Что такое короткое замыкание и как от него защититься

Что такое короткое замыкание?

Под данным термином принято называть состояние сети, в которой имеет место непредусмотренный нормальной эксплуатацией электрический контакт между точками электроцепи с различными потенциалами. Низкое сопротивление в зоне контакта вызывает резкое увеличение силы тока, превышающее допустимое значение.
Для понимания процесса приведем наглядный пример. Допустим, имеется лампа накаливания мощностью 100 Вт, подключенная к бытовой сети 220 В. Применив Закон Ома, рассчитаем величину тока для нормального режима и короткого замыкания, игнорируя сопротивление источника и электрической проводки.

При нормальном режиме работы приведенной выше цепи, электрический ток будет равен 0,45 А (I = P/U = 100/220 ≈ 0,45), а сопротивление нагрузки составит 489 Ом (R = U/A = 220/0,45 ≈ 489).

Теперь рассмотрим изменение параметров цепи при возникновении КЗ. Для этого замкнем цепь между точками А и В выполним соединение при помощи провода с сопротивлением 0,01 Ом. Учитывая свойства электрического тока, он выберет путь с наименьшим сопротивлением, соответственно, Iкз увеличится до 22000 А (I=U/R). Собственно, по этой причине замыкание называется коротким.

Данный пример сильно упрощен, в реальности ток замыкания не поднимется до 2,2 кА, поскольку произойдет падение напряжения на потребителе, согласно второму закону Киргофа: E = I * r + I * R , где I*r — напряжение на источнике питания, а I * R, соответственно, на потребителе. Поскольку R при замыкании стремится к нулю, то вольтметр в изображенной выше схеме покажет падение напряжения.

Причины опасной ситуации

Аварийная ситуация и короткое замыкание цепи не может возникнуть просто так.

В каждом конкретном случае имеются определенные причины и негативные факторы:

• Высокий уровень напряжения при замыкании. Обычно возникает в результате резкого скачка, при котором наблюдается превышение всех допустимых норм. Вероятность пробоя изоляции или всей схемы становится очень высокой. Повышаются токовые утечки с одновременным повышением температуры дуги. При коротком замыкании большое напряжение всегда создает кратковременный дуговой разряд.
• Старые изношенные слои изоляционного покрытия. Подобные ситуации чаще всего встречаются, когда замена проводки не проводилась в течение длительного времени. Слабая изоляция оказывается наиболее подверженной электрическому пробою, чему причина – выработка своего ресурса.
• Внешние механические воздействия. Защитная оболочка проводников постепенно перетирается, а изоляционное покрытие оказывается нарушенным. Жилы проводов также подвержены повреждениям, вызывающим не только КЗ, но и возгорания.
• В электрическую цепь иногда попадают посторонние предметы – пыль, мусор и т.д. Попадая на проводник, они создают собственную дополнительную цепочку, способную вызвать ток короткого замыкания источника.
• Удары молний, создающие высокое напряжение, легко пробивающее всю электрическую схему или изоляцию проводников.

Почему происходит короткое замыкание

Для того чтобы понять почему происходит короткое замыкание, нужно вспомнить закон Ома для участка цепи – «Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению на этом участке», формула при этом следующая:

I=U/R

где I – сила тока, U – напряжение на участке цепи, R – сопротивление.

Любой электроприбор в квартире, включающийся в розетку, это активное сопротивление (R – в формуле), напряжение в бытовой электросети вам должно быть известно – 220В-230 В и оно практически не меняется. Соответственно, чем выше сопротивление электроприбора (или материала, проводника и т.д.) включаемого в сеть, тем меньше величина тока, так, как зависимость между этими величинами обратно пропорциональная.

Теперь представьте, что мы включаем в сеть электроприбор практически без сопротивления, допустим его величина R=0.05 Ом, считаем, что тогда будет с силой тока по закону Ома.

I=220В(U)/0,05(Ом)=4400А

В результате получается очень высокий ток, для сравнения стандартная электрическая розетка в нашей квартире, выдерживает лишь ток 10-16А, а у нас по расчетам 4,4 кА.

Современные медные провода, используемые в проводке, имеют настолько хорошие показатели электрической проводимости, что их сопротивление, при относительно небольшой длине, можно принять за ноль. Соответственно, прямое соединение фазного и нулевого провода, можно сравнить, с подключением к сети электроприбора, с очень низким сопротивлением. Чаще всего, в бытовых условиях, мы сталкиваемся именно с таким типом короткого замыкания.

