Физика. Короткое замыкание. Причины возникновения и как его избежать

Короткое замыкание представляет собой электрическое соединение различных фаз, которые являются нетипичными для нормального режима работы. Вследствие этого в проводнике резко увеличивается сила тока, что приводит к неблагоприятным последствиям. Рассмотрим, что такое короткое замыкание, классификацию явления, потенциальные угрозы и способы предотвращения КЗ.

КЗ делится в зависимости от фазы сети. В однофазной системе выделяют следующую классификацию:

• фаза и ноль – наиболее распространенный тип в быту. Замыкание случается, если использовать электрические приборы, которые не рассчитаны на стандартную величину токов или если в розетке находится плохой контакт. В результате этого наблюдается перегрев, и изоляция проводов нарушается;
• фаза и заземление – ситуация, в которой фазный провод начинает контактировать с заземленным корпусом другого оборудования.

КЗ может происходить в трехфазной системе:

• однофазное – рассмотрено выше;
• двухфазное – в процессе принимает участие две системы. Подобная ситуация часто случается с воздушными линиями электропередач. Чаще всего это происходит во время сильного ветра, когда линии проводов пересекаются между собой и образуют замыкание;
• трехфазное и земля – одновременный контакт трех системы с землей;
• трехфазное – одновременный контакт трех системы, спровоцированный соединением между собой токопроводящего предмета.

Основные причины, провоцирующие возникновение КЗ:

• нарушение целостности изоляции, что может возникать вследствие износа электрооборудования, в связи с загрязнением поверхности приборов, а так же механическими повреждениями;
• механическое нарушение целостности элементов сети (к примеру, обрыв линии передачи);
• скачки напряжения – пробой изоляции проводника, что приводит к развитию утечки тока и созданию дугового кратковременного разряда;
• удар молнии;
• попадание животных и птиц на токоведущие части;
• человеческий фактор – ошибки персонала при проведении работ по переключению;
• преднамеренное КЗ с использованием короткозамыкателей – используются с целью экономии выключателей. Сегодня данная технология не применяется и является запрещенной.

Какие могут быть последствия?

Во время замыканий наблюдается резкое увеличение силы тока, что приводит к расплавлению металлов. «Брызги» могут разноситься во все стороны, приводя к воспламенению предметов вокруг и пожарам. Это особенно опасно для домашних условий, так как КЗ может стать причиной потери имущества и жилья. Последствиями на предприятиях является аварийная ситуация, повреждение техники и риск того, что могут пострадать люди.

Замыкание, в зависимости от места его образования, может привести к системой аварии, последствиями которой станет экономический и технический урон. Оборудование, которое находилось под действием усиленной силы тока, выходит из стоя или получает серьезные повреждения.

Еще одним последствием замыкания является ухудшение условий работы персонала и потребителей – резкое понижение давления приводит к остановке производственных мощностей и экономическому ущербу. Наибольший урон наносится тому месту, в котором непосредственно возникло замыкание.

Способы защиты

Наиболее надежным и действенным способом предотвращения КЗ является установка автоматических выключателей. Альтернативой служат плавкие предохранители. Автомат своевременно улавливает возникновение замыкания и отключает питание, благодаря чему возникновение аварийной ситуации является невозможным.

Прочие меры предосторожности:

• регулярная ревизия электропроводных каналов – визуальное определение слабых мест кабеля, где изнашивается изоляция и своевременное устранение проблемы;
• использование электрических реакторов, которые регулируют подачу тока;
• использование специальных электроцепей, которые в случае необходимости отключают секционные выключатели;
• использование понижающих трансформаторов, которые оснащены расщепляемой обмоткой низкого напряжения.

Совет: для домашнего использования рекомендуется устанавливать автоматические выключатели. Они рассчитаны на определенный ток, после превышения величины которого, разрывается цепь. Прочие меры в основном указаны для промышленного использования.

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.

Ток короткого замыкания

На рисунке 1 показана схема включения электрической лампы накаливания в электрическую сеть. Если сопротивление этой лампы r л = 240 Ом, а напряжение сети U = 120 В, то по закону Ома ток в цепи лампы будет:

Рисунок 1. Схема короткого замыкания на зажимах рубильника

Разберем случай, когда провода, идущие к лампе накаливания, оказались замкнутыми через очень малое сопротивление, например толстый металлический стержень с сопротивлением r = 0,01 Ом, случайно попавший на два провода. В этом случае ток сети, проходя к точке А , будет разветвляться по двум путям: одна большая его часть, пойдет по металлическому стержню – пути с малым сопротивлением, а другая, небольшая часть тока, будет проходить по пути с большим сопротивлением – лампе накаливания.

