Напряжение короткого замыкания: причины, последствия и защита от негативного явления, расчет силы тока

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),

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

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).

Напряжение короткого замыкания: причины, последствия и защита от негативного явления, расчет силы тока

Можно выделить несколько последствий КЗ:

Наибольшая опасность при коротком замыкании угрожает элементам системы, прилегающим к месту его возникновения. В зависимости от места и продолжительности КЗ его последствия могут иметь местный характер (удаленное от источников питания КЗ) или отражаться на функционировании всей системы.

При анализе работы энергосистемы, а также при выборе электрооборудования необходимо учитывать следующие влияния токов КЗ на элементы системы.

1. Термическое действие, которое оценивается следующим выражением:

. (1.1)

Термическое действие вызывает повреждение электрооборудования, связанное с его недопустимым нагревом токами КЗ.

2. Динамическое действие оценивается следующим условием:

. (1.2)

Динамическое действие может вызывать механическое повреждение электро-

оборудования из-за воздействия больших электромагнитных сил между токоведущими частями. Последствия термического и динамического действия в большей степени угрожают элементам системы, прилегающим к месту возникновения КЗ.

3. Отрицательные влияния на линии других напряжений и на линии связи (проявляется при несимметрии). При этом при несимметричных КЗ наводятся ЭДС в соседних линиях связи и сигнализации, опасные для обслуживающего персонала и оборудования.

4. Ухудшение показателей качества электрической энергии, таких как отклонение напряжения, несинусоидальность кривой напряжения и тока, несимметрия трехфазной системы и т.д. При этом ухудшаются условия работы потребителей. При понижении напряжения, например, до 60–70 % от номинального в течение 1 с и более возможна остановка двигателей ответственных механизмов промышленных предприятий. Это, в свою очередь, может вызвать нарушение технологического процесса, приводящее к экономическому ущербу.

5. Потеря устойчивости системы (выпадение генераторов из синхронизма). Данный вопрос рассматривается в курсе «Устойчивость узлов нагрузки».

Потеря устойчивости может привести к системной аварии. Это наиболее опасное последствие коротких замыканий. Оно приводит к значительным технико-экономическим ущербам и нарушениям электроснабжения регионов.

Существуют определенные противоречия между некоторыми действиями токов КЗ, а именно: при ограничении величины токов КЗ падает запас статической и динамической устойчивости системы и ухудшаются условия пуска и самозапуска электродвигателей.

В связи со сложностью комплексного исследований переходных процессов принято их разделение по скорости протекания, что сформировало несколько дисциплин:

техника высоких напряжений (изоляция и защита от перенапряжений), изучающая быстро протекающие процессы (до 1 мс);

электромагнитные переходные процессы − предмет настоящего курса, изучающий процессы при синхронной скорости вращения электрических машин () (до 0,5с);

электромеханические переходные процессы (устойчивость узлов нагрузки) при одновременном учете электромагнитных и механических процессов
(0,1…10 с);

электрические системы и сети, изучающие стационарные режимы работы систем.

1.3. Задачи расчета электромагнитных переходных процессов

К основным задачам расчета электромагнитных переходных процессов относят следующие.

1. Выбор схемных решений.

Ярким примером тому являются исторические изменения схемы питания.

Рис. 1.1. Блочные схемы электроснабжения

При использовании блочных схем, представленных на рисунке 1.1, снижаются токи КЗ, поскольку увеличивается количество ступеней трансформации.

2. Выбор и проверка оборудования к термическому и динамическому действию тока КЗ. Например, нормирование параметров выключателя.

Читайте также:  Замер сопротивления изоляции кабеля: особенности, принцип работы мегаомметра

3. Выбор уставок устройств релейной защиты. При этом при расчете необходимо найти минимальные и максимальные значения токов КЗ в различных точках системы электроснабжения.

4. Выбор и проверка устройств системной автоматики.

5. Проверка условий работы оборудования в пусковых и аварийных режимах.

Расчеты токов КЗ необходимы для достижения следующих целей:

1) определения условий работы потребителей в аварийных режимах;

2) выбора аппаратов и проводников, их проверки по условиям электродина-

3) проектирования и настройки устройств релейной защиты и автоматики;

4) сопоставления, оценки и выбора схем электрических соединений;

5) определения влияния линий электропередачи на линии связи;

6) определения числа заземленных нейтралей и их размещения в ЭС;

7) выбора разрядников;

8) анализа аварий;

9) подготовки к проведению различных испытаний в ЭС.

