Что такое короткое замыкание (КЗ): в чем причина, виды, защита, определение для чайников

Высокий ток КЗ – это хорошо или плохо?

Как я показал на графике ранее, чем дальше место замыкания от источника питания, тем меньше будет ток короткого замыкания, поскольку сопротивление линии будет больше. Высокий ток КЗ обычно бывает в тех местах электросети, которые расположены наиболее близко к подстанции, а кабельные линии имеют большое сечение проводов.

В питающих сетях с напряжением 0,4 кВ относительно высокими считаются токи КЗ более 6кА, а токи КЗ выше 15 кА практически не встречаются. Итак, что мы имеем:

Минусы низкого тока КЗ

• большое падение напряжения при достаточно мощной нагрузке;
• как правило, низкое напряжение на электроприборах. При этом стабилизатор поможет не всегда;
• нестабильность напряжения на электроприборах в зависимости от времени суток или времени года. По нормам на напряжение и его допуски я провёл расследование;
• высокое (вплоть до бесконечности) время срабатывания автоматических выключателей при КЗ на землю (работает только тепловой расцепитель);
• необходимость установки автоматических выключателей с характеристикой отключения “В” с целью более вероятного срабатывания электромагнитного расцепителя при КЗ. Этот спорный вопрос обсуждается в моей статье на Дзене Зачем ставить автоматы с характеристикой “В”;
• обязательная установка УЗО – при этом, кроме своих “основных” обязанностей (отключение питания при высоком токе утечки, а также для защиты человека при прямом и косвенном прикосновении), УЗО выполняет функцию защиты от КЗ на землю (ПУЭ 1.7.59, 7.1.72).

Плюсы низкого тока КЗ

• можно устанавливать дешевые автоматические выключатели с низкой номинальной наибольшей отключающей способностью (Icn = 4500 А);
• сравнительно легко можно обеспечить селективность между вводным и нижестоящим автоматами. Но нужен расчет и измерение точного значения тока КЗ,
• низкий пусковой ток электродвигателей и другой инерционной нагрузки. Статья Что такое пусковой ток, как его измерить и посчитать.

Минусы высокого тока КЗ

• невозможность обеспечить селективность между вышестоящими и нижестоящими автоматами. Выход – установка рубильника либо селективного по времени автоматического выключателя;
• необходимость установки АВ с высокой номинальной наибольшей отключающей способностью (Icn = 6000, 10000 А и т.д.). Отключающая способность должна быть выше, чем ток КЗ в начале защищаемого участка (ПУЭ п. 3.1.3);
• большие негативные последствия при возникновении КЗ.

Плюсы высокого тока КЗ

• легко гарантировать стабильное напряжение на нагрузке и вообще качество электроэнергии;
• имеется перспектива подключения новых потребителей и увеличения нагрузки;
• гарантированное отключение линии при КЗ.

Резюмируя плюсы и минусы, можно сказать, что значение тока КЗ – палка о двух концах. В бытовом секторе ток КЗ часто бывает низким, и его стараются увеличить, прокладывая новые линии с высоким сечением проводов и устанавливая новые трансформаторные подстанции. В серьезной энергетике наоборот, применяют методы по уменьшению тока КЗ.

Чем КЗ отличается от перегрузки

Если фазу и ноль электрической сети соединить под напряжением друг с другом не через потребитель, а напрямую, то возникнет короткое замыкание, сокращенно КЗ. Коротким замыканием называется соединение проводников отдельных фаз между собой или с землей через относительно малое сопротивление, принимаемое равным нулю при глухом металлическом коротком замыкании.

Никакая сеть не предназначена для длительной работы в таком режиме. Однако данный аварийный режим иногда возникает. Так, короткое замыкание может случиться из-за нарушения изоляции электропроводки или из-за случайного замыкания разноименных проводников проводящими частями электрооборудования. Нормальная работа электрической сети будет нарушена. Чтобы это нежелательное явление предотвратить, электрики используют клеммники либо просто изолируют соединения.

