Тепловое воздействие токов короткого замыкания

Что такое ток короткого замыкания

Несмотря на свою очевидную пользу, электрическая энергия, в определенных условиях, представляет серьезную опасность. Среди всех негативных факторов, более всего оказывает отрицательное воздействие ток короткого замыкания, способный нанести вред не только приборам, бытовой технике, оборудованию, но и обслуживающему персоналу. КЗ возникает в результате электрического взаимодействия разных фаз друг с другом или с землей. В точках соприкосновения в цепи наблюдается резкий рост силы тока, многократно превышающий предельно допустимые значения. В результате, возникает аварийная ситуация.

1. Понятие короткого замыкания
2. Причины опасной ситуации
3. Разновидности коротких замыканий
4. Опасность и последствия
5. Защитные и профилактические мероприятия
6. Как использовать короткое замыкание

Природа негативного явления

Чтобы лучше понять происхождение этого явления, следует сделать короткое замыкание своими руками. Для этого нужно собрать простейшую электрическую цепь из батарейки, лампочки и оголенных проводов. Как только будут соединены проводами источник питания и устройство, то по цепи пойдет ток, и лампочка загорится. Провода, идущие к лампочке, необходимо замкнуть любым металлическим отрезком. Ток начнет проходить по новому проводнику и через лампочку.

Но так как сопротивление провода очень мало, то весь ток будет протекать через него. Если говорить простым языком, короткое замыкание — это кратчайшее прохождение электрического тока по пути, где наименьшее сопротивление в цепи. Проводок сильно нагреется, так как, согласно Закону Ома из физики, по нему потечет ток большого значения. В результате сильного нагрева возможен обрыв проводов или их возгорание. В больших масштабах часто из-за этого явления возникают пожары.

Активные устройства защиты

Наиболее разнообразные по принципу работы и назначению виды защиты.

Стабилизаторы

Защита от перепадов напряжения является залогом безаварийной работы многих электроприборов. В цепях переменного тока стабилизаторы делают на основе автотрансформаторов, которые в чистом виде являются пассивными. Для их активизации в схему включается устройство, сравнивающее входное и выходное напряжение. По способу реакции на отклонение от заданных параметров они бывают двух типов:

1. Релейные, в которых группа силовых реле обеспечивает переключение точки съема напряжения с обмотки автотрансформатора.
2. Серверные – бегунок на автотрансформаторе вращается электромотором специального назначения (сельсин-датчик). Чем больше разница между напряжениями на входе и выходе, тем на больший угол он поворачивается.

Больше узнать о стабилизаторах можно узнать тут.

Предохранители, термореле и автоматические выключатели

Наиболее простым способом защита от перегрузки осуществляется так называемыми плавкими предохранителями. Основой их конструкции является металлический проводник, сечение и длина которого позволяют выдерживать ему токи определенной величины. При их лавинообразном нарастании в случае короткого замыкания металл нагревается и плавится, разрывая цепь.

Недостатком предохранителей является их одноразовость, а также неизбирательность действия: они могут или не успеть отключить потребителя или сделать это слишком рано. Последний случай характерен для запуска асинхронных электродвигателей, обмотки которых соединены треугольником. Он сопровождается трехкратным увеличением силы тока в цепи.

Электрическая перегрузка может быть вызвана излишним физическим сопротивлением работе электродвигателя. Для ее предотвращения используются термореле. Это устройство состоит из отрезка нихромовой проволоки, играющей роль нагревательного элемента, и биметаллического размыкателя, вокруг которого она обвита.

Чрезмерная нагрузка на валу провоцирует увеличение силы тока в обмотках. Это, в свою очередь, ведет к нагреванию чувствительного элемента реле, деформации контактов размыкателя и отключению потребителя от сети. Такие защитные устройства не рассчитаны на мгновенное отключение в случае аварии. В этом их главный недостаток.