Аварийный режим работы сети, когда вследствие уменьшения ее сопротивления ток в ней резко увеличивается против нормального, называется коротким замыканием .

Определим какова сила тока короткого замыкания, текущего по металлическому стержню:

На самом деле в случае короткого замыкания напряжение сети будет меньше 120 В, так как большой ток создаст в сети большое падение напряжения и поэтому ток, протекающий по металлическому стержню, будет меньше 12 000 А. Но все же этот ток будет во много раз превышать ток, потреблявшийся ранее лампой накаливания.

Мощность короткого замыкания при токе I кз = 12 000 А составит:

P кз = U × I кз = 120 ×12 000 = 1 440 000 Вт = 1 440 кВт.

Ток, проходя по проводнику, выделяет тепло, и проводник нагревается. В нашем примере сечение проводов электрической цепи было рассчитано на небольшой ток – 0,5 А. При замыкании проводов по цепи будет протекать очень большой ток – 12 000 А. Такой ток вызовет выделение громадного количества тепла, что безусловно приведет к обугливанию и сгоранию изоляции проводов, расплавлению материала проводов, порче электроизмерительных приборов, оплавлению контактов выключателей, ножей рубильников и так далее. Источник электрической энергии, питающий такую цепь, также может быть поврежден. Перегрев проводов может вызвать пожар.

Каждая электрическая сеть рассчитывается на свой, нормальный для нее ток.

Ввиду опасных, разрушительных, а иногда и непоправимых последствий короткого замыкания необходимо соблюдать определенные условия при монтаже и эксплуатации электрических установок, чтобы исключить причины короткого замыкания. Основные из них следующие:
1) изоляция проводов должна соответствовать своему назначению (напряжению сети и условиям ее работы);
2) сечение проводов должно быть таково, чтобы нагревание их при существующих условиях работы не достигало опасной величины;
3) проложенные провода должны быть надежно защищены от механических повреждений;
4) места соединений и ответвлений должны быть так же надежно изолированы, как и сами провода;
5) скрещивание проводов должно быть выполнено так, чтобы провода не касались друг друга;
6) через стены, потолки и полы провода должны быть проложены так, чтобы они были защищены от сырости, механических и химических повреждений и хорошо изолированы.

Защита от токов короткого замыкания

Чтобы избежать внезапного, опасного увеличения тока в электрической цепи при ее коротком замыкании, цепь защищают плавкими предохранителями или автоматическими выключателями.

Плавкие предохранители представляют собой легкоплавкую проволочку, включенную последовательно в сеть. При увеличении тока сверх определенной величины проволочка предохранителя нагревается и плавится, в результате чего электрическая цепь автоматически разрывается и ток в ней прекращается.

Автоматический выключатель более сложный и дорогостоящий аппарат защиты нежели плавкий предохранитель. Однако в отличии от плавкого предохранителя он рассчитан на многократные срабатывания при защите цепей при аварийных режимах работы. Конструктивно автоматический выключатель выполнен в диэлектрическом корпусе со встроенным внутрь механизмом расцепления. Механизм расцепления имеет неподвижный и подвижный контакты. Подвижный контакт подпружинен, пружина обеспечивает усилие для быстрого расцепления контактов. Механизм расцепления приводится в действие одним из двух расцепителей: тепловым или магнитным.

Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину, нагреваемую протекающим током. При протекании тока выше допустимого значения биметаллическая пластина изгибается и приводит в действие механизм расцепления. Время срабатывания зависит от тока (времятоковая характеристика) и может изменяться от секунд до часа. В отличие от плавкого предохранителя, автоматический выключатель готов к следующему использованию после остывания пластины.

Электромагнитный расцепитель – расцепитель мгновенного действия, представляет собой соленоид (катушку выполненную из медного проводника), подвижный сердечник которого также может приводить в действие механизм расцепления. Ток, проходящий через выключатель, течет по обмотке соленоида и вызывает втягивание сердечника при превышении заданного порога тока. Мгновенный расцепитель, в отличие от теплового, срабатывает очень быстро (доли секунды), но при значительно большем превышении тока: в 2 ÷ 14 раз от номинального тока.

