Ток короткого замыкания — формула и методы расчета

Как избежать КЗ?

Понятно, что полностью избежать этого неприятного явления невозможно – тут велик элемент случайности. Однако, в наших силах существенно снизить риск возникновения КЗ. И тут колоссальное значение приобретает регулярный осмотр и техническое обслуживание электросетей.

Примеры превентивных мер:

  • чистка токоведущих частей, контактов и изоляторов от пыли и грязи,
  • проверка защиты от влажности,
  • проверка целостности укладки и монтажа,
  • ограждение и дополнительная защита опасных участков,
  • вывешивание и наклеивание предупреждающих табличек и надписей,
  • проверка и протяжка контактов,
  • обрезка деревьев и устранение других опасных факторов.

Как думаете, какие нужны превентивные меры защиты от КЗ на фото ниже?

Водосточная труба, электрощиты и гофра, уходящая под плитку. Инсталляция в старой части Батуми

В серьезных организациях регулярно проводят проверку кабелей и контактов тепловизором, а также измерение сопротивления изоляции и испытания изоляции высоковольтным напряжением.

Что такое короткое замыкание?

Если говорить нормальным человеческим языком, короткое замыкание — это соединение двух противоположных проводов между собою, то есть соприкосновение фазного и нулевого провода без нагрузки между ними.

Почему же так происходит? Почему же происходит именно короткое замыкание, а не появляется джин или не рождается очередной электрик? Из курса  школьной физики вам должно быть известно  то, что любая электрическая цепь -это контур. С одной стороны которого находится источник питания, а с другой нагрузка (потребитель). Источником питания, в обычных электрических сетях, является трансформаторная подстанция, куда в свою очередь энергия поступает от электростанций (ТЭЦ, ГЭС, АЭС). Также источником питания в цепи может быть простая батарейка, аккумулятор или генератор. А нагрузкой или потребителем — может быть любой электроприбор (лампочка, двигатель, обогреватель и .т.п).

Электрическая цепь

Так вот, когда в электрической цепи источник питания есть, а нагрузка (потребитель) отсутствует. При замыкании цепи (закорачивании двух проводов) сила тока (Амперы) мгновенно увеличивается до своих предельных значений. За короткий промежуток времени, выделяется больше количество тепловой энергии. Этот процесс и называется коротким замыканием.

Короткое замыкание в электрической цепи

Почему ток короткого замыкания, практически всегда вызывает значительное повышение температуры и может привести к возгоранию? Потому что, в момент КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ, происходит мгновенный выплеск всей энергии источника. Если сравнивать ток с водой, то просто представьте что у ведра оторвалось дно.

Можно взять обычную пальчиковую батарейку и закоротить её фольгой или тонкой проволокой. При это вы увидите что, вся энергия батарейки выплескивается за короткий промежуток времени. Этого будет вполне достаточно, чтобы что-нибудь поджечь.

Меры по предотвращению КЗ в домашней электросети

Чтобы уменьшить вероятность возникновения короткого замыкания владелец жилья должен периодически производить осмотр своей сети освещения. Конечно, осмотр не даст 100% гарантии, но поможет устранить неисправности, приводящие к появлению КЗ в сети.

В процессе осмотра нужно производить следующие действия:

если розетка начала греться, искрить, появился запах пластика, то ее следует заменить новой, или отремонтировать;
ревизия всей сети освещения и силовой группы проводов проводится раз в полгода

Нужно обращать внимание на цвет изоляции. Возможные места опасного нагрева определяются по цвету изоляции проводов;
установка автоматического выключателя с УЗО

Автоматический выключатель отключит сеть в случае КЗ, а УЗО (устройство защитного отключения) реагирует на прикосновение человека к оголенным проводам. Применение этого устройства может спасти жизнь;
сечение проводов электропроводки рассчитывается исходя из суммарной мощности всех электрических приборов;
при монтаже не следует слишком плотно укладывать кабели проводки;
если нужно произвести какие-либо работы, например, просверлить стену, то следует убедиться в отсутствии электропроводки под штукатуркой в этом месте.

