Что такое короткое замыкание, его виды и причины возникновения

Как УЗО защищает от аварий

В отличие от автоматов, УЗО защищает не от КЗ, а от его предвестника — утечки тока. Принцип работы построен на измерении разницы электричества на фазе и нейтрали. Например, если где-то повредилась изоляция и фазный провод коснулся металлической поверхности, возникнет утечка — в квартиру войдет больше электричества, чем выйдет. УЗО сразу среагирует и расцепит линию.

Иногда утечки возникают в поврежденных электроприборах. И если их вовремя не выявить, с большой вероятностью случится короткое замыкание или Вас ударит током. Выбирается дифзащита по трем основным параметрам:

• номиналу — как и автомат, рассчитывается по максимальной нагрузке на линии;
• току утечки — разнице электричества на фазе и нейтрали, при которой срабатывает расцепитель;
• характеристике расцепления — типу утечек, на которые реагирует дифзащита.

Как выбрать номинальный ток УЗО

Рассчитывайте аналогично автомату, по тем же формулам для однофазной и трехфазной сети. Главное, чтобы УЗО защищающее линию было не ниже по номиналу чем АВ, иначе в случае КЗ оно сгорит раньше, чем сработает АВ.

В качестве комплексного решения пользователи часто покупают дифавтоматы (это устройство совмещающее в себе автомат и УЗО в одном корпусе). Так можно немного сэкономить место в щитке.

Какое значение тока утечки где лучше поставить

По данному параметру УЗО делятся на два типа:

• защитное на 10мА или 30мА — защищает человека от поражения электричеством;
• противопожарное на 100мА и выше, защищает от утечек, провоцирующих возгорания.

В быту принято ставить защитное на комнаты и противопожарное на вводе. В детской и ванной рекомендуется поставить 10мА, так как дети более уязвимы к току, чем взрослые, а вода усиливает его действие. На комнатные розетки обычно ставят 30мА — это максимум, который без вреда выдерживает среднестатистический человек.

На вводе обычно ставят 100мА, 300мА или 500мА, если сеть большая. Дело в том, что практически везде возникают небольшие потери электричества от сопротивления проводника, нагрева изоляции и пр. Чем больше длинна проводов и потребителей, тем больше потерь, потому на вводе должно стоять УЗО с большим значением утечки, иначе оно будет постоянно выбивать.

На что влияет характеристика расцепления

УЗО делятся на два типа:

• АС — реагирующие на утечки синусоидального переменного тока. Ставится на линии без сложной электроники;
• А — реагирующее, кроме синусоидального еще и на пульсирующий постоянный ток. Устанавливается на технику с блоками питания и сложную электронику (компьютеры, телевизоры и пр.), где часто возникают такие утечки.

В основном в быту ставится тип «АС», так как он дешевле. Это рационально, если на линии только электроприборы без плат и микросхем. Но на сложную электронику все же лучше поставить тип «А».Так Вы быстрее выявите и устраните неисправность.

Даже если авария и случится, автоматика и дифзащита мгновенно на нее среагируют и Вы сможете быстро найти и устранить причину. Чтобы не подвергать опасности себя и свой дом, придерживайтесь двух правил:

1. Делайте регулярные проверки состояния проводки и электротехники;
2. Поставьте качественные и правильно подобранные автоматы и УЗО.

Таким образом Вы сделаете домашнюю сеть безопасной и эффективной.

window.yaContextCb.push(()=>{ Ya.Context.AdvManager.render({ renderTo: ‘yandex_rtb_R-A-121045-4’, blockId: ‘R-A-121045-4’ }) }) Почему происходит короткое замыкание

Для того чтобы понять почему происходит короткое замыкание, нужно вспомнить закон Ома для участка цепи – «Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению на этом участке», формула при этом следующая:

I=U/R

 где I – сила тока, U – напряжение на участке цепи, R – сопротивление.

Любой электроприбор в квартире, включающийся в розетку, это активное сопротивление (R – в формуле), напряжение в бытовой электросети вам должно быть известно – 220В-230 В и оно практически не меняется. Соответственно, чем выше сопротивление электроприбора (или материала, проводника и т.д.) включаемого в сеть, тем меньше величина тока, так, как зависимость между этими величинами обратно пропорциональная.

Теперь представьте, что мы включаем в сеть электроприбор практически без сопротивления, допустим его величина R=0.05 Ом, считаем, что тогда будет с силой тока по закону Ома.

I=220В(U)/0,05(Ом)=4400А

В результате получается очень высокий ток, для сравнения стандартная электрическая розетка в нашей квартире, выдерживает лишь ток 10-16А, а у нас по расчетам 4,4 кА.

