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.

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,

где:

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,

где:

Uхх — напряжение холостого хода источника питания,

Iн — ток, отдаваемый источником питания под нагрузкой,

Uн — 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≈Uн, то точность результата будет крайне низкой).

Причины возникновения КЗ

Теперь кратко пробежимся по возможным причинам возникновения КЗ.

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:

• 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.

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.

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