Конечно, это очень грубый пример, в реальных условиях, при расчете силы тока при коротком замыкании, учитывать приходится гораздо больше показателей, таких как: сопротивление всей линии проводов, идущих к вам, соединений, дополнительного оборудования сети и даже дуги образующейся при коротком замыкании, а также некоторых других.Поэтому, чаще всего, сопротивление будет выше тех 0,05 Ом, что мы взяли в расчете, но общий принцип возникновения КЗ и его разрушительных эффектов понятен.

Однофазные короткие замыкания

На практике в большинстве случаев происходят однофазные короткие замыкания. В сетях с изолированной нейтралью при соединении одной фазы с землей режим не является коротким замыканием и бесперебойность электроснабжения не нарушается, но он должен быть отключен, так как соответствует аварийному состоянию. При замыкании одной фазы на землю в данной сети напряжения на двух других фазах повышаются в 1,73 раза, а напряжение на нулевой точке становится равным фазному напряжению относительно земли.

Будет интересно➡ Что такое коэффициент полезного действия (КПД) и как рассчитать его по формуле

В сетях с глухозаземленной нейтралью при соединении провода с землей сгорает предохранитель или срабатывает автоматический выключатель, при этом электроснабжение нарушается, а при сгорании предохранителя могут повредиться обмотки двигателей при работе на двух фазах.

Если в любой части электропроводки или электроприбора (лампочки, утюга и т. д.) нарушится изоляция и фазный провод коснется нулевого, произойдет короткое замыкание.

Поскольку между замкнувшимися проводами нет никакой нагрузки, иначе говоря, электрическое сопротивление места контакта практически равно нулю, ток через контакт начнет расти до тех пор, пока не расплавятся провода, что, в частности, может привести к пожару. Для защиты от короткого замыкания и служат предохранители.

Простой (в виде «пробки») предохранитель — это включенная в фазный провод легкоплавкая вставка, которая при росте тока сгорит и разомкнет цепь задолго до того, как произойдут более серьезные неприятности. Конструктивно предохранитель выполнен так, что эта микрокатастрофа не приводит к порче предохранительной колодки. Пожертвовавшую собой маленькую героиню выбрасывают и заменяют следующей.

Расчет тока короткого замыкания

Напряжение короткого замыкания – это напряжение, при котором на замкнутой обмотке трансформатора протекает электрический ток, равный номинальному.

Определять напряжение КЗ можно по падению напряжения на трансформаторе. Эта величина характеризует полное сопротивление обмоток. Токи, возникающие при коротком замыкании, значительно превышают номинальное значение, на которое рассчитана вся электрическая схема. Они могут выжигать слабые места, разрушать их и приводить к возгоранию.

Чтобы исключить аварийную ситуацию, специалисты на стадии проектирования начинают бороться с дефектом и вычислять теоретическую возможность возникновения больших токов. С учетом рассчитанных данных выбираются силовые элементы и защитные компоненты схем. Борются с токами большой величины и при эксплуатации оборудования.

Расчет тока однофазного КЗ и трехфазного осуществляется с помощью закона Ома, полного сопротивления схемы, силовой характеристики мощности и структуры используемой электроустановки. Точность может отличаться в зависимости от предназначения приборов.

Основные понятия и принцип расчета

Сама формула расчета тока короткого замыкания проста, она выходит из закона ома для полной цепи и имеет следующий вид:

Iкз=Uф/Zф-о

где:

• Uф — фазное напряжение сети (230 Вольт);
• Zф-о — полное сопротивление петли (цепи) фаза-нуль в Омах.

Что такое петля фаза-нуль (фаза-ноль)? Это электрическая цепь состоящая из фазного и нулевого проводников, а так же обмотки трансформатора к которым они подключены.

В свою очередь сопротивление данной электрической цепи и называется сопротивлением петли фаза нуль.

Советуем к прочтению: АВР: устройство и принцип действия системы ввода резерва, применение автоматического переключения питания

Как известно есть три типа сопротивлений: активное (R), реактивное (X) и полное (Z). Для расчета тока короткого замыкания необходимо использовать полное сопротивление определить которое можно из треугольника сопротивлений:

Примечание: Сумма полных сопротивлений нулевого и фазного проводников называется полным сопротивлением питающей линии.

Рассчитать точное сопротивление петли фаза-нуль довольно сложно, т.к. на ее сопротивление влияет множество различных факторов, начиная с переходных сопротивлений контактных соединений и сопротивлений внутренних элементов аппаратов защиты, заканчивая температурой окружающей среды. Поэтому для практических расчетов используются упрощенные методики расчета токов КЗ одна из которых и приведена ниже.

