Что такое короткое замыкание, его виды и причины возникновения

Применение

Режим короткого замыкания может быть как полезным, так и вредным или даже опасным в том или ином техническом устройстве.

Полезные применения

Часто в системах промышленной автоматики информация об измеряемых параметрах передается в аналоговом виде передачей токового сигнала. При этом измерительные и промежуточные преобразователи сигналов по типу выходного сигнала являются источником тока, в идеале с бесконечным внутренним выходным сопротивлением. При этом наиболее благоприятный случай, с точки зрения точности передачи информации, когда источник сигнала нагружен на потребитель с нулевым внутренним входным сопротивлением, — то есть, источник сигнала работает в режиме КЗ. (См. подробнее Токовая петля).

Электродинамические датчики, например, индукционные виброметры, сейсмоприёмники также очень часто работают в режиме короткого замыкания, эта мера позволяет дополнительно демпфировать механические колебания подвижной системы датчика из-за возникновения вязких электродинамических сил.

Часто режим короткого замыкания применяется в соединении усилительных каскадов в электронике. Каскодный усилитель представляет собой соединение двух активных компонентов, модуль выходного импеданса для малого сигнала первого каскада в этой схеме многократно превышает модуль входного импеданса второго каскада, то есть, выход первого каскада работает в режиме короткого замыкания.

Цепи питания электронных устройств тоже почти всегда работают в режиме короткого замыкания для переменного тока. Их линии питания обычно шунтируются блокировочными конденсаторами для исключения вредного самовозбуждения усилительных каскадов, помех и сбоев кодов в цифровых устройствах.

Опасность короткого замыкания

Если источник напряжения с малым внутренним сопротивлением закоротить, то в цепи потечёт ток равный отношению ЭДС источника к сумме внутреннего сопротивления источника и сопротивления закорачивающей цепи. При большой мощности источника ток достигнет очень большой величины, который может повредить источник, потребитель, соединительные провода. Перегрев соединительных проводов может привести к пожару. Поэтому при питании устройств от мощных источников почти всегда вводят защиту от КЗ в потребителе, которое может внезапно возникнуть от аварий устройств, ошибок людей, ударов молний. Простейшая защита от разрушительных последствий КЗ — плавкий предохранитель. Также применяются различные автоматы защиты сети, их преимущество — многократное восстановление цепи после актов срабатывания при защите, в отличие от однократно используемого плавкого предохранителя или его вставки.

Очень опасно КЗ мощных электрохимических источников электричества, — особо аккумуляторов. Так, например, длительное закорачивание свинцового аккумулятора приводит к вскипанию его электролита с разбрызгиванием капель серной кислоты, ещё опаснее закорачивание литиевых аккумуляторов, ведущее к его перегреву и возможному взрыву корпуса и возгоранию металлического лития.

При закорачивании обмоток статора мощного электрического генератора в нём развиваются огромные электродинамические силы, зачастую приводящие к его разрушению.

Выбираем степень защиты от токов КЗ (ток отсечки)

Вторая функция защитного автоматического выключателя — отключать питание при появлении сверх токов, которые возникают при коротком замыкании (КЗ). Автоматы защиты рассчитаны на разные величины этих токов, а характеристика, которая ее отображает — отключающая способность или ток отсечки. Она показывает, при каком токе КЗ автомат все еще останется в рабочем состоянии. Дело в том, что срабатывает пакетник не моментально, ведь существует задержка срабатывания для игнорирования пусковых перегрузок. Во время этой задержки контакты могут оплавиться и устройство окажется неработоспособным. Так вот, ток отсечки или отключающая способность показывает, какой ток могут вынести контакты без ущерба работоспособности.

Ток отсечки или отключающая способность прописывается в прямоугольнике

Как выбрать автомат защиты в этом случае? Выбор зависит от местоположения сети относительно подстанции. Если дом или квартира находятся недалеко, токи КЗ могут быть очень большими, потому отключающая способность должна быть не ниже 10000 А. Если домовладение находится в сельской местности, сети там старые и/или подача происходит по воздушной сети, достаточно автомата с отключающей способностью 4500 А. Во всех остальных случаях ставят на 6000 А.