Будет интересно Что такое мощность электрического тока и как ее рассчитать

Проблема режима КЗ заключается в том, что в момент его возникновения в сети многократно увеличивается ток (до 20 раз превышает номинал), что приводит к выделению огромного количества джоулева тепла (до 400 раз превышает норму), поскольку количество выделяемой теплоты пропорционально квадрату тока и сопротивлению потребителя.

Теперь представьте: сопротивление потребителя здесь — доли ома проводки, а ток, как известно, тем выше, чем меньше сопротивление. В итоге, если мгновенно не сработает защитное устройство, произойдет чрезмерный перегрев проводки, провода расплавятся, изоляция воспламенится, и может случиться пожар в помещении. В соседних помещениях, питаемых этой же сетью, упадет напряжение, и некоторые электроприборы могут выйти из строя.

Типичный вид короткого замыкания для жилых квартир — однофазное короткое замыкание, когда фаза смыкается с нулем. Для сетей трехфазных, например в цеху или в гараже, возможно трехфазное или двухфазное короткое замыкание (две фазы между собой, три фазы между собой, или несколько фаз на ноль). Для трехфазного оборудования, такого как асинхронный двигатель или трехфазный трансформатор, характерно межвитковое замыкание, когда витки замыкаются накоротко внутри обмотки статора или внутри обмотки трансформатора, шунтируя остальные рабочие витки и выводя таким образом прибор из строя.

Или замыкание может случиться через проводящий корпус прибора. Вообще проводящие корпуса следует заземлять, дабы защитить персонал от случайного поражения током, а провода в квартирах использовать те, что в негорючей изоляции. Есть еще один вид аварийного режима нагрузки электрической сети, связанный с превышением нормального тока.

Это так называемая перегрузка. Перегрузки иногда возникают в квартирах, в домах, на предприятиях. Это опасный режим, порой более опасный, чем короткое замыкание. Ведь короткое замыкание в квартире может быть на корню остановлено мгновенно сработавшим автоматическим выключателем в щитке. А вот токовая перегрузка — случай более хитрый.

Выключатели для защиты от короткого замыкания.

Представьте себе, что в одну единственную розетку вы решили понавтыкать множество электроприборов через тройник да через удлинители. Что нежелательного может в этом случае произойти? Если жила проводки, подведенный к розетке, не рассчитана на ток более 16 ампер, то при включении в такую розетку нагрузки более 3500 ватт начнется перегрев электропроводки чреватый пожаром.

Вообще тепловое воздействие на изоляцию проводов резко снижает ее механические и диэлектрические свойства. Например, если проводимость электрокартона (как изоляционного материала) при 20°С принять за единицу, то при температурах 30, 40 и 50°С она увеличится в 4, 13 и 37 раз соответственно.

И тепловое старение изоляции наиболее часто возникает именно из-за перегрузки электросетей токами, превышающими длительно допустимые для данного вида и сечений проводников. Также нельзя в розетку, на которой указано 250 В 10 А, включать потребителей более чем на 2500 Вт, ибо может начаться перегрев контактов, ведущий к их ускоренному окислению. Для защиты от перегрузок в квартире, а также для мгновенного купирования режима КЗ, используйте автоматические выключатели.

Как автоматы спасают от короткого замыкания

Принцип их работы построен на тепловом и электромагнитном расцепителях. Тепловой сделан в виде биметаллической пластины, которая при перегрузках на линии деформируется и приводит в действие механизм расцепления.

Электромагнитный – построен на работе магнитного поля, возникающего при прохождении тока в разы превышающего номинальный и срабатывает за доли секунды. Таким образом мгновенный разрыв контактов спасает от серьезных последствий короткого замыкания. Выбирают автоматы по двум параметрам:

• Номинальному току, который безопасно пропускает тепловой расцепитель;
• Времятоковой характеристике – задержке перед срабатыванием.

Сделать это не сложно, и можно даже самостоятельно. Так например, многие интернет магазины предлагают хорошие каталоги с детальными характеристиками автоматических вылючателей.

