Условный ток короткого замыкания что это такое

Короткое замыкание

Что такое короткое замыкание

Короткое замыкание (КЗ, англ. short curcuit) — незапланированное соединение точек цепи с различными потенциалами друг с другом или с другими электрическими цепями через пренебрежимо малое сопротивление. При этом образуется сверхток, значения которого на порядки превышают предусмотренные нормальными условиями работы.

Определение КЗ из «Элементарного учебника физики» Ландсберга

В результате короткого замыкания выходит из строя электрооборудование, происходят возгорания. О самых разрушительных последствиях коротких замыканий мы регулярно узнаем из новостных рубрик «Чрезвычайные происшествия». Что же именно происходит при КЗ? В результате чего они появляются? Какими могут быть последствия? Давайте рассмотрим подробнее эти и другие вопросы в приведенной ниже статье.

Как образуется короткое замыкание

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

I — сила тока в цепи, А

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.

Закон Джоуля-Ленца

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

I — сила тока в этой цепи, А

R_н — сопротивление нагрузки, Ом

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.

Основные причины короткого замыкания

Все многообразие причин возникновения коротких замыканий можно свести к следующим:

Нарушение изоляции вызывается как естественным износом, так и внешним вмешательством. Естественное старение элементов электросети ускоряется за счет длительного теплового воздействия тока (тепловое старение изоляции), агрессивных химических сред.

Внешние воздействия могут быть вызваны грызунами, насекомыми и другими животными. Сюда же относится и человеческий фактор. Это может быть «кривой» электромонтаж, либо несоблюдение техники электробезопасности.

Намного чаще короткое замыкание вызывается перегрузкой сети из-за подключения большого количества потребителей тока. Так, если совокупная мощность одновременно включенных в бытовую сеть электроприборов превышает допустимую нагрузку на проводку, с большой вероятностью произойдет короткое замыкание, так как сила тока в такой цепи начинает превышать допустимое значение. Такое явление можно часто наблюдать в домах со старой проводкой, где провода чаще всего алюминиевые и не рассчитаны на современные мощные электроприборы.

Ток короткого замыкания

Сверхток, образующийся в результате КЗ, называется током короткого замыкания. Как только произошло короткое замыкание в цепи, ток короткого замыкания достигает максимальных значений. После того, как провода начнут греться и плавиться, ток короткого замыкания идет на спад, так как сопротивление проводов в при нагреве возрастает.

Для источников ЭДС ток короткого замыкания может быть вычислен по формуле

I_кз — это ток короткого замыкания, А

E — ЭДС источника питания, В

R_внутр. — внутреннее сопротивление источника ЭДС, Ом

Более подробно про ЭДС и внутреннее сопротивление читайте здесь.

Ниже на рисунке как раз изображен такой источник ЭДС в виде автомобильного аккумулятора с замкнутыми клеммами

Внутреннее сопротивление автомобильного аккумулятора может достигать значений в доли Ома. Теперь представьте, какой ток короткого замыкания будет течь через проводник, если закоротить им клеммы аккумулятора. Внутреннее сопротивление аккумулятора зависит от многих факторов. Возьмем среднее значение R_внутр = 0,1 Ом. Тогда ток короткого замыкания будет равен I_кз =E/R_внутр. = 12/0,1=120 Ампер. Это очень большое значение.

Виды коротких замыканий

В цепи постоянного тока

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.

Последствия короткого замыкания

Во время КЗ температура в зоне контакта возрастает до нескольких тысяч градусов. Помимо воспламенения изоляции, расплавления и механических повреждений выключателей и розеток и возгорания проводки, следствием замыкания может стать выход из строя компьютерного и телекоммуникационного оборудования и линий связи, которые находятся рядом, вследствие сильного электромагнитного воздействия.

Но падение напряжения и выход из строя оборудования — не самое опасное последствие. Нередко короткие замыкания становятся причиной разрушительных пожаров, зачастую с человеческими жертвами и огромными экономическими потерями.

Из-за удаленности и большого сопротивления до места замыкания защитное оборудование может не сработать. Бывают ситуации, когда ток недостаточен для срабатывания защиты и отключения напряжения, но в месте КЗ его вполне хватает для расплавления проводов и возникновения источников возгорания. Поэтому, токи коротких замыканий очень важны для расчетов аварийных режимов работы.

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:

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:

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.

Источник

Селективность в домашнем щите: как достичь невозможного?

В предыдущей статье журнала (№ 6 за 2020 год) я подробно рассказал, что такое ток короткого замыкания и какое значение он имеет для всех, кто причастен к электротехнической науке. Что касается практической электротехники, в журнале № 2 за этот год я на примере своей квартиры и дачи измерил реальный ток короткого замыкания тремя способами. Сегодня — завершающая статья из этого цикла статей. Я расскажу, что такое селективность и как на нее влияет значение тока короткого замыкания. Рассмотрим, когда можно, а когда невозможно обеспечить селективность и чем это может грозить. Приготовьтесь — для полноты изложения пришлось детально разобрать некоторые теоретические вопросы.