Не включайте частично поврежденные приборы

Если в утюге или холодильнике перетерся кабель и видна внутренняя оболочка, не включайте его, до того, как отремонтируете. Сначала аккуратно снимите верхний слой изоляции в поврежденном участке и осмотрите внешнее состояние изоляции. Все повреждения и трещины плотно замотайте изолентой. Затем верните назад верхнюю оболочку и тоже перемотайте.

Часто требуется замена штепсельной вилки, например, если она сильно расшатана или поврежден корпус. Она продается в любом переходе или магазине, потому не откладывайте с покупкой.

Повреждения могут быть не только на шнуре питания, но и внутри. Например, если Вы включаете что-либо и слышите внутри искрение. Это уже говорит о серьезной неисправности, даже если электрооборудование работает, на первый взгляд, нормально. В таком случае, выключите его из розетки и отнесите в сервисный центр (или отремонтируйте самостоятельно).

Даже если Вы проверили всю проводку и включаете только новую исправную технику, это не дает 100%-ой гарантии, что в вашей сети не случится аварии. Потому, всегда устанавливайте в щиток качественные автоматические выключатели и УЗО.

При параллельной прокладке разделяйте линии

Если у Вас проложено несколько силовых линий параллельно, старайтесь соблюдать между ними расстояние не менее 10см. Дело в том, что при плотной прокладке кабель хуже охлаждается, из-за этого сильнее нагревается оболочка, и теряются ее изоляционные свойства. В результате она может оплавиться или случится пробой, и контакты замкнутся.

Для параллельной прокладки применяются также специальные кабель-каналы с перегородкой посередине. Она изолирует силовые линии между собой.

Защищайте кабель при прокладке

Старайтесь делать скрытую проводку в стенах, штукатурке, там изоляция сохранится намного дольше и меньше риск ее повреждения. При открытой проводке старайтесь применять защитные средства: кабель-каналы, пластиковые трубы, гофру. Защищая от внешних факторов, они увеличивают срок службы проводки в несколько раз.

Замените алюминиевую проводку на медную

При меньшем сечении провода медь лучше проводит электричество и выдерживает большую нагрузку. Кроме того, она выдерживает больше механических изгибов и не так быстро окисляется, как алюминий.

В советские времена в жилых домах часто делали алюминиевую проводку. Если Ваша квартира до сих пор пользуется таким «советским наследством», задумайтесь, срок эксплуатации ее, наверняка, уже давно вышел.

Не игнорируйте пылевлагозащиту

Размещая розетки, выключатели или электроприборы в местах повышенной влажности позаботьтесь о высоком уровне пылевлагозащиты. Например, на улице, где возможны осадки, роса и туман, он должен быть не ниже IP67. Минимальный уровень для ванной IP44, если существует вероятность прямого попадания водяных брызгов, тогда лучше IP56.

Если внутрь проникнет вода, розетка начнет искриться, оплавится пластиковый корпус и в конце концов случится короткое замыкание. Потому всегда выбирайте оптимальный уровень пылевлагозащиты.

Защита и указания по выбору оборудования

Несмотря на всю опасность этого явления, все же есть способ, как ограничить или свести к минимуму вероятность возникновения авариных ситуаций. Очень удобно использовать электрический аппарат для ограничения короткого замыкания, это может быть токоограничивающий реактор, который значительно снижает термическое действие высоких электрических импульсов. Но для бытового использования этот вариант не подойдет.


Фото — схема блока защиты от кз

В домашних условиях часто можно встретить использование автомата и релейной защиты. Эти расцепители имеют определенные ограничения (максимальный и минимальный ток сети), при превышении которых отключают питание. Автомат позволяет определять допустимый уровень ампер, что помогает повысить безопасность. Выбор производится среди оборудования с высшим классом защиты, нежели нужно. Например, в сети 21 ампер рекомендуется использовать автомат для отключения 25 А.

Ток короткого замыкания — разрушительная энергия, создаваемая между двумя точками электроцепи. Полное определение, график тока кз, зависимость, равенство, токовые источники, измерение токовой мощности и другое далее.

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.

