Формула короткого замыкания в цепи. Короткие замыкания разделяются по замыканию. Опасность короткого замыкания

Каждый раз, когда вы вставляете вилку электроприбора в розетку, вы замыкаете электрическую сеть, и по ней начинает течь электрический ток.

Потребитель электрического тока преобразует электрическую энергию, которая к нему поступает, в другие виды энергии - механическую (например, в электродвигателях), тепловую (в утюгах, нагревательных приборах), световую (осветительные приборы) и т. д.

Сила тока в этой цепи равна

то есть она прямо пропорциональна напряжению в сети, и обратно пропорциональна сопротивлению, которое создает электроприбор (закон Ома).

А что произойдет, если цепь замкнется не так, как предусмотрено конструкцией цепи и электроприбора, а напрямую, минуя электроприбор?

Схематически это выглядит так:

В этом случае сопротивление сети сильно падает, и в результате сила тока в цепи резко возрастает. А, как известно, количество теплоты, выделяемое на участке цепи, пропорционально квадрату силы тока на этом участке (закон Джоуля-Ленца). Так, если при коротком замыкании ток увеличится в 20 раз, то количество тепла, выделяющееся при этом, возрастет примерно в 400 раз! Вот почему короткое замыкание может вызвать расплавление проводов, воспламенение изоляции и, в конечном итоге, может привести к возгоранию горючих предметов вокруг места короткого замыкания, и к пожару.

Короткое замыкание возникает и в том случае, если сопротивление нагрузки становится меньше внутреннего сопротивления источника питания.

Из-за чего может возникнуть короткое замыкание? Чаще всего его причиной является нарушение изоляции проводов (из-за их износа, неправильной эксплутации и т.п.). Также причиной короткого замыкания могут быть механические повреждения в электрической цепи или в электроприборе, а также перегрузки сети.

Как можно предотвратить короткое замыкание?

Для этого в цепях устанавливают специальные предохранители.

Самые простые предохранители делают из легкоплавкого материала. В случае сильного увеличения силы тока этот материал плавится или сгорает и размыкает цепь задолго до того, как цепи произойдут более серьезные последствия. Пожертвовавшего собой маленького героя заменяют новым.

Автоматические предохранители устроены так, что в случае появления высокого тока короткого замыкания мгновенно срабатывает электромагнитный расцепитель, который разъединяет электрическую цепь без ущерба для себя. Для того, чтобы после устранения короткого замыкания снова включить электричество, нужно просто нажать на белую кнопку (красная служит для выключения) или перекинуть вверх опустившийся при срабатывании предохранителя рычажок.

Электрический скат почесал хвостом нос и умер от короткого замыкания.

Поступил вопрос от нашего читателя, что такое короткое замыкание и как его узнать? Ну что же, на хороший вопрос попробуем дать хороший ответ.

Давайте рассмотрим простейшую цепь, состоящую из лампочки и, предположим, автомобильного акума:

По цепи течет ток по проводам и у нас начинает гореть лампочка. Все просто.

Давайте предположим, что наши провода, которые ведут к лампочке абсолютно голые и вдруг каким то чудом на эти проводки ложится еще один такой же голый провод. Этот проводок замыкает наши два оголенных провода. И вот начинается самое интересное -в схеме возникаеткороткое замыкание (КЗ). Короткое замыкание - это короткий путь для прохождения электрического тока по цепи, где наименьшее сопротивление.

Теперь ток течет и по лампочке и по проводку. Но, у нас сопротивление проводка намного меньше, чем сопротивление лампочки, и почти весь ток потечет туда, где меньшее сопротивление - то есть по проводку. А так как сопротивление у нашего проводка очень мало, то и ток следовательно потечет очень большой, согласно Закону Ома . А если потечет большой ток, следовательно и количество теплоты, выделяемое проводком будет очень большим, согласно Закону Джоуля-Ленца . В конце концов по цепи, которая выделена красным , будет течь большой ток и она будет очень сильно нагреваться. Так сильно, что может случиться даже пожар.

