Основные сведения о коротком замыкании как физическом явлении
Что такое КЗ и причины его возникновения
Короткое замыкание (КЗ) — соединение в электрической цепи двух точек с различными потенциалами, не предусмотренное нормальным режимом работы цепи, что приводит к критическому росту силы тока в месте соединения.
Короткое замыкание приводит к образованию разрушительных токов, превышающим допустимые значения, повреждениям проводки и выходу приборов из строя.
Короткие замыкания бывают нескольких видов:
- однофазные КЗ — частые КЗ. Фазный провод замыкается на ноль;
- двухфазные КЗ — одна фаза замыкается на другую;
- трехфазные КЗ — самое проблемное КЗ. Происходит замыкание трех фаз.
Основные причины образования короткого замыкания:
- устаревшая или изношенная электросеть (плохой изоляционный материал, оголенные контакты, разрывы в области перегибов);
- высокая влажность в помещении, которая портит изоляцию скруток и соединений проводов;
- нарушение целостности кабеля;
- перегрузка электрической цепи в течение долгого промежутка времени;
- неправильное использование электрического оборудования;
- вмешательство в целостность изоляционного материала (вбитый гвоздь, ввинченный шуруп).
К короткому замыканию имеет отношение сила тока. Возьмем в качестве примера замкнутую электрическую цепь. В ней действует закон Ома, и он гласит: сила тока прямо соответствует напряжению и обратно соответствует сопротивлению. То есть, чем меньше будет сопротивление, тем больше будет сила тока.
Получается, что если в электрической цепи сопротивления не будет, или оно будет слишком мало, то сила тока увеличится, вследствие чего в цепи потечет ток короткого замыкания.
Почему короткое замыкание так называется
Замыкание называется коротким из-за движения тока. При таком замыкании цепи ток течет по кратчайшему пути, минуя нагрузку, то есть проходит по наименьшему сопротивлению.
Как происходит короткое замыкание
Короткое замыкание происходит через переходные сопротивления посторонних предметов в месте повреждения, заземлений или опор, а также сопротивления между проводами фаз и землей.
Короткое замыкание приводит к снижению напряжения в электрической цепи, к поражению током или резким выделением тепла, к расплавлению изоляционного материала с последующим возгоранием, повреждению электрического оборудования, без возможности восстановления.
Расчет тока короткого замыкания
Вычислить ток короткого замыкания можно по следующей формуле. Формула выводится из закона Ома для полной электрической цепи:
Петля фаза-нуль — это электрическая цепь (контур), которая состоит из фазного и нулевого проводников, а также фазы трансформатора.
При замыкании провода фазы на нулевой провод, который соединен с нейтралью (соединением обмоток всех фаз) трансформатора, получим контур, называемый петлей «фаза-ноль».
Меры, исключающие короткое замыкание
Защита от короткого замыкания основана на быстром разрыве электрической цепи. Это можно осуществить с помощью различных аппаратов.
Во многих современных электрических приборах имеется плавкий предохранитель, который расплавляется от большого количества тока, тем самым разрывая цепь.
В помещениях от короткого замыкания используют автоматы защиты. Они автоматически разрывают электрическую цепь при превышении допустимого значения тока.
В промышленности от коротких замыканий используют специальные реле.
Учитель непонятно объясняет предмет?
Источник
Причины возникновения и последствия коротких замыканий
Короткое замыкание — включение источника ЭДС на нагрузку, сопротивление которой очень мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника.
Сила тока при коротком замыкании определяется только внутренним сопротивлением источника r, т. е. ik = E/r , где Е — ЭДС источника.
Обычно источники ЭДС не рассчитаны на ту большую силу тока, которая устанавливается при коротком замыкании, в источнике выделяется очень большое количество тепла, которое может привести к разрушению и гибели источника. Особенно опасно короткое замыкание для источников с малым внутренним сопротивлением (аккумуляторов, электрических машин и т. д.).
Итак, 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 — плавкие предохранители или автоматические выключатели.
Короткие замыкания могут возникнуть также при перенапряжениях в результате грозовых явлений, прямых ударов молнии, механических повреждении изолирующих частей, ошибочных действий обслуживающего персонала.
При коротких замыканиях резко возрастают токи в короткозамкнутой цепи и снижается напряжение, что представляет большую опасность для электрического оборудования и может вызвать перебои в электроснабжении потребителей.
Короткие замыкания бывают:
трехфазные (симметричные), при которых накоротко замыкаются все три фазы;
двухфазные (несимметричные), при которых накоротко замыкаются только две фазы;
двухфазные на землю в системах с глухо заземленными нейтралями;
однофазные несимметричные на землю заземленными нейтралями.
Наибольшей величины ток достигает при однофазном коротком замыкании. В результате применения специальных искусственных мер (например заземления нейтралей через реакторы, заземление только части нейтралей) наибольшее значение тока однофазного короткого замыкания может быть снижено до величины тока трехфазного короткого замыкания, для которого чаще всего и ведутся расчеты.
Причины возникновения коротких замыканий
Основной причиной возникновения коротких замыканий является нарушения изоляции электрооборудования.
Нарушения изоляции вызываются:
1. Перенапряжениями (особенно в сетях с изолированными нейтралями),
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
В результате возникновения короткого замыкания токоведущие части сильно перегреваются, что может привести к нарушению изоляции, а также возникновению больших механических усилий, способствующих разрушению частей электроустановок.
При этом нарушается нормальное электроснабжение потребителей в неповрежденных участках сети, так как аварийный режим короткого замыкания в одной линии приводит к общему снижению напряжения. В месте короткого замыкания спряжение становится равным нулю, а во всех точках до места короткого замыкания напряжение резко снижается, и нормальное питание неповрежденных линий становится невозможным.
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. Степень снижения напряжения зависит от работы устройств автоматического регулирования напряжения и удаленности от места повреждения.
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 нагрев токоведущих элементов 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 электрической 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.
Для чего нужен расчет токов короткого замыкания
Короткое замыкание цепи вызывает переходный процесс в ней, в ходе которого ток можно рассматривать как сумму двух составляющих: вынужденной гармонической (периодической, синусоидальной) iп и свободной (апериодической, экспоненциальной) iа. Свободная составляющая уменьшается с постоянной времени Тк = Lк/rк = xк/?rк по мере затухания переходного процесса. Максимальное мгновенное значение iу суммарного тока i называется ударным током, а отношение последнего к амплитуде Iпm — ударным коэффициентом.
Вычисление токов короткого замыкания необходимо для правильного выбора электрооборудования, проектирования релейной защиты и автоматики, выбора средств ограничения токов короткого замыкания.
Короткие замыкания (КЗ) происходят обычно через переходные сопротивления — электрических дуг, посторонних предметов в месте повреждения, опор и их заземлений, а также сопротивления между проводами фаз и землей (например, при падении проводов на землю). Для упрощения расчетов отдельные переходные сопротивления в зависимости от вида повреждения принимаются равными между собою или равными нулю («металлическое», или «глухое» КЗ).
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Источник