Защита от КЗ

Для защиты от КЗ существуют различные устройства:

  • автоматические выключатели;
  • автоматические выключатели с автоматическим возвратом во включенное состояние;
  • УЗО;
  • плавкие предохранители;
  • «пробки»;
  • самовосстанавливающиеся предохранители.

В представленной схеме участвуют стабилитрон и диоды, защищающие светодиоды от воздействия обратных токов. За ограничение тока в системе защиты отвечают 2 резистора. Предохранитель должен быть самовосстанавливающегося типа, номиналы элементов должны подбираться индивидуально в зависимости от условий.

Эффективный способ защиты от представленного явления — применение реактора, ограничивающего ток. Он применяется в системе защиты электрических цепей, где величина КЗ может быть такой силы, с которой обычное оборудование не справится.

Ректор имеет вид катушки с сопротивлением индуктивного типа, подключенной к сети по последовательной схеме. Приемлемое функционирование цепи позволяет соблюдать уровень падения напряжения реактора около 4%. При образовании КЗ основная часть напряжения поступает на это устройство. Такое оборудование бывает масляного и бетонного типов. Каждый из них применяется в зависимости от типа электропроводки и питаемого ею оборудования.

Устройства защиты от аварийных режимов в сети

Предохранители – самые простые устройства защиты. Раньше для ликвидации аварийных режимов в бытовых электропроводках применяли только их. В некоторых устройствах предохранители применяются и по сей день. Причина – они обладают высоким быстродействием и незаменимы для защиты полупроводниковых устройств.

После срабатывания предохранитель либо заменяется на новый, либо внутри него меняется плавкая вставка. Вставки для одного и того же корпуса предохранителя выпускаются на разные номиналы токов. Но необходимость держать на объекте или в квартире запас плавких вставок для оперативной замены является недостатком предохранителей.

Самым распространенным предохранителем в советское время была «пробка».

Предохранитель — «пробка»

На смену им пришли автоматические пробки типа ПАР, выпускавшиеся на токи 10, 16 и 25 А. Они вворачивались на место пробок, были многоразового использования и имели два защитных элемента, называемых расцепителями. Один защищал от коротких замыканий и срабатывал мгновенно, второй – от перегрузок и срабатывал с выдержкой времени.

ПАР-10

Такие же расцепители имеют и все автоматические выключатели, пришедшие на смену предохранителям. Мгновенный расцепитель называют электромагнитным, потому что в основу его работу положен принцип втягивания штока катушки при превышении номинального тока. Шток ударяет по защелке и пружина размыкает контактную систему выключателя.

Расцепитель, действующий с выдержкой по времени называют тепловым. Работает он по принципу терморегулятора в утюге или электронагревателе. Биметаллическая пластина при прохождении по ней тока нагревается и медленно изгибается в сторону. Чем больше ток через нее, тем быстрее происходит изгиб. Затем она действует на ту же защелку, и автомат отключается. Если воздействие тока прекратилось, пластина остывает, возвращается в исходное положение, и отключения не происходит.

В старых электрощитах еще сохранились автоматические выключатели в карболитовом корпусе типов А-63, А3161, или более современные АЕ1030. Но все они уже не удовлетворяют современным требованиям.

Автоматический выключатель А-63 автоматические выключатели серии А3161 Автоматический выключатель АЕ 1031

Они изношены, и их механическая часть либо заржавела, либо утратила быстродействие. И не в каждом из них есть мгновенная защита от короткого замыкания. В некоторых аппаратах устанавливался только тепловой расцепитель. Да и скорость срабатывания электромагнитного расцепителя у автоматов этих серий ниже, чем у модульных.

Поэтому такие защитные устройства нужно менять на современные, пока они своим бездействием не натворили дел.

Определение токов короткого замыкания для выбора аппаратов и проводников

1.4.9. В электроустановках до 1 кВ и выше при определении токов КЗ для выбора аппаратов и проводников и определения воздействия на несущие конструкции следует исходить из следующего:

1. Все источники, участвующие в питании рассматриваемой точки КЗ, работают одновременно с номинальной нагрузкой.

2. Все синхронные машины имеют автоматические регуляторы напряжения и устройства форсировки возбуждения.