Вы наверное не раз слышали в сводке новостей, что пожар произошел из-за короткого замыкания. В этом случае оголенный провод фазы в каком то месте задевает оголенный провод нуля. В основном КЗ в жилых домах происходит от старого кабеля, который трещит по швам в любом удобном случае и от влаги, которая может попасть на кабель. Но также имеет место и человеческий фактор. Это, конечно же, несоблюдение мер безопасности при пользовании электрическим током.

При проектировании любой энергетической системы специально подготовленные инженеры электрики с помощью технических справочников, таблиц, графиков и компьютерных программ выполняют ее анализ на работу схемы в различных режимах, включая:

1. холостой ход;

2. номинальную нагрузку;

3. аварийные ситуации.

Особую опасность представляет третий случай, когда в сети возникают неисправности, способные повредить оборудование. Чаще всего они связаны с «металлическим» закорачиванием питающей цепи, когда между разными потенциалами подводимого напряжения подключаются случайным образом электрические сопротивления размерностью в доли Ома.

Такие режимы называют токами коротких замыканий или сокращенно «КЗ». Они возникают при:

сбоях в работе автоматики и защит;

ошибках обслуживающего персонала;

повреждениях оборудования из-за технического старения;

стихийных воздействиях природных явлений;

диверсиях или действиях вандалов.

Токи коротких замыканий по своей величине значительно превышают номинальные нагрузки, под которые создается электрическая схема. Поэтому они просто выжигают слабые места в оборудовании, разрушают его, вызывают пожары.

Кроме термического разрушения они еще обладают динамическим действием. Его проявление хорошо показывает видеоролик:

Чтобы при эксплуатации исключить развитие подобных аварий с ними начинают бороться еще на стадии создания проекта электрического оборудования. Для этого теоретически вычисляют возможности возникновения токов коротких замыканий и их величины.

Эти данные используются для дальнейшего создания проекта и выбора силовых элементов и защитных устройств схемы. С ними же продолжают постоянно работать и при эксплуатации оборудования.

Токи возможных коротких замыканий рассчитывают теоретическими методами с разной степенью точности, допустимой для надежного создания защит.

Какие электрические процессы заложены в основу расчета токов короткого замыкания

Первоначально заострим внимание на том, что любой вид приложенного напряжения, включая постоянное, переменное синусоидальное, импульсное или любое другое случайное создает токи аварий, которые повторяют образ этой формы или изменяют ее в зависимости от приложенного сопротивления и действия побочных факторов. Все это приходится предусматривать проектировщикам и учитывать в своих расчетах.

Оценку возникновения м действия токов коротких замыканий позволяют выполнить:

закон Ома;

величина силовой характеристики мощности, приложенной от источника напряжения;

структура используемой электрической схемы электроустановки;

значение полного приложенного сопротивления к источнику.

Действие закона Ома

За основу расчета коротких замыканий взят принцип, определяющий, что силу тока можно вычислить по величине приложенного напряжения, если поделить ее на значение подключенного сопротивления.

Он же действует и при расчете номинальных нагрузок. Разница лишь в том, что:

во время оптимальной работы электрической схемы напряжение и сопротивление практически стабилизированы и изменяются незначительно в пределах рабочих технических нормативов;

при авариях процесс происходит стихийно случайным образом. Но его можно предусмотреть, просчитать разработанными методиками.

Мощность источника напряжения

С ее помощью оценивают силовую энергетическую возможность совершения разрушительной работы токами коротких замыканий, анализируют длительность их протекания, величину.

Рассмотрим пример, когда один и тот же кусок медного провода сечением полтора квадратных мм и длиной в полметра вначале подключили напрямую на клеммы батарейки «Крона», а через некоторое время вставили в контакты фазы и нуля бытовой розетки.

В первом случае через провод и источник напряжения потечет ток короткого замыкания, который разогреет батарейку до такого состояния, что повредит ее работоспособность. Мощности источника не хватит на то, чтобы сжечь подключенную перемычку и разорвать цепь.