Расчет номинала

Прежде необходимо рассчитать максимальную нагрузку на линии. Например, если нужно защитить розеточную группу с нагрузкой не более 3 кВт нужен номинал 16А. Расчет делается по простой формуле:

• для однофазной сети I = P/ U;
• для трехфазной I = P / (U×cosφ),

где I – сила тока (А), P – максимальная нагрузка (Вт), U – сетевое напряжение (В), cosφ – коэффициент мощности, по умолчанию равняется √3 или 1,7.

Расчет времятоковой характеристики

Характеристика расцепления выбирается исходя из набора потребителей. Например, все электрооборудование, работающее на электромоторах издает пусковые токи, в несколько раз превышающие номинальный. Чтобы расцепитель на них не реагировал, ему нужна небольшая задержка перед срабатыванием. Автоматические выключатели делятся на три типа:

• B – с наименьшей задержкой перед срабатыванием. Ставятся на линии без пусковых токов (освещение, нагревательные приборы и пр.);
• C – со средней задержкой, для розеток, куда время от времени могут подключаться потребители с электромоторами;
• D – с наибольшей задержкой, предназначены для линий с высокими пусковыми токами (водяные насосы, холодильники и пр.).

В быту часто ставят автомат по селективному методу, когда самый мощный стоит на вводе, чуть слабее – на розетках и еще слабее – на отдельных потребителях. В таком случае при возникновении КЗ первым сработает АВ наименьшего номинала на линии, а остальные сетевые ветки продолжат работать.

Например, если стоит хоть один автомат типа D, на вводе должен стоять такой же, не ниже, иначе при аварии вводной АВ сработает первым и вся сеть останется обесточенной. По такому же принципу ставят и УЗО.

Полезное КЗ

Ток, возникающий по причине подобного явления, может принести не только разрушение, но и пользу. Существует ряд оборудования, функционирующего в условиях повышенного значения тока. Классическим примером таких устройств является электродуговая сварка. Ее работа обусловлена соединением сварочного электрода и контура заземления.

При существенных перегрузках функционирование таких аппаратов кратковременно. Его обеспечивает сварочный трансформатор большой мощности. В месте, где происходит соприкосновение 2 электродов происходит выработка тока довольно значительной силы. Это приводит к выделению большого количества тепловой энергии, которой достаточно для плавления металла в области соприкосновения. Таким процессом обеспечена работа сварки. Шов получается аккуратным, долговечным и прочным.

Основные причины возникновения короткого замыкания в бытовой электропроводке

• старение изоляции приводит к ее разрушению, особенно в местах пересечений и перегибов. На состояние изоляции оказывает разрушающее воздействие высокая влажность;
• механическое повреждение изоляции между проводами. Очень часто подобное повреждение возникает из-за вбивания обычного гвоздя прямо в скрытую в стене проводку. При проведении различных строительных работ рекомендуется определиться с расположением проводки в стене;
• проводка не рассчитана на реальную потребляемую мощность, поэтому в процессе эксплуатации проводка нагревается, а изоляционный слой плавится;
• в любом электрическом приборе может возникнуть неисправность, которая приведет к КЗ в сети;
• известны случаи возникновения короткого замыкания из-за крыс, перегрызающих кабель.

Как УЗО защищает от аварий

В отличие от автоматов, УЗО защищает не от КЗ, а от его предвестника – утечки тока. Принцип работы построен на измерении разницы электричества на фазе и нейтрали. Например, если где-то повредилась изоляция и фазный провод коснулся металлической поверхности, возникнет утечка – в квартиру войдет больше электричества, чем выйдет. УЗО сразу среагирует и расцепит линию.

Иногда утечки возникают в поврежденных электроприборах. И если их вовремя не выявить, с большой вероятностью случится короткое замыкание или Вас ударит током. Выбирается дифзащита по трем основным параметрам:

• номиналу – как и автомат, рассчитывается по максимальной нагрузке на линии;
• току утечки – разнице электричества на фазе и нейтрали, при которой срабатывает расцепитель;
• характеристике расцепления – типу утечек, на которые реагирует дифзащита.

Как выбрать номинальный ток УЗО

Рассчитывайте аналогично автомату, по тем же формулам для однофазной и трехфазной сети. Главное, чтобы УЗО защищающее линию было не ниже по номиналу чем АВ, иначе в случае КЗ оно сгорит раньше, чем сработает АВ.

