В каком месте проявляются последствия кз. Что такое короткое замыкание и перегрузка сети? Граничные значения токов кз

Короткое замыкание (КЗ) – это возникновение электрического контакта между разными фазами, фазой и нулевым рабочим или защитным проводом. В сети с глухозаземленной нейтралью коротким замыканием можно считать контакт между фазным проводником и землей.

Причинами короткого замыкания могут быть :

• ухудшение или повреждение изоляции;
• попадание посторонних предметов, проводящих электрический ток, на токоведущие части;
• механические повреждения или разрушения электрических машин и аппаратов;
• ошибки работников при монтаже или обслуживании электрооборудования;
• аварийные режимы работы сети, связанные с возникновением в ней перенапряжений или резких бросков тока.

Со временем изоляция стареет и теряет свои свойства . Это относится в равной степени и к кабелям, и к обмоткам электродвигателей, и к изоляторам. Этому свойству подвержены и изоляционные поверхности: корпуса автоматических выключателей, предохранителей. На ухудшение свойств изоляторов влияет среда, в которой они работают: степень загрязненности, наличие влаги, пыли, агрессивных газов. Стоит появиться небольшому токопроводящему участку, и он начинает греться и разрастаться, пока ток через него не достигнет критической величины. Он лавинообразно возрастет, разогреет и обуглит поверхность, по которой протекает. С этого момента участок с ослабленной изоляцией становится местом короткого замыкания.

Примером посторонних предметов на токоведущих частях являются деревья, падающие на провода линий электропередач. Сами они создают контакт между землей и фазными проводниками, дополнительно обрываются провода или замыкаются между собой.

Износ подшипников электродвигателей тоже может привести к короткому замыканию. Ротор при вращении цепляет своими обмотками за внутренние детали или обмотку статора. Изоляция повреждается и возникает КЗ. Кабели, проложенные в земле, неизбежно подвергаются механическим деформациям. Над ними проезжает транспорт, а при смене времен года подвижки грунта испытывают их на прочность.

Невнимательность, неаккуратность, несоблюдение правил безопасности тоже могут привести к КЗ. При этом дополнительно наносится вред здоровью работников.

Перенапряжения сами по себе не являются причинами КЗ. Они лишь ускоряют их возникновение на участках с пониженной изоляцией, где рано или поздно замыкание все равно бы произошло.

Расчет и измерение токов короткого замыкания

При коротком замыкании вся мощность электрической сети сосредотачивается на маленьком участке. Если бы кабели, провода и коммутационные аппараты не имели бы собственных сопротивлений, ток КЗ достигал бы огромных величин. Но на самом деле он ограничивается суммарным сопротивлением линии от источника питания (трансформатора на подстанции, генераторов энергосистемы) до точки КЗ.

При проектировании электроустановок величину этого тока обязательно рассчитывают. Для этого используются данные о сопротивлениях (активных и реактивных) всего электрооборудования, установленного на пути КЗ. Ток считается для самой удаленной от источника точки, чтобы проверить, отключит ли его защита.

В эксплуатации или после монтажа ток КЗ измеряют специальными приборами: измерителями петли фаза-нуль . Делается это для того, чтобы удостовериться в правильности расчетов или в местах, для которых этот расчет выполнить невозможно.

• вместо модульных выключателей с характеристикой «С» (кратность отсечки 5-10) применяют «В» (кратность 3-5);
• увеличивают сечение питающих кабелей.

Действие короткого замыкания на электрооборудование

Короткое замыкание – аварийный режим работы для электрической сети. При возникновении он оказывает на электрооборудование одновременно два действия:

• электродинамическое;
• термическое.

Согласно законам физики, при прохождении тока по двум проводникам, расположенным рядом, они взаимодействуют друг с другом. В зависимости от направления тока они либо притягиваются, либо отталкиваются. С увеличением тока и уменьшением расстояния сила взаимодействия увеличивается.

На этом принципе и происходит электродинамическое воздействие тока КЗ на шины, провода, обмотки электрических машин. На подстанциях и других энергообъектах, где значения токов замыкания достигают десятков и сотен тысяч ампер, после КЗ оборудование может прийти в полную негодность из-за механических разрушений. При этом само КЗ может произойти где-то в стороне.

Термическое воздействие основано на нагревании проводников при прохождении по ним электрического тока. При этом температура иногда повышается настолько, что провода или шины расплавляются.

В бытовых условиях ярче выражено термическое воздействие КЗ, динамическое можно не учитывать из-за небольших значений токов.