Использование этого явления

Данное явление нашло свое применение в дуговой сварке, принцип работы которой построен на взаимодействии стержня с металлической поверхностью. Поверхность нагревается до температуры плавки, благодаря чему появляется новое прочное соединение, т.е. сварочный электрод замыкается с заземляющим контуром.

Такие режимы короткого замыкания действуют непродолжительный промежуток времени. В момент сварки в месте соединения стержня и поверхности возникает нестандартный заряд тока, из-за чего выделяется большое количество теплоты. Ее достаточно для плавки металла и создания сварочного шва.

Также короткое замыкание используется в сфере промышленной автоматики, с его помощью создаются информационные системы, которые отражают параметры передачи токового сигнала.

Полезное КЗ применяется в электродинамических датчиках. Например, в индукционных виброметрах, сейсмических приемниках. Короткое замыкание дает возможность дополнительно уменьшить количество колебаний подвижной системы.

Режим КЗ может использоваться при объединении каскадов в электронике, когда выход первого активного компонента работает в режиме КЗ.

Практический способ вычисления Lmax

Должно быть рассчитано предельное влияние полного сопротивления проводов в длинной цепи на значение токов короткого замыкания, и в соответствии с этим должна быть ограничена длина цепи.
Метод вычисления максимально допустимой длины уже был показан на схемах заземления TN и IT для единичных и двойных замыканий на землю соответственно (см. Система TN: защита от косвенного прикосновения и Система IT: защита от косвенного прикосновения). Два случая рассмотрены ниже:

1 — Вычисление Lmax для трехфазной трехпроводной цепи

Минимальный ток короткого замыкания появляется тогда, когда возникает КЗ между двумя фазовыми проводами в удаленном конце цепи (см. рис. G48).

Рис G48: Вычисление длины для трехфазной трехпроводной цепи

При использовании «традиционного метода» принимается, что напряжение в точке защиты Р составляет 80% номинального напряжения во время короткого замыкания, таким образом 0,8 U = Isc Zd, где:
Zd — полное сопротивление петли тока КЗ;
Isc — ток КЗ (фаза/фаза);
U — междуфазное номинальное напряжение.

Для кабелей сечением ≤120 мм2, реактивное сопротивление можно не учитывать, таким образом:

Zd=ρ2LSph{\displaystyle Zd=\rho {\frac {2L}{Sph}}} 

где:
ρ — удельное сопротивление меди при средней температуре во время короткого замыкания;
Sph — сечение фазового провода в мм2;
L — длина в метрах.

Защита кабеля обеспечивается при Im ≤ Isc, где Im — мгновенная уставка тока срабатывания автоматического выключателя.

В результате Im≥,8UZd{\displaystyle Im\geq {\frac {0,8U}{Zd}}} , что дает L≤,8 U Sph2ρ Im{\displaystyle L\leq {\frac {0,8\ U\ Sph}{2\rho \ Im}}}

где
U = 400 В;
ρ = 1,25 x 0,018 = 0,023 Ом·мм2/м 
Lmax – максимальная длина цепи в метрах.

Lmax=k SphIm{\displaystyle L_{max}={\frac {k\ Sph}{Im}}}

2 — Вычисление Lmax для трехфазной четырехпроводной цепи на 230/400 В

Минимальное значение Isc имеет место, когда замыкание происходит между проводами «фаза» и «нейтраль».

Необходимо вычисление, сходное с приведенным в примере 1, но с использованием следующей формулы (для кабеля ≤ 120 мм2):

Если Sn для нейтрального провода = Sph для фазового провода:

Lmax=3,333SphIm{\displaystyle L_{max}={\frac {3,333Sph}{Im}}}

Если Sn для нейтрального провода

Lmax=6,666 SphIm11+m ,{\displaystyle L_{max}=6,666\ {\frac {Sph}{Im}}{\frac {1}{1+m}}\ ,}

где

m=SphSn{\displaystyle m={\frac {Sph}{Sn}}}

Для сечений бо′льших, чем те, которые перечислены в таблице, значение реактивного сопротивления должно быть сложено со значением активного сопротивления, чтобы получить полное сопротивление. Реактивное сопротивление кабелей может быть принято равным 0,08 мОм/м
(при 50 Гц). При 60 Гц эта величина равна 0,096 мОм/м.

