Ток короткого замыкания: определение и причины
Несмотря на свою очевидную пользу, электрическая энергия, в определенных условиях, представляет серьезную опасность. Среди всех негативных факторов, более всего оказывает отрицательное воздействие ток короткого замыкания, способный нанести вред не только приборам, бытовой технике, оборудованию, но и обслуживающему персоналу. КЗ возникает в результате электрического взаимодействия разных фаз друг с другом или с землей. В точках соприкосновения в цепи наблюдается резкий рост силы тока, многократно превышающий предельно допустимые значения. В результате, возникает аварийная ситуация.
Содержание
Понятие короткого замыкания
Короткое замыкание — КЗ возникает при незапланированном электрическом контакте между точками цепи с разными потенциалами, не предусмотренном нормативными правилами эксплуатации. Зону контакта отличает низкое сопротивление, что приводит к резкому росту силы тока, превышающему номинальное значение.
В качестве наглядного примера можно взять обычную лампочку на 100 Вт, подключенную к напряжению 220В. Для того чтобы сравнить токи в нормальном и аварийном режиме, необходимо воспользоваться законом Ома. При этом, сопротивление источника тока и проводников не учитывается при расчетах.
Сила тока в нормальном рабочем режиме составит I = P/U = 100/220 равно около 0,45А. Далее рассчитывается сопротивление нагрузки: R = U/I = 220/0,45 = около 489 Ом.
Когда появляется ток короткого замыкания, формула показывает, что параметры цепи существенно изменяются. Замыкание между двумя точками осуществляется проводником, сопротивление которого составляет 0,01 Ом. Известно, что ТКЗ всегда выбирает путь с минимальным сопротивлением. С связи с этим, произойдет резкое увеличение силы тока: I = U/R = 220/0,01 = 22000A. Поэтому данное явление и получило свое название, поскольку ток КЗ идет по наиболее минимальному пути, минуя нагрузку. Такое высокое значение получается лишь теоретически, на самом же деле такого роста не произойдет из-за падения напряжения у потребителя.
Таким образом, отвечая на вопрос, что такое короткое замыкание по-простому, можно отметить, что в этом случае положительный и отрицательный проводники создают для тока самый короткий путь, сопротивление начинает стремиться к нулю. Физика утверждает, что без сопротивления схема перестает нормально функционировать, работа источника напряжения сбивается и происходит замыкание с образованием разрушительного тока.
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.
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.
Опасность и последствия
Практически все короткие замыкания приводят к негативным последствиям различной степени тяжести. Если кратко, то наибольшую опасность представляет возможное возгорание, нередко переходящее в полноценный пожар. В аварийной ситуации сила тока значительно увеличивается, а в проводниках в большом количестве выделяется теплота, оказывающая разрушающее действие на изоляцию.
В большинстве случаев, особенно в быту, при возникновении дугового КЗ между проводниками и местом замыкания образуется электрический разряд большой мощности, способный легко воспламенить находящиеся рядом предметы. Резкое выделение тока и тепла представляет особую опасность для людей, проживающих в доме, и обслуживающего персонала предприятий.
Аварийные ситуации с замыканиями называются просадочными из-за значительных понижений напряжения в данной сети. Особенно большие просадки образуются непосредственно в месте КЗ. Подобные скачки отрицательно влияют на электроприборы и оборудование, особенно с электрическими двигателями. Чувствительные устройства нередко попадают под воздействие сильных электромагнитных волн.
Предотвратить разрушительные последствия, определяемые термином коротких замыканий, вполне возможно при помощи различных защитных средств. Они определяются еще на стадии проектирования в индивидуальном порядке для каждой электроустановки.
Защитные и профилактические мероприятия
Полностью защититься от КЗ практически невозможно, поскольку во многих случаях оно происходит под влиянием случайных факторов. Поэтому основная роль отводится профилактическим мероприятиям, от чего зависит снижение вероятности аварийных ситуаций.