Видео 1. Короткое замыкание

Добрый день, уважаемые читатели сайта «Заметки электрика».

Давно хотел написать статью про короткое замыкание. Но все как то не доходили руки.

Сегодня решился, потому как повлияли на меня последние события, произошедшие на распределительной подстанции нашего предприятия.

Ранее в статьях мы говорили, что вызывают короткие замыкания, или сокращенно, к.з.

Короткое замыкание — это одно из самых тяжелых и опасных видов повреждения.

Вы спросите почему? Читайте ниже.

Что же такое короткое замыкание?

Википедия на этот вопрос отвечает, что короткое замыкание — это:

Определение прочитали.

А теперь давайте рассмотрим подробно, что же происходит с параметрами электроустановки в момент короткого замыкания.

При возникновении короткого замыкания, напряжение на источнике питания, а правильнее назвать ЭДС, замыкается «накоротко» через небольшое (малой величины) сопротивление кабельных и воздушных линий, обмоток трансформаторов и генераторов. Отсюда и название «короткое замыкание».

В «накоротко» замкнутой цепи появляется ток очень большой величины, который и называется током короткого замыкания.

Рассмотрим классификацию коротких замыканий.

Короткие замыкания разделяются по количеству замкнувшихся фаз:

• трехфазные короткие замыкания
• двухфазные короткие замыкания
• однофазные короткие замыкания

Короткие замыкания разделяются по замыканию:

• с землей
• без земли

Короткие замыкания разделяются по количеству замкнувшихся точек в сети:

• в одной точке
• в двух точках
• в нескольких точках (более двух)

Пример

Рассмотрим пример.

Допустим, что наш потребитель питается с подстанции через воздушную линию (ВЛ) электропередач. Питающая линия является транзитной, поэтому питание потребителя осуществляется отпайкой от линии ВЛ в точке «О».

Пунктирной линией под номером 2 показан уровень напряжения на протяжении всей воздушной линии до возникновения короткого замыкания.

По рисунку видно, что напряжение в любой точке электрической сети равно разнице ЭДС источника питания и падения напряжения в электрической цепи до необходимой нам точки.

Например, напряжение в точке «О» можно рассчитать по формуле:

Uо = E — I*Zo, где

• E — ЭДС источника питания, в нашем случае генератора
• Zo — полное сопротивление воздушной линий от источника питания до точки «О» (состоит из активного и реактивного сопротивления)
• I — ток, протекающий по воздушной линии в данный момент времени.

Предположим, что по каким-либо причинам произошло короткое замыкание на воздушной линии, но за пределами нашей отпайки. Назовем эту точку короткого замыкания буквой «К».

Что же произойдет в момент короткого замыкания?

В момент короткого замыкания по воздушной линии проходит уже не номинальный ток, а ток короткого замыкания большой величины, поэтому возрастает падение напряжения на каждом элементе электрической цепи. А именно на сопротивлении Zo и Zк.

Самое наибольшее снижение напряжения будет в месте короткого замыкания, т.е. в точке «К». В остальных точках воздушной линии, удаленных от места к.з., напряжение снизится чуть меньше (это видно на рисунке — линия под номером 1).

В одной из своих статей я привел наглядный . Переходите по ссылочке и знакомьтесь с материалами.

Последствия от короткого замыкания

Мы уже выяснили, что в момент короткого замыкания происходит резкое увеличение величины тока и снижение напряжения, что приводит к следующим последствиям.

1. Разрушения

Вспомним немного физику.

По закону известного физика Джоуля-Ленца, ток короткого замыкания, протекая по активному сопротивлению электрической цепи в течение некоторого времени, выделяет в нем тепло, которое рассчитывается по формуле:

В точке короткого замыкания это тепло, а также пламя электрической дуги, производят огромные разрушения. И чем больше ток короткого замыкания и время его прохождения по цепи, тем больше будут разрушения.

Чтобы было понятно Вам насколько эти разрушения масштабны, ниже приведу примеры из своей практики.

Привод переключающего устройства РПН. Короткое замыкание произошло в обмотке асинхронного двигателя

2. Повреждение изоляции

Во время прохождения тока короткого замыкания по неповрежденным линиям, происходит их нагрев выше предельной допустимой температуры, что приводит к повреждению их изоляции.

Активная часть трансформатора. Короткое замыкание произошло по причине повреждения изоляции

Короткое замыкание кабеля. Последствия

3. Потребители и электроприемники

Снижение напряжения при коротком замыкании нарушает нормальную работу потребителей и электроприемников .