Какие бывают виды

Короткое замыкание. Каждый слышал это словосочетание. Многие видели надпись «Не закорачивать!» Часто, когда ломается какой-нибудь электроприбор, говорят: «Коротнуло!» И несмотря на негативный оттенок этих слов, профессионалы знают, что короткое замыкание – не печальный приговор. Иногда с коротким замыканием (КЗ) бороться бессмысленно, а порой и принципиально невозможно. В этой статье будут даны ответы на самые важные вопросы: что такое короткое замыкание и какие виды КЗ встречаются в технике.

Начнем рассматривать эти вопросы под необычным углом – узнаем, в каких случаях короткие замыкания неизбежны и где они не играют роль повреждений. Возьмем за оба конца обыкновенный металлический провод. Соединим концы вместе. Провод замкнулся накоротко – произошло КЗ. Но так как в цепи отсутствуют источники электрической энергии и нагрузка, такое короткое замыкание никакого вреда не несет. В некоторых областях электротехники КЗ, которое мы рассмотрели, играет на руку, например, в электрических аппаратах и электрических машинах.

Взглянем на однофазное реле или пускатель, в конструкции которых есть магнитная система с подвижными частями – электромагнит, притягивающий якорь. Из-за постоянно меняющейся полярности тока, текущего в обмотках электромагнита, его магнитный поток периодически становится равен нулю, что вызывает дребезжание якоря, появляются вибрации и характерное, знакомое всем электрикам гудение. Чтобы избавиться от этого явления, на торец сердечника электромагнита или якоря прикрепляют короткозамкнутый виток – кольцо или прямоугольник из меди или алюминия.

Из-за явления электромагнитной индукции в витке создается ток, создающий свой магнитный поток, компенсирующий пропадание основного магнитного потока, создаваемого электромагнитом, что приводит к уменьшению или исчезновению вибраций, разрушающих конструкцию.

Так же на руку играет короткое замыкание и в роторе асинхронного электродвигателя. Благодаря взаимодействию магнитного поля, создаваемого обмотками статора, с короткозамкнутым ротором, в роторе по уже упомянутому закону появляются свои токи, создающие свое поле, что приводит ротор во вращение

Конечно, важно грамотное проектирование электродвигателя или электрического аппарата, чтобы токи, протекающие в короткозамкнутых элементах, не приводили к перегреву и порче изоляции основных обмоток

Возгорание розетки

Подобным образом понятие «короткое замыкание» используется применительно к трансформаторам. Люди, так или иначе связанные с энергетикой, знают, что одна из важнейших характеристик трансформатора – это напряжение короткого замыкания, U_КЗ, измеряемое в процентах. Возьмем трансформатор. Одну из его обмоток, скажем, низшего напряжения (НН) закоротим амперметром, сопротивление которого, как известно, принимается равным нулю. Обмотку высшего напряжения (ВН) подключаем к источнику напряжения. Повышаем напряжение на обмотке ВН до тех пор, пока ток в обмотке НН не станет равным номинальному, фиксируем это напряжение.

Делим его на номинальное напряжение высшей стороны, умножаем на 100%, получаем U_КЗ. Эта величина характеризует потери мощности в трансформаторе и его сопротивление, от которого зависит ток короткого замыкания, ведущий к повреждениям. Поговорим наконец о коротких замыканиях, несущих негативные последствия. Такие короткие замыкания появляются, когда ток от источника питания протекает не через нагрузку, а только через провода, обладающие ничтожно маленьким сопротивлением. Например, трехфазный кабель питается от трансформатора, и одним неосторожным движением ковша экскаватора происходит его повреждение – две фазы закорачиваются через ковш. Такое КЗ называют двухфазным. Аналогично по количеству замкнутых фаз называют другие КЗ.

Однофазное замыкание на землю в сетях с изолированной нейтралью не является коротким, но может представлять угрозу жизни живых существ. Металлическим называют КЗ, в котором переходное сопротивление равно нулю – например, при болтовом или сварочном соединении. Токи КЗ в зависимости от напряжения и вида повреждения могут достигать тысяч и сотен тысяч ампер, приводить к пожарам и колоссальным электродинамическим усилиям, «выворачивающим» шины и провода. Защита от КЗ может осуществляться автоматическими выключателями или предохранителями, а в высоковольтных сетях – средствами релейной защиты и автоматики.