Справочно: Расчетным путем ток короткого замыкания определяется, как правило, только для новых и реконструируемых электроустановок на этапе проектирования электрической сети и выбора аппаратов ее защиты. В действующих электроустановках наиболее целесообразно определять ток короткого замыкания путем проведения соответствующих измерений (путем непосредственного измерения тока КЗ, либо путем косвенного измерения, т.е. измерения сопротивления петли-фаза-нуль и последующего расчета тока КЗ).

Методика расчета тока кз

1) Определяем полное сопротивление питающей линии до точки короткого замыкания:

Zл = √(R2л+X2л), Ом

где:

• Rл — Активное сопротивление линии, Ом;
• Xл — Реактивное сопротивление линии, Ом;

Примечание: Расчет производится для каждого участка линии с различным сечением и/или материалом проводника, с последующим суммированием сопротивлений всех участков (Zпл=Zл1+Zл2+…+Zлn).

Активное сопротивление линии определяется по формуле:

Rл =Lфо*p/S, Ом

где:

• Lфо — Сумма длин фазного и нулевого проводника линии, м;
• p — Удельное сопротивление проводника (для алюминия — 0,028, для меди – 0,0175), Ом* мм2/м;
• S — Сечение проводника, мм2.

Примечание: формула приведена с учетом, что сечения и материал фазного и нулевого проводников линии одинаковы, в противном случае расчет необходимо выполнять по данной формуле для каждого из проводников индивидуально с последующим суммированием их сопротивлений.

Реактивное сопротивление линии определяется по формуле:

Хл =Lфо*0,6/1000, Ом

2) Определяем сопротивление питающего трансформатора

Сопротивление трансформатора зависит от множества факторов, таких как мощность, конструкция трансформатора и главным образом схема соединения его обмоток. Для упрощенного расчета сопротивление трансформатора при однофазном кз (Zтр(1)) можно принять из следующей таблицы:

Ток однофазного короткого замыкания определяем по следующей формуле:

Iкз=Uф/(Zтр(1)+Zпл), Ампер

где:

• Uф — Фазное напряжение сети в Вольтах (для сетей 0,4кВ принимается равным 230 Вольт);
• Zтр(1) — Сопротивление питающего трансформатора при однофазном кз в Омах (из таблицы выше);
• Zпл — Полное сопротивление питающей линии (цепи фаза-ноль) от питающего трансформатора до точки короткого замыкания в Омах.

Пример расчета тока кз

Для примера возьмем следующую упрощенную однолинейную схему:

1. Определяем полное сопротивление питающей линии до точки короткого замыкания

Как видно из схемы всего имеется три участка сети, расчет сопротивления необходимо производить для каждого в отдельности, после чего сложить рассчитанные сопротивления всех участков.

• Участок 1

Rл1 =Lфо*p/S=150*0,028/35=0,12 Ом

Хл1 =Lфо*0,6/1000=150*0,6/1000=0,09 Ом

Zл1 = √(R2л+X2л)=√(0,122+0,092)=0,15 Ом

• Участок 2

Rл2 =Lфо*p/S=20*0,028/16=0,035 Ом

Хл2 =Lфо*0,6/1000=20*0,6/1000=0,012 Ом

Zл2 = √(R2л+X2л)=√(0,0352+0,0122)=0,037 Ом

• Участок 3

Rл3 =Lфо*p/S=40*0,0175/2,5=0,28 Ом

Хл3 =Lфо*0,6/1000=40*0,6/1000=0,024 Ом

Zл3 = √(R2л+X2л)=√(0,282+0,0242)=0,281 Ом

Таким образом полное сопротивление питающей линии (цепи фаза-ноль) от питающего трансформатора до точки кз составит:

Zпл=Zл1 +Zл2 +Zл3 =0,15+0,037+0,281=0,468 Ом

1. Определяем сопротивление трансформатора

Как видно из схемы источником питания является трансформатор на 160 кВА, со схемой соединения обмоток «звезда — звезда с выведенной нейтралью». Определяем сопротивление трансформатора по таблице выше:

Zтр(1)=0,16 Ом

1. Рассчитываем ток короткого замыкания

Iкз=Uф/(Zтр(1)+Zпл)=230/(0,16+0,468)=366 Ампер

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.

Как предотвратить короткое замыкание

На этот вопрос есть короткий ответ: чтобы не произошло короткое замыкание, соблюдайте правила эксплуатации электрических приборов. Конкретные рекомендации ниже помогут предупредить короткое замыкание.