Например, асинхронный при снижении напряжения сети может вообще остановиться, т.к. момент его вращения может оказаться меньше момента сопротивления и трения механизмов.

Также нарушается нормальная работа и осветительных остановок. Здесь я думаю объяснять не требуется.

Смотрите наглядное видео про причины и последствия короткого замыкания в электроустановке 400 (В) на одной из наших подстанций:

А вот уже случай по-серьезнее — трехфазное короткое замыкание в сети 10 (кВ).

Вот еще фрагменты аварии, которая возникла по причине короткого замыкания в разделке кабеля 10 (кВ):

P.S. В завершении статьи на тему короткое замыкание, хочется подтвердить сказанное в начале своей статьи, что короткое замыкание является самым опасным и тяжелым видом повреждения, которое требует мгновенного и быстрого реагирования и отключения поврежденного участка цепи.

Каждый день, будь то дома или на работе мы замыкаем электрическую цепь, и ничего взрывоопасного не происходит. Замыкая цепь с помощью штепсельной вилки электроприбора, электроэнергия превращается:

• — в механическую энергию — двигатели насосов, пылесосов и различных электрических приспособлений.
• — в тепловую энергию — горячий воздух фена, кипяток электрического чайника, тепловое излучение электрического конвектора.

Это хорошее замыкание, назовем ее условно в противопоставлении короткому, “длинное” замыкание электрической цепи.

Короткое замыкание имеет отрицательный результат, то есть, энергия позиционирует себя в виде искр, хлопка, часто возгорание проводки и легко возгораемых материалов — пожар.

Что же такое короткое замыкание?

Пример: Локомотив должен доставить груз, допустим из города Нижний Новгород в такой мегаполис как Москва. Путь состава должен быть длинным. Локомотив, таща за собой 50 вагонов угля, набирает большую скорость. Но вдруг, в городе Владимир диспетчер совершает роковую ошибку, переключив стрелку на путь, где находится другой состав — аварии не миновать.

Состав набравший большую скорость быстро не остановить. Наглядный пример может показаться примитивным, но хочется показать принцип лежащий в основе – это сила, мощь, использованная не по назначению, несущая разрушение. Путь следования локомотива с множеством вагонов оказался коротким, не завершенным, не достиг цели.

Именно СИЛА тока производит разрушение, при коротком замыкании ток увеличивается в 20 раз, количество тепла возрастает примерно в 400 раз.

Вот еще одно яркое объяснение, что такое короткое замыкание.

Известно, что неисправная электропроводка приводит к короткому замыканию, от него чаще всего и возникает возгорание. Об этом частенько упоминается в пожарных отчетах. Что же такое короткое замыкание, чем оно опасно?

В нормальном режиме работы ток в проводке между фазным и нулевым проводами протекает через нагрузку, которая этот ток ограничивает на безопасном для проводки уровне. При разрушении изоляции ток протекает, минуя нагрузку, сразу между проводами. Такой контакт, называется коротким, поскольку происходит помимо электроприбора.

Вспомним закон Ома: I = U/R, что словами, обычно, произносится так: «Ток в цепи прямо пропорционален напряжению, и обратно пропорционален СОПРОТИВЛЕНИЮ». Именно на СОПРОТИВЛЕНИЕ здесь и стоит обратить внимание.

Сопротивление ТПЖ электропроводки, как правило, невелико, поэтому им можно пренебречь, считать его равным нулю. Согласно законам математики деление на ноль невозможно, а результат будет стремиться к бесконечности. В случае короткого замыкания к этой самой бесконечности будет стремиться ток в цепи.

Конечно, это не совсем так, провода имеют какое-то конечное сопротивление, поэтому до бесконечности ток, конечно же, не дойдет, но будет достаточной силы, чтобы произвести разрушительное действие, достаточно мощный взрыв. Возникает вольтова дуга, температура которой достигает 5000 градусов по Цельсию.

Причины короткого замыкания

• Ошибки персонала обслуживающего электрические сети.
• Из-за износа (устаревшей) электропроводки.
• Неправильный монтаж электропроводки.
• Плохой контакт в соединениях проводки и электроприборов
• Из-за перегрузки электрической цепи.
• Может возникнуть по причине механического повреждения проводов.
• КЗ могут спровоцировать грызуны.

Как не допустить короткое замыкание?

