Что такое однофазное короткое замыкание. Замыкание в электропроводке. Ток и напряжение короткого замыкания

Короткое замыкание - это явление в электротехнике, которое сопровождается замыканием (электрическим соединением) между собой двух или трех фаз, фазы на нулевой проводник, замыкание фазного проводника на землю в сетях с глухозаземленной, а также эффективно заземленной нейтралью в трехфазной сети. Кроме того, коротким замыканием является межвитковое замыкание в электрических машинах.

Характерные особенности данного процесса - это значительное увеличение тока и падение напряжения. Рост тока происходит до значений, превышающих номинальный в несколько раз.

Общепринятое буквенное сокращение данного явления - КЗ. В зависимости от количества замыкаемых фаз различают несколько видов коротких замыканий. Для наглядности изобразим схемы, которые иллюстрируют тот или иной тип КЗ в трехфазной электрической сети.

Вероятность возникновения однофазных коротких замыканий наиболее высока и составляет более 60% от общего количества КЗ. Двухфазные КЗ, в том числе на землю, возникают реже, вероятность возникновения данной аварийной ситуации - 20%. Трехфазные КЗ встречаются достаточно редко, вероятность их возникновения - 10%.

Причины возникновения короткого замыкания

Основная причина возникновения короткого замыкания - нарушение изоляции оборудования электроустановок, в том числе кабельных и воздушных линий электропередач. Приведем несколько примеров возникновения КЗ по причине нарушения изоляции.

При проведении земляных работ был поврежден высоковольтных кабель, что привело к возникновению междуфазного короткого замыкания. В данном случае повреждение изоляции произошло в результате механического воздействия на кабельную линию.

В открытом распределительном устройстве подстанции возникло однофазное замыкание на землю в результате пробоя опорного изолятора по причине старения его изоляционного покрытия.

Еще один достаточно распространенный пример - падение ветки или дерева на провода воздушной линии электропередач, что приводит к схлестыванию или обрыву проводов.

Способы защиты оборудования от коротких замыканий в электроустановках

Как и упоминалось выше, короткие замыкания сопровождаются значительным увеличением тока, что приводит к повреждению электрооборудования. Следовательно, защита оборудования электроустановок от данного аварийного режима - основная задача энергетики.

Для защиты от короткого замыкания, как аварийного режима работы оборудования, в электроустановках распределительных подстанций используют различные защитные устройства.

Основная цель всех устройств релейной защиты - это участок сети, на котором возникло короткое замыкание.

В электроустановках напряжением 6-35кВ для защиты линий электропередач от коротких замыканий используют максимально-токовую защиту (МТЗ). Для защиты линий напряжением 110 кВ от коротких замыканий используется дифференциально-фазная защита, как основная защита линий. Кроме того, для защиты ЛЭП 110 кВ в качестве резервных защит используются дистанционная защита и земляная защита (ТЗНП).

В низковольтных сетях для защиты цепей от КЗ используются автоматические выключатели.

Короткое замыкание представляет собой электрическое соединение различных фаз, которые являются нетипичными для нормального режима работы. Вследствие этого в проводнике резко увеличивается сила тока, что приводит к неблагоприятным последствиям. Рассмотрим, что такое короткое замыкание, классификацию явления, потенциальные угрозы и способы предотвращения КЗ.

КЗ делится в зависимости от фазы сети. В однофазной системе выделяют следующую классификацию:

фаза и ноль – наиболее распространенный тип в быту. Замыкание случается, если использовать электрические приборы, которые не рассчитаны на стандартную величину токов или если в розетке находится плохой контакт. В результате этого наблюдается перегрев, и изоляция проводов нарушается;
фаза и заземление – ситуация, в которой фазный провод начинает контактировать с заземленным корпусом другого оборудования.

КЗ может происходить в трехфазной системе:

однофазное – рассмотрено выше;
двухфазное – в процессе принимает участие две системы. Подобная ситуация часто случается с воздушными линиями электропередач. Чаще всего это происходит во время сильного ветра, когда линии проводов пересекаются между собой и образуют замыкание;
трехфазное и земля – одновременный контакт трех системы с землей;
трехфазное – одновременный контакт трех системы, спровоцированный соединением между собой токопроводящего предмета.