Защита блока питания от короткого замыкания.

Схема защиты от КЗ.

Разные автоматы не устанавливают на ноль и фазу, поскольку, когда в случае короткое замыкание размыкается ноль, фаза остается под напряжением. Слишком тонкий провод для электропроводки не годится. В старых квартирах иногда для повышения мощности подключают автоматы на большой ток, что вызывает короткое замыкание.

Допустим, провод 1,5мм2 может выдерживать 16А, а устанавливается автомат 25А. Включаем в сеть нагрузку 4,5кВт с током 20,5А. Это приведет к перегреву сети, защита от КЗ не работает. Заканчивается это тем, что в результате пробоя разрушается изоляция и происходит короткое замыкание. Проводку придется менять. Хорошо, если она открытая, иначе придется затевать капитальный ремонт.

Если алюминиевая или медная проводка отслужила свой срок, то без сомнения, ее следует заменить. Сколько бы это не стоило, все окупится. Если вдруг после ремонта в коробке будет некачественный медный контакт, у которого выходит из строя со временем только изоляция, окисляются места соединения, провод греется, что совсем разрушает скрутку.

Когда провод алюминиевый, ситуация ухудшается. При перепадах температуры пластичный алюминий расширяется и сужается. При наличии микротрещины она расширяется, температура на этом участке начинает колебаться и провод все равно придется менять.

https://youtube.com/watch?v=y6kjLicwjXU

Распаечные коробки.

Ни в коем случае не прибегайте к скрутке проводов, несмотря на кажущееся их качество. Скрутка в любом случае ослабевает при колебаниях температуры. Старайтесь не применять винтовые зажимы, которые имеют такой же недостаток, они годятся только для открытой проводки. Чаще всего используются зажимы СИЗ, а также соединения WAGO. В случае мощной проводки применяются зажимы Орех. Подобные винтовые устройства состоят из двух пластин, они зажимаются четырьмя винтами.

Такой зажим используется для любых проводов. Зачищенные участки должны составлять не менее 15мм, что позволяет переделать скрутку, при необходимости. Зачищенный участок рассеивает тепло при неудовлетворительной скрутке. Провода необходимо размещать так, чтобы не получалось перехлеста между ними. При перекрещивании их не должно быть контакта. Скрутки следует располагать, чтобы провода были с разных сторон.

Не следует скручивать алюминиевый и медный провод, для этого необходимо использовать зажимы или клеммники. Особенно это относится к электроплитам. При выполнении ремонта и необходимости переноса розетки кабель необходимо наращивать. Это тот случай, когда алюминий приходится наращивать медным проводом. Никогда не следует экономить на розетках, как и на выключателях, поскольку качественные розетки, подходящие для электроплит сейчас отыскать непросто, особенно в небольших поселках.

Если это не удастся, примените хороший сжим Орех. На розетках при закреплении клемм хорошо их зажимайте, но остерегайтесь поломать резьбу. Когда резьба сорвана, следует сменить розетку. Для подключения духового шкафа желательно тянуть отдельный провод, либо подсоединять его к общей линии с варочной поверхностью. Подобную нагрузку способна выдержать не всякая розетка. Для мощных потребителей желательно не применять удлинителей. Если собираетесь их использовать, изучите в инструкции, на какую мощность он рассчитан.

Причины возникновения короткого замыкания

Несмотря на то, что этот нежелательный аварийный процесс считается случайным, на его создание могут влиять следующие причины, связанные с некачественным монтажом или неправильной эксплуатацией электрического оборудования (цепей). Вот основные причины появления короткого замыкания:

1. Снижение качества изоляции токоведущих проводников. Это одна из самых распространенных причин перехода сети в режим КЗ, который возникает вследствие пересыхания, механического повреждения или разрушения изоляции между проводниками с разным потенциалом. Чаще всего все перечисленные причины снижения сопротивления изоляции и её разрушения связаны с воздействием на неё вредных факторов, на которые она не рассчитана. Например, при длительном воздействии солнечных лучей на изоляцию, которая боится ультрафиолетового излучения, происходят пересыхание, потрескивание и, как следствие, короткое замыкание.