Точность расчета КЗ зависит от его цели. В связи с этим вводятся понятия:

расчетные условия КЗ, т.е. наиболее тяжелые, но достаточно вероятные условия КЗ;

расчетная схема, как правило, включающая в себя все элементы электроустановки, через которые протекает ток в режиме КЗ;

расчетный вид короткого замыкания для определения максимальных и минимальных величин тока КЗ;

расчетная точка короткого замыкания, находящаяся непосредственно с одной или с другой стороны от рассматриваемого элемента электроустановки в зависимости от того, когда для него создаются наиболее тяжелые условия в режиме КЗ;

расчетная продолжительность короткого замыкания, понимаемая как сумма времен действия токовой защиты ближайшего к месту КЗ выключателя и полного времени отключения этого выключателя.

Так, при выборе и проверке электрических аппаратов не требуется высокая точность расчета, потому что параметры аппаратов ступенчато изменяются в случае перехода от одного их типа к другому. При выборе устройств релейной защиты и автоматики точность расчета должна быть значительно выше, необходимо определение максимальных и минимальных токов КЗ для момента отключения КЗ. Часто не рабочие режимы, а условия выбора и проверки оборудования и кабельных линий к действию токов КЗ являются определяющими.

1.4. Координация и оптимизация токов короткого замыкания

Сущность задач, решаемых в курсе «Электромагнитные переходные процессы», кроме непосредственного расчета уровней токов КЗ, заключается в нижеследующем.

1. Координация – согласование параметров оборудования с существующими уровнями токов КЗ электрических сетей при минимальных расчетных затратах и при соблюдении технических ограничений. Эта задача имеет место при расширении и реконструкции предприятий и электрических сетей со сложившимися исторически уровнями токов КЗ. При решении этой задачи необходима ориентация на новые типы оборудования.

2. Оптимизация – определение оптимальных с экономической точки зрения уровней токов КЗ электрических сетей при минимальных расчетных затратах и соблюдении технических ограничений. Такая задача возникает при проектировании новых предприятий и электрических систем. Поскольку наиболее дешевое оборудование ориентировано на уровни токов, не превышающие 20 кА, допущение иных уровней токов КЗ должно быть экономически обосновано.

Таким образом, как задача координации, так и задача оптимизации являются задачами технико-экономическими и требуют, кроме расчета уровней токов КЗ, сведения к минимуму затрат

, (1.3)

где З – затраты на строительство и реконструкцию энергосистемы, определяются по следующему выражению:

, (1.4)

где − доля ежегодных отчислений на капитальные вложения;

−капитальные вложения;

− эксплуатационные расходы, включающие стоимость потерь электрической энергии;

− ущерб от перерывов электроснабжения, вызванный различным уровнем надежности оборудования.

В связи с дискретным рядом параметров электротехнического оборудования решение этих задач сводится к технико-экономическому сравнению двух или нескольких вариантов.

Что такое короткое замыкание?

О таком нештатном режиме работы электрической цепи как короткое замыкание слышали практически все. Описание физики этого процесса входит в школьную программу 8-го класса. Предлагаем вспомнить, что представляет собой данное явление, какую опасность представляют токи КЗ и их вероятные причины возникновения. В статье мы рассмотрим виды короткого замыкания, а также способы защиты, позволяющие минимизировать негативные последствия.

Что такое короткое замыкание?

Под данным термином принято называть состояние сети, в которой имеет место непредусмотренный нормальной эксплуатацией электрический контакт между точками электроцепи с различными потенциалами. Низкое сопротивление в зоне контакта вызывает резкое увеличение силы тока, превышающее допустимое значение.

Для понимания процесса приведем наглядный пример. Допустим, имеется лампа накаливания мощностью 100 Вт, подключенная к бытовой сети 220 В. Применив Закон Ома, рассчитаем величину тока для нормального режима и короткого замыкания, игнорируя сопротивление источника и электрической проводки.

Электрическая схема нормального режима работы (а) и короткого замыкания (b)

При нормальном режиме работы приведенной выше цепи, электрический ток будет равен 0,45 А (I = P/U = 100/220 ≈ 0,45), а сопротивление нагрузки составит 489 Ом (R = U/A = 220/0,45 ≈ 489).

Теперь рассмотрим изменение параметров цепи при возникновении КЗ. Для этого замкнем цепь между точками А и В выполним соединение при помощи провода с сопротивлением 0,01 Ом. Учитывая свойства электрического тока, он выберет путь с наименьшим сопротивлением, соответственно, Iкз увеличится до 22000 А (I=U/R). Собственно, по этой причине замыкание называется коротким.

