Виды кз. Что такое короткое замыкание в электрической цепи

Ток короткого замыкания

На рисунке 1 показана схема включения электрической лампы накаливания в электрическую сеть. Если сопротивление этой лампы r л = 240 Ом, а напряжение сети U = 120 В, то по закону Ома ток в цепи лампы будет:

Рисунок 1. Схема короткого замыкания на зажимах рубильника

Разберем случай, когда провода, идущие к лампе накаливания, оказались замкнутыми через очень малое сопротивление, например толстый металлический стержень с сопротивлением r = 0,01 Ом, случайно попавший на два провода. В этом случае ток сети, проходя к точке А , будет разветвляться по двум путям: одна большая его часть, пойдет по металлическому стержню – пути с малым сопротивлением, а другая, небольшая часть тока, будет проходить по пути с большим сопротивлением – лампе накаливания.

Аварийный режим работы сети, когда вследствие уменьшения ее сопротивления ток в ней резко увеличивается против нормального, называется коротким замыканием .

Определим какова сила тока короткого замыкания, текущего по металлическому стержню:

На самом деле в случае короткого замыкания напряжение сети будет меньше 120 В, так как большой ток создаст в сети большое падение напряжения и поэтому ток, протекающий по металлическому стержню, будет меньше 12 000 А. Но все же этот ток будет во много раз превышать ток, потреблявшийся ранее лампой накаливания.

Мощность короткого замыкания при токе I кз = 12 000 А составит:

P кз = U × I кз = 120 ×12 000 = 1 440 000 Вт = 1 440 кВт.

Ток, проходя по проводнику, выделяет тепло, и проводник нагревается. В нашем примере сечение проводов электрической цепи было рассчитано на небольшой ток – 0,5 А. При замыкании проводов по цепи будет протекать очень большой ток – 12 000 А. Такой ток вызовет выделение громадного количества тепла, что безусловно приведет к обугливанию и сгоранию изоляции проводов, расплавлению материала проводов, порче электроизмерительных приборов, оплавлению контактов выключателей, ножей рубильников и так далее. Источник электрической энергии, питающий такую цепь, также может быть поврежден. Перегрев проводов может вызвать пожар.

Каждая электрическая сеть рассчитывается на свой, нормальный для нее ток.

Ввиду опасных, разрушительных, а иногда и непоправимых последствий короткого замыкания необходимо соблюдать определенные условия при монтаже и эксплуатации электрических установок, чтобы исключить причины короткого замыкания. Основные из них следующие:
1) изоляция проводов должна соответствовать своему назначению (напряжению сети и условиям ее работы);
2) сечение проводов должно быть таково, чтобы нагревание их при существующих условиях работы не достигало опасной величины;
3) проложенные провода должны быть надежно защищены от механических повреждений;
4) места соединений и ответвлений должны быть так же надежно изолированы, как и сами провода;
5) скрещивание проводов должно быть выполнено так, чтобы провода не касались друг друга;
6) через стены, потолки и полы провода должны быть проложены так, чтобы они были защищены от сырости, механических и химических повреждений и хорошо изолированы.

Защита от токов короткого замыкания

Чтобы избежать внезапного, опасного увеличения тока в электрической цепи при ее коротком замыкании, цепь защищают плавкими предохранителями или автоматическими выключателями.

Плавкие предохранители представляют собой легкоплавкую проволочку, включенную последовательно в сеть. При увеличении тока сверх определенной величины проволочка предохранителя нагревается и плавится, в результате чего электрическая цепь автоматически разрывается и ток в ней прекращается.

Автоматический выключатель более сложный и дорогостоящий аппарат защиты нежели плавкий предохранитель. Однако в отличии от плавкого предохранителя он рассчитан на многократные срабатывания при защите цепей при аварийных режимах работы. Конструктивно автоматический выключатель выполнен в диэлектрическом корпусе со встроенным внутрь механизмом расцепления. Механизм расцепления имеет неподвижный и подвижный контакты. Подвижный контакт подпружинен, пружина обеспечивает усилие для быстрого расцепления контактов. Механизм расцепления приводится в действие одним из двух расцепителей: тепловым или магнитным.

Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину, нагреваемую протекающим током. При протекании тока выше допустимого значения биметаллическая пластина изгибается и приводит в действие механизм расцепления. Время срабатывания зависит от тока (времятоковая характеристика) и может изменяться от секунд до часа. В отличие от плавкого предохранителя, автоматический выключатель готов к следующему использованию после остывания пластины.

Электромагнитный расцепитель – расцепитель мгновенного действия, представляет собой соленоид (катушку выполненную из медного проводника), подвижный сердечник которого также может приводить в действие механизм расцепления. Ток, проходящий через выключатель, течет по обмотке соленоида и вызывает втягивание сердечника при превышении заданного порога тока. Мгновенный расцепитель, в отличие от теплового, срабатывает очень быстро (доли секунды), но при значительно большем превышении тока: в 2 ÷ 14 раз от номинального тока.

Видео 1. Короткое замыкание

Что такое короткое замыкание? Чаще всего эту фразу можно услышать от электриков, а также людей, которые вообще не понимают в электронике и электрике. На любой вопрос, почему пошел дым с какого-либо прибора либо устройства, все как один глаголят:» Произошло короткое замыкание». Очень универсальный отмаз для тех, кто желает показаться умным незнайкой).

Природа короткого замыкания

Давайте рассмотрим простейшую цепь, состоящую из лампочки и автомобильного аккумулятора:

В данном случае, по цепи потечет ток и лампочка будет светиться.

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

Теперь ток течет и по лампочке, и по проводку. Но у нас проводка намного меньше, чем сопротивление лампочки, и почти весь ток потечет туда, где меньшее сопротивление — то есть по проводку. А так как сопротивление у нашего провода очень мало, то и ток, следовательно, потечет очень большой, согласно Закону Ома . А если потечет большой ток, следовательно, и количество теплоты, выделяемое проводком, будет очень большим, согласно Закону Джоуля-Ленца . В конце концов, по цепи, которая выделена красным цветом , будет течь большая и эта цепь будет очень сильно нагреваться. Нагрев проводов может привести к их выгоранию или даже к возгоранию. Этот случай как раз носит название короткого замыкания .

Вы, наверное, не раз слышали в сводке новостей, что пожар произошел из-за короткого замыкания. В этом случае оголенный провод фазы в каком-то месте задевал оголенный провод нуля, либо фаза задевала землю. Возникало короткое замыкание, и провода стали нагреваться до такой степени, что своим нагревом воспламенили близлежащие предметы. Отсюда пожар.

В основном короткое замыкание происходит в старых домах от старого кабеля, который трещит по швам и может замкнуть между собой. Поэтому, первое, что надо сделать, покупая квартиру либо дом на вторичном рынке — это посмотреть состояние проводки.

Типичные признаки короткого замыкания

• сгоревшие предохранители в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА)
• нагрев цепи, в которой течет ток короткого замыкания
• низкое напряжение источника напряжения
• большой ток
• дым
• обугленные провода
• выгоревшие дорожки печатной платы
• черный нагар в месте, где произошло КЗ

Как же бороться с коротким замыканием? Это, конечно же, устанавливать предохранители, автоматические выключатели и стараться делать аккуратный монтаж проводки.

Короткое замыкание - одна из опасностей техносферы

Даже человек, далекий от электричества, хоть раз в жизни, но сталкивался с явлением, которое получило название «короткое замыкание». Для того чтобы обезопасить себя, своих близких, а также свое жилье и электроприборы от этого процесса, следует тщательно разобраться в его природе, причинах возникновения и разновидностях.

Понятие и характеристика короткого замыкания

Короткое замыкание с точки зрения электротехники представляет собой явление, при котором сопротивление электрической цепи, состоящей из нескольких проводов, крайне незначительно, и его вполне можно сопоставить с сопротивлением самих проводов. В этом случае согласно закону Ома сила тока превысит свое номинальное значение сразу в несколько раз, причем произойдет это практически в одно мгновение. Это, в свою очередь, приведет к тому, что электрическая цепь разорвется намного раньше, чем произойдет критическое увеличение температуры проводов.