В обязательном порядке планируется и выполняется следующее:
- Контроль и определение состояния изоляционного слоя токоведущих частей электроустановок или ЛЭП. В помещениях производственного назначения изоляция проводов проходит испытание 1 раз в 3 года или чаще. Домашние сети нормируются сроками максимальной эксплуатации. Например, скрытая проводка из медного провода может эксплуатироваться в течение 40 лет.
- Перед тем как найти скрытую проводку перед сверлением стен, необходимо заранее свериться со схемой или проектом электрических сетей. Это существенно снизит вероятность повреждений, хотя более точные результаты можно получить только с помощью специального поискового прибора.
- Выходя из дома следует отключать все электроприборы, особенно мощное оборудование – нагреватели, электроплиты, посудомоечные машины и т.д.
- В помещениях, где есть признаки повышенной влажности, количество электрических устройств должно быть минимальным. Допускается эксплуатация приборов только с соответствующим классом защиты.
- Не должна подключаться к сети поврежденная электротехника.
- Не выходить за рамки установленных норм потребления электроэнергии.
Большое значение имеет использование защитных средств в электрической цепи – автоматов или плавких предохранителей. Они устанавливаются на вводе и на всех внутренних линиях проводки. В случае короткого замыкания произойдет срабатывание и сеть окажется обесточенной. Отработанные предохранители заменяются аналогичными устройствами того же типа. Элементы с меньшими номиналами приведут к ложным срабатываниям, а превышение допустимых токов вызовет повреждение оборудования и проводов.
Как использовать короткое замыкание
КЗ может не только наносить вред, но в чем-то – приносить ощутимую пользу в работе. Если говорить простым языком, то типичным примером такого использования служит дуговая сварка. Принцип действия сварочной аппаратуры заключается во взаимном контакте стержня-электрода и поверхности свариваемого металла.
Свойства КЗ обеспечивают нагрев поверхности до температуры плавления, после чего образуется сварочный шов из сплава металлов, обеспечивающий высокую прочность соединения. С технической точки зрения происходит замыкание сварочного электрода и контура заземления.
Работа сварочного аппарата в режиме электродвижущей силы КЗ происходит в течение короткого времени. В момент соприкосновения электрода с металлом появляется ток короткого замыкания с нестандартным зарядом и высокой ЭДС, сопровождающийся выделением большого количества тепла. Этой теплоты вполне достаточно, чтобы расплавить металл и образовать сварочный шов.
Кроме того, режимы КЗ используются в промышленной автоматике, некоторых видах электроники, в электродинамических датчиках сейсмических приемников и индукционных виброметров.
Токи короткого замыкания
Общие сведения
Короткое замыкание является аварийным режимом работы электрической установки, возникающим в результате нарушения изоляции токоведущих частей.
Короткое замыкание нарушает бесперебойность питания приемников и может повлечь за собой повреждение оборудования. Поэтому при выборе токоведущих частей и аппаратов приходится их рассчитывать не только на номинальный режим работы, но и проверять по условиям возможного аварийного режима, вызванного коротким замыканием.
Нормальный установившийся режим — с параметрами, находящимися в нормированных пределах.
Основными причинами нарушения изоляции являются: пробой изоляции токоведущих частей под действием перенапряжения или перегрузок; механические воздействия на изоляцию.
Аналогично нарушению изоляции токоведущих частей можно рассматривать схлестывание голых проводов на линиях электропередачи под действием ветра, а также наброс различных предметов на провода. Возможны случаи, когда замыкание проводов производят животные. Причиной короткого замыкания в электротехнических установках может быть также и ошибочное действие обслуживающего персонала.
Ток короткого замыкания (т.к.з.) обычно во много раз больше рабочего тока и может вызвать в токоведущих частях недопустимые динамические усилия и перегрев.
Кроме того, при коротком замыкании возможно прекращение питания электроприемников, что (приводит к нарушению нормальной работы других приемников, подключенных к неповрежденным участкам сети, вследствие понижения напряжения на этих участках, а иногда — к расстройству электроснабжения.
Под коротким замыканием (к.з.) понимается не (предусмотренное условиями работы электрическое соединение между любыми точками разных фаз или фазы и нейтрального провода, или фазы с землей (при заземлении нейтрали источника электроэнергии).