Перегрузка сети

Это тоже аварийный режим работы. Все электрооборудование рассчитано на номинальный ток, превышение которого недопустимо. Иначе контактные системы коммутационных аппаратов, жилы кабелей и проводов начинают нагреваться. Перегрев приводит к расплавлению или обугливанию изоляции, которое вскоре приводит к пожару или короткому замыканию.

Причинами перегрузки является :

• подключение нагрузки к групповой линии, превышающей ту, на которую рассчитан ее кабель и автоматический выключатель. Это либо связано с подключением мощного электроприемника или превышением суммарной мощности группы электроприемников.
• неисправности, возникающие в одном из электроприемников. Например, витковое замыкание в электродвигателе, частичный выход из строя нагревательного элемента в калорифере.

Стремительная электрификация жилых зданий обязывает более внимательно анализировать электроустановку (электропроводку, электроприборы, защитную и коммутационную аппаратуру) с точки зрения опасности возникновения пожара. В данной статье рассмотрим условия, при которых короткое замыкание действительно может стать причиной пожара.

Нормативные требования

В соответствии с ПУЭ, электрическую сеть напряжением до 1 кВ в жилых, общественных, административных и бытовых зданиях требуется защищать от токов короткого замыкания и токов перегрузки.

ПУЭ-7
3.1.10
Сети внутри помещений, выполненные открыто проложенными проводниками с горючей наружной оболочкой или изоляцией, должны быть защищены от перегрузки.
Кроме того, должны быть защищены от перегрузки сети внутри помещений:
осветительные сети в жилых и общественных зданиях, в торговых помещениях, служебно¬бытовых помещениях промышленных предприятий, включая сети для бытовых и переносных электроприемников (утюгов, чайников, плиток, комнатных холодильников, пылесосов, стиральных и швейных машин и т. п.), а также в пожароопасных зонах.

3.1.11
В сетях, защищаемых от перегрузок (см. 3.1.10), проводники следует выбирать по расчетному току, при этом должно быть обеспечено условие, чтобы по отношению к длительно допустимым токовым нагрузкам, приведенным в таблицах гл. 1.3, аппараты защиты имели кратность не более:
80% для номинального тока плавкой вставки или тока уставки автоматического выключателя, имеющего только максимальный мгновенно действующий расцепитель (отсечку), – для проводников с поливинилхлоридной, резиновой и аналогичной по тепловым характеристикам изоляцией; для проводников, прокладываемых в невзрывоопасных производственных помещениях промышленных предприятий, допускается 100%;
100% для номинального тока расцепителя автоматического выключателя с нерегулируемой обратно зависящей от тока характеристикой (независимо от наличия или отсутствия отсечки) – для проводников всех марок.

Рис. 1. Характерная схема электроснабжения жилого здания

Схема электроснабжения

Рассмотрим характерную схему (рис. 1), где источником электроснабжения служит, как правило, отдельно стоящая подстанция с распределительным щитом 10(6)/0,4/0,23 кВ. На вводе в здание ВРУ-0,4/0,23 кВ. Следующая ступень – это этажный групповой распределительный щиток, и последняя ступень – это квартирный . Вышеперечисленные распределительные устройства подключены между собой проводниками, минимально допустимые сечения которых указаны в требованиях ПУЭ. Номинальные токи аппаратов, которые защищают провода и кабели от токов коротких замыканий и от перегрузки, выбираются в соответствии с требованиями ПУЭ.

Условия возгорания электропроводки

Возникает вопрос, может ли при коротком замыкании произойти возгорание электропроводки, если выполнены вышеперечисленные и другие требования ПУЭ? Рассматривая данный вопрос, необходимо обратить внимание на то, что возгорание электропроводки происходит при достижении проводником определенной температуры, зависящей от типа изоляции кабеля. В настоящее время широко применяется , у которого эта температура равна: Q = 350 O С.
Изменение температуры проводника при протекании тока короткого замыкания описывается формулами, которые приведены в . С учетом некоторых особенностей, а именно кратковременности протекания тока короткого замыкания, о чем будет рассказано далее, в рассматриваемых случаях для проводников с медными жилами можно использовать нижеследующую формулу:

где Q кон. и Q нач. – соответственно конечная и начальная температуры токоведущей жилы проводника, О С;
к – показатель степени:

(1а)

где t – время протекания тока короткого замыкания, с;
S – сечение проводника, мм 2 ;
– интеграл Джоуля или тепловой импульс, кА 2 /с.