Современные медные провода, используемые в проводке, имеют настолько хорошие показатели электрической проводимости, что их сопротивление, при относительно небольшой длине, можно принять за ноль. Соответственно, прямое соединение фазного и нулевого провода, можно сравнить, с подключением к сети электроприбора, с очень низким сопротивлением. Чаще всего, в бытовых условиях, мы сталкиваемся именно с таким типом короткого замыкания.

Конечно, это очень грубый пример, в реальных условиях, при расчете силы тока при коротком замыкании, учитывать приходится гораздо больше показателей, таких как: сопротивление всей линии проводов, идущих к вам, соединений, дополнительного оборудования сети и даже дуги образующейся при коротком замыкании, а также некоторых других.Поэтому, чаще всего, сопротивление будет выше тех 0,05 Ом, что мы взяли в расчете, но общий принцип возникновения КЗ и его разрушительных эффектов понятен.

Как образуется короткое замыкание

Как мы помним из учебника физики за 8 класс, закон Ома для участка цепи определяется по формуле:

где

I – сила тока в цепи, А

U – напряжение, В

R – сопротивление, Ом

Давайте рассмотрим вот такую схему

Если мы подключим настольную лампу EL к источнику тока Bat и замкнем ключ SA, то вольфрамовая нить лампы начнет разогреваться под тепловым воздействием тока. В этом случае значительная часть электрической энергии преобразуется в световую и тепловую.

А теперь покончим с лирическими отступлениями и замкнем два провода, которые идут на лампочку, через толстый провод AВ

Что будет дальше, если мы замкнем контакты ключа SA?

В результате ток пойдет по укороченному пути, минуя нагрузку. Короткий путь в данном случае и есть провод AB. Сопротивление провода АВ близко к нулю. В результате наша схема преобразуется в делитель тока. Согласно правилу делителя тока, если нагрузки соединены параллельно, то через нагрузку с меньшим сопротивлением побежит большая сила тока, а через нагрузку с большим значением сопротивления – меньшая сила тока. Так как провод АВ обладает почти нулевым сопротивлением, то через него потечет большая сила тока, согласно опять же закону Ома:

Как я уже сказал, в режиме КЗ сила тока достигает критических значений, превышающих допустимые для данной цепи.

Опасность и последствия короткого замыкания

Неприятные последствия КЗ в большинстве случаев зависят от места аварии, продолжительности действия повышенных токов. Учитывая такие особенности, данное явление может быть местного или общего значения.

Если происходит КЗ местного характера, то наблюдаются более серьезные последствия. Это может быть возгорание кабелей с возникновением пожара. Кроме проводов загораются строительные материалы, мебель, расположенные вблизи КЗ.

В результате короткого замыкания происходят:

• разрушение розеток и выключателей;
• повреждение электроприборов, оборудования, компьютеров;
• несчастные случаи — человек получает ожоги, механические травмы, если находится близко от места аварии.

При попадании влаги происходит замыкание скрытой проводки. Это опасная ситуация для человека. Если он нечаянно коснется стены, то его ударит током.

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 Как устроен однополупериодный выпрямитель и где применяется

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.

Чем опасно короткое замыкания и что делать, если оно возникло

Перед тем как тушить возгорание, необходимо обесточить сеть

Главная опасность при укорачивании электрической цепи состоит в прохождении электричества через человека, а также в появлении очага возгорания. По сравнению с этим отсутствие электроэнергии у потребителей окажется мелочью, недостойной внимания.

Если произошло КЗ, необходимо следовать алгоритму:

1. Обесточить сеть.
2. Вытащить все вилки из розеток.
3. Вызвать экстренные службы — электриков, пожарных, врачей.

Если человек, получивший удар током, жив и находится в сознании, то его не стоит трогать до прибытия скорой помощи. При угрозе жизни следует провести комплекс реанимационных мероприятий.

Короткое замыкание — это чрезвычайная ситуация. Действовать в ней нужно грамотно и быстро, но без суеты и паники, стараясь свести к минимуму негативные последствия этого явления.

Чем опасно короткое замыкание

Самая значительная опасность при коротком замыкании – это большая вероятность возникновения пожара.

При значительном увеличении силы тока, которое происходит при КЗ, выделяется большое количество теплоты в проводниках, что вызывает разрушение изоляции и возгорание.Кроме того, в быту, чаще всего происходит дуговое короткое замыкание, при котором, между проводниками в месте КЗ, возникает мощнейший электрический разряд, который нередко воспламеняет окружающие предметы.

Так же не стоит забывать про опасность поражения электрическим током или резким выделением тепла человека, которая так же достаточно высока.