Не включайте частично поврежденные приборы

Если в утюге или холодильнике перетерся кабель и видна внутренняя оболочка, не включайте его, до того, как отремонтируете. Сначала аккуратно снимите верхний слой изоляции в поврежденном участке и осмотрите внешнее состояние изоляции. Все повреждения и трещины плотно замотайте изолентой. Затем верните назад верхнюю оболочку и тоже перемотайте.

Часто требуется замена штепсельной вилки, например, если она сильно расшатана или поврежден корпус. Она продается в любом переходе или магазине, потому не откладывайте с покупкой.

Повреждения могут быть не только на шнуре питания, но и внутри. Например, если Вы включаете что-либо и слышите внутри искрение. Это уже говорит о серьезной неисправности, даже если электрооборудование работает, на первый взгляд, нормально. В таком случае, выключите его из розетки и отнесите в сервисный центр (или отремонтируйте самостоятельно).

Помните, что включение неисправного электроприбора часто приводит к КЗ, которое уничтожит всю проводку в доме и с большой вероятностью спровоцирует пожар. Если Вы будете находиться поблизости, то рискуете получить серьезные травмы.

Даже если Вы проверили всю проводку и включаете только новую исправную технику, это не дает 100%-ой гарантии, что в вашей сети не случится аварии. Потому, всегда устанавливайте в щиток качественные автоматические выключатели и УЗО.

Советуем к прочтению: Как определить фазу и ноль: индикаторной отверткой, мультиметром, визуально

Используйте подходящие автоматические предохранители

Рекомендация в первую очередь касается бытовых потребителей: владельцев квартир, домов, дач. Использование вместо предохранителей так называемых «жучков», а также установка неподходящих автоматических выключателей повышает риск нагрева кабеля и короткого замыкания.

Пример: поставщик электроэнергии согласовал установку «автомата» 16А. Этот предохранитель рассчитан на разрешенную потребляемую мощность и силу тока. Он срабатывает, когда сила тока превышает 16 ампер и защищает сеть от аварии. Если установить в эту сеть «автомат» 40А или «жучок», потребитель не будет страдать от частых срабатываний предохранителя. Но сеть останется незащищенной от ненормативных нагрузок. Это повышает риск повреждения кабеля и короткого замыкания.

«Жучком» называют самодельный или самостоятельно модифицированный предохранитель. Обычно это предохранитель, в котором вместо плавкой вставки используется толстая проволока.

Проверяйте работоспособность кабеля

Перед монтажом проводки проверяйте кабель на целостность изоляции и отсутствие короткого замыкания. Кабель с ленточной броней надо проверять на замыкание на броню. Это проще всего сделать с помощью мегаомметра.

Замените алюминиевую проводку на медную

При меньшем сечении провода медь лучше проводит электричество и выдерживает большую нагрузку. Кроме того, она выдерживает больше механических изгибов и не так быстро окисляется, как алюминий.

Новые ПУЭ вообще запрещают в бытовых сетях прокладывать алюминиевую проводку, так как она потенциально опасная и менее эффективная в эксплуатации, чем медная.

В советские времена в жилых домах часто делали алюминиевую проводку. Если Ваша квартира до сих пор пользуется таким «советским наследством», задумайтесь, срок эксплуатации ее, наверняка, уже давно вышел.

Не игнорируйте пылевлагозащиту

Размещая розетки, выключатели или электроприборы в местах повышенной влажности позаботьтесь о высоком уровне пылевлагозащиты. Например, на улице, где возможны осадки, роса и туман, он должен быть не ниже IP67. Минимальный уровень для ванной IP44, если существует вероятность прямого попадания водяных брызгов, тогда лучше IP56.

Если внутрь проникнет вода, розетка начнет искриться, оплавится пластиковый корпус и в конце концов случится короткое замыкание. Потому всегда выбирайте оптимальный уровень пылевлагозащиты.

Не эксплуатируйте электросети без заземления или зануления

Заземление и зануление само по себе не предупреждает короткое замыкание. Но благодаря этой защите при коротком замыкании сила тока мгновенно уменьшается до безопасного для человека и оборудования уровня.

В многоквартирных и частных домах заземление реализовано так, чтобы при коротком замыкании срабатывали автоматы защиты. Поэтому бытовым потребителям достаточно использовать надежные предохранители, как описано выше.

