, работающих в режиме высоких токовых значений. Примером может служить обычный сварочный аппарат, особенно дуговой, замыкающий в момент эксплуатации практически накоротко электрод с заземлением. Другой вопрос состоит в том, что режимы эти носят кратковременный характер, а мощность трансформатора позволяет выдерживать эти перегрузки. При сварке в точке касания окончания электрода проходят огромные токи (они измеряются в десятках ампер), в результате чего выделяется достаточно тепла для местного расплавления металла и создания прочного шва.

расчет токов короткого замыкания

Методы защиты

В первые же годы бурного развития электротехники, когда человечество еще отважно экспериментировало, внедряя гальванические приборы, изобретало различные виды генераторов, двигателей и освещения, возникла проблема защиты этих устройств от перегрузок и токов короткого замыкания. Самое простое ее решение состояло в последовательной с нагрузкой установке плавких элементов, которые разрушались под воздействием резистивного тепла, в случае если ток превышал установленное значение. Такие предохранители служат людям и сегодня, их главные достоинства состоят в простоте, надежности и дешевизне. Но есть у них и недостатки. Сама простота «пробки» (так назвали держатели плавких ставок за их специфическую форму) провоцирует пользователей после ее перегорания не мудрствовать лукаво, а заменять вышедшие из строя элементы первыми попавшимися под руку проволочками, скрепками, а то и гвоздями. Стоит ли упоминать о том, что такая защита от токов короткого замыкания не выполняет своей благородной функции?

сила тока короткого замыкания

На промышленных предприятиях для обесточивания перегруженных цепей автоматические выключатели начали использовать раньше, чем в квартирных щитках, но в последние десятилетия «пробки» были в основном заменены ими. «Автоматы» намного удобнее, их можно не менять, а включить, устранив причину КЗ и дождавшись, когда тепловые элементы остынут. Контакты у них иногда подгорают, в этом случае их лучше заменить и не пытаться почистить или починить. Более сложные дифференциальные автоматы при высокой стоимости не служат дольше обычных, но функционально их нагрузка шире, они отключают напряжение в случае минимальной утечки тока «на сторону», например при поражении человека током.

сила тока короткого замыкания источника

В обыденной же жизни экспериментировать с коротким замыканием не рекомендуется.

Источник

Сила тока короткого замыкания

Каждая электрическая цепь в общих чертах представляет собой источник тока с подключенной нагрузкой, обладающей каким-то сопротивлением. Получается своеобразный контур, по которому протекает электрический ток. Однако, под влиянием различных факторов, две разные точки этого контура начинают контактировать между собой, что и приводит к короткому замыканию.

  1. Короткое замыкание при постоянном и переменном токе
  2. Физические процессы и ударный ток
  3. Взаимосвязь короткого замыкания и силы тока
  4. Сила тока КЗ батареи
  5. Защита цепей и оборудования
  6. Использование эффекта короткого замыкания на практике

Короткое замыкание при постоянном и переменном токе

На практике причиной КЗ может послужить любой токопроводящий предмет. Его сопротивление по сравнению с нагрузкой будет во много раз ниже, поэтому вся сила тока короткого замыкания устремляется именно с это место. Ее значение стремительно повышается, что вызывает мгновенный нагрев проводов до температуры плавления, после чего они перегорают. Толстые проводники расплавляются медленнее, и за это время они успевают воспламенить все горючие элементы, расположенные поблизости.

Читайте также:  В чем отличие резонанса токов от резонанса напряжений

Сила тока короткого замыкания

Как уже отмечалось, сопротивление нагрузки при коротком замыкании будет стремиться к нулю. В соответствии с законом Ома, сила тока, при этом, будет увеличиваться в сторону бесконечности. На практике такого бесконечного роста не получится, поскольку существует ограничение, вызванное сопротивлением источника тока. Тем не менее, сила тока короткого замыкания будет достаточно высокой, чтобы разогреть проводник. В этом случае рассматривается квадратичная зависимость, когда при увеличении тока в 10 раз, выделение тепла увеличится в 100 раз. Именно в этом и состоит главная опасность данного явления, приводящего к пожарам.

Под действием высокого тока проводники раскаляются и отдают тепловую энергию окружающим предметам и конструкциям. В случае соприкосновения фазного и нулевого проводников – источник тока замыкается коротко сам на себя. Как правило, возгорание начинается с изоляции, пришедшей в негодность после длительной эксплуатации или пострадавшей от механических повреждений. Величина негативных последствий определяется не только силой тока, но и продолжительностью нагрева и особенностями схемы данной цепи. Эти ситуации носят общий характер и затрагивают в основном цепи с постоянным током.

Большинство замыканий происходит в сетях переменного тока на 220 или 380В, широко используемых на объектах жилого и промышленного назначения. В отличие от постоянного, переменному току создаются препятствия в виде дополнительных реактивных сопротивлений – индуктивного и емкостного. Они отклоняются от вектора активного тока на 90 градусов: индуктивный отстает, а емкостный ток опережает его на указанную величину.