Из менее опасных последствий, происходящих при КЗ, стоит отменить значительное снижение напряжения в электрической сети особенно в месте его возникновения, что негативно влияет на различные электроприборы, в частности оснащенные двигателями. Также, не стоит забывать про сильное электромагнитное воздействие на чувствительное к этому оборудование.

Как видите, последствия от возникновения короткого замыкания могут быть очень серьезными, поэтому, при проектировании любой электроустановки и монтаже электропроводки, необходимо предусмотреть защиту от короткого замыкания.

Тонкости визуального осмотра

Если происходит короткое замыкание, то выделяется большое количество тепла. При этом сильно нагревается место контакта кабелей. Такое состояние вызывает возгорание в сети.

Процесс сопровождается специфическим запахом, огромным количеством гари. Этих признаков достаточно, чтобы выявить место короткого замыкания либо обезвредить участок поиска.

В случае неповрежденных розеток, отсутствия признаков горения по очереди вскрывают все распределительные коробки. Таким образом, можно найти возгорание изоляции, а также определить причину неприятной ситуации.

Визуальный осмотр может не дать положительного результата. В этом случае производят замену поврежденного предохранителя или включают автоматы.

Внимание! Признаком исправной работы электроцепи является то, что автоматы не включаются, а предохранители не перегорают. Чтобы убедиться в правильности поиска, включают освещение, поочередно все электрические приборы и следят за светом лампочек

Если после включения очередного прибора свет не загорается, то причину короткого замыкания ищут в данном потребителе тока.

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.

Виды предохранителей и автоматических выключателей

Так как предохранители и автоматические выключатели – это самые распространённые элементы защиты участков цепей от коротких замыканий, то стоит рассмотреть основные виды этой токоограничивающей аппаратуры.

Предохранители делятся на три основные группы, которые отличаются по типу срабатывания:

• с плавкой вставкой;
• электромеханические с повторным взводом путём нажатия кнопки;
• электронные (редко применяемые в быту).

Автоматические выключатели делятся по количеству полюсов:

• однополюсные;
• двухполюсные;
• трёхполюсные.

Подбор данной аппаратуры для отключения напряжения вследствие короткого замыкания связан с величиной напряжения сети, номинальной силой тока и порога срабатывания защиты. В зависимости от назначения электроустановки, конструктивных особенностей, а также местных условий работы, проектировщики выбирают необходимую и максимально эффективную систему защиты от КЗ.

Автоматический выключатель считается более надёжным и быстродействующим элементом защиты от короткого замыкания, нежели предохранитель, даже если автомат включить повторно на цепь с коротким замыканием – это не так опасно для человека, нежели установка предохранителя под нагрузкой и напряжением.

Закон Джоуля-Ленца

Согласно закону Джоуля-Ленца, тепловое действие тока прямо пропорционально квадрату силы тока на данном участке электрической цепи

где

Q – это количество теплоты, которое выделяется на сопротивлении нагрузки Rн . Выражается в Джоулях. 1 Джоуль = 1 Ватт х секунда.

I – сила тока в этой цепи, А

Rн – сопротивление нагрузки, Ом

t – период времени, в течение которого происходит выделение теплоты на нагрузке Rн , секунды

Это означает, что на проводе AB будет выделяться бешеное количество теплоты. Провод резко нагреется от температуры, а потом и сгорит. Все зависит от мощности источника питания.

То есть, если ток при коротком замыкании возрастет в 20 раз, то количество выделяющейся при этом теплоты — примерно в 400 раз! Вот почему бывшая еще мгновение назад мирной электроэнергия превращается в настоящее стихийное бедствие: горит проводка, расплавленный металл проводов поджигает находящиеся рядом предметы, возникают пожары.

Существуют еще запланированные и контролируемые КЗ, а также специальное замыкающее оборудование. Например, сварочные аппараты работают как раз на контролируемом КЗ, где требуется большая сила тока для плавки металла.

Проявление КЗ в домашней сети

Главным сигнализатором появления короткого замыкания в электрической проводке является автоматический выключатель, защищающий ее. Именно автомат защищает проводку именно от короткого замыкания. Поэтому если у вас в квартире или частном доме вдруг «выбило» автомат, то 50% — это КЗ. Вторые 50% мы оставляем на перегрузку в сети (нагрев проводов).

Для того чтобы дать КЗ все 100%, ждем некоторое время (чтобы остыли провода) и пытаемся взвести рычаг автомата защиты в рабочее положение. Если произошло повторное отключение, то диагноз установлен – в сети короткое замыкание. Остается обнаружить место замыкания и устранить его.

Если у нас в квартире или доме имеется открытая электропроводка, то и отключения автоматического выключателя бывает не нужно. Просто слышится хлопок, в воздухе появляется запах плавления изоляции, гаснет свет и отключаются электроприборы.