Основные причины, провоцирующие возникновение КЗ:

нарушение целостности изоляции, что может возникать вследствие износа электрооборудования, в связи с загрязнением поверхности приборов, а так же механическими повреждениями;
механическое нарушение целостности элементов сети (к примеру, обрыв линии передачи);
скачки напряжения – пробой изоляции проводника, что приводит к развитию утечки тока и созданию дугового кратковременного разряда;
удар молнии;
попадание животных и птиц на токоведущие части;
человеческий фактор – ошибки персонала при проведении работ по переключению;
преднамеренное КЗ с использованием короткозамыкателей – используются с целью экономии выключателей. Сегодня данная технология не применяется и является запрещенной.

Какие могут быть последствия?

Во время замыканий наблюдается резкое увеличение силы тока, что приводит к расплавлению металлов. «Брызги» могут разноситься во все стороны, приводя к воспламенению предметов вокруг и пожарам. Это особенно опасно для домашних условий, так как КЗ может стать причиной потери имущества и жилья. Последствиями на предприятиях является аварийная ситуация, повреждение техники и риск того, что могут пострадать люди.

Замыкание, в зависимости от места его образования, может привести к системой аварии, последствиями которой станет экономический и технический урон. Оборудование, которое находилось под действием усиленной силы тока, выходит из стоя или получает серьезные повреждения.

Еще одним последствием замыкания является ухудшение условий работы персонала и потребителей – резкое понижение давления приводит к остановке производственных мощностей и экономическому ущербу. Наибольший урон наносится тому месту, в котором непосредственно возникло замыкание.

Способы защиты

Наиболее надежным и действенным способом предотвращения КЗ является установка автоматических выключателей. Альтернативой служат плавкие предохранители. Автомат своевременно улавливает возникновение замыкания и отключает питание, благодаря чему возникновение аварийной ситуации является невозможным.

Прочие меры предосторожности:

регулярная ревизия электропроводных каналов – визуальное определение слабых мест кабеля, где изнашивается изоляция и своевременное устранение проблемы;
использование электрических реакторов, которые регулируют подачу тока;
использование специальных электроцепей, которые в случае необходимости отключают секционные выключатели;
использование понижающих трансформаторов, которые оснащены расщепляемой обмоткой низкого напряжения.

Совет: для домашнего использования рекомендуется устанавливать автоматические выключатели. Они рассчитаны на определенный ток, после превышения величины которого, разрывается цепь. Прочие меры в основном указаны для промышленного использования.

В чем заключается угроза КЗ?

Замыкание в первую очередь представляет угрозу здоровью и жизни человека. Это связано с пожарной опасностью: возгорание изоляции проводов, воспламенение окружающих предметов, способность изоляции распространять горение. Так же изменение силы тока может быть губительным для используемых устройств и приборов, приводя к катастрофическим последствиям. КЗ может стать причиной экономического убытка Поэтому важно использовать меры профилактики возникновения явления и прибегать к установке методов защиты.

В этой статье рассмотрим главную головную боль любого электрика - короткое замыкание. При этом поясним, что такое ток короткого замыкания и развеем миф о том, что такое напряжение короткого замыкания, заодно обсудив, что коротыш (он же КЗ ) значит для электросети. Но сначала немного физики, что поможет вспомнить о том, что электричество - это передача электронами заряда от одной точки в другую. Последовательный и упорядоченный процесс. Но иногда в эту строгую последовательность вмешивается авария, и вот тут-то приходится вспомнить эти два слова «короткое замыкание».

Почему замыкание короткое, и кто в этом виноват?

Любая схема электрической цепи представляет собой «плюс» и «минус», как в любой батарейке. Если между ними поместить лампочку, она при замыкании цепи начнёт гореть. Правильно собранная цепь позволить гореть лампочке довольно долго, что успешно демонстрирует любой фонарик. Но давайте посмотрим, что случится, если мы просто соединим «плюс» и «минус» батарейки. Без лампочки и вообще без какого бы то ни было сопротивления. Да, в этой модели мы получим замыкание электропроводки в чистом виде. Провод между контактами батарейки нагреется, заряд почти мгновенно истощится и через пару секунд эта батарейка не зажжет ни одну лампочку. Вся энергия батарейки уйдёт на максимальный подъём силы тока короткого замыкания, разогрев провода и полное истощение ресурса. Такой опыт безопасен для экспериментатора, поскольку токи невелики.

