Расчет тока короткого замыкания методом именованных единиц

Две простых, но важных формулы

Понять причину, по которой возникает ток короткого замыкания, невозможно без усвоения еще одной нехитрой формулы. Мощность, потребляемая нагрузкой, равна (без учета реактивных составляющих, но о них позже) произведению тока на напряжение.

P = U x I,

где:

P – мощность, Ватт или Вольт-Ампер;

U – напряжение, Вольт;

I – ток, Ампер.

Мощность бесконечной не бывает, она всегда чем-то ограничена, поэтому при ее фиксированной величине при увеличении тока напряжение уменьшается. Зависимость этих двух параметров рабочей цепи, выраженная графически, называется вольт-амперной характеристикой.

И еще одна формула, необходимая для того, чтобы произвести расчет токов короткого замыкания, это закон Джоуля-Ленца. Она дает представление о том, сколько тепла выделяется при сопротивлении нагрузке, и очень проста. Проводник будет греться с интенсивностью, пропорциональной величинам напряжения и квадрата тока. И, конечно же, формула не обходится без времени, чем дольше раскаляется сопротивление, тем больше оно выделит тепла.

Понятие «короткое замыкание»

Короткое замыкание – это соединение двух точек электрической цепи с различными потенциалами, что не предусмотрено нормальным режимом работы цепи и приводит к критичному росту силы тока в месте соединения.

Таким образом, КЗ приводит к образованию разрушительных токов, превышающих допустимые величины. Что способствует выходу приборов из строя и повреждениям проводки. Для того, чтобы понять, что может спровоцировать этот процесс, нужно детально разобраться в процессах, происходящих при коротком замыкании.

По закону Ома сила тока (I) обратно пропорциональна сопротивлению (R)

Пример применения закона Ома к лампе накаливания мощностью в 100 Вт, подключенную к электросети в 220В. Здесь можно с помощью закона Ома рассчитать величину тока для нормального режима работы и короткого замыкания. Сопротивление источника и электропроводки проигнорируем.

Электрическая схема нормального режима работы (a) и короткого замыкания (b)

Вот пример нормальной цепи, по которой ток течет от источника к лампе накаливания. На схеме ниже изображен этот процесс.

Пример нормальной цепи, ток течет от источника к лампе

А теперь, представим, что произошла поломка, из-за которой в цепь попал дополнительный проводник.

Дополнительный проводник замыкает цепь

Сопротивление проводников стремится к нулю. Вот почему большая часть электрического тока после замыкания сразу потечет через дополнительный проводник, как бы избегая лампы накаливания с высоким сопротивлением. Результатом будет некорректная работа прибора, потому, что он не получит достаточно тока. И это еще не самый опасный вариант.

Как известно, по закону Ома сила тока обратно пропорциональна сопротивлению. Когда давление в цепи падает в результате короткого замыкания — на несколько порядков возрастет сила тока. По закону Джоуля – Ленца при росте силы тока увеличивается выделение тепла.

При многократном росте силы тока проводники мгновенно нагреваются. А теперь представим, что в сети нет предохранителей либо они не сработали достаточно быстро. В результате проводники плавятся, а изоляция начинает гореть. Зачастую, так возникают пожары в результате короткого замыкания.

Виды коротких замыканий

Схемы кз

Короткие замыкания в быту:

  • однофазные – происходит, когда фазный провод замыкается на ноль. Такие КЗ случаются чаще всего. Обозначен, как однофазное с землей К(1)
  • двухфазные – ( К2)происходит, когда одна фаза замыкается на другую, относится к несимметричным процессам. Есть еще 2-х фазное с землей К (1,1)в системах с заземленной нейтралью;
  • трехфазные – происходит, когда замыкаются сразу три фазы. Самый опасный вид КЗ. Это единственный вид короткого замыкания, при котором не происходит перекос фаз, процесс протекает симметрично;

Вот типичная картина последствий короткого замыкания: оплавленная или сгоревшая изоляция, запах гари, следы оплавления или горения внутри электрического прибора.