Автоматические выключатели – это комплексные устройства, реагирующие на два проявления действия электрического тока – притягивание проводников и нагрев. В их конструкции есть соленоид – катушка с подвижным сердечником, и биметаллический контакт.

Первый срабатывает при превышении тока сверх номинального, возникающего чаще всего при коротком замыкании. Однако, если потребляемый электроустановкой ток выше указанного на корпусе автоматического выключателя, то он будет отключать сеть и при обычных условиях. Достоинство этого прибора в их универсальности и возможности мгновенного отключения потребителей.

Дифференциальные измерители

Это такие аппараты защиты, действие которых основано на определении дисбаланса между фазной линией и технической нейтралью – общей точке трех фазных обмоток, включенных по схеме «звезда». Они могут использоваться как для защиты электроустановок, так и людей. Их называют УЗО – устройство защитного отключения.

В основе их конструкции лежит дифференциальный трансформатор. Он состоит из ферритового кольца и одной обмотки на нем, которая и играет роль индикатора дисбаланса. В однофазной бытовой сети через ферритовое кольцо пропущены фазный проводник и нейтраль. Направления токов в них противоположны и уравновешивают друг друга, поэтому во вторичной обмотке ток не течет.

Если человек касается токоведущей части и электричество уходит через него в землю, то в нейтральном проводнике движение электронов прекращается, баланс нарушается и во вторичной обмотке возникает ток. Он усиливается и приводит к движению сердечника соленоида, который размыкает контакты. Подробнее об устройстве и принципе работы УЗО читайте здесь.

Защита генераторов и других промышленных электроустановок осуществляется трехфазными УЗО. Принцип их работы тот же, что и однофазного. Однако они способны реагировать не только на замыкание фазы на землю, но также на обрыв одной из них или замыкание между ними.

Отличие дифференциальных автоматов от выключателей в том, что они срабатывают мгновенно, без временной задержки. Поэтому на их корпусе нет буквенных маркировок: A, B, C или D. Только номинал срабатывания, величина которого в тысячи раз меньше, чем у автоматического выключателя.

Для сравнения: автоматический выключатель С32 срабатывает при пятикратном превышении рабочего тока – 160 ампер. УЗО, для которого ток в 32 ампера может быть номинальным, срабатывает при возникновении дисбаланса между фазами, исчисляемому в миллиамперах (стандартными являются значения от 10 до 300 мА).

В последнее время электротехническая промышленность стала выпускать защитные устройства, в которых объединены УЗО и АВ. Их называют «автоматические выключатели дифференциального тока» и обозначают как АВДТ. Они защищают от комплекса аварийных ситуаций: всех видов коротких замыканий, а также физической перегрузки, сопровождающейся нагревом проводников.

Их применение существенно упрощает проведение электромонтажных работ и позволяет одновременно защитить как электроустановку, так и людей, ее обслуживающих. Чтобы научиться отличать АВДТ от УЗО, ознакомьтесь с этой статьей.

Включение устройств защиты в схемы питания электроустановок является обязательным условием их безаварийной эксплуатации. Оно регламентируется своеобразной библией электрика – Правилами устройства электроустановок (ПУЭ). А также другими документами. Такими, как Правила технической эксплуатации электроустановок (ПУЭ) и Межотраслевые правила охраны труда при эксплуатации электроустановок (МПОТ).

Виды реакторов

По типу установки реакторы делятся на:

• Устройства наружной установки. Предназначены для эксплуатации под открытым небом, без дополнительной защиты от непогоды.

• Аппараты внутреннего исполнения. Применяются только в закрытых помещениях (ЗРУ), обеспечивающих защиту от внешней среды.

По классу напряжения:

• Среднего напряжения (3 – 35 кВ).

• Высокого напряжения (110 – 500 кВ).

• Межсекционные. Предназначены для создания электрической связи между секциями распределительного устройства, включаются они последовательно с межсекционным выключателем. В момент возникновения короткого замыкания на одной из секций, токоограничивающий аппарат предотвратит бросок тока на неповрежденной секции и предотвратит ложное срабатывание ее защит.