Физические процессы и ударный ток

Понять воздействие тока можно только через физику самого процесса. На первый взгляд можно подумать, что все совершается в одно мгновение: гудение, вспышка, после чего тока в сети уже нет. Однако, если рассмотреть этот процесс с точки зрения физики и мысленно разбить его на отдельные фазы, можно заметить, что на каждом этапе ток ведет себя по-разному.

До момента возникновения аварии в цепи наблюдается стабильное установившееся значение тока, находящееся в рамках номинала. Далее происходит внезапное резкое снижение полного сопротивления до величины, стремящейся к нулю. Если в цепи находится оборудование с индуктивным сопротивлением, например, электродвигатели и трансформаторы, то они своими физическими свойствами замедляют рост электрического тока.

В связи с этим, в первое мгновение, не превышающее 0,01 с, сила тока КЗ источника напряжения практически не изменяется, и даже немного понижается в начале переходного процесса. При этом ЭДС источника постепенно доходит до нуля и пройдя через эту отметку, принимает стабильное значение, при котором может протекать высокий ток аварийного режима. На переходном этапе сам ток будет состоять из суммы, включающей периодическую и апериодическую составляющую. Все происходящие процессы можно проанализировать по форме графика и вычислить постоянное значение временной величины, зависящей от сопутствующих факторов.

Следует коротко остановиться на так называемом ударном токе короткого замыкания. Прежде всего, эта величина не столь страшная, как ее название, и не связана напрямую с поражающим фактором электрического тока. Этот показатель, прежде всего, характеризует максимальную отметку тока КЗ, до которой он доходит в течение половины периода после начала аварии. Целый период длится 0,2 с, следовательно, его половина составит 0,1 с. Именно в этот момент проявляется наибольшая интенсивность взаимодействия проводников, расположенных рядом. Для определения ударного тока существует специальная формула, широко используемая специалистами при выполнении расчетов.

Взаимосвязь короткого замыкания и силы тока

Рассмотрев физику процесса, можно с большей точностью установить взаимную связь силы тока и короткого замыкания в различных ситуациях. Любое устройство или оборудование, подключенное к источнику тока, создает ситуацию, близкую к короткому замыканию. Каждый прибор обладает сопротивлением и берет на себя всю нагрузку, за счет чего и обеспечивается его нормальная работа. Однако, при заметном снижении сопротивления, сила тока сразу же заметно возрастет. Взаимосвязь между напряжением, сопротивлением и силой тока определяется законом Ома.

Для участка цепи существует упрощенная формула, которая будет выглядеть следующим образом: I=U/R. В ней соответственно I будет силой тока, U – сетевым напряжением и R – электрическим сопротивлением. Проводники на этом участке условно имеют однородную структуру, а сама цепь дополнена резистором. Параметры источника тока в расчет не берутся.

В самом упрощенном варианте ток при КЗ можно вычислить следующим образом: Iкз = Е/r, где Е – ЭДС источника тока, r – сопротивление нагрузки. Из этой формулы хорошо видно, как при сниженном сопротивлении будет расти сила тока. Сама по себе данная ситуация не представляет какой-либо угрозы, но здесь дополнительно вступает в действие закон Джоуля-Ленца. Он указывает на выделение тепла во время течения по проводнику электрического тока и определяется не только количественной, но и временной характеристикой. Суть этого закона заключается в том, что с повышением силы тока за единицу времени будет выделено и большее количество теплоты.

Сила тока КЗ батареи

Все положения, рассмотренные выше, подходят и к случаям короткого замыкания источников питания. Типичным примером служит аккумуляторная батарея, в состав которой входит отрицательный электрод – анод и положительный – катод. Один от другого их отделяет твердый или жидкий электролит. Происходящие внутри устройства химические реакции, формируют электрический заряд, обеспечивающий работу подключенного прибора.

По сути, батарею можно считать своеобразным участком цепи, на которых распространяются все установленные правила. Следовательно, нарушенная изоляция, также приводит к короткому замыканию и последующим процессам. Многократный рост силы тока приводит к выделению тепла, под действием которого источник электроэнергии перегревается и разрушается, с одновременным закипанием и разбрызгиванием электролита.

Защита цепей и оборудования

После того как электротехника получила толчок к своему интенсивному развитию, возникла серьезная проблема по защите от короткого замыкания и его последствий. Особую актуальность она приобрела с повышением мощности электродвигателей, генераторов, осветительных приборов и другого оборудования.

Простейшим решением стала последовательная установка вместе с нагрузкой плавких одноразовых предохранителей. В случае превышения током установленного значения, выделяемое резистивное тепло воздействовало на них. В результате, предохранители разрушались, прерывали цепь и процесс короткого замыкания прекращался. Подобные элементы до сих пор пользуются спросом из-за своей надежности, простоты и низкой стоимости.

Единственным недостатком такой конструкции является возможность замены плавкой вставки различными металлическими предметами – проволокой, гвоздями или скрепками. Они обладают совершенно другими параметрами и уже неспособны защитить от перегрузок и коротких замыканий.