В качестве комплексного решения пользователи часто покупают дифавтоматы (это устройство совмещающее в себе автомат и УЗО в одном корпусе). Так можно немного сэкономить место в щитке.

Какое значение тока утечки где лучше поставить

По данному параметру УЗО делятся на два типа:

• защитное на 10мА или 30мА – защищает человека от поражения электричеством;
• противопожарное на 100мА и выше, защищает от утечек, провоцирующих возгорания.

В быту принято ставить защитное на комнаты и противопожарное на вводе. В детской и ванной рекомендуется поставить 10мА, так как дети более уязвимы к току, чем взрослые, а вода усиливает его действие. На комнатные розетки обычно ставят 30мА – это максимум, который без вреда выдерживает среднестатистический человек.

На вводе обычно ставят 100мА, 300мА или 500мА, если сеть большая. Дело в том, что практически везде возникают небольшие потери электричества от сопротивления проводника, нагрева изоляции и пр. Чем больше длинна проводов и потребителей, тем больше потерь, потому на вводе должно стоять УЗО с большим значением утечки, иначе оно будет постоянно выбивать.

На что влияет характеристика расцепления

УЗО делятся на два типа:

• АС – реагирующие на утечки синусоидального переменного тока. Ставится на линии без сложной электроники;
• А – реагирующее, кроме синусоидального еще и на пульсирующий постоянный ток. Устанавливается на технику с блоками питания и сложную электронику (компьютеры, телевизоры и пр.), где часто возникают такие утечки.

В основном в быту ставится тип «АС», так как он дешевле. Это рационально, если на линии только электроприборы без плат и микросхем. Но на сложную электронику все же лучше поставить тип «А».Так Вы быстрее выявите и устраните неисправность.

Даже если авария и случится, автоматика и дифзащита мгновенно на нее среагируют и Вы сможете быстро найти и устранить причину. Чтобы не подвергать опасности себя и свой дом, придерживайтесь двух правил:

1. Делайте регулярные проверки состояния проводки и электротехники;
2. Поставьте качественные и правильно подобранные автоматы и УЗО.

Таким образом Вы сделаете домашнюю сеть безопасной и эффективной.

Что делать, если замкнуло: экстренные действия

В случае отключения электроэнергии в доме следует убедиться, что произошла авария в доме. О проблемах «расскажут» дым и едкий запах расплавившейся пластмассы.

Необходимо отключить автоматы, выкрутить пробки на электрическом  щитке, отсоединить из розеток электроприборы. Открытый огонь лучше сбить, накрыв одеялом или плотной тканью.

Если припасен порошковый (автомобильный) или углекислотный огнетушитель, обязательно задействуйте его в тушении. Нельзя поливать очаг возгорания водой!

Причины серьезных неисправностей электропроводки разнообразны, но в большинстве случаев известны. Возникновение КЗ связано с неправильной эксплуатацией и нарушением при монтаже электропроводки п.2.1.21 правил ПЭУ.

Чтобы защитить дом от коротких замыканий используйте автоматические выключатели или предохранители

Практически все новые или обновленные системы электропроводки защищены главной сервисной панелью, на которой размещены отдельные автоматические выключателями, управляющие отдельными цепями в доме. В старых установках проводки аналогичная защита обеспечивается предохранителями. В автоматических выключателях используется внутренняя система пружин или сжатого воздуха, чтобы определять изменения в протекании тока и разрывать соединение цепи при возникновении нарушений, таких как внезапное беспрепятственное протекание тока, возникающее во время короткого замыкания.

Электрическая дуга

Электрическая дуга

Электрическая дуга имеет очень высокую температуру (1500-4000 °С) и может воспламенить практически любой горючий материал, соприкасаясь с ним непосредственно, а также посредством лучистой теплоты. Электрическая дуга образуется в результате устойчивого электрического разряда между двумя металлическими элементами электрической установки, имеющими разные потенциалы. В электрической дуге происходит интенсивная ионизация газового промежутка, плавление и горение металла. Кроме того, происходит интенсивное разбрызгивание расплавленных частиц металла, имеющих большой запас тепловой энергии, которые попадая на горючие материалы, могут зажечь их.