• Фидерные. Устанавливаются на отходящие фидерные линии и предназначены для дугогашения при коротком замыкании на линии. Дугогасительный реактора ограничит ток и не даст развиться дуге, предотвратив повреждение оборудования. Применяются в сетях с глухозаземленной нейтралью.

• Фидерные групповые. Имеют то же назначение и принцип действия, что и фидерные реакторы, но предназначены для установки на группу отходящих присоединений.

• Броневые. Для экономии дорогостоящих материалов, при условии точного расчета токов короткого замыкания, способных возникнуть в электрической сети, допускается применять токоограничивающие реакторы с сердечником из броневой конструкции из электротехнической стали. Данные устройства обладают меньшей массой, нежели их аналоги, изготовленные по другим технологиям, размерами и стоимостью. К недостаткам броневого реактора можно отнести возможность потери им токоограничивающих свойств, при прохождении в сети токов короткого замыкании, выше, чем токи, на которые он рассчитан.

• Бетонные. Широко распространены на подстанциях до 35 кВ. Имеют малую стоимость и неприхотливы к условиям эксплуатации. Аппаратам такого рода требуется минимальное техническое обслуживание (осмотр и протяжка соединений), так как они изготавливаются из витков многожильного, изолированного провода, залитого в бетонное основание. При возникновении токов короткого замыкания, все детали устройства испытывают большие механические нагрузки, поэтому бетон для изготовления основания применяется особой прочности (вибрационный замес). При прохождении больших токов, бетонные реакторы могут быть оснащены принудительным охлаждением, в таком случае в маркировку аппарата добавляется буква «Д» — дутье. Катушки реактора располагаются встречно, для уменьшения суммарных магнитных потоков, возникающих при больших токах короткого замыкания.

• Масляные. Применяются в высоковольтных сетях (свыше 35 кВ). На каждую фазу приходится свой герметичный бак с маслом, в котором уложены витки катушки индуктивности. Масло является изолятором и одновременно охлаждает катушку, предотвращая ее перегрев и разрушение реактора. Стенки бака предохраняются от нагрева при помощи специальных магнитных шунтов и электромагнитных экранов.

Магнитный шунт. Представляет собой пакеты листовой, электротехнической стали, установленные внутри масляного бака реактора. Шунт обладает очень малым магнитным сопротивлением, благодаря чему магнитный поток катушки реактора замыкается через него, а не через стенки бака.

Электромагнитный экран. Обмотки реактора обкладываются короткозамкнутыми витками из медного или алюминиевого провода, возникающее в этих витках электромагнитное поле, противодействует полю, наводимому катушками устройства. В результате чего, сила действия основного поля значительно ослабевает или исчезает вовсе.

Во избежание разрыва бака, при перегреве реактора и в результате повышенном газообразовании масла, все аппараты, рассчитанные на напряжение 500 кВ и выше, оснащаются специальными устройствами газовой защиты (газовыми реле). Которые при закипании масла выдают команду на отключение реактора, либо на сигнал обслуживающему персоналу.

• Сдвоенные. Используются для уменьшения падения напряжения на линиях большой протяженностью. Конструктивно представляют две обмотки на каждой фазе, включаемые встречно, в результате чего индуктивность реактора стремиться к нулю, а падение напряжение уменьшается. При возникновении токов короткого замыкания, магнитное поле катушки резко возрастает и реактора работает в обычном режиме токоограничения. К недостаткам устройства можно отнести его большие массу и габариты, а также значительную стоимость (примерно в два раза, по сравнению с реактором другого исполнения).

• Сухие. Являются самой новой разработкой, внедряемой в промышленность. Они широко применяются в сетях с напряжением до 220 кВ. Сухой реактор представляет собой катушку индуктивности из кабелей, намотанную на диэлектрическом каркасе. Аппараты сухого исполнения имеют малую стоимость и хорошие показатели, как по ограничению токов короткого замыкания, так и по охлаждению обмоток.