Последствия короткого замыкания в электрощите многоэтажного дома

В реальных условиях короткое замыкание происходит в таких ситуациях:

  • Повреждение изоляции проводников. Это может произойти из-за изношенности изоляции, а так же механического воздействия на неё. Жилы кабеля замыкаются напрямую или через корпус оборудования.
  • Некорректное подключение электроприборов к сети. Данный случай характеризуется допущением ошибки мастера или владельца квартиры из-за чего и происходит короткое замыкание.
  • Попадание в электрический прибор воды. Конечно же нельзя допускать попадание воды на электроприборы, ведь она является хорошим проводником электричества и замыкает контакты.

В обустройстве быта короткое замыкание происходит во время ремонта стен, если случайно повредить проводку. Также аварии случаются в квартирах и домах со старой проводкой. В результате чрезмерного нагревания она повреждается в следствие воздействия воды или грызунов.

Как измеряется ток КЗ при помощи приборов

Есть старый, «дедовский» способ измерения тока КЗ — с использованием понижающего трансформатора, амперметра и вольтметра. Далее нужен расчет по формулам.

Есть и другой, экстремальный способ — подключают амперметр и вручную создают короткое замыкание, замыкая цепь. Это не наш метод — мало того, что он неточен, но при таком «измерении» электросеть подвергается экстремальной нагрузке. К тому же не факт, что защита выбрана правильно, поэтому можно просто-напросто сжечь электропроводку.

Я в школьные годы решил как-то проверить «ток в розетке» этим методом и воткнул свой новенький тестер в режиме амперметра в розетку. Результат — в доме выбило «пробки», в тестере сгорел шунт, а я получил бесценный опыт.

Сейчас большинство приборов вычисляют полное сопротивление петли «фаза-ноль», а затем автоматически пересчитывают полученное значение в ток КЗ. Делать это возможно методом падения напряжения, подключая к точке измерения нагрузку (резистор) известного сопротивления. Номинал резистора обычно равен 10 Ом, время измерения — 30 мс (полтора периода напряжения). Такое измерение не перегружает сеть и в то же время обеспечивает максимальную точность, не вызывая срабатывания автоматических выключателей — тепловой расцепитель за такое время не успеет сработать, а электромагнитному не хватит величины испытательного тока.

При этом ток КЗ измеряется во всех вариантах, где он может возникнуть: «фаза-нейтраль», «фаза-защитное заземление», «фаза-фаза». Чтобы правильно провести измерения тока КЗ при помощи приборов, нужно обладать достаточной квалификацией и внимательно изучить инструкцию к прибору. Например, необходимо учитывать сопротивление измерительных проводов. Важен и тот факт, что полученное значение тока КЗ нужно пересчитать под реальное напряжение в сети.

Популярное изложение закона Ома

До детального изучения явления нужно вспомнить базовые определения из школьного курса физики. Основные зависимости описывает известная формула (закон Ома):

I = U / R,

где:

  • I – сила (величина) тока в амперах (А), которая определяет плотность энергии в контрольном участке и при достаточной величине способна разогреть проводник до высокой температуры;
  • U – напряжение (ЭДС, разница потенциалов между определенными точками);
  • электрическое сопротивление (R) – препятствует прохождению электрического тока, увеличивается при нагреве проводника.

Закон Ома для участка цепи

«Магический» треугольник помогает запомнить основные формулы для расчета. Взаимные зависимости рассматриваемых параметров часто поясняют на примере с трубопроводом:

  • ток (движение заряженных частиц) подобен потоку;
  • напряжение – разница давления на входе и выходе;
  • сопротивление – внутренний диаметр, ограничивающий пропускные способности транспортной системы.

По приведенным аналогам несложно догадаться о том, что тонкий (толстый) проводник затрудняет (упрощает) прохождение тока. Дополнительные ограничения объясняются проводимостью определенного материала и наличием посторонних примесей.