3. Короткое замыкание наступает в такой момент времени, при котором ток КЗ будет иметь наибольшее значение.

4. Электродвижущие силы всех источников питания совпадают по фазе.

5. Расчетное напряжение каждой ступени принимается на 5% выше номинального напряжения сети.

6. Должно учитываться влияние на токи КЗ присоединенных к данной сети синхронных компенсаторов, синхронных и асинхронных электродвигателей. Влияние асинхронных электродвигателей на токи КЗ не учитывается при мощности электродвигателей до 100 кВт в единице, если электродвигатели отделены от места КЗ одной ступенью трансформации, а также при любой мощности, если они отделены от места КЗ двумя или более ступенями трансформации либо если ток от них может поступать к месту КЗ только через те элементы, через которые проходит основной ток КЗ от сети и которые имеют существенное сопротивление (линии, трансформаторы и т. п.).

1.4.10. В электроустановках выше 1 кВ в качестве расчетных сопротивлений следует принимать индуктивные сопротивления электрических машин, силовых трансформаторов и автотрансформаторов, реакторов, воздушных и кабельных линий, а также токопроводов. Активное сопротивление следует учитывать только для ВЛ с проводами малых сечений и стальными проводами, а также для протяженных кабельных сетей малых сечений с большим активным сопротивлением.

1.4.11. В электроустановках до 1 кВ в качестве расчетных сопротивлений следует принимать индуктивные и активные сопротивления всех элементов цепи, включая активные сопротивления переходных контактов цепи. Допустимо пренебречь сопротивлениями одного вида (активными или индуктивными), если при этом полное сопротивление цепи уменьшается не более чем на 10%.

1.4.12. В случае питания электрических сетей до 1 кВ от понижающих трансформаторов при расчете токов КЗ следует исходить из условия, что подведенное к трансформатору напряжение неизменно и равно его номинальному напряжению.

1.4.1З. Элементы цепи, защищенной плавким предохранителем с токоограничивающим действием, следует проверять на электродинамическую стойкость по наибольшему мгновенному значению тока КЗ, пропускаемого предохранителем.

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.

Как они работают

Существует два основных способа отключения автоматов: тепловой и электромагнитный. Во-первых задействован механизм теплового расширения и сжатия материалов, тогда как во-вторых – способность электрического тока вызывать электромагнитное поле, которое может механически воздействовать на материальные объекты. Эти методы служат разным целям, и, как правило, они оба применяются в любом автоматическом выключателе.

Тепловое расцепление

Этот вид защиты электрической сети оберегает цепь от скачков силы тока, которые иногда случаются при неполадках на линии и у потребителя. В автомате ток проходит не через провод, а через особую биметаллическую пластину (это пластина, изготовленная из разных металлов, соединенных “бутербродом”), и когда его величина становится слишком большой, пластина нагревается.

Но так как разные ее части имеют разную теплоемкость, одна сторона греется сильнее, и потому вся конструкция начинает не просто расширяться, как было бы в случае с обычной металлической пластиной, а изгибаться. Изогнутая часть начинает давить на кнопку отключения от сети, и при определенном усилии, автомат срабатывает.


В автомате ток проходит не через провод, а через особую биметаллическую пластину, и когда его величина становится слишком большой, пластина нагревается

Электромагнитное расцепление

Второй способ выключения – основан на способности электромагнитного поля двигать металлические предметы. Катушка (соленоид) – это аналог постоянного магнита, и при протекании через нее тока, она тоже приобретает свойство притягивать и отталкивать металлы.

Внутрь катушки вставляют стальной сердечник, прикрепленный пружинкой, и когда сила тока в витках катушки достигает порогового значения, магнитное давление превышает силу сопротивления пружины, и выталкивает сердечник прямо на кнопку. От удара она срабатывает, и автомат отключает защищаемый участок от электрической сети.


Примеры выбора плавких предохранителей и автоматических выключателей

Измерение тока КЗ. Выводим формулы

Итак, самый распространенный метод измерения тока КЗ – метод падения напряжения, который мы сейчас и проверим на практике. Этот метод – косвенный, то есть итоговое значение получается путем измерения некоторых параметров с дальнейшими расчетами по формулам. Эти формулы мы сейчас и получим. Конечно, не без помощи нашего немецкого коллеги, о котором мы знаем из уроков физики.