Во втором случае сработают автоматические защиты. Допустим, что они все неисправны и заклинили. Тогда ток короткого замыкания пройдет через домашнюю проводку, достигнет вводного щитка в квартиру, подъезд, здание и по кабельной или воздушной линии электропередач дойдет до питающей трансформаторной подстанции.

В итоге к обмотке трансформатора подключается довольно протяженная цепь с большим количеством проводов, кабелей и мест их соединения. Они значительно увеличат электрическое сопротивление нашей закоротки. Но даже в этом случае высока вероятность того, что она не выдержит приложенной мощности и просто сгорит.

Конфигурация электрической схемы

При питании потребителей к ним подводится напряжение разными способами, например:

через потенциалы плюсового и минусового выводов источника постоянного напряжения;

фазой и нулем однофазной бытовой сети 220 вольт;

трехфазной схемой 0,4 кВ.

В каждом из этих случаев могут произойти нарушения изоляции в различных местах, что приведет к протеканию через них токов короткого замыкания. Только для трехфазной цепи переменного тока возможны короткие замыкания между:

всеми тремя фазами одновременно — называется трехфазным;

двумя любыми фазами между собой — междуфазное;

любой фазой и нулем — однофазное;

фазой и землей — однофазное на землю;

двумя фазами и землей — двухфазное на землю;

тремя фазами и землей — трехфазное на землю.

При создании проекта электроснабжения оборудования все эти режимы требуется просчитать и учесть.

Влияние электрического сопротивления цепи

Протяженность магистрали от источника напряжения до места образования короткого замыкания имеет определенное электрическое сопротивление. Его величина ограничивает токи короткого замыкания. Наличие обмоток трансформаторов, дросселей, катушек, обкладок конденсаторов добавляют индуктивные и емкостные сопротивления, формирующие апериодические составляющие, искажающие симметричную форму основных гармоник.

Существующие методики расчета токов короткого замыкания позволяют их вычислить с достаточной для практики точностью по заранее подготовленной информации. Реальное электрическое сопротивление уже собранной схемы можно измерить по методике . Оно позволяет уточнить расчет, внести коррективы в выбор защит.

Основные документы по расчету токов коротких замыканий

1. Методика выполнения расчета токов КЗ

Она хорошо изложена в книге А. В. Беляева “Выбор аппаратуры, защит и кабелей в сетях 0,4 кВ”, выпущенной Энергоатомиздат в 1988 году. Информация занимает 171 страницу.

Книга предоставляет:

последовательность расчета токов КЗ;

учет токоограничивающего действия электрической дуги на месте образования повреждения;

принципы выбора защитной аппаратуры по значениям рассчитанных токов.

В книге публикуется справочная информация по:

автоматическим выключателям и предохранителям с анализом характеристик их защитных свойств;

выбору кабелей и аппаратуры, включая установки защиты электродвигателей, силовых сборок, вводных устройств генераторов и трансформаторов;

недостаткам защит отдельных видов автоматических выключателей;

особенностям применения выносных релейных защит;

примерам решения проектных задач.

2. Руководящие указания РД 153—34.0—20.527—98

Этот документ определяет:

методики расчетов токов КЗ симметричных и несимметричных режимов в электроустановках с напряжением до и выше 1 кВ;

способы проверок электрических аппаратов и проводников на термическую и электродинамическую стойкость;

методы испытания коммутационной способности электрических аппаратов.

Указания не охватывают вопросы расчета токов КЗ применительно к устройствам РЗА со специфическими условиями эксплуатации.

3. ГОСТ 28249-93

Документ описывает короткие замыкания, возникающие в электроустановках переменного тока и методику их расчета для систем с напряжением до 1 кВ. Он действует с 1 января 1995 года на территориях Беларуси, Кыргызстана. Молдовы, России, Таджикистана, Туркменистана и Украины.