Выбирайте кабель достаточного сечения

Перед покупкой, обязательно рассчитайте вероятную максимальную нагрузку на линию. Сечение должно быть достаточным для безопасного пропускания тока в пиковые часы нагрузки, например, зимой когда включено отопление или в выходные, когда дома работает максимальное количество электропотребителей.

Оптимальное сечение на розеточные группы 2,5мм² и выше, а на освещение 1,5мм² или 0,5мм² на LED. Но лучше, сделайте точные расчеты максимальной мощности и уже по ним выбирайте сечение.

Учитывайте схему электропроводки в здании и на участке во время ремонта

Во время ремонта или земляных работ на участке важно не повредить проводку. Поэтому при сверлении или штроблении стен важно проверить участок с помощью тестера скрытой проводки. А перед выполнением земляных работ важно изучить схему проводки на участке.

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.

Будет интересно➡ Законы Кирхгофа простыми словами: определение для электрической цепи

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.

Важное по теме: Как прозвонить транзистор.

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 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.

Чем определяется напряжение и ток при коротком замыкании?

Выше я сказал, что КЗ может произойти в любой точке линии. Давайте разбираться, как будет зависеть ток и напряжение в зависимости от места КЗ.

Короткое замыкание – это физическое явление. Ток короткого замыкания – это параметр питающей электросети, измеряемый в амперах или килоамперах (кА).

Немецкий физик Ом со школьных лет учит нас, что напряжение и ток определяются через сопротивление цепи:

Ток короткого замыкания, как и любой ток, тоже рассчитывается по закону Ома и зависит от напряжения и сопротивления на данном участке цепи. Поскольку сопротивление проводов в реальной жизни – это не только то, что показывает мультиметр, но и индуктивная составляющая, закон Ома для тока КЗ запишем в более общем виде:

В числителе U – номинальное напряжение в сети (напряжение холостого хода на выходе трансформатора на ТП). Число, которое получается при расчетах в знаменателе – полное сопротивление цепи Z, от которого и зависит ток КЗ. Рассмотрим схему однофазного питания квартиры и реальный случай КЗ с замкнувшим феном:

В схеме обозначены полные сопротивления различных участков питающей сети:

• Z1 – внутреннее сопротивление трансформатора на подстанции с учетом пересчитанного сопротивления высоковольтной части,
• Z2 – кабельная линия от ТП к распределительному пункту (РП) многоквартирного дома,
• Z3 – кабельная линия от РП до квартирного щитка,
• Z4 – кабель от щитка до розетки в одной из комнат,
• Z5 – переноска от розетки до замкнувшего фена.

Советуем к прочтению: Что такое делитель напряжения и где он используется

Вот как может выглядеть график уровня напряжения на разных участках – от клемм трансформатора на подстанции до замкнувшей вилки фена:

Падение напряжения сопровождается выделением тепла на всех участках питающей линии. На мощных участках с большим сечением проводов доля “квартирного” тока КЗ ничтожна, поэтому там падение небольшое (участки с сопротивлением Z1, Z2).

В связи с понижением напряжения в результате КЗ можно отметить, что это будет заметно на параллельных нагрузках, подключенных например к тому же РП. При КЗ или сильной перегрузке у одного из потребителей лампочки в соседних домах и подъездах станут гореть тусклее. Бывало?

А вот как может выглядеть изменение тока КЗ от источника до места замыкания:

Типичное значение тока КЗ на клеммах трансформатора мощностью до 1000 кВА, которые применяются для питания городских потребителей – порядка 10 кА. А вот в розетках наших квартир ток КЗ может составлять значение порядка 1000 А. В частном секторе и сельских районах значение тока КЗ может быть гораздо меньше – до 100 А.

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.

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.

Как предупредить короткое замыкание

Самый простой способ – это соблюдать рекомендации, прописанные в ПУЭ – практически всем записям в этой книге предшествует какая-либо авария либо как минимум нештатная ситуация. Ну а так как заучивать правила скорее всего никто не будет, то хотя бы надо руководствоваться здравым смыслом, который диктует следующее:

• Если проводка старая, то настоятельно рекомендуется ее замена. Если по каким-либо причинам это невозможно, то, как минимум, надо осмотреть контакты розеток и оценить, требуется ли им дополнительная изоляция.
• Если квартиру затопили соседи сверху, то, даже если ничего не замкнуло, это повод пересмотреть скрутки проводов в распределительных коробах – под воздействием влаги липкая сторона изоленты теряет свои свойства.
• Нужна осторожность при вбивании гвоздей в стены – неудачно забитый гвоздь приносит с собой большое количество «головной боли» по замене перебитого провода.