Ситуация совершенно изменилась, когда на смену одноразовым устройствам пришли автоматические защитные средства. Вначале они стали активно использоваться в промышленности, а потом нашли свое применение в квартирных электрощитах. Автоматика гораздо удобнее в пользовании, поскольку такие устройства не требуют замены. После устранения причин короткого замыкания тепловые элементы остывают, и прибор вновь готов к использованию. Подгоревшие контакты нежелательно чистить или ремонтировать. В случае необходимости они легко заменяются новыми.

Использование эффекта короткого замыкания на практике

Многократно увеличенная сила тока при коротком замыкании приводит к выделению большого количества тепла. Поэтому данный режим нередко вызывает возгорания, разрушения проводки, прекращение электроснабжения потребителей. Довольно часто появление электромагнитных колебаний может существенно нарушить работу чувствительной электронной аппаратуры.

Тем не менее, несмотря на множество негативных факторов, эффект короткого замыкания успешно применяется в сфере промышленного производства. Конечно, для этого необходимо обеспечить надежную защиту и безопасные условия труда для работников.

Типичным примером служит сварочная аппаратура, особенно дуговая, в которой используется принцип короткого замыкания электрода и заземления. В месте контакта сила тока кратковременно возрастает, металл приходит в расплавленное состояние, обеспечивая надежное соединение деталей. Поскольку такой режим действует в течение очень короткого времени, трансформатор вполне способен выдержать перегрузки.

Источник



Что такое ток короткого замыкания?

Ток короткого замыкания (short-circuit current) — это сверхток в электрической цепи при коротком замыкании (определение согласно ГОСТ 30331.1-2013). В некоторой нормативной документации используется сокращение «ток КЗ».

Харечко Ю.В. конкретизировал понятие «ток короткого замыкания» следующим образом [2]:

« Ток короткого замыкания представляет собой одну из разновидностей сверхтока. В отличие от тока перегрузки ток короткого замыкания обычно возникает в условиях повреждений, когда повреждается изоляция каких-либо проводящих частей, находящихся под разными электрическими потенциалами, и между ними возникает электрический контакт с пренебрежимо малым полным сопротивлением. В условиях повреждений также возможно замыкание частей, находящихся под напряжением, на открытые и сторонние проводящие части, которые в электроустановках зданий с типами заземления системы TN-S, TN-C-S и TN-C имеют электрическую связь с заземленной нейтралью источника питания. »

« Токи замыкания на землю в системах TN, протекающие по фазным проводникам и защитным или PEN-проводникам, будут сопоставимы с токами однофазных коротких замыканий, которые протекают по фазным проводникам и нейтральным или PEN-проводникам. »

Ток короткого замыкания может также возникнуть в нормальных условиях, когда отсутствуют повреждения, из-за ошибочного соединения проводящих частей с разными электрическими потенциалами, допущенного при монтаже и эксплуатации электроустановки здания. Если ошибочно выполнено электрическое соединение, например, фазного и нейтрального проводников какой-то электрической цепи, то при ее включении по обоим проводникам будет протекать ток однофазного короткого замыкания.

Особенности.

В своей книге [2] Харечко Ю.В. также отразил некоторые особенности, которые касаются понятия «ток короткого замыкания»:

« Величина тока короткого замыкания может многократно (на несколько порядков) превышать значение тока перегрузки и тем более значение номинального тока. Даже кратковременное его воздействие на какие-либо элементы электроустановки зданий может вызвать их механическое повреждение, перегрев, возгорание и, как следствие, явиться причиной пожара в здании. Поэтому электрооборудование в электроустановках зданий, прежде всего – проводники электрических цепей, должно быть надежно защищено от токов короткого замыкания с помощью устройств защиты от сверхтока – автоматических выключателей и плавких предохранителей. »

« Токи короткого замыкания определяют при проектировании электроустановок зданий и учитывают при выборе характеристик электрооборудования. Максимальные токи короткого замыкания всегда соотносят с предельными сверхтоками, которые способны отключить коммутационные устройства и устройства защиты от сверхтока, а также могут пропустить через себя некоторые виды электрооборудования. Минимальные токи короткого замыкания используют для проверки способности устройств защиты от сверхтока выполнить их отключение в течение нормируемого или предпочтительного промежутка времени. »

О методике расчета токов короткого замыкания.

Методики расчета токов короткого замыкания изложены в ГОСТ 28249-93, в стандартах и технических отчетах комплекса МЭК 60909. ГОСТ 28249-93 распространяется на трехфазные электроустановки переменного тока напряжением до 1 кВ, присоединенные к энергосистеме или к автономным источникам электрической энергии. Стандарт устанавливает общую методику расчета токов симметричных и несимметричных коротких замыканий в начальный и произвольный моменты времени с учетом параметров синхронных и асинхронных машин, трансформаторов, реакторов, кабельных и воздушных линий электропередачи, а также шинопроводов.

Комплекс МЭК 60909 применяют для расчета токов короткого замыкания в низковольтных и высоковольтных электроустановках переменного тока частотой 50 или 60 Гц. Однако, как указано в стандарте МЭК 60909-0, электрические системы с напряжением 550 кВ и более, имеющие протяженные линии электропередачи, требуют специального рассмотрения.

Источник