Государственный стандарт определяет общие методы расчетов токов КЗ в начальный и любой произвольный временной момент для электроустановок с синхронными и асинхронными машинами, реакторами и трансформаторами, воздушными и кабельными ЛЭП, шинопроводами, узлами сложной комплексной нагрузки.

Технические нормативы проектирования электроустановок определены действующими государственными стандартами и согласованы Межгосударственным Советом по вопросам стандартизации, метрологии, сертификации.

Очередность действий проектировщика для расчета токов короткого замыкания

Первоначально следует подготовить необходимые для анализа сведения, а затем провести из расчет. После монтажа оборудования к процессе ввода его в работу и при эксплуатации проверяется правильность выбора и работоспособность защит.

Сбор исходных данных

Любую схему можно привести к упрощенному виду, когда она состоит из двух частей:

1. источника напряжения. Для сети 0,4 кВ его роль исполняет вторичная обмотка силового трансформатора;

2. питающей линии электропередачи.

Под них собираются необходимые характеристики.

Данные трансформатора для расчета токов КЗ

Необходимо выяснить:

величину напряжения короткого замыкания (%) — Uкз;

потери короткого замыкания (кВт) — Рк;

номинальные напряжения на обмотках высокой и низкой стороны (кВ. В) — Uвн, Uнн;

фазное напряжение на обмотке низкой стороны (В) — Еф;

номинальную мощность (кВА) — Sнт;

полное сопротивление током однофазного КЗ (мОм) — Zт.

Данные питающей линии для расчета токов КЗ

К ним относятся:

марки и количество кабелей с указанием материала и сечения жил;

общая протяженность трассы (м) — L;

индуктивное сопротивление (мОм/м) — X0;

полное сопротивление для петли фаза-ноль (мОм/м) — Zпт.

Эти сведения для трансформатора и линии сосредоточены в справочниках. Там же берут ударный коэффициент Куд.

Последовательность расчета

По найденным характеристикам вычисляют для:

трансформатора — активное и индуктивное сопротивление (мОм) — Rт, Хт;

линии — активное, индуктивное и полное сопротивление (мОм).

трехфазного замыкания и ударный (кА);

однофазного КЗ (кА).

По величинам последних вычисленных токов и подбирают автоматические выключатели и другие защитные устройства для потребителей.

Расчет токов короткого замыкания проектировщики могут выполнять вручную по формулам, справочным таблицам и графикам или с помощью специальных компьютерных программ.

На реальном энергетическом оборудовании, введенном в эксплуатацию, все токи, включая номинальные и коротких замыканий, записываются автоматическими осциллографами.

Такие осциллограммы позволяют анализировать ход протекания аварийных режимов, правильность работы силового оборудования и защитных устройств. По ним принимают действенные меры для повышения надежности работы потребителей электрической схемы.

Расчет токов короткого замыкания (КЗ) необходим для выбора аппаратуры и проверки элементов электроустановок (шин, изоляторов, кабелей и т. д.) на электродинамическую и термическую устойчивость, а также уставок срабатывания защит и проверки их на чувствительность срабатывания. Расчетным видом КЗ для выбора или проверки параметров электрооборудования обычно считают трехфазное КЗ. Однако для выбора и проверки уставок релейной защиты и автоматики требуется определение и несимметричных токов КЗ.

Расчет токов КЗ с учетом действительных характеристик и действительных режимов работы всех элементов системы электроснабжения сложен. Поэтому для решения большинства практических задач вводят допущения, которые не дают существенных погрешностей :

трехфазная сеть принимается симметричной;

не учитываются токи нагрузки;

не учитываются емкости, а следовательно, и емкостные токи в воздушной и кабельной сетях;

не учитывается насыщение магнитных систем, что позволяет считать постоянными и не зависящими от тока индуктивные сопротивления всех элементов короткозамкнутой цепи;

не учитываются токи намагничивания трансформаторов.