Данный пример сильно упрощен, в реальности ток замыкания не поднимется до 2,2 кА, поскольку произойдет падение напряжения на потребителе, согласно второму закону Киргофа: E = I * r + I * R , где I*r — напряжение на источнике питания, а I * R, соответственно, на потребителе. Поскольку R при замыкании стремится к нулю, то вольтметр в изображенной выше схеме покажет падение напряжения.

Виды КЗ

Согласно ГОСТ 52735-2007, в энергосетях короткие замыкания принято разделять на несколько видов. Для наглядности ниже представлены схемы различных видов КЗ.

Различные виды КЗ

Обозначения с кратким описанием:

  1. 3-х фазное, принятое обозначение – К (З) . То есть, происходит электрический контакт между тремя фазами. Это единственный вид замыкания не вызывающий «перекос» фаз, процесс протекает симметрично, что упрощает расчет силы тока КЗ. В тоже время 3-х фазное замыкание представляет наибольшую опасность по факторам тепловых и электродинамических воздействий. В связи с этим, когда производится расчет тока КЗ для трехфазной цепи, как правило, рассматривается данный вид замыкания.

Характерно, что при К (З) наличие контакта с землей не отражается на параметрах процесса.

  1. 2-х фазное (K (2) ). Данный вид замыкания, как все последующие, относится к несимметричным процессам, вызывающим перекос напряжений в системе. В кабельных линиях электропередач довольно велика вероятность перехода процесса K (2) в К (З) , поскольку температура в месте замыкания разрушает изоляцию токоведущих частей.
  2. 2-х фазное с землей (K (1,1) ). Данный процесс можно наблюдать в системах с заземленной нейтралью.
  3. 1-о фазное с землей (K (1) ). Этот вид замыкания на практике встречается чаще всего. Характерно, что процесс может возникнуть как в бытовых или промышленных электросетях, так и в запитанном от них оборудовании.
  4. Двойное на землю (K (1+1) ). То есть, две фазы замыкаются через землю, не имея электрического контакта между собой. Такой вид замыкания возможен в системах с заземленной нейтралью.

Мы привели только пять видов замыканий, которые чаще всего встречаются на практике. С полным списком возможных вариантов и поясняющими схемами можно ознакомиться в приложении 2 к ГОСТу 26522 85.

Вероятность возникновения каждого из рассмотренных выше вариантов приведена в таблице. Как видно из нее чаще всего наблюдаются однофазные короткие замыкания.

Таблица 1. Распределение, составленное по аварийной статистике.

Обозначение КЗПроцентное соотношение к общему числу (%)
К (З)5,0
K (2)10,0
K (1)65,0
K (1,1) и K (1+1)20,0

Разобравшись с видами замыканий, рассмотрим, в каких ситуациях они могут возникнуть.

Причины возникновения короткого замыкания

Несмотря на случайность данного процесса, существует много причин, имеющих косвенное или прямое отношение к его происхождению. Перечислим наиболее распространенные причины, по данным аварийной статистики:

  • Износ электрохозяйства энергетических систем или бытовой электросети. Со временем изоляция проводов или токоведущих элементов теряет диэлектрические свойства, в результате на участке цепи возникает непредусмотренное электрическое соединение. Определить общее состояние проводки можно по проводам в электрических точках. Старение изоляции заметно на отводах к электрическим точкам
  • Превышение допустимой нагрузки на цепь питания. Это вызывает нагрев токоведущих элементов, что приводит к повреждению изоляции. Подробно о перегрузке электросети можно прочитать на нашем сайте. Перегрузка электросети может стать причиной короткого замыкания
  • Удар молнии в ВЛ. В этом случае происходит перенапряжение электросети, которое может вызвать КЗ. Обратим внимание, что молнии не обязательно попадать непосредственно в ЛЭП, близкий разряд может вызвать ионизацию воздуха, увеличивающую его электропроводимость. В результате увеличивается вероятность образования электрической дуги между линиями электропередач.
  • Физическое воздействие на провода, вызывающее механическое повреждение изоляции. В качестве примера достаточно вспомнить шутку, где перфоратор называют электрическим прибором для поиска скрытой проводки.
  • Попадание металлических предметов на токоведущие элементы. Собственно, это следствие, поскольку причина кроется в неудовлетворительном уходе за электрохозяйством.
  • Подключение к сети неисправного оборудования, например вызванного существенным снижением внутреннего сопротивления.
  • Человеческий фактор. Под это определение можно подвести практически все случаи так или иначе связанные с неправильными действиями человека. Например, ошибки при монтаже электропроводки, неудачные попытки ремонта электрооборудования, неправильные действия оперативного персонала подстанции и т.д.