В зависимости от соединения токоведущих элементов различают следующие основные виды металлических коротких замыканий:
- трехфазное к.з., когда накоротко замыкаются между собой в одной точке все три фазы (принятое обозначение — К3), (рисунок ниже, положение — а). Система напряжений при трехфазном к.з. остается симметричной;
- двухфазное к.з., когда две фазы (например, В и С) замыкаются между собой накоротко в одной точке (К2), рисунок ниже, положение — б;
- однофазное к. з. (К1), рисунок ниже, положение — в, когда одна фаза замыкается на землю, при этом режиме считается коротким замыкание лишь в случае, когда источник электроэнергии имеет глухозаземленную нейтраль.
Виды коротких замыканий (а—г)
«Электроснабжение строительно-монтажных работ», Г.Н. Глушков
Термическое действие токов короткого замыкания
Токи к. з. вызывают дополнительный нагрев токоведущих частей электрических аппаратов, шин и жил электрических кабелей. Длительность т. к. з. определяется временем, необходимым для отключения цепи защитными устройствами. Для того чтобы…
Ударный ток к. з.
iy = √2Ку Iк, где Ку — ударный коэффициент определяется из графика Ку = f (X/R) Расчетная схема для X/R = 24/50 = 0,48. Из графика имеем Ку =1 iу…
Сопротивление системы Хс
Сопротивление системы Хс определяем по формуле Хc=Uc//√3I(30) Сопротивление воздушной линии: индуктивное Хл =x0l; активное Rл = r0l где х0, r0 — удельные индуктивное и активное сопротивления линии, Ом/км (см.
Определение полного сопротивления цепи к. з.
Однако для более точного расчета полное сопротивление цепи к. з. следует определять не путем арифметического сложения модулей полных сопротивлений участков этой цепи (II-5), а как в выражении на рисунке: Пример…
Расчет т. к. з. в установках напряжением до 1000 В
При расчете т. к. з. в установках напряжением до 1000 В учитывается, что электрические сети имеют большую протяженность и большое количество аппаратуры: трансформаторы тока, контакторы, автоматы и т. д., которые…
Ударный коэффициент Ку
Отношение ударного тока короткого замыкания iy к амплитуде периодической составляющей iпm называется ударным коэффициентом Ку: Ку = iу/ iпm Заменяя в формуле выше амплитуду iпm действующим током, получим Ку =iV√2Iпm…
Процесс короткого замыкания
Если до момента наступления к. з. в электрической цели был установившийся ток iп, то при внезапном к. з. в этой цепи вследствие значительного уменьшения полного сопротивления цепи, ток резко возрастает…
Замыкание одной фазы
В случае замыкания одной фазы на землю в системе, где нейтраль источника изолирована, режим не считается коротким замыканием, так как ток, возникающий при этом в цепи повреждения «фаза — земля»,…
Разница между током неисправности и током короткого замыкания
Введение:- Существует разница между «током неисправности» и «током короткого замыкания» в электрической системе.
Оба параметра важны при выборе оборудования или проектировании сети, однако в электротехнике оба термина вводят в заблуждение. - На очень простом языке «Короткое» означает «меньше» (кратчайшее расстояние, время или цепь), «Короткое замыкание» означает наименьшее сопротивление или отсутствие сопротивления в цепи, а «Ток» высокий из-за меньшего сопротивления. Этот большой ток преобразуется в тепловую энергию. Противоположностью короткого замыкания является «разомкнутая цепь», представляющая собой бесконечное сопротивление между двумя узлами.
- Хотя Fault означает неправильно. Fault Current означает, что ток проходит по неверному пути.
- Ток неисправности — это ток, который идет по неправильному пути вместо использования нормального проводящего пути в состоянии неисправности.
- В нормальных условиях электрическое оборудование работает при нормальных номинальных значениях напряжения и силы тока. Как только в цепи или устройстве возникает неисправность, значения напряжения и тока отклоняются от их номинального значения. Это могут быть высокие или низкие значения.
- Неисправность может быть вызвана нарушением изоляции, неправильным подключением или повреждением проводящего тракта, которые в дальнейшем преобразуются в обрыв цепи, короткое замыкание и замыкание на землю.