Для начала – несколько пояснений. Предлагаю условиться, что розетка – это источник напряжения, обладающий внутренним сопротивлением Ri. Это сопротивление фактически является сопротивлением цепи «фаза-ноль». Также для простоты изложения условимся не учитывать реактивную составляющую, т.е. принимаем cos φ = 1. Таким образом, получаем такую схему, к которой можем применить закон Ома для полной цепи:

Схема для пояснения закона Ома для полной цепи

Иными словами, получаем резистивный делитель напряжения, напряжение на выходе которого всегда ниже, чем на входе. Сопротивление Ri «олицетворяет» собой все сопротивления, которые встречаются на пути электроэнергии – от сопротивления обмоток трансформатора на подстанции (ТП) до переходного сопротивления клемм розетки, через которые подключается нагрузка с сопротивлением Rн.

Напряжение Uхх – это напряжение холостого хода, которое будет действовать на вторичной обмотке трансформатора, когда нагрузка не подключена. Uн – напряжение на нагрузке, которое всегда меньше Uхх. В расчетах будет фигурировать и номинальное напряжение Uном, которое обычно бывает равным 220 или 230 В.

IкзRiUхх

Iкз=Uхх/Ri    (0)

Напряжение холостого хода легко узнать – оно измеряется вольтметром, когда вся нагрузка на данной линии отключена.

Теперь дело за малым – определить внутреннее сопротивление источника (сопротивление петли «фаза-ноль») Ri. Это можно сделать тремя способами, про которые я сейчас расскажу.

1. Расчет петли «фаза-ноль» через ток нагрузки

Сопротивление Ri теоретически не зависит от приложенного к нему напряжения. Поэтому, мы можем измерить ток нагрузки Iн и напряжение на Ri не в момент короткого замыкания, а при подключении нагрузки с ненулевым сопротивлением. А затем применить закон Ома:

Ri=(Uхх-Uн)/Iн     (1)

Ток нагрузки можно измерить двумя способами – при помощи амперметра (прямого включения или через трансформатор тока) и применяя токоизмерительные клещи. Амперметр дает более точное измерение, клещи – более оперативное. Я использовал клещи, но можно применить и амперметр, встроенный в мультиметр.

2. Расчет петли «фаза-ноль» через сопротивление нагрузки

Вторую формулу можно получить, составив уравнение пропорциональности между сопротивлениями Ri и Rн, и напряжениями на них. Получаем:

Ri=(Uхх-Uн)·Rн/Uн     (2)

Чтобы использовать формулу (2), нужно предварительно измерить сопротивление нагрузки при помощи омметра. Поскольку мы условились, что реактивную составляющую мы не учитываем, для чистоты эксперимента нагрузка обязательно должна быть активной. Я использовал масляные обогреватели – их сопротивление чисто активное, и не зависит от напряжения и наличия питания. Как вариант, в качестве нагрузочного сопротивления можно использовать утюг или электрочайник.

3. Расчет петли «фаза-ноль» через мощность нагрузки

Третий способ – самый простой, но его можно применить только тогда, когда мы точно знаем мощность нагрузки.

Составляющие закона Ома зависят от номинальной мощности нагрузки Рном, поэтому путем нехитрых манипуляций получаем следующую формулу:

Ri=(Uном(Uхх-Uн))/Pном     (3)

Чтобы проводить расчеты по формуле (3), нужно знать номинальное напряжение Uном (220 или 230 В) и мощность нагрузки. Обычно их приводит производитель. Вот фото шильдика нагревателя с Uном = 230 В и Рном = 1500 Вт:

Шильдик нагревателя мощностью 1500 Вт

Забегая вперед, скажу, что этот способ – наименее точный, поскольку производитель может писать любые данные, преследуя маркетинговые или другие цели.

Теперь, рассчитав значение Ri наиболее удобным способом по формулам (1), (2) или (3), можно найти ток короткого замыкания по формуле (0) даже в домашних условиях. Чем мы наконец-то и займемся.