Опасность и последствия

Чтобы понять, какую опасность представляет КЗ, достаточно узнать о возможных последствиях короткого замыкания. Для этого перейдем к краткому перечню, составленному по статистическим данным Ростехнадзора:

  • Возникновение возгорания в месте механического соприкосновения неизолированных элементов оборудования или электрической сети часто становится причиной пожара.
  • Понижение уровня напряжения электрического тока в зоне замыкания вызовет сбой в работе электрооборудования. О последствиях пониженного напряжения можно подробно узнать в одной из публикаций на нашем сайте.
  • Как видно из приведенной выше таблицы 1, на долю симметричных замыканий (К (З) ) приходится не более 5%, это означает, что во всех остальных случаях придется иметь дело с сетевой асимметрией, более известной под названием «перекос фаз». Последствия такого режима мы уже рассматривали в более ранней публикации.
  • Возникновение различных системных аварий, вызывающих отключение потребителей энергосистемы до устранения короткого замыкания.
Читайте также:  Утечки тока в электросети: причины возникновения и способы определения

Как предотвратить КЗ и защита от него?

Нельзя полностью исключить вероятность КЗ, поскольку на природу его возникновения влияет случайная составляющая. Поэтому в данном случае может идти речь только о профилактике, понижающей вероятность возникновения аварийной ситуации. К таким мерам относятся:

  • Контроль состояния изоляции токоведущих элементов оборудования или линий электропередач. В частности, испытание изоляции электропроводки в производственных помещениях положено проводить не реже одного раза в три года. Для бытовых сетей нормируется только срок максимальной эксплуатации. Например, для скрытой проводки, выполненной медным проводом, допустимая эксплуатация – 40 лет.
  • Сверка с проектом бытовой электросети перед сверлением теоретически должна минимизировать вероятность механического повреждения скрытой проводки. Но, как показывает практика, в таких ситуациях надежней воспользоваться прибором, для поиска проводки. Обзор таких устройств и их принципиальные схемы, можно найти на нашем сайте. Детектор проводки
  • Отключение электроприборов при выходе из дома или квартиры.
  • В «сырых» помещениях (например, в ванной комнате) необходимо минимизировать количество электрооборудования. Если таковое нельзя исключить, оно должно иметь соответствующий класс защиты.
  • В случае повреждения электроприбора, требуется исключить возможность его подсоединения к сети питания.
  • Соблюдение норм потребления электроэнергии и т.д.

Не менее важным является организация защиты, она реализуется путем установки автоматических выключателей (или предохранителей) как на ввод, так и на каждую внутреннюю линию проводки. Если произойдет короткое замыкание, электромагнитная защита автоматического выключателя сработает под воздействием высокого уровня тока КЗ. Как подобрать автоматический выключатель, в зависимости от номинального тока, Вы можете прочитать на нашем сайте.

Если в щитах РУ используются плавкие электрические предохранители, то после их «расплавления» (срабатывания), замена должна проводиться на однотипные устройства. Установка предохранителя с током меньше номинального приведет к ложным срабатываниям, превышение допустимого тока срабатывания может вызвать повреждение электрооборудования.

Преднамеренное КЗ

Завершая данную тему нельзя не упомянуть, что большие токи короткого замыкания могут успешно использоваться. Ярким примером этому являются электросварочные аппараты с ручным или автоматическим ограничением по току КЗ. Принцип работы и примеры электрических схем различных видов сварочного оборудования мы уже ранее рассматривали на нашем сайте.

Помимо сварочных аппаратов особенности КЗ используются в короткозамыкателях.

Внешний вид короткозамыкателя

Короткозамыкатели представляют собой специальные электромеханические устройства, вызывающие преднамеренное короткое замыкание для оперативного отключения системой защиты определенного участка цепи.

Таким образом, можно констатировать, что в приведенных примерах короткое замыкание вызывается принудительно для выполнения конструктивных действий.

Электротехнический-портал.рф

. для студентов ВУЗов электротехнических специальностей и инженеров

§1. Виды, причины, последствия КЗ, назначения расчетов и основные допущения при расчете токов КЗ.

Виды КЗ и простых замыканий в электрических сетях.

Виды КЗ. Таблица 1

По усредненным данным количество КЗ различных видов в сетях распределяются следующим образом:

К (3) = 5%, К (2) = 10%, К (1) = 65%, К (1.1) и К (1+1) = 20%

Причины КЗ:

1. старение изоляции,

3. прямые удары молнии,

4. механические повреждения,

5. набросы посторонних предметов на токоведущие части,

6. неудовлетворительный уход за электрическим оборудованием,

7. ошибочные действия персонала.