В зависимости от назначения расчета токов КЗ выбирают расчетную схему сети, определяют вид КЗ, местоположение точек КЗ на схеме и сопротивления элементов схемы замещения. Расчет токов КЗ в сетях напряжением до 1000 В и выше имеет ряд особенностей, которые рассматриваются ниже.

При определении токов КЗ используют, как правило, один из двух методов:

метод именованных единиц – в этом случае параметры схемы выражают в именованных единицах (омах, амперах, вольтах и т. д.);

метод относительных единиц – в этом случае параметры схемы выражают
в долях или процентах от величины, принятой в качестве основной (базисной).

Метод именованных единиц применяют при расчетах токов КЗ сравнительно простых электрических схем с небольшим числом ступеней трансформации.

Метод относительных единиц используют при расчете токов КЗ
в сложных электрических сетях с несколькими ступенями трансформации, присоединенных к районным энергосистемам.

Если расчет выполняют в именованных единицах, то для определения токов КЗ необходимо привести все электрические величины к напряжению ступени, на которой имеет место КЗ.

При расчете в относительных единицах все величины сравнивают с базисными, в качестве которых принимают базисную мощность одного трансформатора ГПП или условную единицу мощности, например 100 или 1000 МВА.

В качестве базисного напряжения принимают среднее напряжение той ступени, на которой произошло КЗ (U ср = 6,3; 10,5; 21; 37; 115; 230 кВ). Сопротивления элементов системы электроснабжения приводят к базисным условиям в соответствии с табл. 3.1.

Таблица 3.1

Средние удельные значения индуктивных сопротивлений

воздушных и кабельных линий электропередачи

Коротким замыканием называют подключение к полюсам источника ЭДС сопротивления, соизмеримого с его внутренним сопротивлением. В большинстве случаев такой режим работы реализуется случайно и оказывается крайне вреден для источника ЭДС. Тем не менее, есть электрические аппараты ( , устройства дуговой плавки), специально рассчитанные на длительную работу в режиме короткого замыкания.

Опасность короткого замыкания

Для человека короткое замыкание опасно прежде всего брызгами расплавленного металла, которые образуются в местах случайного контакта проводников и ультрафиолетовым излучением от электрической дуги, возникающей при их разрыве. Кроме того, высокие температуры в месте контакта в большинстве случаев способны привести к возгоранию изоляции и стать причиной пожара.

В первом приближении максимально возможный ток короткого замыкания равен отношению ЭДС источника к его внутреннему сопротивлению. Чем большая мощность снимается с источника на расчетном режиме работы, тем меньше его внутреннее сопротивление и тем опаснее для него режим замыкания. Тем не менее специфика эффекта в разных источниках ЭДС разная.

Принцип действия короткого замыкания

Случайно замкнувшиеся не восстанавливаемые гальванические элементы (батарейки идр.), несмотря на малую ЭДС, не превышающую нескольких вольт, способны дать ток, разогревающий элемент до значительной температуры. Если оставить такую батарейку без присмотра, то она способна расплавить пластиковый корпус устройства, в которое вставлена. Поэтому при замене батареек, всегда надо примерно через минуту проверять их на нагрев. После такого процесса сопротивление элемента недопустимо повышается и его следует заменить.

Аккумуляторы, и тем более, обладают значительно большей ЭДС в 6 - 48 вольт, и при емкости в десятки и сотни ампер-часов ток их короткого замыкания может измеряться сотнями и тысячами ампер. Замкнувшийся аккумулятор, в цепи которого отсутствуют предохранители, легко может стать источником пожара, поэтому обращаться с ними надо очень внимательно.

Квартирная электропроводка в подавляющем большинстве случаев оборудована средствами защиты в виде автоматических входных выключателей, срабатывающих при превышении в ней тока сверх определенного значения. Это позволяет предотвратить расплавление проводов.

Схожие меры защиты используются и в промышленной электротехнике, где чрезмерный ток прерывается либо электромагнитным автоматом защиты, либо расплавлением плавкой вставки, сечения, гораздо меньшего, чем у основных проводников сети.