Настоятельно рекомендуется при проведении капитального ремонта составить план электропроводки, а если в каком-либо месте есть скрутки проводов, то обязательно указывать её на схеме – это потенциальное «слабое звено».

Также можно просто сделать фото проводов до того, как они будут спрятаны в стену.

• В частном секторе обязательно надо применять дополнительные меры по защите проводки от крыс и мышей – есть достаточно большое количество найденных домашними электриками способов борьбы с грызунами – это могут быть металлические гофры, промазывание кабелей мастикой и прочие методы.
• Если в розетку приходилось включать мощный прибор, то потом стоит перепроверить, не подгорели ли контакты и состояние изоляции.

Пример поиска короткого замыкания специальным прибором — на видео:

В чем заключается угроза КЗ?

Замыкание в первую очередь представляет угрозу здоровью и жизни человека. Это связано с пожарной опасностью: возгорание изоляции проводов, воспламенение окружающих предметов, способность изоляции распространять горение. Так же изменение силы тока может быть губительным для используемых устройств и приборов, приводя к катастрофическим последствиям. КЗ может стать причиной экономического убытка Поэтому важно использовать меры профилактики возникновения явления и прибегать к установке методов защиты.

Опасность и последствия

Чтобы понять, какую опасность представляет КЗ, достаточно узнать о возможных последствиях короткого замыкания. Для этого перейдем к краткому перечню, составленному по статистическим данным Ростехнадзора:

• Возникновение возгорания в месте механического соприкосновения неизолированных элементов оборудования или электрической сети часто становится причиной пожара.
• Понижение уровня напряжения электрического тока в зоне замыкания вызовет сбой в работе электрооборудования. О последствиях пониженного напряжения можно подробно узнать в одной из публикаций на нашем сайте.
• Как видно из приведенной выше таблицы 1, на долю симметричных замыканий (К(З)) приходится не более 5%, это означает, что во всех остальных случаях придется иметь дело с сетевой асимметрией, более известной под названием «перекос фаз». Последствия такого режима мы уже рассматривали в более ранней публикации.
• Возникновение различных системных аварий, вызывающих отключение потребителей энергосистемы до устранения короткого замыкания.

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.

Разновидности коротких замыканий

В зависимости от конкретных обстоятельств и компонентов, участвующих в этом процессе, все аварийные ситуации подобного рода условно разделяются на следующие виды коротких замыканий:

• Трехфазное (№ 1 на рисунке). В этом случае между собой контактируют все три фазы, без каких-либо перекосов. Распределение токов происходит симметрично, поэтому силу тока и ЭДС КЗ рассчитать достаточно легко. Главную опасность такого замыкания составляют тепловые и электродинамические воздействия, существенно превышающие такие же факторы в других случаях. Дополнительное замыкание на землю не оказывает какого-либо влияния на общий процесс, что характерно для подобной ситуации.
• Двухфазное (№ 2). Подобное замыкание, как и все остальные называется несимметричным из-за происходящих процессов. В результате, они сопровождаются обязательным перекосом напряжения. В кабельных ЛЭП двухфазных процесс может легко превратиться в трехфазный. Это случается из-за высокой температуры в точке замыкания, под действием которой разрушается изоляция токоведущих частей.
• Две фазы замыкаются с землей (№ 3). Ситуация характерна для систем, имеющих заземленную нейтраль.
• Одна фаза замыкается на землю (№ 4). Считается наиболее частым коротким замыканием, встречающимся на жилых и промышленных объектах.
• Замыкание двух фаз на землю (№ 5). Каждая из них замыкается по-отдельности, не контактируя между собой. Обычно такое положение приобретает схема, где имеется заземленная нейтраль.

Использование этого явления

Данное явление нашло свое применение в дуговой сварке, принцип работы которой построен на взаимодействии стержня с металлической поверхностью. Поверхность нагревается до температуры плавки, благодаря чему появляется новое прочное соединение, т.е. сварочный электрод замыкается с заземляющим контуром.

Такие режимы короткого замыкания действуют непродолжительный промежуток времени. В момент сварки в месте соединения стержня и поверхности возникает нестандартный заряд тока, из-за чего выделяется большое количество теплоты. Ее достаточно для плавки металла и создания сварочного шва.

Также короткое замыкание используется в сфере промышленной автоматики, с его помощью создаются информационные системы, которые отражают параметры передачи токового сигнала.