Последствия КЗ:

1) нарушение термической стойкости (нагрев электрического оборудования или термические повреждения);

2) нарушение электродинамической стойкости (т.е. появление больших усилий между токоведущими частями, которое ведет к возникновению механических повреждений и разрушений);

3) снижение напряжения и искажение его симметрии, что отрицательно сказывается на работе потребителей (нарушения технологического цикла, брак продукции и т.д.);

4) наведение при несимметричных КЗ в соседних линиях связи и сигнализации ЭДС, опасных для обслуживающего персонала и используемой аппаратуры;

5) нарушение устойчивости отдельных элементов и режима СЭС в целом, приводящее к возникновению аварийных ситуаций с отключением большого количества потребителей электроэнергии;

6) возгорание электроустановок.

Вывод: чтобы обеспечить безаварийное электроснабжение всех потребителей – необходимо проектировать и сооружать СЭС с учетом возможных КЗ, а это значит необходимы расчеты переходных процессов. Расчеты переходных процессов предусматривают определение токов и напряжений в короткозамкнутой цепи при заданных (расчетных) условиях для интересующего момента времени или вычисляют их изменение с течением времени в зависимости от поставленной задачи.

Расчеты Iк.з. и переходных процессов необходимы:

1. для определения допустимости режимов возможных КЗ;

2. для выбора электрических аппаратов и проводников по условиям электродинамической и термической стойкости;

3. для проектирования и настройки РЗА;

4. для выбора наиболее рациональных схем электрических соединений;

5. для проектирования заземляющих устройств;

6. для определения влияния Iк.з. на линии связи;

7. для выбора разрядников;

8. для анализа аварий в электроустановках;

9. для проведения различных испытаний в СЭС;

10. при оценке и определении параметров устройств гашения магнитного поля СМ;

11. при оценке и выборе системы возбуждения СМ.

Основные допущения, принимаемые при расчетах Iкз

В сетях свыше 1000В

1) пренебрегают насыщением магнитных систем всех элементов цепи КЗ (генераторов, трансформаторов, двигателей);

2) если rрез/Xрез ≤ 1/3(результирующее сопротивление от источника до точки КЗ), то пренебрегают активным сопротивлением элементов схемы; активное сопротивление учитывают только в кабельных линиях и воздушных линиях со стальными проводами;

3) пренебрегают различиями значений сверхпереходных индуктивных сопротивлений по продольной и поперечной осям синхронных машин;

4) приближенно учитывают нагрузки в схемах замещения;

5) пренебрегают емкостными проводимостями воздушных линий до 220кВ, свыше ей пренебрегать нельзя, т.к. там оно влияет на переходные процессы;

6) система, в которой протекает переходной процесс, считается симметричной, все расчеты проводятся на одну фазу, фазу А;

7) пренебрегают токами намагничивания трансформаторов и автотрансформаторов (исключение: случай включения трехстержневого трансформатора Y/Y на напряжение нулевой последовательности).

Расчеты Iк.з. в сетях до 1000В выполняют с такими же допущениями, но с учетом активных сопротивлений силовых элементов сети. В расчетную схему КЗ необходимо включать также сопротивление проводников, кабелей, шин длинной 10 – 15м и более, токовых катушек расцепителей автоматических выключателей, первичных обмоток многовитковых трансформаторов тока, переходных сопротивлений контактов, коммутационных аппаратов, переходных сопротивлений в месте КЗ, несимметрию сопротивлений фаз.

Сила тока короткого замыкания

Каждая электрическая цепь в общих чертах представляет собой источник тока с подключенной нагрузкой, обладающей каким-то сопротивлением. Получается своеобразный контур, по которому протекает электрический ток. Однако, под влиянием различных факторов, две разные точки этого контура начинают контактировать между собой, что и приводит к короткому замыканию.

Короткое замыкание при постоянном и переменном токе

На практике причиной КЗ может послужить любой токопроводящий предмет. Его сопротивление по сравнению с нагрузкой будет во много раз ниже, поэтому вся сила тока короткого замыкания устремляется именно с это место. Ее значение стремительно повышается, что вызывает мгновенный нагрев проводов до температуры плавления, после чего они перегорают. Толстые проводники расплавляются медленнее, и за это время они успевают воспламенить все горючие элементы, расположенные поблизости.

Как уже отмечалось, сопротивление нагрузки при коротком замыкании будет стремиться к нулю. В соответствии с законом Ома, сила тока, при этом, будет увеличиваться в сторону бесконечности. На практике такого бесконечного роста не получится, поскольку существует ограничение, вызванное сопротивлением источника тока. Тем не менее, сила тока короткого замыкания будет достаточно высокой, чтобы разогреть проводник. В этом случае рассматривается квадратичная зависимость, когда при увеличении тока в 10 раз, выделение тепла увеличится в 100 раз. Именно в этом и состоит главная опасность данного явления, приводящего к пожарам.