В реальной жизни отсутствие селективности может привести к очень неприятным последствиям. Например, из-за замыкания в удлинителе, передавленном шкафом, может произойти отключение всей квартиры. Далее зависит от ситуации. Если никого дома нет, возможно размораживание холодильника с порчей продуктов. Могут быть последствия еще хуже — если дело происходит зимой в частном доме, из-за остановки насоса вполне вероятна заморозка воды в отопительной системе со всеми вытекающими последствиями.

Что такое селективность?

Применительно к автоматическим выключателям (АВ), включенным в последовательную цепь, селективностью называется способность отключения только аварийной линии, без отключения вышестоящего (вводного) выключателя.

Вместо термина «селективность» иногда используют понятие «избирательность».

Иными словами, в двухступенчатой схеме защиты, которая используется в подавляющем большинстве случаев, при возникновении сверхтока должен отключиться только нижестоящий выключатель, питающий проблемную линию, а вводной выключатель, через который питаются другие линии, которые «ни в чем не виноваты», должен продолжить исправно работать и пропускать через себя ток.

Привожу схему, поясняющую селективную работу последовательно включенных автоматических выключателей.

Схема для иллюстрации селективной работы автоматических выключателей

При возникновении сверхтока в линии, которая питается через автоматический выключатель АВ2, вводной АВ1 должен продолжать работать во включенном состоянии, питая остальные линии (АВ3).

Как обычно, гладко бывает только на бумаге, поскольку на практике такая селективность зависит от нескольких факторов:

Кроме того, следует учитывать, что на практике мы имеем дело не с графиками и нормами ГОСТ, а с реальными устройствами, которые могут иметь разброс параметров в определенном диапазоне.

Что такое сверхток?

Сверхток, как известно, — это любой ток, который превышает номинальный. Максимальное его значение на практике можно считать равным току КЗ.

Обычно номинальным током цепи считают номинальный ток «нижнего» по схеме автоматического выключателя, который ограничивает ток в этой цепи. Разумеется, если расчет схемы проведен верно и автоматический выключатель является тем самым слабым звеном, которое разорвет цепь при сверхтоке.

Все значения сверхтока условно делят на две части — ток перегрузки и ток короткого замыкания. Это деление пошло из-за того, что за каждый из этих токов «отвечает» свой расцепитель внутри автоматического выключателя. Током перегрузки принято называть ток, от которого срабатывает тепловой расцепитель (биметаллическая пластина), который работает сравнительно инерционно. Током короткого замыкания называют такие величины сверхтока, при которых защиту цепи обеспечивает электромагнитный (ЭМ) расцепитель, работающий гораздо быстрее теплового.

Следует отличать три понятия — явление короткого замыкания, ток КЗ как измеренный параметр электросети в данной точке и ток КЗ как область работы автоматического выключателя, при котором срабатывает электромагнитный расцепитель. Ох уж эти вольности в терминологии!

Что такое время-токовые характеристики?

Надеясь на подготовленность читателя, буду краток и расскажу только о том, что касается темы статьи. Буквы В, С и D — это главная характеристика электромагнитного расцепителя. Буквой обозначается диапазон токов мгновенного расцепления. В начале этого диапазона ЭМ расцепитель не должен сработать, в пределах диапазона — может сработать, а при сверхтоке, равном верхнему краю диапазона (и больше), — должен сработать. Границы диапазонов можно проиллюстрировать на упрощенных графиках для трех АВ с одинаковым номинальным током 10 А, но с разными характеристиками отключения:

Графики для одного номинального тока и разных характеристик расцепления

График работы теплового расцепителя, показанный плавной жирной линией, одинаков для всех трех автоматических выключателей. А вот диапазоны токов мгновенного расцепления (закрашены синим) — разные.

При сверхтоке до 11,3 А три наших выключателя выключаться не должны никогда. При увеличении тока время выключения уменьшается вплоть до секунд, а при работе в так называемой зоне токов КЗ время выключения может составлять десятки и даже единицы миллисекунд. Все токи, которые превышают отмеченные диапазоны, должны приводить к мгновенному расцеплению.

Подробно о время-токовых характеристиках автоматических выключателей можно узнать в ГОСТ IEC 60898-1-2020.

Селективность и сверхток — какая связь?

Селективность может быть полной, когда вышестоящий АВ не отключится при любом токе КЗ, который ограничен отключающей способностью нижестоящего АВ.

На практике при использовании модульных автоматических выключателей удается достичь только частичной селективности, которая обеспечивается лишь в некотором диапазоне значений сверхтока. Верхняя граница зоны частичной селективности называется предельным током селективности Is. Частичная селективность по току будет обеспечена, если сверхток не будет больше тока селективности Is.

Максимальный сверхток в конкретной точке схемы равен току КЗ Iкз. Поэтому на практике можно считать, что полная селективность работы последовательно включенных АВ обеспечивается при Iкз ≤Is, а частичная — при Iкз>Is.