Измерение тока КЗ

Расчёт КЗ необходим для правильного подбора устройств, способных защищать цепи от этого явления, поэтому крайне важно знать, до какой величины может подняться ток при замыкании в определённой точке. Выполнение работ предполагает определение сопротивления линии от места измерений до трансформаторной подстанции

Затем по результатам выполняется расчёт токов трёхфазного КЗ или однофазного, в зависимости от типа используемой электролинии.

При возникновении аварийной ситуации замыкания фазы на фазу или на корпус фактически появляется новая электрическая цепь — «петля» короткого замыкания. Есть несколько способов, с помощью которых можно определить величину сопротивления линии КЗ:

• метод вычисления напряжения в обесточенной цепи;
• способ определения падения разности потенциалов на нагрузочном импедансе;
• измерение полного сопротивления цепи.

Посчитать импеданс петли можно, создав искусственное короткое замыкание. Для этого используют специальные приборы. Они позволяют сначала измерить напряжение без подключённой нагрузки, а затем при включении малоомного резистора (до 10 Ом) в течение короткого времени (порядка 10 миллисекунд).

Полное сопротивление линии состоит из активной и реактивной составляющей. Расчёт выполняют по формуле: Z = √ (R2 + (Xl + Xc)2). Чтобы рассчитать импеданс линии, состоящей из множества элементов, используют эквивалентную схему, состоящую из резисторов. Все данные трансформаторов, линий, различных электрических компонентов, необходимые для расчётов, приведены в справочных таблицах. Выполняя приведение, получают простую схему, состоящую из двух сопротивлений — активного и реактивного.

Выполнять можно расчёт токов КЗ в именованных единицах и относительных. Для нахождения номинальных параметров системы применяют стандартные формулы: Zn = U / P и I = P / √ (3 * U). Связь между единицами можно установить, выразив параметры через базисные значения. Z = Zn * (Un 2/Sn). При упрощённых вычислениях принято делать расчёт токов КЗ в относительных единицах.

Цепи переменного тока

В легковом автомобиле двигатель внутреннего сгорания через передаточный механизм вращает генератор. Второй источник тока – аккумуляторная батарея. В бортовой сети есть цепи с переменным и постоянным током. Для изменения питающего напряжения применяют специальный преобразователь.

Электрическая схема автомобильного преобразователя напряжения (12-220V) для подключения усилителя мощностью 750 Вт

Для оценки постоянных составляющих тока применяют представленные выше формулы. Переменные – анализируют с учетом реактивных составляющих нагрузок. Индуктивные и емкостные характеристики изменяют фазы токов и напряжений, обеспечивают накопление и возврат электроэнергии обратно в источник питания.

Меры, исключающие короткое замыкание

Еще на заре развития электротехники появились плавкие предохранители. Принцип действия подобной защиты очень прост: под влиянием теплового действия тока предохранитель разрушается, тем самым размыкая цепь. Предохранители наиболее часто используются в бытовых электросетях и бытовых электроприборах, электрическом оборудовании транспортных средств и промышленном электрооборудовании до 1000 В. Встречаются они и в цепях с высоковольтным оборудованием.

Вот такие предохранители используются в цепях с малыми токами

вот такие плавкие предохранители вы можете увидеть в автомобилях

А вот эти большие предохранители используются в промышленности, и они уже рассчитаны на очень большие значения токов

Более сложную конструкцию имеют автоматические выключатели, оснащенные электромагнитными и/или тепловыми датчиками. Ниже на фото однофазный автоматический выключатель, а справа – трехфазный

Их принцип действия основан на размыкании цепи при превышении допустимых значений силы тока.

В быту мы чаще всего сталкиваемся со следующими устройствами защиты электросети:

• Плавкие предохранители (применяются в том числе в бытовых электроприборах).
• Автоматические выключатели.
• Стабилизаторы напряжения.
• Устройства дифференциального тока.

Все вышеперечисленное защитное оборудование относится к устройствам вторичной защиты, действующим по инерционному принципу. На вводе бытовых электросетей наиболее часто устанавливаются автоматические защитные устройства, действующие по адаптивному принципу. Такие устройства можно увидеть возле счетчиков электроэнергии квартир, коттеджей, офисов.

В высоковольтных сетях защита чаще обеспечивается:

• Устройствами релейной защиты и другим отключающим оборудованием.
• Понижающими трансформаторами.
• Распараллеливанием цепей.
• Токоограничивающими реакторами.

Большинства коротких замыканий можно избежать, если устранить основные причины их возникновения: своевременно ремонтировать или заменять изношенное оборудование, исключить вредные воздействия человека. Не допускать неправильных действий при монтажных и ремонтных работах, соблюдать СНИПы и правила техники безопасности.