Под действием высокого тока проводники раскаляются и отдают тепловую энергию окружающим предметам и конструкциям. В случае соприкосновения фазного и нулевого проводников – источник тока замыкается коротко сам на себя. Как правило, возгорание начинается с изоляции, пришедшей в негодность после длительной эксплуатации или пострадавшей от механических повреждений. Величина негативных последствий определяется не только силой тока, но и продолжительностью нагрева и особенностями схемы данной цепи. Эти ситуации носят общий характер и затрагивают в основном цепи с постоянным током.

Большинство замыканий происходит в сетях переменного тока на 220 или 380В, широко используемых на объектах жилого и промышленного назначения. В отличие от постоянного, переменному току создаются препятствия в виде дополнительных реактивных сопротивлений – индуктивного и емкостного. Они отклоняются от вектора активного тока на 90 градусов: индуктивный отстает, а емкостный ток опережает его на указанную величину.

Физические процессы и ударный ток

Понять воздействие тока можно только через физику самого процесса. На первый взгляд можно подумать, что все совершается в одно мгновение: гудение, вспышка, после чего тока в сети уже нет. Однако, если рассмотреть этот процесс с точки зрения физики и мысленно разбить его на отдельные фазы, можно заметить, что на каждом этапе ток ведет себя по-разному.

До момента возникновения аварии в цепи наблюдается стабильное установившееся значение тока, находящееся в рамках номинала. Далее происходит внезапное резкое снижение полного сопротивления до величины, стремящейся к нулю. Если в цепи находится оборудование с индуктивным сопротивлением, например, электродвигатели и трансформаторы, то они своими физическими свойствами замедляют рост электрического тока.

В связи с этим, в первое мгновение, не превышающее 0,01 с, сила тока КЗ источника напряжения практически не изменяется, и даже немного понижается в начале переходного процесса. При этом ЭДС источника постепенно доходит до нуля и пройдя через эту отметку, принимает стабильное значение, при котором может протекать высокий ток аварийного режима. На переходном этапе сам ток будет состоять из суммы, включающей периодическую и апериодическую составляющую. Все происходящие процессы можно проанализировать по форме графика и вычислить постоянное значение временной величины, зависящей от сопутствующих факторов.

Следует коротко остановиться на так называемом ударном токе короткого замыкания. Прежде всего, эта величина не столь страшная, как ее название, и не связана напрямую с поражающим фактором электрического тока. Этот показатель, прежде всего, характеризует максимальную отметку тока КЗ, до которой он доходит в течение половины периода после начала аварии. Целый период длится 0,2 с, следовательно, его половина составит 0,1 с. Именно в этот момент проявляется наибольшая интенсивность взаимодействия проводников, расположенных рядом. Для определения ударного тока существует специальная формула, широко используемая специалистами при выполнении расчетов.

Читайте также:  Ограничитель мощности: особенности подключения однофазного и трехфазного прибора, ом-110 и ом-310

Взаимосвязь короткого замыкания и силы тока

Рассмотрев физику процесса, можно с большей точностью установить взаимную связь силы тока и короткого замыкания в различных ситуациях. Любое устройство или оборудование, подключенное к источнику тока, создает ситуацию, близкую к короткому замыканию. Каждый прибор обладает сопротивлением и берет на себя всю нагрузку, за счет чего и обеспечивается его нормальная работа. Однако, при заметном снижении сопротивления, сила тока сразу же заметно возрастет. Взаимосвязь между напряжением, сопротивлением и силой тока определяется законом Ома.

Для участка цепи существует упрощенная формула, которая будет выглядеть следующим образом: I=U/R. В ней соответственно I будет силой тока, U – сетевым напряжением и R – электрическим сопротивлением. Проводники на этом участке условно имеют однородную структуру, а сама цепь дополнена резистором. Параметры источника тока в расчет не берутся.

В самом упрощенном варианте ток при КЗ можно вычислить следующим образом: Iкз = Е/r, где Е – ЭДС источника тока, r – сопротивление нагрузки. Из этой формулы хорошо видно, как при сниженном сопротивлении будет расти сила тока. Сама по себе данная ситуация не представляет какой-либо угрозы, но здесь дополнительно вступает в действие закон Джоуля-Ленца. Он указывает на выделение тепла во время течения по проводнику электрического тока и определяется не только количественной, но и временной характеристикой. Суть этого закона заключается в том, что с повышением силы тока за единицу времени будет выделено и большее количество теплоты.