Однако примерно то же самое произойдет, если в розетку сунуть ножницы, чтобы понять что случится. Ток, обнаружив самый короткий путь (ножницы) устремится в розетке именно через этот короткий путь от «плюса» к «минусу» (), забыв про остальные пути, на которых его ожидает сопротивление цепи. Отсюда и название этой неприятности - «короткое замыкание». Фактически, КЗ - это возможность для тока максимально быстро и с максимальным эффектом достигнуть от «плюса» «минуса». Ток при этом становится неразборчивым в средствах, на чем и построена защита от замыкания, и основные правила того, как избежать этой напасти.

Итак, короткое замыкание - это аварийная ситуация в электрической сети, где прохождение тока получает наиболее короткий и прямой путь для ликвидации потенциала (разности потенциала между «плюсом» и «минусом»), приводя к лавинообразному росту силы тока и сильному разогреву участка цепи, в котором произошло КЗ.

Отметим, что перманентное (непрерывное КЗ) имеет место и в сетях, в которых использованы силовые провода с недостаточным уровнем изоляции (низкое сопротивление изоляции), многочисленными лишними коммутациями (скрутки в распредкоробках, в линиях и пр.), а также во влажных зонах.

Выходит, что виноват в коротком замыкании кто угодно, но не электрик, который делал проводку? Не совсем так. Именно электрик обязан, прокладывая линию или, включая оконечное (проходное) устройство, обеспечить невозможность короткого замыкания. Иначе любая защита от короткого замыкания будет ни к чему. Чаще всего защита не справляется именно в щитках, собранных с нарушениями, что приводит к катастрофическим последствиям:

Немного подробнее о причинах короткого замыкания

Неправильно заизолированные провода или физическое перемещение контактов в оконечных устройствах (сдвиг, поворот, иные действия способные соединить два провода).
Повреждение изоляции кабелей при прокладке (в том числе скрытых) силовых линий или при работах по ремонту и отделке помещений.
Использование в работе неисправных приборов (от патрона к лампе до клеммника и розетки), в которых есть прямая возможность возникновения короткого замыкания.
Игнорирование замыканий электропроводки при работах (самая частая ошибка начинающих электриков), поскольку эффект КЗ не повторяется.
«Плавающие», «спорадические» неисправности проводки, которым не уделено достаточно внимания из-за редких проявлений.

Это список наиболее частых причин коротких замыканий, выхода из строя квартирных и домашних электросетей, а также пожаров, которые сложно тушить по причине постоянной подпитки огня со стороны горящих кабелей. Очевидно, что такие неприятности не нужны никому.

Ещё несколько слов о физике короткого замыкания.

Вернёмся за парту, и вспомним, что при прохождении тока можно наблюдать, как падает сила тока при возрастании сопротивления проводника. Это тот самый фактор, благодаря которому ток короткого замыкания значительно превышает допустимые параметры. Так и работает защита от замыкания - отслеживает внезапные скачки силы тока, обесточивая «подозрительную» линию.

Не все вспомнят, что при снятии сопротивления в проводнике, также изменится ещё один параметр. Мы говорим о том, что напряжение короткого замыкания станет совсем уж подозрительным. А при наличии индуктивного фактора (например, человек с феном упал в ванну с водой) и вовсе нелинейным и не синусоидальным. При этом непосредственно короткого замыкания может и не быть, но защита от короткого замыкания работает и в этом случае - это автоматы отключения УЗО. Устройство защитного отключения, принцип действия которого исключает реагирование на изменение только силы тока.

Что оценивают защитные устройства, и что мы должны знать о КЗ, если не хотим, чтобы нас спасали только ?

Любая электросеть имеет точки нестабильности. Это контакты, клеммы, выключатели света и прочие автоматические выключатели, работающие на основе программ (например, датчик отслеживания освещённости). Каждая из этих точек потенциальный источник КЗ. Именно им электрик обязан уделить максимальное внимание при работах и монтаже;
Наличие заземления в сети. Вы удивитесь, но замыкание на землю (ноль) это наиболее безопасное КЗ. Да, оно тоже доставит много хлопот и неприятностей, но, по крайней мере, никого не убьет. Кроме того, заземление приборов позволяет оценить наличие пробоя изоляции и утечки ДО того, как короткое замыкание случится.