Нужно отметить! У любой изоляции есть свой срок использования, старение её приводит к аварийным режимам.

1. Изменение физических параметров электрической сети, например, перенапряжение. Такое явление возможно во время грозы, а именно попадания молнии в проводник с током.
2. Неправильная коммутация, ошибки монтажа или укладки кабеля, с несоответствием техническим условиям, заявленным заводом производителем.

Любой электромонтажник или электромонтер не застрахован от ошибочных, неправильных действий при монтаже электропроводки или при выполнении оперативных переключений. В низковольтных цепях такие ошибки менее опасны, чем в высоковольтных цепях с мощными источниками энергии, например, на высоковольтных силовых подстанциях электроснабжения. Даже с современными элементами и устройствами защиты от превышения нагрузок процесс КЗ в силовых высоковольтных цепях опасен не только для оборудования, но и для обслуживающего персонала, из-за появления мощной электрической дуги.

1. Длительная эксплуатация электрического оборудования и линий в режиме перегрузок или в условиях с завышенными температурами окружающей среды. Это приводит к перегреву изоляции между обмотками электрооборудования, значит, происходит снижение сопротивления изоляции, которое в какой-то момент достигает критического значения.

Выполнение монтажа качественными материалами, правильная организация работ в электроустановках, а также своевременное обслуживание, с заменой повреждённых участков линии, снизят риск появления короткого замыкания.

Применение

Режим короткого замыкания может быть как полезным, так и вредным или даже опасным в том или ином техническом устройстве.

Полезные применения

Часто в системах промышленной автоматики информация об измеряемых параметрах передается в аналоговом виде передачей токового сигнала. При этом измерительные и промежуточные преобразователи сигналов по типу выходного сигнала являются источником тока, в идеале с бесконечным внутренним выходным сопротивлением. При этом наиболее благоприятный случай, с точки зрения точности передачи информации, когда источник сигнала нагружен на потребитель с нулевым внутренним входным сопротивлением, — то есть, источник сигнала работает в режиме КЗ. (См. подробнее Токовая петля).

Электродинамические датчики, например, индукционные виброметры, сейсмоприёмники также очень часто работают в режиме короткого замыкания, эта мера позволяет дополнительно демпфировать механические колебания подвижной системы датчика из-за возникновения вязких электродинамических сил.

Часто режим короткого замыкания применяется в соединении усилительных каскадов в электронике. Каскодный усилитель представляет собой соединение двух активных компонентов, модуль выходного импеданса для малого сигнала первого каскада в этой схеме многократно превышает модуль входного импеданса второго каскада, то есть, выход первого каскада работает в режиме короткого замыкания.

Цепи питания электронных устройств тоже почти всегда работают в режиме короткого замыкания для переменного тока. Их линии питания обычно шунтируются блокировочными конденсаторами для исключения вредного самовозбуждения усилительных каскадов, помех и сбоев кодов в цифровых устройствах.

Опасность короткого замыкания

Если источник напряжения с малым внутренним сопротивлением закоротить, то в цепи потечёт ток равный отношению ЭДС источника к сумме внутреннего сопротивления источника и сопротивления закорачивающей цепи. При большой мощности источника ток достигнет очень большой величины, который может повредить источник, потребитель, соединительные провода. Перегрев соединительных проводов может привести к пожару. Поэтому при питании устройств от мощных источников почти всегда вводят защиту от КЗ в потребителе, которое может внезапно возникнуть от аварий устройств, ошибок людей, ударов молний. Простейшая защита от разрушительных последствий КЗ — плавкий предохранитель. Также применяются различные автоматы защиты сети, их преимущество — многократное восстановление цепи после актов срабатывания при защите, в отличие от однократно используемого плавкого предохранителя или его вставки.

Очень опасно КЗ мощных электрохимических источников электричества, — особо аккумуляторов. Так, например, длительное закорачивание свинцового аккумулятора приводит к вскипанию его электролита с разбрызгиванием капель серной кислоты, ещё опаснее закорачивание литиевых аккумуляторов, ведущее к его перегреву и возможному взрыву корпуса и возгоранию металлического лития.

При закорачивании обмоток статора мощного электрического генератора в нём развиваются огромные электродинамические силы, зачастую приводящие к его разрушению.