- Ток короткого замыкания может быть больше или меньше нормального номинального тока.
- В трехфазной системе питания существует три основных типа тока неисправности.
- Неисправности разомкнутой цепи
- Короткое замыкание (L-L / L-L-L)
- Неисправности цепи заземления (L-G / L-L-L-G)
- Обрыв цепи возникает из-за неисправности/обрыва одного или нескольких фазных проводников в цепи.
- При ошибке разомкнутой цепи ток не может протекать, поэтому ток равен нулю, а напряжение становится бесконечным.
- В(падение)=бесконечно и ток(I)=0
- Неисправности с обрывом цепи также называются последовательными неисправностями. Это несимметричные или несбалансированные неисправности, за исключением трехфазного обрыва.
- Причины:
- Обрыв проводника, выход из строя соединений проводников и неисправность автоматического выключателя в одной или нескольких фазах.
- Вредные эффекты:
- Ненормальная работа системы.
- Опасность для человека и животных.
- Превышение нормальных значений напряжения на отдельных участках сети, что приводит к нарушению изоляции и развитию коротких замыканий.
- Короткое замыкание имеет нулевое сопротивление между двумя проводами/цепями/системами, с другой стороны, ток неисправности имеет сопротивление, которое потребляет ток. Величина сопротивления определяет потребляемый ток и обычно вызвана пробоем изоляции системы.
- Ток неисправности: это ток, превышающий номинальный ток оборудования, т.е. двигатель номиналом 25А, тогда больше будет ток короткого замыкания.
- Ток короткого замыкания: это максимальный ток, который может протекать при коротком замыкании оборудования и который он может выдержать. выше этого ток повредит оборудование.
- Ток неисправности — это ток, протекающий во время состояния обрыва цепи или короткого замыкания, поэтому каждый раз, когда ток неисправности не обязательно является током короткого замыкания (это может быть отказ обрыва цепи).
- Ток короткого замыкания будет протекать, когда в системе произойдет короткое замыкание, и он будет представлять собой максимально возможный ток короткого замыкания, который может возникнуть в системе .
- Таким образом, ток короткого замыкания может быть меньше тока короткого замыкания, а ток короткого замыкания будет представлять самый высокий ток короткого замыкания в системе.
- Ток короткого замыкания может быть больше или меньше нормального тока, в то время как ток короткого замыкания выше нормального тока.
- Ток неисправности не обязательно является током короткого замыкания, но ток короткого замыкания всегда является током неисправности.
Сравнение тока короткого замыкания с током короткого замыкания | |||
База для сравнения | Ток неисправности (ошибка разомкнутой цепи) | Ошибка короткого замыкания | Перегрузка |
Значение | В Обрыве цепи напряжение в точке неисправности высокое до бесконечности и ток через неисправную точку сети равен нулю. | При коротком замыкании напряжение в месте повреждения падает до нуля и ток неравномерно большой величины протекает через неисправное место в сети. | Перегрузка означает, что на систему возложена нагрузка, превышающая требуемое значение. |
Сопротивление | Высокий | Зеро | |
Текущий | Зеро | Высокий | Низкий по сравнению с коротким замыканием. |
Напряжение | Высокий | Зеро | Напряжение становится низким, но не может быть равным нулю. |
Возникновение | Возникает при обрыве или обрыве нулевого и живого проводов. | Это происходит, когда нейтральный и активный провода касаются друг друга. | Возникает при соединении большого количества устройств в одну розетку. |
Оценить:
Нравится:
Нравится Загрузка…
Рубрика: Без рубрики
О Jignesh.Parmar (BE, Mtech, MIE, FIE, CEng)
Jignesh Parmar закончил M.Tech (управление энергосистемой), BE (электротехника). Он является членом Института инженеров (MIE) и CEng, Индия. Членский номер: M-1473586. Он имеет более чем 16-летний опыт работы в области передачи-распределения-обнаружения хищения электроэнергии-электротехнического обслуживания-электропроектов (планирование-проектирование-технический анализ-координация-исполнение). В настоящее время он работает в одной из ведущих бизнес-групп в качестве заместителя менеджера в Ахмедабаде, Индия. Он опубликовал ряд технических статей в журналах «Electrical Mirror», «Electrical India», «Lighting India», «Smart Energy», «Industrial Electrix» (Australian Power Publications). Он является внештатным программистом Advance Excel и разрабатывает полезные электрические программы на основе Excel в соответствии с кодами IS, NEC, IEC, IEEE. Он технический блоггер и знаком с английским, хинди, гуджарати и французским языками. Он хочет поделиться своим опытом и знаниями и помочь техническим энтузиастам найти подходящие решения и обновить себя по различным инженерным темам.