Заземлять в обязательном порядке необходимо микроволновую печь, посудомоечную и стиральную машины, морозильную камеру и духовой электрический шкаф. Посмотрите на заднюю панель микроволновки. Вы увидите прикрученный медный контакт. Это - заземление. Не стоит рассчитывать на вилку с контактами «ноль». Найдите специалиста, который заземлит эту печь. Такой же контакт Вы обнаружите на задней стенке электрического духового шкафа. На морозильной камере этот контакт будет, скорее всего, в зоне змеевика-охладителя. Это делается не просто так, поэтому не думайте, что вилка способна Вас защитить. Найдите способ такую технику «занулить» по-настоящему!

Кроме перечисленного, автоматы ещё определяют постоянный «баланс сети», отслеживая перегрузки и пиковые перепады как токов короткого замыкания (или близких по значению), так и напряжений. Но автоматы не станут панацеей, если произойдёт короткое замыкание на участке Вашей сети, который проложен с нарушениями требований и правил. Например, провод, проходящий под листом фанеры или другого горючего отделочного материала. О том, что произойдет при КЗ в таком месте ниже.

Процесс возникновения короткого замыкания. Время отключения, развитие процесса, последствия

Несмотря на кажущуюся «мгновенность», процесс короткого замыкания имеет хорошо описанные стадии при возникновении.

Возникновение несанкционированного мостика между двумя проводниками;
Пробой током «барьера изоляции» и возникновение новой, короткой, цепи в электрической схеме;
Перенаправление энергии, и возникновение тока короткого замыкания в новом участке;
Резкий рост силы тока, падение напряжения и быстрый разогрев нового участка «сопротивления» - проводов, в которых происходит короткое замыкание;
Расплавление проводов (нагрев не останавливается сам, и температуры нагрева существенно превышают температуры плавления сплавов и металлов) с одновременным возгоранием изоляции;
Срабатывание автоматов защиты, пытающихся обесточить проблемную зону;
Снятие напряжение и обесточивание линии;
Продолжающийся нагрев повреждённого участка сети (даже после обесточивания, поскольку нагрев значительно более длительный процесс) с возгоранием изоляции или проводов, если защита от замыкания не работала как надо;
Выход из строя участка сети, в котором произошло КЗ.

Всё это занимает примерно 2-4 секунды. Достаточное время для того, чтобы провод разогрелся до 1100 градусов и изоляция вспыхнула как спичка. Предотвратить короткое замыкание в этом случае не получится, только минимизировать урон. Несмотря на время, даже при визуальном наблюдении процесса замыкания электропроводки, возникновения КЗ, Вы просто не успеете ничего сделать. Поэтому несколько рекомендаций о том, как избежать такой беды

Если не можешь предотвратить - возглавь!

Эта фраза великого политического деятеля как нельзя лучше описывает ситуацию с электросетью, которой мы доверяем многое. И свою жизнь, и комфорт и почти всё имущество. Поэтому не будет лишним список простых рекомендаций.

Проверку новых электросетей и коммуникаций проводите с избыточными токами, моделируя перегрузку. Такое испытание надо проводить со специалистом, самостоятельно делать это опасно.

Не пренебрегайте замером сопротивления изоляции в готовой сети. Да, это стоит денег и занимает время, но такой замер исключит замыкание на землю, свойственное длинным кабелям, а также покажет наиболее опасные участки, которые возможно правильнее будет заменить.

На изображении видно, что дуга (пробой) может происходить и без физического контакта проводников. Именно поэтому, собирая розетки и выключатели, зачищайте изоляцию проводов только на участке, полностью убираемом в клемму! Не допускайте даже нескольких миллиметров оголённых проводов, иначе может случиться то, что на фото - электрическая дуга внутри прибора. Напомним, что при таком происшествии защита от короткого замыкания почти гарантированно опоздает с отключением линии!

Непродуманное наращивание и добавление линий без мер защиты - прямая дорога к замыканию и пожару. Это хороший пример того, что никогда нельзя делать.

Короткое замыкание возникает при соединении двух проводов цепи, присоединенных к разным зажимах (например, в цепях постоянного тока это "+" и "-") источника через очень малое сопротивление, которое сравнимо с сопротивлением самих проводов.