Основные причины короткого замыкания

Как показывает практика, короткое замыкание возникает чаще всего из-за того, что по каким-либо причинам оказывается нарушенной внешняя изоляция проводов или электрического оборудования. Это, в свою очередь, может быть связано и с постепенным старением основных элементов электрической цепи, и с ее механическими повреждениями, и даже с ударом молнии. Кроме того, в последние годы на предприятиях участились случаи, когда короткое замыкание становилось следствием недобросовестного обслуживания электрооборудования со стороны соответствующих служб.

Искусственное замыкание

Впрочем, в работе фабрик и заводов может наступить такой момент, когда возникнет потребность вызвать это явление искусственным путем. В частности, преднамеренное короткое замыкание достаточно часто используют в цепи трансформаторных подстанций, которые действуют на понижении тока. Для этого используется специальное оборудование - короткозамыкатели, выполняющие роль своеобразных контролеров. В том случае, если на линии или в самом трансформаторе возникнет какое-либо повреждение, то этот прибор искусственно вызовет короткое замыкание, цепь окажется разорванной и никаких тяжелых последствий (например пожара) не будет.

Последствия короткого замыкания

Данное явление приводит к весьма серьезным последствиям. Во-первых, достаточно часто оно сопровождается выходом из строя электроустановок и возникновением в них пожаров. Во-вторых, из-за резкого увеличения силы тока в цепи отдельные части кабеля могут быть подвергнуты механическому воздействию, в результате чего появятся механические и термические повреждения. В-третьих, достаточно часто короткое замыкание сопровождается значительным падением напряжения в цепи или на отдельных ее участках. Это, в свою очередь, ведет к ухудшению работы электрооборудования. Наконец, в-четвертых, это явление оказывает крайне негативное влияние на находящиеся поблизости приборы, провода и другое электрическое оборудование.

Способы защиты от короткого замыкания

Защита от короткого замыкания включает в себя целый комплекс мер, исходным пунктом в которых является профилактика повреждений линий электропередач и оборудования. Кроме того, чтобы предотвратить возникновение пожара, используют специальные приборы - плавкие ставки, которые при замыкании сгорают и размыкают электрическую цепь.

Выполнение правил техники безопасности как основной способ профилактики короткого замыкания

Мощность короткого замыкания зависит от множества факторов, главным из которых является сила тока в цепи. В то же время следует помнить, что любое подобное явление представляет собой потенциальную опасность для человека, поэтому при работе с электричеством следует четко придерживаться правил техники безопасности.

Нормальным установившимся режимом работы электроустановки считается такой режим, параметры которого находятся в пределах нормы. Ток короткого замыкания (ток КЗ) возникает при аварии в работе электроустановки. Он чаще всего появляется из-за повреждения изоляции токоведущих частей.

В результате короткого замыкания нарушается бесперебойное питание потребителей, и влечет за собой неисправности и выход из строя оборудования. Вследствие этого при подборе токоведущих элементов и аппаратов необходимо производить их расчет не только для нормальной работы, но и производить проверку по условиям предполагаемого аварийного режима, который может быть вызван коротким замыканием.

Причины повреждения изоляции

• Воздействие на изоляцию механическим путем.
• Электрический пробой токоведущих частей вследствие чрезмерных нагрузок или перенапряжения.
• Подобно нарушению изоляции можно считать причиной повреждения схлестывание неизолированных проводов воздушных линий от сильного ветра.
• Наброс металлических предметов на линию.
• Воздействие животных на проводники, находящиеся под напряжением.
• Ошибки в работе обслуживающего персонала в электроустановках.
• Сбой в функционировании защит и автоматики.
• Техническое старение оборудования.
• Умышленное действие, направленное на повреждение изоляции.

Последствия короткого замыкания

Ток короткого замыкания во много раз превышает ток при нормальной работе оборудования. Возможными последствиями такого замыкания могут быть:

• Перегрев токоведущих частей.
• Чрезмерные динамические нагрузки.
• Прекращение подачи электрической энергии потребителям.
• Нарушение нормального функционирования других взаимосвязанных приемников, которые подключены к исправным участкам цепи, из-за резкого снижения напряжения.
• Расстройство системы электроснабжения.