Для предупреждения короткого замыкания необходимо.

• Грамотно монтировать и эксплуатировать электроустановки.
• Подбирать электропроводку в соответствии с величиной тока.
• Регулярно проводить плановые осмотры и измерения сопротивления изоляции;
• Правильно выбирать автоматику защиты, которые предназначены отключать поврежденный участок.
• Прежде чем производить работы с проводкой ее необходимо обесточить.

Польза короткого замыкания

На основе короткого замыкания зародилась дуговая сварка, которая используется на производстве. Точка контакта стержня и металлическая поверхность нагревается до температуры плавления, металлическая конструкция соединяется в единое целое. Например, современные кузова автомобилей скреплены именно посредством короткого замыкания – дуговой сварки.

Как мы увидели, короткое замыкание может приносить разрушения, если сила тока используется не по назначению. Если правильно управлять энергией, можно достичь отличных технических достижений.

КЗ образуется вследствие замыкания двух проводов цепи, которые подсоединены к разным контактам (это плюс и минус). В данном случае происходит это через маленькое сопротивление, которое можно сравнить с сопротивлением самого провода. При этом ток может превысить номинальное значение в несколько раз. Чтобы предотвратить возгорание, электрическая цепь должна быть разорвана до того, как провода нагреются до критической температуры.

Что такое короткое замыкание?

Ежедневно, где бы мы не находились, мы осуществляем замыкание электрической цепи. При этом ничего опасного не происходит, так как при подсоединении вилки электрооборудования в розетку электрическая энергия превращается в:

• механическую энергию;
• тепловую мощность.

Данные виды замыкания можно условно назвать «длинными». Короткое замыкание - это, говоря простым языком, такой вид энергии, которая выражается в виде искры, хлопка или возгорания. Это такое состояние, когда сопротивление самой нагрузки становится меньше сопротивления источника питания. При коротком замыкании мгновенно увеличивается сила тока, которая приводит к сильному выделению тепла. Это - в свою очередь - может привести к расплавлению проводки и её последующему возгоранию. Такое КЗ способно не только нарушить работоспособность элемента электрической цепи, но и привести к снижению входного напряжения у других потребителей.

В нормальном рабочем режиме ток между фазным и нулевым проводом протекает лишь в том случае, когда подсоединена нагрузка, которая и осуществляет его ограничение на безопасном уровне для электрической проводки. Как происходит короткое замыкание? В тех случаях, когда появляется нарушение изоляционного покрытия, приводящее к замыканию плюса и минуса, ток минует нагрузку и течёт между этими проводами. Данный вид контакта называется «коротким», в связи с тем, что минует электрические приборы.

Металлическое короткое замыкание - это такое замыкание, в котором не учитывается переходное сопротивление. Оно возможно только в случае его специальной подготовки при помощи болтового соединения токоведущих частей.

Ток короткого замыкания - это такой ток, который появляется вследствие повреждения изоляции токоведущих частей, обладающих различным электрическим потенциалом. Возникнуть он может и просто при случайном соединении проводящих частей с теми же потенциалами.

Ударный ток короткого замыкания - это максимальная величина тока, которая возникает при трёхфазном КЗ.

Режим короткого замыкания - это такое состояние двухполюсника, когда его выходы соединены между собой при помощи проводника с нулевым сопротивлением. В данном режиме вторичная обмотка замыкается накоротко. При проведении такого опыта можно определить величину потерь в обмотках самого трансформатора.

Также стоит знать, что напряжение короткого замыкания трансформатора - это такое напряжение, которое необходимо подать на обмотку, когда вторая замкнута. И тогда в последней обмотке начнёт протекать номинальный ток.

Как его обнаружить и предотвратить?

Можно вспомнить всем известный закон Ома, который гласит: «Ток в цепи прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению». Как раз на последнее и стоит обращать в данном случае пристальное внимание. В связи с тем, что сопротивление проводки очень мало, его принято считать равным «0». В случае с КЗ его величина - наоборот - очень велика, так как в замкнутой цепи начинает течь ток.

Для того чтобы предотвратить короткое замыкание, необходимо периодически производить замеры сопротивления проводки. Если вы самостоятельно не можете это делать, то стоит обратиться за помощью к специалистам. Они на профессиональном уровне проведут все измерения, касающиеся проводки, а также помогут провести испытание измерительных трансформаторов тока, что также убережет ваше оборудование и повысит пожарную безопасность.