Устойчивая электрическая дуга наиболее часто может возникать при коротком замыкании в газовых трубах или бронированных кабелях и значительно реже в электропроводах. При этом, по мере расплавления и сгорания токоведущей жилы электрического проводника, брони, трубы, или другой защитной оболочки, дуга может перемещаться вдоль их поверхностей в сторону источника питания, оставляя точечные или распределенные по длине проплавления. При электрической дуге по цепям протекают токи короткого запасания, Поэтому при образовании электрической дуги в аварийном режиме в электрической цепи возникают вторичные (побочные) явления, характерные для короткого замыкания. При этом нередко источники зажигания появляются не только в месте образования дуги, но и в других местах электрической цепи, но направлению к источнику питания. В случаях, не предусмотренных нормальным режимом эксплуатации электроустановок, возникновение электрической дуги чаще всего происходит при коротком замыкании.

Одним из широко известных примеров использования электрической дуги в производстве является электрическая сварка, при которой по проводникам протекают значительные токи и выделяется большое количество тепловой энергии.

Процесс электрической дуговой сварки, как правило, сопровождается возникновением:

• нагретых до высокой температуры или даже раскаленных свариваемых, деталей, конструкций или их отдельных участков;
• разлетом на значительные расстояния сравнительно больших по размерам частиц расплавленного металла;
• нагревом контактных элементов и электрических проводников в местах неплотных соединений;
• искрения в местах некачественного соединения или подсоединения электрических проводов к сварочному аппарату, свариваемым деталям и конструкциям.

Профилактика КЗ

Выполнить профилактические действия безопаснее, надежнее и дешевле, чем восстанавливать проводку после КЗ. Периодически нужно проверять розетки. Если они начинают искрить, нужно их ремонтировать или менять.

Если производилась частичная замена проводки, следует проверять надежность мест соединения, целостность изоляционного слоя.

Раз в несколько месяцев следует проверять источники света, осветительную сеть и силовые провода. Короткое замыкание может возникать со временем. Выявить его можно по изменению цвета устройств или их плавлению. В квартире обязательно должны стоять автоматические выключатели. На мощные электроприборы ставятся отдельные средства защиты, которые должны сработать при аварийной ситуации.

При самостоятельном проведении монтажа электропроводки важно правильно рассчитывать сечение кабеля. Если оно не способно выдержать мощность всех подключаемых приборов, будет происходить перегрузка, приводящая к короткому замыканию

Кабели не должны укладываться тесно друг с другом – это может привести к повреждению защитного слоя. Также при соединении надо правильно выбрать способ создания контакта и приобрести заранее необходимое оборудование. Нельзя соединять провода методом скрутки.

Если надо сверлить стену, следует проверить место самодельным металлоискателем или изучить схему электропроводки. Таким образом можно обнаружить кабель скрытой проводки, который мастер мог бы случайно повредить.

Виды коротких замыканий и их характеристики.

Выше было отмечено, что для выработки и потребления электрической энергии наибольшее распространение нашли трехфазные системы переменного тока с изолированной и заземленной нейтралью. В общем случае в таких системах могут возникнуть трехфазные, двухфазные и однофазные короткие замыкания, а также замыкания между фазными проводами и землей. Разберем более подробно виды коротких замыканий, возникающих в различных системах (рис. 28). В системах, работающих с изолированной (незаземленной) нейтралью, короткие замыкания могут быть трехфазные в одной точке (рис. 28, а); двухфазные в одной точке (рис. 28, б); двухфазные в двух точках при замыкании фаз на землю (рис. 28, в).
В системах с заземленной нейтралью встречаются следующие короткие замыкания: трехфазные в одной точке (рис. 28, г); двухфазные в одной точке (рис. 28, д); двухфазные на землю в одной и в двух точках (рис. 28, е); однофазные на землю (рис. 28, ж) или на заземленный нулевой провод (в четырехпроводных системах).