Полезное КЗ применяется в электродинамических датчиках. Например, в индукционных виброметрах, сейсмических приемниках. Короткое замыкание дает возможность дополнительно уменьшить количество колебаний подвижной системы.

Режим КЗ может использоваться при объединении каскадов в электронике, когда выход первого активного компонента работает в режиме КЗ.

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.

Меры профилактики по предотвращению КЗ

Предотвратить возникновение коротких замыканий в значительной степени помогают меры предосторожности и профилактические мероприятия

Наиболее важными из них являются следующие:

Перед тем как найти короткое замыкание в проводке, следует обращать внимание на заметное искрение или треск в розетке и выключателях, сопровождающиеся запахом горелой пластмассы. Именно эти факторы чаще всего приводят к аварийному режиму

В таких случаях нужно обязательно заменить неисправные установочные изделия. Перед прокладкой новых проводов нужно заранее рассчитать мощность потребителей, которые будут использованы в данной сети. Правильно выбранное сечение предохраняет кабели от излишних перегрузок. В процессе монтажа проводка не должна быть перекручена. Кабели укладываются параллельно, а между ними оставляется свободное пространство. При выполнении ремонтных работ, связанных со сверлением стен, необходимо заранее уточнить места прокладки кабельных линий. Установка средств автоматической защиты позволит избежать негативных последствий, за счет отключения линии в момент КЗ. Не реже 2-3 раз в год проводить плановые осмотры, выключателей, розеток, распределительных коробок, откуда расходятся провода и мощного оборудования. Проводку с алюминиевыми жилами по возможности лучше устраняем и меняем, поскольку этот материал при нагревании увеличивает сопротивление цепи, вызывая увеличенный нагрев, замыкание и расплавление кабельных линий. При поиске короткого замыкания все действия с проводкой и электрическими приборами следует выполнять при строгом соблюдении техники безопасности. Выполняя рекомендации специалистов и точно соблюдая порядок действий, вполне возможно не только самостоятельно обнаружить аварию, но также исправить все ее последствия.

Неполадки в электросети являются частой причиной поломки электроприборов. Одно из распространенных негативных явлений – короткое замыкание. Оно опасно не только для техники, но и для самого дома, так как может привести к возгоранию. Бороться с КЗ можно с помощью предохранителей и автоматов защиты в активной цепи. Но в случае обесточенного провода или прибора поиск замыкания усложняется. Есть разные способы обнаружения и устранения дефекта сети.

Профилактика КЗ

Выполнить профилактические действия безопаснее, надежнее и дешевле, чем восстанавливать проводку после КЗ. Периодически нужно проверять розетки. Если они начинают искрить, нужно их ремонтировать или менять. Если производилась частичная замена проводки, следует проверять надежность мест соединения, целостность изоляционного слоя.

Раз в несколько месяцев следует проверять источники света, осветительную сеть и силовые провода. Короткое замыкание может возникать со временем. Выявить его можно по изменению цвета устройств или их плавлению. В квартире обязательно должны стоять автоматические выключатели. На мощные электроприборы ставятся отдельные средства защиты, которые должны сработать при аварийной ситуации.

При самостоятельном проведении монтажа электропроводки важно правильно рассчитывать сечение кабеля. Если оно не способно выдержать мощность всех подключаемых приборов, будет происходить перегрузка, приводящая к короткому замыканию. Кабели не должны укладываться тесно друг с другом – это может привести к повреждению защитного слоя. Также при соединении надо правильно выбрать способ создания контакта и приобрести заранее необходимое оборудование. Нельзя соединять провода методом скрутки.

Если надо сверлить стену, следует проверить место самодельным металлоискателем или изучить схему электропроводки. Таким образом можно обнаружить кабель скрытой проводки, который мастер мог бы случайно повредить.

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.

Меры, исключающие короткое замыкание

Еще на заре развития электротехники появились плавкие предохранители. Принцип действия подобной защиты очень прост: под влиянием теплового действия тока предохранитель разрушается, тем самым размыкая цепь. Предохранители наиболее часто используются в бытовых электросетях и бытовых электроприборах, электрическом оборудовании транспортных средств и промышленном электрооборудовании до 1000 В. Встречаются они и в цепях с высоковольтным оборудованием.

Вот такие предохранители используются в цепях с малыми токами

вот такие плавкие предохранители вы можете увидеть в автомобилях

А вот эти большие предохранители используются в промышленности, и они уже рассчитаны на очень большие значения токов

Более сложную конструкцию имеют автоматические выключатели, оснащенные электромагнитными и/или тепловыми датчиками. Ниже на фото однофазный автоматический выключатель, а справа – трехфазный

Их принцип действия основан на размыкании цепи при превышении допустимых значений силы тока.