Почему ток короткого замыкания имеет значение | Plant Engineering
Анализ токов короткого замыкания является неотъемлемой частью проектирования и безопасной эксплуатации электрических систем, а приобретение необходимого оборудования является важным шагом.
Сэм Фопма, 16 февраля 2022 г.
Предоставлено CFE Media and Technology
Анализ тока короткого замыкания является неотъемлемой частью проектирования и безопасной эксплуатации электрических систем. Многие компании провели исследования вспышек дуги и завершили маркировку для повышения электробезопасности, но знаете ли вы, что получение оборудования, должным образом рассчитанного на короткое замыкание, так же важно, как и знание опасности вспышки дуги и ее снижение?
Все подробно
С точки зрения электротехники короткое замыкание — это когда электрический ток протекает по непреднамеренному пути с очень низким импедансом. Это приводит к чрезвычайно высокому току, протекающему по цепи. Доступное короткое замыкание, рассчитанное в точке системы, представляет собой максимальный ток, который система может подать в эту точку. Затем рассчитывается номинал короткого замыкания электрического компонента и проверяется максимальный ток, который устройство может безопасно выдержать.
Согласно Национальному электрическому кодексу, вы должны маркировать сервисное оборудование с указанием доступного короткого замыкания. Промышленные панели управления не должны устанавливаться там, где доступный ток короткого замыкания превышает указанный номинал. Системы могут действовать непредсказуемо, когда доступная энергия короткого замыкания превышает указанную номинальную мощность оборудования.
Что может пойти не так? Контакты внутри автоматического выключателя могут перегореть и не позволить выключателю устранить неисправность. Механические нагрузки на шины внутри распределительного щита могут привести к поломке их опор и возникновению дугового разряда. Оборудование в панели управления могло «сгореть» и перестать работать должным образом. В каждом из этих случаев это может поставить под угрозу здоровье оборудования, безопасность персонала и способность установки нормально работать.
Обеспечение безопасности вашего предприятия
Чтобы избежать подобных ситуаций, при внесении изменений в электрическую систему учитывайте следующие передовые методы:
- Запасные части должны быть идентичны оригинальным, чтобы не изменить степень защиты от короткого замыкания отремонтированного оборудования.
- Проведите элементарный анализ короткого замыкания перед заказом нового оборудования и поработайте с производителем, чтобы получить рейтинг, достаточный для установки.
- Отрегулируйте конструкцию электрической системы, чтобы уменьшить доступный ток короткого замыкания, чтобы привести его в соответствие с номиналами оборудования.
В качестве примера подумайте об объекте, рассматривающем возможность модернизации воздушного компрессора. Анализ короткого замыкания вернет следующие точки данных:
- Трансформатор мощностью 2500 кВА может обеспечить ток короткого замыкания приблизительно 53 000 А.
- Распределительный щит на 3000 А рассчитан на 65 кА в соответствии с доступным током системы.
- Рассчитывается, что MDP на 600 А обеспечивает доступный ток короткого замыкания приблизительно 37 000 А, поэтому панель приобретается с номинальным током 42 кА, чтобы соответствовать доступному току системы.
- Рассчитанный доступный ток короткого замыкания воздушного компрессора на 200 А составляет примерно 23 000 А, поэтому производитель поставляет воздушный компрессор с номинальным током 30 кА для согласования с доступным током системы вместо типичных для этой машины номинальных значений 5 кА.