Сила тока КЗ батареи

Все положения, рассмотренные выше, подходят и к случаям короткого замыкания источников питания. Типичным примером служит аккумуляторная батарея, в состав которой входит отрицательный электрод – анод и положительный – катод. Один от другого их отделяет твердый или жидкий электролит. Происходящие внутри устройства химические реакции, формируют электрический заряд, обеспечивающий работу подключенного прибора.

По сути, батарею можно считать своеобразным участком цепи, на которых распространяются все установленные правила. Следовательно, нарушенная изоляция, также приводит к короткому замыканию и последующим процессам. Многократный рост силы тока приводит к выделению тепла, под действием которого источник электроэнергии перегревается и разрушается, с одновременным закипанием и разбрызгиванием электролита.

Защита цепей и оборудования

После того как электротехника получила толчок к своему интенсивному развитию, возникла серьезная проблема по защите от короткого замыкания и его последствий. Особую актуальность она приобрела с повышением мощности электродвигателей, генераторов, осветительных приборов и другого оборудования.

Простейшим решением стала последовательная установка вместе с нагрузкой плавких одноразовых предохранителей. В случае превышения током установленного значения, выделяемое резистивное тепло воздействовало на них. В результате, предохранители разрушались, прерывали цепь и процесс короткого замыкания прекращался. Подобные элементы до сих пор пользуются спросом из-за своей надежности, простоты и низкой стоимости.

Единственным недостатком такой конструкции является возможность замены плавкой вставки различными металлическими предметами – проволокой, гвоздями или скрепками. Они обладают совершенно другими параметрами и уже неспособны защитить от перегрузок и коротких замыканий.

Ситуация совершенно изменилась, когда на смену одноразовым устройствам пришли автоматические защитные средства. Вначале они стали активно использоваться в промышленности, а потом нашли свое применение в квартирных электрощитах. Автоматика гораздо удобнее в пользовании, поскольку такие устройства не требуют замены. После устранения причин короткого замыкания тепловые элементы остывают, и прибор вновь готов к использованию. Подгоревшие контакты нежелательно чистить или ремонтировать. В случае необходимости они легко заменяются новыми.

Использование эффекта короткого замыкания на практике

Многократно увеличенная сила тока при коротком замыкании приводит к выделению большого количества тепла. Поэтому данный режим нередко вызывает возгорания, разрушения проводки, прекращение электроснабжения потребителей. Довольно часто появление электромагнитных колебаний может существенно нарушить работу чувствительной электронной аппаратуры.

Тем не менее, несмотря на множество негативных факторов, эффект короткого замыкания успешно применяется в сфере промышленного производства. Конечно, для этого необходимо обеспечить надежную защиту и безопасные условия труда для работников.

Типичным примером служит сварочная аппаратура, особенно дуговая, в которой используется принцип короткого замыкания электрода и заземления. В месте контакта сила тока кратковременно возрастает, металл приходит в расплавленное состояние, обеспечивая надежное соединение деталей. Поскольку такой режим действует в течение очень короткого времени, трансформатор вполне способен выдержать перегрузки.

Как рассчитать ток короткого замыкания

Что такое ток короткого замыкания

Режим короткого замыкания

Причины возникновения короткого замыкания

Апериодическая составляющая тока короткого замыкания

Что такое короткое замыкание по-простому?

Ток короткого замыкания — это возрастающий электрический импульс ударного типа. Из-за его появления могут расплавиться провода, выйти из строя некоторые электрические приборы.

Почему происходит короткое замыкание?

Ток КЗ возникает в следующих случаях:

  1. При высоком уровне напряжения. Происходит резкий скачок, уровень напряжения начинает превышать допустимые нормы, возникает вероятность появления электрического пробоя изоляционного покрытия проводника или схемы электрического типа. Образуется утечка тока, повышается температура дуги. Напряжение короткого замыкания приводит к созданию кратковременного дугового разряда.
  2. При старом изоляционном покрытии. Такое замыкание возникает в жилых и промышленных зданиях, в которых не проводилась замена проводки. У любого изоляционного покрытия есть свой ресурс, который со временем истощается под воздействием факторов внешней среды. Несвоевременная замена изоляции может стать причиной КЗ.
  3. При внешнем воздействии механического типа. Перетирание защитной оболочки провода или снятие его изоляционного покрытия, а также повреждение проводки приводят к возгоранию и КЗ.
  4. При попадании посторонних предметов на цепь. Попавшие на проводник пыль, мусор или другие мелкие предметы способны вызвать замыкание в цепи механизма.
  5. Во время удара молнии. Повышается уровень напряжения, пробивается изоляционное покрытие провода или электрической схемы, из-за чего и возникает КЗ в электро цепи.