Ток при коротком замыкании может превысить номинальный ток в цепи во много раз. В таких случаях цепь должна быть разорвана раньше, чем температура проводов достигнет опасных значений.

Для защиты проводов от перегрева и предупреждения воспламенения окружающих предметов в цепь включаются аппараты защиты, например, плавкие предохранители).

Причины возникновения коротких замыканий

Основной причиной возникновения коротких замыканий является нарушения изоляции электрооборудования.

Нарушения изоляции вызываются:

1.Перенапряжениями (особенно в сетях с изолированными нейтралями),

2. Прямыми ударами молнии,

3. Старением изоляции,

4. Механическими повреждениями изоляции, проездом под линиями негабаритных механизмов,

5. Неудовлетворительным уходом за оборудованием.

Часто причиной повреждений в электрической части электроустановок являются неквалифицированные действия обслуживающего персонала.

Преднамеренные короткие замыкания

При осуществлении упрощенных схем соединений понижающих подстанций используют специальные аппараты - короткозамыкатели, которые создают преднамеренные короткие замыкания с целью быстрых отключений возникших повреждений. Таким образом, наряду с короткими замыканиями случайного характера в системах электроснабжения имеют место также преднамеренные короткие замыкания, вызываемые действием короткозамыкателей.

Последствия коротких замыканий

При возникновении коротких замыканий в системе электроснабжения ее общее сопротивление уменьшается, что приводит к увеличению токов в ее ветвях по сравнению с токами нормального режима, а это вызывает снижение напряжения отдельных точек системы электроснабжения, которое особенно велико вблизи места короткого замыкания.

В зависимости от места возникновения и продолжительности повреждения его последствия могут иметь местный характер или отражаться на всей системе электроснабжения.

При большой удаленности короткого замыкания величина тока короткого замыкания может составлять лишь незначительную часть номинального тока питающих генераторов и возникновение такого короткого замыкания воспринимается ими как небольшое увеличение нагрузки. Сильное снижение напряжения получается только вблизи места короткого замыкания, в то время как в других точках системы электроснабжения это снижение менее заметно. Следовательно, при рассматриваемых условиях опасные последствия короткого замыкания проявляются лишь в ближайших к месту аварии частях системы электроснабжения.

Ток короткого замыкания, являясь даже малым по сравнению с номинальным током генераторов, обычно во много раз превышает номинальный ток ветви, где произошло короткое замыкание. Поэтому и при кратковременном протекании тока короткого замыкания он может вызвать дополнительный и проводников выше допустимого.

Токи короткого замыкания вызывают между проводниками большие механические усилия, которые особенно велики в начале процесса короткого замыкания, когда ток достигает максимального значения. При недостаточной прочности проводников и их креплений могут иметь место разрушения механического характера.

Внезапное глубокое снижение напряжения при коротком замыкании отражается на работе потребителей. В первую очередь это касается двигателей, так как даже при кратковременном понижении напряжения на 30-40% они могут остановиться (происходит опрокидывание двигателей). Опрокидывание двигателей тяжело отражается на работе промышленного предприятия, так как для восстановления нормального производственного процесса требуется длительное время и неожиданная остановка двигателей может вызвать брак продукции предприятия.

При малой удаленности и достаточной длительности короткого замыкания возможно выпадение из синхронизма параллельно работающих станций, т.е. нарушение нормальной работы всей электрической системы, что является самым опасным последствием короткого замыкания.

Возникающие при замыканиях на землю неуравновешенные системы токов способны создать магнитные потоки, достаточные для наведения в соседних цепях (линиях связи, трубопроводах) значительных ЭДС, опасных для обслуживающего персонала и аппаратуры этих цепей.

Таким образом, последствия коротких замыканий следующие:

1. Механические и термические повреждения электрооборудования.

2. Возгорания в электроустановках.

3. Снижение уровня напряжения в сети, ведущее к уменьшению вращающего момента электродвигателей, их торможению, снижению производительности или даже к опрокидыванию их.

4. Выпадение из синхронизма отдельных генераторов, электростанций и частей электрической системы и возникновение аварий, включая системные аварии.

5. Электромагнитное влияние на линии связи, коммуникации и т.п.