В общем случае ток короткого замыкания содержит периодическую и апериодическую составляющие, т.е.:

Однако, как показывает анализ, влияние апериодической составляющей в данном случае невелико ввиду её быстрого затухания (постоянная времени затухания Т 0,003 с). В результате интегрирования на интервале времени действия защитной аппаратуры (0 — 0,02 с) получим:

где I д – действующее значение периодической составляющей тока короткого замыкания.
Тогда формула (1а) примет вид:

(4)

Из вышеперечисленных формул видим, что предельные значения токов короткого замыкания, при которых возгорание проводника не произойдет, зависят от его сечения и времени отключения короткого замыкания.

Рис. 2 (а). Времятоковые характеристики автоматических выключателей типа LSN

Рис. 2 (б). Времятоковые характеристики автоматических выключателей типа С 60а Merlin Gerin

Граничные значения токов короткого замыкания и минимально допустимые значения токов КЗ

Проводя анализ защитных времятоковых характеристик автоматических выключателей (рис. 2), мы наблюдаем две области: работа отсечки, предназначенной для отключения токов короткого замыкания, и работа тепловых расцепителей, предназначенных для защиты от перегрузки. Время действия отсечки измеряется сотыми и даже тысячными долями секунды, а время действия защиты от перегрузки измеряется от нескольких секунд до нескольких минут. Понятно, что короткие замыкания должны отключаться отсечкой автоматического выключателя как можно быстрее. Если короткое замыкание будет отключаться медленнее действующей тепловой защиты, то неминуемо произойдет повреждение соседних проводников горящей дугой, на которых вследствие этого также произойдут короткие замыкания. При этом возникновение пожара неминуемо.
Исходя из требований чувствительности, можно определить минимальные значения токов КЗ, при которых будет надежно срабатывать отсечка автоматических выключателей:

I кзмин. = I ном · 2 · 5,

где I ном – номинальный ток автомата;
2 – коэффициент надежности;
5 – кратность тока срабатывания отсечки.

Для определения максимально допустимых значений токов КЗ, при которых в электропроводке возгорание ещё не произойдет, используем формулы (1) и (2).
Примем начальную температуру проводника Q нач. = 30 O С. В качестве конечной требуется принять такую, при которой изоляция электропроводки ещё не теряет своих свойств и позволяет осуществлять дальнейшую эксплуатацию. Для кабелей и проводов с пластмассовой изоляцией эта температура находится в диапазоне 160 — 250 О С . Примем среднее значение Q кон. = 200 О С:

Важную роль играет время срабатывания электромагнитных расцепителей автомата при КЗ. ГОСТ Р 50345­99 , а также аналогичные зарубежные документы, к сожалению, содержат лишь требование о том, что время действия автоматических выключателей в начальной зоне отсечки (время мгновенного расцепления) должно быть менее 0,1 с. Однако из каталожных времятоковых характеристик автоматов следует, что на самом деле время срабатывания выключателей намного меньше. Так, для автоматов типа LSN и С 60а это время не превышает 20 мс, а при больших кратностях тока короткого замыкания ещё меньше (рис. 2а и 2б). При времени отключения 20 мс предельно допустимое значение тока КЗ для медного проводника сечением 1,5 мм 2 составит:

Задаваясь регламентированными ПУЭ минимально допустимыми значениями сечений медных проводников на разных ступенях системы электроснабжения (табл. 7.1.1), можно аналогичным образом определить максимальные и минимальные значения тока на других ступенях системы электроснабжения. Результаты расчетов приведены в табл. 1.

Табл. 1. Граничные значения тока КЗ на различных ступенях системы электроснабжения

Следует ещё раз подчеркнуть, что максимально допустимые значения тока КЗ в значительной мере зависят от быстродействия автоматического выключателя при КЗ.

Если необходимо определить минимально допустимое сечение кабеля или провода при заданном токе короткого замыкания и времени его отключения, то можно использовать формулу:

Влияние перегрузки проводников

В большинстве случаев, перегрузка электрической сети в жилом секторе может возникнуть при использовании дополнительных обогревательных электроприборов в холодное время года, в период аварий в системе водяного отопления и т.п. Несмотря на то, что внутренние электросети жилых, общественных, административных и бытовых зданий должны быть защищены от перегрузки, в соответствии с требованиями ПУЭ, однако же защитные аппараты допускают некоторую перегрузку проводников. Это связано с тем, что надежное срабатывание предохранителей происходит при токах, превышающих 1,6I ном, а автоматов – 1,45I ном.
Если, например, автомат выбран на основании требований ПУЭ, т.е. его номинальный ток равен длительно допустимому току проводника, то последний может длительно работать с нагрузкой 145% I доп., при этом его температура может достигать:

Q р = Q о + (Q д – Q р) · (I пред / I р) 2 = 30 + (65 – 25) 1,45 2 = 147 O С.