Когда селективность обеспечена, то в случае возникновения сверхтока ничего страшного не произойдет — просто сработает автомат проблемной линии, а остальные линии продолжат работать, как ни в чем не бывало.

В зоне токов перегрузки можно говорить о время-токовой селективности, поскольку на селективность влияет и уровень сверхтока, и время его действия. Но в зоне токов КЗ имеется только токовая селективность, поскольку время срабатывания электромагнитных расцепителей всех характеристик одинаково.

Официальные определения по теме селективности можно прочитать в ГОСТ Р 50030.2-2010 (в частности, п. 2.17).

Пример обеспечения селективности

Для примера посмотрим, как будут выглядеть на одном графике время-токовые характеристики двух АВ — с номинальным током 10 А и характеристикой «В» (В10, мы про него говорили выше) и с номинальном током 25 А и характеристикой «С» (С25). Если эти автоматические выключатели включить последовательно, зона селективности будет располагаться между их диапазонами токов мгновенного расцепления. То есть селективность и нормальная работа схемы будет обеспечиваться при сверхтоках от 50 до 125 А:

Формирование зоны селективности между время-токовыми характеристиками В10 и С25

Благодаря графическому представлению ВТХ мы видим, что предельный ток селективности равен минимальному току мгновенного расцепления — 125 А. В случае, если ожидаемый ток КЗ (максимально возможный сверхток) в точке замыкания меньше 125 А, можно говорить о полной селективности — при любом сверхтоке от 50 до 125 А нижестоящий автомат (В10) отключится мгновенно, а вышестоящий (С25) останется включенным. Тут все ясно.

Но что же будет при сверхтоках менее 50 А? Тут изменится лишь то, что время отключения может быть больше — это ясно из графика. Однако такие сверхтоки на практике встречаются редко, а ток КЗ 50 А говорит о том, что проводку надо менять — она не может обеспечить нормальное электропитание и пожаробезопасность.

Тут может возникнуть закономерный вопрос — а для чего же выключателю С25 электромагнитный расцепитель, если он при токах менее 125 А не функционирует?

Ответ можно дать, посмотрев на такую схему:

До сих пор мы говорили о токе КЗ в конце кабельной линии, в районе нагрузки. Этот ток обозначен как Iкз2. Но в электрощите, где установлены оба автоматических выключателя, ток КЗ, обозначенный как Iкз1, может быть ощутимо выше. В нашем случае в щитке он может быть более 200 А. И если замыкание происходит в щитке после вводного АВ (а это бывает в основном из-за человеческого фактора), он мгновенно выключится.

Поэтому, если устроите КЗ в щитке сразу после группового автомата АВ2, не удивляйтесь, что выбило оба автомата — ведь условие селективности не выполняется.

Кстати, во многие светлые головы, изучающие тему селективности, приходит гениальная идея — установить на вводе автомат с характеристикой «D». Да, селективность будет прекрасной — примерно такой же, как если установить на вводе рубильник. Ведь в случае низкого тока КЗ такой автомат будет бесполезен.

Графики селективности

Графики ВТХ, которые я привел для наглядной демонстрации зоны селективности, относятся только к двум определенным автоматическим выключателям — С25 и В10. Предлагаю пойти дальше и построить универсальные графики, по которым можно определить зоны селективности для любых пар автоматов.

Графики, позволяющие определить зону селективности

Оранжевая зона на графиках — диапазон токов мгновенного расцепления для характеристики «С», синяя — для характеристики «В». Графиком пользоваться просто. Например, выбираем уже известную нам пару С25-В10. На графиках красными отрезками обозначены их «зыбкие зоны», до которых они не должны сработать при КЗ, а после которых — должны. Между этими зонами проводим пунктиры, которые и будут обозначать границу зоны селективности.

График универсален — по нему можно графически определить зону селективности пары автоматов любых номиналов.

Таблицы селективности

Я бы мог построить более подробный график селективности с учетом ряда номиналов, выпускаемых АВ. Но большинство производителей уже позаботились об этом вопросе и привели на своих сайтах таблицы селективности. Эти таблицы удобнее графиков из-за обилия информации.

В таблицах селективности приводятся все модели и номиналы выпускаемых автоматических выключателей. Зная номинальные токи и характеристики отключения, можно определить предельный ток селективности. Можно решить и обратную задачу — зная ток КЗ в электрощите и ток КЗ в конце защищаемой линии, выбрать по таблицам модели вводного и группового АВ, которые смогут обеспечить селективность в данном случае.

Выводы

Стоит помнить о том, что если вопрос селективности между модульными АВ стоит остро, нужно выполнение условий:

На практике селективность при коротких замыканиях при помощи модульных АВ обеспечить удается далеко не всегда. Этот пессимизм оправдан несколькими уважительными причинами:

На промышленных предприятиях, где отсутствие селективности может привести к остановке технологического процесса и большим материальным потерям, используют автоматические выключатели категории «В» (не путайте с характеристикой отключения «В»!) либо с электронными расцепителями. В результате в зоне токов короткого замыкания появляется возможность обеспечения полной селективности.

Источник