Методики обнаружения короткого замыкания

Если автоматический выключатель сработал, то самого худшего удалось избежать. Затем возникает вопрос, как найти короткое замыкание в проводке квартиры. Не следует паниковать. Есть шанс, что обнаружить неисправность удастся самому без вызова специалиста. Поиск короткого замыкания в квартире делится на четыре простых шага:

  1. Визуальный осмотр.
  2. Метод исключения.
  3. Обнаружение по звуку и запаху.
  4. Применение специальных измерительных приборов.

Визуальный осмотр

Не факт, что точка КЗ находится в стене. Обычно неисправность лежит на поверхности. Ее возможно заметить невооруженным глазом и оперативно устранить.

Необходимо осмотреть удлинители. Особенно в местах, где кабель изгибается и подключена штепсельная вилка. Часто один провод отрывается от положенного места и болтается в воздухе. Ничем не закрепленный фазный контакт способен коснуться нулевого, и привести к замыканию. Далее — розетки. Провода могут так же отвалиться и попасть в неположенное место.

Визуальный осмотр электропроводки в частном доме

Метод исключения

Если простой осмотр не помог, придется перейти к методу исключения. Главное — понять, из-за чего происходит срабатывание автомата. Следует вспомнить, при каких обстоятельствах произошло короткое замыкание. Если конфуз случился в момент, когда включали утюг в розетку, то проблема в нем. Если нет, следует поочередно отключать бытовые приборы, пока срабатывание автоматического выключателя не прекратится.

Если абсолютно все приборы отключены от сети и везде выключен свет, то придется перейти к следующему этапу

Важно не забыть проверить устройства, которые всегда подключены к розетке (холодильники, телевизоры)

Дополнительная информация. Вы никогда не найдете короткое замыкание, которого нет. Старые автоматические выключатели подвержены ложным срабатываниям. То есть, в проводке нет КЗ, а автомат живет своей жизнью и отключает квартиру без ведомых на то причин. Перед поиском замыкания не помешает убедиться в адекватности работы устройств защиты, узнать наверняка, почему срабатывает автоматический выключатель.

Обнаружение по звуку и запаху

В момент короткого замыкания высвобождается много энергии. Она не уходит бесследно. Часто на проблемном участке греются провода, плавится изоляции, образуется дым и пахнет гарью. Если замыкание неустойчивое, то при подаче напряжения в точке КЗ будет происходить яркая вспышка с искрами и хлопок. Ее интенсивность такова, что не заметить это явление практически невозможно даже в скрытой проводке.

Этот и предыдущий способы требуют периодического повторного включения напряжения. Оно, в свою очередь, снова приведет к замыканию. Проводить такие эксперименты желательно минимальное количество раз и хотя бы с какими-то знаниями и опытом подобных работ. Если есть возможность, то разумнее вызвать профессионального электрика. Он, скорее всего, придет с мультиметром или мегомметром.

Применение специальных измерительных приборов

Метод требует электротехнического образования. Точка замыкания ищется с помощью измерительных приборов:

  • мультиметра;
  • мегомметра;
  • индикаторной отвертки;

Проверка электропроводки с помощью мультиметра

Эти устройства позволяют прозвонить электрическую сеть квартиры и определить, на каком именно участке имеется точка с ненормально низким сопротивлением между фазным и нулевым (заземляющим) проводником. Наиболее эффективным для поиска КЗ является мегомметр. Но гораздо безопаснее применять мультиметр в режиме диодной прозвонки. Если на его выводы подключен участок проводки с коротким замыканием, то прибор пищит.

Виды коротких замыканий

В цепи постоянного тока

В этом случае КЗ бывает, как правило, между напряжением питания, которое чаще всего обозначается как «+», и общим проводом схемы, который соединяют с «-«. Последствия такого КЗ зависят от мощности источника питания постоянного тока. Если в автомобиле голый плюсовой провод заденет корпус автомобиля, который соединяется с «минусом» аккумулятора, то провода начнут плавится и гореть как спички, при условии если не сработает предохранитель, либо вместо него уже стоит «жучок» — самопальный предохранитель. Ниже на фото вы можете увидеть результат такого КЗ.