В системах с изолированной нейтралью большинство аварий (около 90%) приходится на двухфазные короткие замыкания и лишь небольшая часть приходится на трехфазные короткие замыкания. В системах, работающих с заземленной нейтралью, наиболее часто встречаются однофазные короткие замыкания (65%), затем двухфазные на землю (20%), двухфазные (10%) и трехфазные (5%). Таким образом, подавляющее большинство коротких замыканий является несимметричным (к симметричным коротким замыканиям относятся лишь трехфазные). Рассмотрим, как меняются в общих чертах токи и напряжения при различных видах коротких замыканий.
При трехфазных коротких замыканиях (рис. 28, а и г) все три фазы А, В и С замыкаются между собой. В точке короткого замыкания К(3) все линейные и фазные напряжения равны нулю, а токи во всех трех фазах равны по величине и сдвинуты друг относительно друга на угол 120° (имеем случай симметричного короткого замыкания). При двухфазном коротком замыкании между фазами В и С (рис. 28, б и д’) линейное напряжение между поврежденными фазами в точке короткого замыкания К(2) будет равно нулю, а фазные напряжения не равны нулю, так же как не равно нулю и напряжение неповрежденной фазы А. Токи короткого замыкания в поврежденных фазах равны по величине и направлены в разные стороны (несимметричное короткое замыкание). Таким образом, условия для этого вида короткого замыкания могут быть записаны так: ток короткого замыкания в фазе А отсутствует (она не повреждена), следовательно Iка == 0; в поврежденных фазах В и С токи IКв = —Iκc, а напряжения UКв=Uкс.
При двухфазном замыкании на землю в одной точке в системе с заземленной нейтралью (рис. 28, е) фазные напряжения в поврежденных сказах В и С в точке R(2) равны нулю, а в неповрежденной фазе А оно остается почти неизменным. Токи короткого замыкания в поврежденных фазах равны по величине и сдвинуты друг относительно друга на некоторый угол. В случае однофазного короткого замыкания на землю (рис. 28, ж) фазное напряжение поврежденной фазы А в точке К(1) будет равно или почти равно нулю, а напряжение в неповрежденных фазах В и С имеет почти нормальную величину. Сумма фазных напряжений не равна нулю. Ток замыкания на землю протекает только в поврежденной фазе А (случай несимметричного короткого замыкания). В сокращенном виде условия режима однофазного короткого замыкания можно записать следующим образом: Iкв = 0; Iкс =0, Iка =0· Остальные векторы напряжений и тока показаны на векторной диаграмме рис. 28, ж.
Таким образом, большинство из рассмотренных видов коротких замыканий характеризуется несимметричной системой векторов тока и напряжения в точке короткого замыкания. Наибольшую величину имеет ток однофазного короткого замыкания, однако путем принятия специальных мер (например, заземлением не всех нейтралей установки) добиваются, чтобы его величина не превышала тока трехфазного короткого замыкания. При возникновении аварии несимметричные короткие замыкания переходят в симметричные короткие замыкания всех трех фаз (при развитии аварии) и это приводит к особо тяжелым последствиям. Поэтому при эксплуатации электроустановки следует предотвращать всякую возможность появления коротких замыканий. Для отключения токов короткого замыкания на станциях и подстанциях устанавливаются масляные выключатели, отделяющие поврежденные участки сети.

• Назад
• Вперёд

Короткое замыкание: что это такое?

Казалось бы, что может быть сложного в пользовании электрическим чайником или стиральной машиной? А ещё – параллельно включенным в розетку телефоном, пылесосом и обогревателем… Собственно, ничего. Включил – и пользуйся. Но – не всем сразу. О том, что перегружать сеть электроприборами недопустимо – знает каждый школьник! 

Не зря статистика гласит: возгорания по причине перегруженной сети и как следствие — короткого замыкания (вызванные нарушением правил эксплуатации и монтажа электрооборудования) занимают второе место в общей их массе!

Таким образом, короткое замыкание – это недопустимое состояние электрической цепи, при котором ток направляется не по «заданному» маршруту, где электрическое сопротивление находится в норме, а идёт путём, где нужные условия отсутствуют, что и приводит к возгоранию или искрению…