Виды коротких замыканий

Понятие короткого замыкания подразумевает электрическое соединение, которое не предусмотрено условиями эксплуатации оборудования между точками различных фаз, либо нейтрального проводника с фазой или земли с фазой (при наличии контура заземления нейтрали источника питания).

При эксплуатации потребителей напряжение питания может подключаться различными способами:

• По схеме трехфазной сети 0,4 киловольта.
• Однофазной сетью (фазой и нолем) 220 В.
• Источником постоянного напряжения выводами положительного и отрицательного потенциала.

В каждом отдельном случае может возникнуть нарушение изоляции в некоторых точках, вследствие чего возникает ток короткого замыкания.

Для 3-фазной сети переменного тока существуют разновидности короткого замыкания:

1. Трехфазное замыкание.
2. Двухфазное замыкание.
3. Однофазное замыкание на землю.
4. Однофазное замыкание на землю (Изолированная нейтраль).
5. Двухфазное замыкание на землю.
6. Трехфазное замыкание на землю.

При выполнении проекта снабжения электрической энергией предприятия или оборудования подобные режимы требуют определенных расчетов.

Принцип действия короткого замыкания

До начала возникновения короткого замыкания величина тока в электрической цепи имела установившееся значение i п. При резком коротком замыкании в этой цепи из-за сильного уменьшения общего сопротивления цепи электрический ток значительно повышается до значения i к. Вначале, когда время t равно нулю, электрический ток не может резко измениться до другого установившегося значения, так как в замкнутой цепи кроме активного сопротивления R, есть еще и индуктивное сопротивление L. Это увеличивает во времени процесс возрастания тока при переходе на новый режим.

В результате в начальный период короткого замыкания электрический ток сохраняет первоначальное значение iK = i но. Чтобы ток изменился, необходимо некоторое время. В первые мгновения этого времени ток повышается до максимального значения, далее немного снижается, а затем через определенный период времени принимает установившийся режим.

Период времени от начала замыкания до установившегося режима считается переходным процессом. Ток короткого замыкания можно рассчитать для любого момента в течение переходного процесса.

Ток КЗ при режиме перехода лучше рассматривать в виде суммы составляющих: периодического тока i пt с наибольшей периодической составляющей I пт и апериодического тока i аt (его наибольшее значение – I am).

Апериодическая составляющая тока КЗ во время замыкания постепенно затухает до нулевого значения. При этом ее изменение происходит по экспоненциальной зависимости.

Возможный максимальный ток КЗ считают ударным током i у. Когда нет затухания в начальный момент замыкания, ударный ток определяется:

I у – i п m + i а t=0 ’, где i п m является амплитудой периодической токовой составляющей.

Полезное короткое замыкание

Считается, что короткое замыкание является отрицательным и нежелательным явлением, от которого происходят разрушительные последствия в электроустановках. Оно может создать условия для пожара, отключения защитной аппаратуры, обесточиванию объектов и другим последствиям.

Однако ток короткого замыкания может принести реальную пользу на практике. Есть немало устройств, функционирующих в режиме повышенных значений тока. Для примера можно рассмотреть . Наиболее ярким примером для этого послужит электродуговая сварка, при работе которой накоротко замыкается сварочный электрод с заземляющим контуром.

Такие режимы короткого замыкания действуют кратковременно. Мощность сварочного трансформатора обеспечивает работу при таких значительных перегрузках. Во время сварки в точке соприкосновения электрода возникает очень большой ток. В итоге выделяется значительное количество теплоты, достаточное для расплавления металла в месте касания, и образования сварочного шва достаточной прочности.

Способы защиты

Еще в начале развития электротехники появилась проблема защиты электрических устройств от чрезмерных токовых нагрузок, в том числе и короткого замыкания. Наиболее простым решением стала установка , которые перегорали от их нагревания вследствие превышения тока определенной величины.