В цепи переменного тока

Трехфазное замыкание

Это когда три фазных провода коротнули между собой.

Трехфазное на землю

Здесь все три фазы соединены между собой, да еще и замкнуты на землю

Двухфазное

В этом случае любые две фазы замкнуты между собой

Двухфазное на землю

Любые две фазы замкнуты между собой, да еще и замкнуты на землю

Однофазное на землю

Однофазное на ноль

Эти две ситуации чаще всего бывают в ваших квартирах и домах, так как к простым потребителям идет два провода: фаза и ноль.

В трехфазных сетях наиболее часто происходит однофазное замыкание на землю —  60-70% всех коротких замыканий. Двухфазные КЗ составляют 20-25%. Двойное замыкание фаз на землю происходит в электросетях с изолированной нейтралью и составляет 10-15% всех случаев. До 3-5% занимают трехфазные КЗ, при которых происходит нарушение изоляции между всеми тремя фазами.

В электрических двигателях короткое замыкание чаще всего возникает между обмотками двигателя и его корпусом.

Неустранимые ограничения

Электрическая энергия в любой момент времени находится в распоряжении потребителей- (см. гл. 2). Это, однако, не означает, что эта энергия может быть использована без ограничений. При определении условий поставки электроэнергии потребителям различают два этапа — прогностический, учитывающий будущие запросы потребителя, оперативный, учитывающий имеющиеся характеристики потребительского оборудования на местах

На первом этапе принимают во внимание главным образом те запросы мощности, которые делает абонент. Эти мощности сравнивают с мощностью к.з., которая характеризует возможности сети, и далее осуществляют выбор величины напряжения и точек присоединения новых потребителей

На втором этапе уточняют требуемую мощность (оказывается обычно меньше) и проверяют возможную перегрузку сети, особенно в связи с потреблением реактивной энергии, сопровождающим потребление активной. Небесполезно уточнить два упомянутых понятия: мощность к.з. и реактивная энергия,

Общие положения

Данная методика предназначена для производства измерений полного сопротивления цепи фаза-нуль и измерению тока короткого замыкания при испытаниях электроустановок зданий и сооружений с целью оценки срабатывания автоматического отключения питания при повреждении изоляции для предотвращения появления напряжения прикосновения в соответствии с нормами сотрудниками электролаборатории. Защитное устройство, предназначенное для автоматического отключения питания цепи или электрооборудования, должно обеспечивать защиту от косвенного прикосновения при замыкании токоведущей части на открытую проводящую часть или защитный проводник цепи или электрооборудования таким образом, что время отключения питания должно обеспечивать электробезопасность человека при одновременном прикосновении к проводящим частям, также в случае возможного повышения значений напряжения прикосновения 50 В переменного тока (действующее значение) и 120 В выпрямленного тока. Время отключения, независимо от значения напряжения прикосновения, для распределительных цепей не должно превышать 5 секунд. Наибольшее время отключения для системы TN с номинальным напряжением 220 В не должно превышать 0,4 секунд. Полное сопротивление цепи фаза-нуль должно удовлетворять условию:

где, Zs — полное сопротивление цепи фаза-нуль; Uн — номинальное напряжение между фазой и землей; Iк — номинальный ток короткого замыкания, вызывающий срабатывание защитного устройства. В полное сопротивление цепи фаза-нуль входят сопротивления: обмотки силового трансформатора, фазного провода, нулевого рабочего провода, контактов автоматов, пускателей и т.д. По измеренному полному сопротивлению петли «фаза-нуль» определяется ток однофазного короткого замыкания. С помощью время-токовой характеристики защитного аппарата по полученной расчетом величине этого тока определяется время срабатывания защитного аппарата. Ток должен иметь определенную кратность по отношению к номинальному току плавкой вставки предохранителя или электромагнитного расцепителя автоматического выключателя согласно п. 1.7.79. и п. 7.3.139. ПУЭ.