Эта величина больше длительно допустимой температуры для кабелей с пластмассовой изоляцией, указанной не только в ПУЭ и равной 65 O С, но и больше указанной в ГОСТ Р 53769-2010 и равной 70 O С.
При возникновении короткого замыкания в процессе длительной перегрузки температура проводника превысит предельно допустимое значение 350 O С и составит для S = 1,5 мм 2 при I кз = 1550 А (1):

Q кон. = 147 · е к + 228 (е к – 1) = 394 O С, где к = 0,506.

На основании вышеизложенных расчетов и анализа напрашивается вывод о том, что для исключения возможного превышения допустимых температур электропроводки при перегрузках и КЗ номинальные токи защитной аппаратуры следует выбирать несколько ниже, чем требует ПУЭ, как, например, для автоматических выключателей: I ном.авт. 80% I доп.
Обратим особое внимание на то, что действующие требования ПУЭ не обязывают выполнять проверки проводников до 1 кВ на термическую стойкость к токам КЗ. Однако в отношении жилых, общественных, административных и бытовых помещений с этим трудно согласиться с учетом возможных тяжелых последствий.

Реальные значения токов короткого замыкания в схеме электроснабжения зданий

Токи КЗ в системе электроснабжения напряжением до 1 кВ рассчитываются согласно методике, изложенной в ГОСТ 28249­93 . Расчет оказывается более сложным, чем для сетей напряжением 6–35 кВ, что объясняется рядом обстоятельств:

• необходимостью учета не только реактивных, но и активных сопротивлений элементов схемы;
• необходимостью учета сопротивлений контактных соединений;
• необходимостью учета увеличения активных сопротивлений проводника при росте температуры;
• необходимостью учета сопротивления дуги;
• отсутствием точных данных по сопротивлениям нулевой последовательности некоторых элементов системы электроснабжения (кабели с непроводящей оболочкой, силовые трансформаторы со схемой соединения обмоток Y/Yн, Y/Zн).

Однако это отдельная тема для разговора.
Как показывают , при установке на подстанциях трансформаторов мощностью 630 кВ·А и более, токи КЗ у потребителя могут превышать указанные в табл. 1 максимально допустимые значения. С целью ограничения токов КЗ в электросети жилого помещения можно применять питающие трансформаторы со схемами соединения обмоток Y/Yн. Такие трансформаторы обладают повышенными сопротивлениями нулевой последовательности, снижающими токи однофазного КЗ . В ряде случаев следует идти на увеличение сечения проводников внутренней электропроводки по сравнению с требуемым по условиям допустимой нагрузки и минимально допустимыми значениями, указанными в ПУЭ.

Из всего вышеизложенного следует, что даже при выполнении действующих нормативных требований, в результате КЗ на отдельных участках электропроводки жилых зданий могут создаться условия для возгорания. Однако в этом случае само КЗ было бы неправильно квалифицировать как причину пожара. Истинными причинами пожара являются либо неправильные технические решения, либо недостаточная надежность и быстродействие примененной защитной аппаратуры, либо превышение нормативного срока эксплуатации электрооборудования и т.п.

ВЫВОДЫ

1. В результате коротких замыканий, при значительных величинах тока КЗ и недостаточном быстродействии защитной аппаратуры, существует реальная опасность возгорания или серьезного ухудшения состояния изоляции внутренней электропроводки зданий.
2. Учитывая особую опасность возгорания, целесообразно ввести нормативное требование о выполнении проверки термической стойкости электропроводки в жилых зданиях.
3. Для исключения перегрузок внутренней электропроводки номинальные токи защитных аппаратов необходимо выбирать ниже длительно допустимых токов защищаемых проводников.
4. При выборе защитных аппаратов особое внимание следует уделять надежным автоматическим выключателям с гарантированным быстродействием в зоне мгновенного расцепления 0,02 с и менее.

Литература, используемая в статье

1. Правила Устройства Электроустановок, 6-­е и 7-­е изд.
2. Технический циркуляр №Ц­02­98(э) Департамента стратегии развития и научно­технической политики РАО «ЕЭС России».
3. ГОСТ Р 50345­99. Автоматические выключатели для защиты от сверхтоков бытового и аналогичного назначения.
4. ГОСТ 28249­93. Токи короткого замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ.
5. Федоровская А.И., Фишман В.С. Силовые трансформаторы 10(6)/0,4 кВ.