Почему КЗ так называется?

Рассмотрим определение КЗ, расшифровка — короткое замыкание. Это объединение 2 любых точек (обладающих различным потенциалом), которые находятся в электрической цепи. Соединение не предусмотрено нормальным режимом функционирования цепи, что приводит к критическим показателям силы тока на месте объединения этих точек.

Такое замыкание называется коротким, потому что образуется, минуя прибор, т.е. по короткому пути.

Простым языком: происходит соединение положительного и отрицательного проводника (короткий путь), что приводит к тому, что значение сопротивления становится равно 0. Для нормального функционирования механизма необходимо сопротивление, а его отсутствие вызывает сбой в работе источника напряжения, что приводит к замыканию.

КЗ — это любое соединение проводников с разным потенциалом между собой или с землей. КЗ возникает только в том случае, если такое объединение не запланировано конструкцией данного прибора или механизма. Например, соединение между любыми точками разных фаз или объединение фазы и 0, когда образуется разрушительный ток, превышающий все критические значения электрической схемы устройства.

В чем опасность?

Последствия короткого замыкания могут быть следующими:

  1. Падает уровень напряжения в электро цепи. Это может привести к выходу из строя и обгоранию электрического прибора или сбоям в функционировании устройства.
  2. Повреждения механического и термического типа: обрыв цепи, повреждение проводки или отдельных проводов, розеток и выключателей.
  3. В зависимости от мощности короткого замыкания возможно возгорание проводки и расположенных рядом с ней материалов и предметов.
  4. Деструктивное электромагнитное воздействие на телефонную линию связи, компьютер, телевизор и другие электроприборы.
  5. Опасность для жизни. Если в момент возникновения замыкания человек находится рядом с источником КЗ, то он может получить ожоги.
  6. Нарушается функционирование электропоставляющих систем.
  7. В зависимости от параметров КЗ возможны сбои в работе подземных коммуникаций при электромагнитном воздействии.

Многих людей интересует вопрос о том, как посчитать, чему равна сила тока при коротком замыкании. Для этого необходимо воспользоваться законом Ома: сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению на ее концах и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.

Вычисление КЗ осуществляется по формуле: I= U/R (I — сила тока, U — напряжение, R — сопротивление).

Виды короткого замыкания и их причины

Существуют такие виды КЗ, как:

  1. Однофазное КЗ. Повреждение на линиях электропередачи, когда 1 из фаз электрической системы замыкается на землю или на элемент, который соединен с землей. Причиной замыкания может стать неправильное заземление.
  2. Двухфазное КЗ. Тип замыкания, возникающий между 2 фазами с различным потенциалом в электроэнергетической цепочке. Причина — нарушение изоляции проводов. Также это может быть одновременное соединение 2 фаз не между собой, а на землю.
  3. КЗ трехфазное (симметричное). Замыкание 3 фаз друг на друга. Причиной может стать механическое повреждение изоляционного покрытия, перегрев и пробой в изоляции или схлестывание проводов.
  4. Межвитковое. Такой тип замыкания характерен для электрических машин. В этом случае происходит замыкание витков механизма обмотки статора, трансформатора или ротного устройства между собой.
  5. Замыкание на металлический корпус прибора или системы. Такое короткое замыкание возникает при нарушении изоляции проводки на металлическом корпусе.

Варианты защиты от КЗ

В качестве защиты от возникновения короткого замыкания можно использовать:

  • реакторы электрического типа, которые будут ограничивать ток;
  • распараллеливание электрической цепи;
  • отключение секционных выключателей;
  • трансформаторы понижающего типа с расщепленной обмоткой с низким уровнем напряжения;
  • быстродействующие коммутационные аппараты, в которых есть опция ограничения поступления тока;
  • плавкие предохранительные элементы;
  • установку автоматических выключателей;
  • своевременную замену изоляционного покрытия проводов и регулярный осмотр проводки на наличие дефектов;
  • устройства релейной защиты, которые будут отключать поврежденные участки цепи.

Автоматы можно устанавливать только на всю систему, а не на отдельные фазы и цепь нуля. В противном случае во время замыкания выйдет из строя нулевой автомат, а вся электросеть окажется под напряжением, т.к. фазный автомат будет включен. По этой же причине не рекомендуется устанавливать провод меньшего сечения, чем может позволить автомат.

Добавить комментарий