Суть процесса

При включении любого электрического прибора в цепь происходит замыкание линии. По ней начинает проходить электроток. Он течёт от источника питания через нагрузку (потребителя) и возвращается. Сила тока определяется нагрузочным сопротивлением элементов, подключённых к цепи. Если R большое, величина силы тока небольшая. В ином случае она может достигать больших значений. Ситуация, при которой происходит электрическое соединение плюсового и минусового контакта электрической линии, называют коротким замыканием.

Например, можно представить простую цепь, состоящую из источника тока и лампы накаливания. Чтобы она засветилась, один из выводов источника (фаза) следует подключить к одному из электродов лампы, а другой — ко второму контакту осветительного устройства (нулевой). В замкнутой цепи появится ток, который, проходя по вольфрамовому проводнику лампы, приведёт к его разогреву с излучением света. Такая работа называется штатной или нормальной.

Но если по каким-то причинам возникнет дополнительный контакт между выводами источника питания, причём его сопротивление будет пренебрежительно мало, практически весь генерируемый ток устремится по нему. Произойдёт шунтирование фазы питания с нулём. В результате всё напряжение окажется приложенным к выводам генерирующего устройства. И сила тока, возникшая в цепи, будет определяться только внутренним сопротивлением источника питания.

Сила тока резко возрастёт. Учитывая закон Джоуля — Ленца, определяющий тепловое действие электротока, возрастёт нагрев электрической цепи. Если сила тока при КЗ вырастет в 2 раза, выделившееся тепло увеличится в 40 раз. Явление часто сопровождается расплавлением проводов и возгоранием

Вот поэтому так важно уметь выполнять расчёт токов короткого замыкания для 110 В, 220 В или 380 В. Это те напряжения, что используются в быту и промышленности, обеспечивающие работу электроприборов и установок.

Различают следующие виды КЗ:

  • однофазное — установление контакта между фазовой линией и нулевой;
  • двухфазное — замыкание фаз между собой или их общее соединение с землёй;
  • трёхфазное — наблюдается в сетях 380 вольт при соединении трёх фаз.

Общая часть

Требуется выполнить расчет трехфазного тока короткого замыкания (ТКЗ) на шинах проектируемого ЗРУ-6 кВ ПС 110/6 кВ «ГПП-3». Данная подстанция питается по двум ВЛ-110 кВ от ПС 110 кВ «ГПП-2». Питание ЗРУ-6 кВ «П4СР» получает от двух силовых трансформаторов ТДН-16000/110-У1, которые работаю раздельно. При отключении одного из вводов, предусмотрена возможность подачи питания на обесточенную секцию шин посредством секционного выключателя в автоматическом режиме (АВР).

На рисунке 1 приведена расчетная схема сети

Рисунок 1 – Расчетная схема сети

Поскольку цепь от I с.ш. «ГПП-2» до I с.ш. «ГПП-3» идентична цепи II с.ш. от «ГПП-2» до II с.ш. «ГПП-3» расчет ведется только для первой цепи.

Схема замещения для расчета токов короткого замыкания приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема замещения сети

Расчет будет производиться в именованных единицах.

Методы защиты

Простейший, но достаточно эффективный автоматический «выключатель» показан на первой картинке. При увеличении плотности тока в цепи выше определенного уровня плавкая вставка разрушается.

Подобное устройство стоит недорого. Минусы:

  • медленное срабатывание;
  • отсутствие регулировок;
  • однократное применение.

Чтобы исключить перечисленные недостатки, рекомендуется применить специализированный автомат. Корректный выбор модели сопровождается оценкой чувствительности. Для упрощения оборудование этой категории разделено на группы. Класс В, например, будет отключать питание не более, чем за 0,015 с после регистрации двукратного увеличения тока, по сравнению с номиналом.

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.

Будет интересно Что такое статическое электричество и как от него избавиться

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

Возгорание розетки

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.

Защита блока питания от короткого замыкания.

Источник: ledsshop.ru

Стиль жизни - Здоровье!