Такие плавкие вставки функционируют и в настоящее время. Их основным достоинством является надежность, простота и невысокая стоимость. Однако имеются и недостатки. Простая конструкция предохранителя побуждает человека после сгорания плавкого элемента заменить его самостоятельно подручными материалами в виде скрепок, проволочек и даже гвоздей.

Такая защита не способна обеспечить необходимой защиты от короткого замыкания, так как она не рассчитана на определенную нагрузку. На производстве для отключения цепей, в которых возникло замыкание, используют . Они намного удобнее обычных плавких предохранителей, не требуют замены сгоревшего элемента. После устранения причины замыкания и остывания тепловых элементов, автомат можно просто включить, тем самым подав напряжение в цепь.

Существуют также более сложные системы защиты в виде . Они имеют высокую стоимость. Такие устройства отключают напряжение цепи в случае наименьшей утечки тока. Такая утечка может возникнуть при поражении работника током.

Другим способом защиты от короткого замыкания является токоограничивающий реактор. Он служит для защиты цепей в сетях высокого напряжения, где величина тока КЗ способна достичь такого размера, при котором невозможно подобрать защитные устройства, выдерживающие большие электродинамические силы.

Реактор представляет собой катушку с индуктивным сопротивлением. Он подключен в цепь по последовательной схеме. При нормальной работе на реакторе имеется падение напряжения около 4%. В случае возникновения КЗ основная часть напряжения приходится на реактор. Существует несколько видов реакторов: бетонные, масляные. Каждый из них имеет свои особенности.

Закон Ома при КЗ

В основе расчета замыканий цепи лежит принцип, который определяет вычисление силы тока по напряжению, путем его деления на подключенное сопротивление. Такой же принцип работает и при определении номинальных нагрузок. Отличие в следующем:

• При возникновении аварийного режима процесс протекает случайным образом, стихийно. Однако он поддается некоторым расчетам по разработанным специалистами методикам.
• В процессе нормальной работы электрической цепи сопротивление и напряжение находятся в уравновешенном режиме и могут незначительно изменяться в рабочих диапазонах в пределах нормы.

Мощность источника питания

По этой мощности выполняют оценку энергетической силовой возможности разрушительного действия, которое может осуществить ток короткого замыкания, проводят анализ времени протекания, размер.

Для примера рассмотрим, что отрезок медного проводника с площадью сечения 1,5 мм 2 длиной 50 см сначала подсоединили непосредственно к батарее «Крона». А в другом случае этот же кусок провода вставили в бытовую розетку.

В случае с «Кроной» по проводнику будет протекать ток КЗ, который нагреет эту батарею до выхода ее из строя, так как мощности батареи не достаточно для того, чтобы нагреть и расплавить подключенный проводник для разрыва цепи.

В случае с бытовой розеткой сработают защитные устройства. Представим, что эти защиты вышли из строя, и не сработали. В этом случае ток короткого замыкания будет протекать по бытовой проводке, затем по проводке всего подъезда, дома, и далее по воздушной линии или кабеля. Так он дойдет до на подстанции.

В результате к трансформатору подсоединяется длинная цепь с множеством кабелей, проводов, различных соединений. Они намного повысят электрическое сопротивление нашего опытного отрезка провода. Однако даже в таком случае остается большая вероятность того, что этот кусок провода расплавится и сгорит.

Сопротивление цепи

Участок линии электропередач от источника питания до места короткого замыкания обладает некоторым электрическим сопротивлением. Его значение влияет на величину тока короткого замыкания. Обмотки трансформаторов, катушек, дросселей, пластин конденсаторов вносят свой вклад в суммарное сопротивление цепи в виде емкостных и индуктивных сопротивлений. При этом создаются апериодические составляющие, которые искажают симметричность основных форм гармонических колебаний.

Существует множество различных методик, с помощью которых производится расчет ток короткого замыкания. Они позволяют рассчитать с необходимой точностью ток короткого замыкания по имеющейся информации. Практически можно измерить сопротивление имеющейся схемы по методике «фаза-ноль». Это сопротивление делает расчет более точным, вносит соответствующие коррективы при подборе защиты от короткого замыкания.