В быту мы чаще всего сталкиваемся со следующими устройствами защиты электросети:

• Плавкие предохранители (применяются в том числе в бытовых электроприборах).
• Автоматические выключатели.
• Стабилизаторы напряжения.
• Устройства дифференциального тока.

Все вышеперечисленное защитное оборудование относится к устройствам вторичной защиты, действующим по инерционному принципу. На вводе бытовых электросетей наиболее часто устанавливаются автоматические защитные устройства, действующие по адаптивному принципу. Такие устройства можно увидеть возле счетчиков электроэнергии квартир, коттеджей, офисов.

В высоковольтных сетях защита чаще обеспечивается:

• Устройствами релейной защиты и другим отключающим оборудованием.
• Понижающими трансформаторами.
• Распараллеливанием цепей.
• Токоограничивающими реакторами.

Большинства коротких замыканий можно избежать, если устранить основные причины их возникновения: своевременно ремонтировать или заменять изношенное оборудование, исключить вредные воздействия человека. Не допускать неправильных действий при монтажных и ремонтных работах, соблюдать СНИПы и правила техники безопасности.

Последствия и защита

Самая большая неприятность, которая может возникнуть во время КЗ, — это возникновение пожара. Образовавшийся избыток тепла вызывает возгорание изоляции и близко расположенных горючих веществ. Кроме того, при пробое возникает электрическая дуга, представляющая собой открытый источник огня. При этом она может воспламенить рядом находящиеся предметы.

Если в зону действия замыкания попадает человек, то он подвергается удару большой силы тока. Это приводит к выделению организмом тепла и последующему сгоранию тела.

К менее значимым последствиям можно отнести возникновение электрического поля большой величины и электромагнитного удара, которые негативно воздействуют на электронные узлы и блоки радиоаппаратуры, а также электродвигатели. Появление КЗ приводит к перекосу фаз в электросети, что вызывает в ней всплеск напряжения, а это ведёт к поломкам блоков питания электрических устройств, подключённых к ней.

Для предотвращения последствий при конструировании электрических систем используются специальные устройства и мероприятия по защите. К таким мерам относят:

• периодическое испытание изоляции оборудования и линий электропередач;
• использование техники или электропроводки с повышенным классом защиты в потенциально опасных местах, например, применение высококачественных диэлектриков или не поддерживающей горение двойной изоляции;
• установка предохранителей, перегорающих при достижении тока опасной величины;
• использование громозащиты, автоматических и дифференциальных выключателей, устройств контроля напряжения.

Причины появления

При образовании контакта между двумя потоками зарядов возникает огромная сила тока, которой характеризуется КЗ. Так как это резкое возрастание энергии происходит из-за появления ударного электрического импульса, то, согласно закону Джоуля — Ленца, появившаяся мощность имеет высокую степень выделения тепла.

Причина такого явления заключается в нарушении изоляционных свойств проводников. Это может произойти из-за естественного износа или возникновения аварийных ситуаций в работе электрооборудования. На практике это обозначает непосредственный контакт между нулевым и фазовым проводом.

Но провода необязательно должны соприкоснуться между собой. Мгновенный рост силы тока также возникает, если между ними появляется проводящее тело или среда с ничтожно малым сопротивлением, например, проводящий предмет, вода или влажный воздух. Такую ситуацию называют пробоем. Можно выделить следующие причины возникновения КЗ:

Перенапряжение. При превышении физических параметров электролинии, когда по проводнику проходит большая сила тока, его сопротивление оказывается для неё большим, поэтому происходит интенсивное выделение тепла. Проводник греется, передавая тепло изоляционному слою, который растрескивается и разрушается. Появление высокого напряжения может быть вызвано как природными явлениями (ударом молнии), так и ошибками в работе электроприборов или источников энергии. Естественное старение изоляции. Любая изоляция имеет свой ресурс, который сокращается при нахождении в агрессивной окружающей среде, например, при перепадах температуры. Механическое повреждение: перетирание, повреждение при выполнении строительных работ, результат действия грызунов. Ошибка монтажа

Неосторожное обращение с токоведущими частями оборудования, нарушения в укладке кабеля (сгибание под острым углом, пересечение проводов). Неправильная коммутация электрооборудования или кабелей. Происходит из-за действий человека

Это может быть связано с неудачным ремонтом, ошибкой соединения проводов или электролиний, использованием сломанных устройств.