Мы часто слышим «Произошло короткое замыкание», «В цепи коротнуло». Сразу понятно, что случилось что-то незапланированное и нехорошее. Но почему замыкание именно короткое, а не длинное? Покончим с неопределенностью и разберемся, что именно происходит при коротком замыкании в электрической цепи.

Что такое короткое замыкание (КЗ)

Электрический скат плавает в океане и не устраивает КЗ , вполне обходясь без знания закона Ома. Нам же для понимания природы и причин короткого замыкания этот закон просто необходим. Так что, если вы еще не успели, читаем про закон Ома, силу тока, напряжение, сопротивление и прочие прекрасные физические понятия.

Теперь, когда вы все это знаете, можно привести определение короткого замыкания из физики и электротехники:

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

КЗ приводит к образованию разрушительных токов, превышающих допустимые величины, выходу приборов из строя и повреждениям проводки. Почему это происходит? Детально разберем, что творится в цепи при коротком замыкании.

Возьмем самую простую цепь. В ней есть источник тока, сопротивление и провода. Причем, сопротивлением проводов можно пренебречь. Такой схемы вполне достаточно для понимания сути КЗ.

В замкнутой цепи действует закон Ома: сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению. Иначе говоря, чем меньше сопротивление, тем больше сила тока .

Точнее, для нашей цепи закон Ома запишется в следующем виде:

Здесь r – внутреннее сопротивление источника тока, а греческая буква эпсилон обозначает ЭДС источника.

Что понимают под силой тока короткого замыкания? Если сопротивления R в нашей цепи не будет, или оно будет очень маленьким, то сила тока увеличится, и в цепи потечет ток короткого замыкания:

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на

Виды коротких замыканий и их причины

В быту короткие замыкания бывают:

• однофазные – когда фазный провод замыкается на ноль. Такие КЗ случаются чаще всего;
• двухфазные – когда одна фаза замыкается на другую;
• трехфазные – когда замыкаются сразу три фазы. Это самый проблемный вид КЗ.

Например, утром в воскресенье ваш сосед за стенкой соединяет фазу и ноль в розетке, включив в нее перфоратор. Это значит, что цепь замыкается, и ток идет через нагрузку, то есть через включенный в розетку прибор.

Если же сосед соединит провода фазы и нуля в розетке без подключения нагрузки, то в цепи возникнет КЗ, но вы сможете поспать подольше.

Тем, кто не знает, для лучшего понимания полезно будет почитать, что такое фаза и ноль в электричестве .

Короткое замыкание называют коротким, так как ток при таком замыкании цепи как бы идет по короткому пути, минуя нагрузку. Контролируемое или длинное замыкание – это обычное, привычное всем включение приборов в розетку.

Защита от короткого замыкания

Сначала о том, какие последствия может вызвать КЗ:

1. Поражение человека электрическим током и выделяющимся теплом.
2. Пожар.
3. Выход из строя приборов.
4. Отключение электричества и отсутствие интернета дома. Как следствие - вынужденная необходимость читать книги и ужинать при свечах.

Как видите, короткое замыкание – враг и вредитель, с которым нужно бороться. Какие есть способы защиты от короткого замыкания?

Почти все они основаны на том, чтобы быстро разомкнуть цепь при обнаружении КЗ. Это можно сделать с помощью разных аппаратов защиты от короткого замыкания.

Почти во всех современных электроприборах есть плавкие предохранители. Большой ток просто расплавляет предохранитель, и цепь разрывается.

В квартирах используются автоматы защиты от короткого замыкания. Это автоматические выключатели, рассчитанные на определенный рабочий ток. При повышении силы тока автомат срабатывает, разрывая цепь.

Для защиты промышленных электродвигателей от коротких замыканий используются специальные реле.

Теперь вы можете легко дать определение короткому замыканию, заодно знаете про закон Ома, а также фазу и ноль в электричестве. Желаем всем не устраивать коротких замыканий! А если у вас в голове «замкнуло» и совершенно нет сил на какую-то работу, наш студенческий сервис всегда поможет с ней справиться.

А напоследок видео о том, как НЕ НУЖНО обращаться с электрическим током.