• Сглаживающие реакторы. Этот электрический аппарат следует отметить отдельно. Сглаживающие реакторы применяются для уменьшения пульсаций выпрямленного тока в цепях питания мощных электродвигателях электровозов и электропоездов. Устройство представляет собой катушку со стальным сердечником, обладающую малым активным сопротивлением, в результате чего, реактор не оказывает влияния на постоянную составляющую выпрямленного тока. Однако переменный ток, присутствующий в цепи, рассеивается на индуктивном сопротивлении катушки.

Короткие замыкания и их классификация. Последствия КЗ на реальных примерах

Добрый день, уважаемые читатели сайта «Заметки электрика».

Давно хотел написать статью про короткое замыкание. Но все как то не доходили руки.

Сегодня решился, потому как повлияли на меня последние события, произошедшие на распределительной подстанции нашего предприятия.

Ранее в статьях мы говорили, что повреждения в электроустановках вызывают короткие замыкания, или сокращенно, к.з.

Короткое замыкание — это одно из самых тяжелых и опасных видов повреждения.

Вы спросите почему? Читайте ниже.

Википедия на этот вопрос отвечает, что короткое замыкание — это:

А теперь давайте рассмотрим подробно, что же происходит с параметрами электроустановки в момент короткого замыкания.

При возникновении короткого замыкания, напряжение на источнике питания, а правильнее назвать ЭДС, замыкается «накоротко» через небольшое (малой величины) сопротивление кабельных и воздушных линий, обмоток трансформаторов и генераторов. Отсюда и название «короткое замыкание».

В «накоротко» замкнутой цепи появляется ток очень большой величины, который и называется током короткого замыкания.

Классификация коротких замыканий

Рассмотрим классификацию коротких замыканий.

Короткие замыкания разделяются по количеству замкнувшихся фаз:

• трехфазные короткие замыкания
• двухфазные короткие замыкания
• однофазные короткие замыкания

Короткие замыкания разделяются по замыканию:

• с землей
• без земли

Короткие замыкания разделяются по количеству замкнувшихся точек в сети:

• в одной точке
• в двух точках
• в нескольких точках (более двух)

Пример

Допустим, что наш потребитель питается с подстанции через воздушную линию (ВЛ) электропередач. Питающая линия является транзитной, поэтому питание потребителя осуществляется отпайкой от линии ВЛ в точке «О».

Пунктирной линией под номером 2 показан уровень напряжения на протяжении всей воздушной линии до возникновения короткого замыкания.

По рисунку видно, что напряжение в любой точке электрической сети равно разнице ЭДС источника питания и падения напряжения в электрической цепи до необходимой нам точки.

Например, напряжение в точке «О» можно рассчитать по формуле:

Uо = E — I*Zo, где

• E — ЭДС источника питания, в нашем случае генератора
• Zo — полное сопротивление воздушной линий от источника питания до точки «О» (состоит из активного и реактивного сопротивления)
• I — ток, протекающий по воздушной линии в данный момент времени.

Аналогично, можно рассчитать напряжение в любой точке нашей воздушной линий.

Предположим, что по каким-либо причинам произошло короткое замыкание на воздушной линии, но за пределами нашей отпайки. Назовем эту точку короткого замыкания буквой «К».

Что же произойдет в момент короткого замыкания?

В момент короткого замыкания по воздушной линии проходит уже не номинальный ток, а ток короткого замыкания большой величины, поэтому возрастает падение напряжения на каждом элементе электрической цепи. А именно на сопротивлении Zo и Zк.

Самое наибольшее снижение напряжения будет в месте короткого замыкания, т.е. в точке «К». В остальных точках воздушной линии, удаленных от места к.з., напряжение снизится чуть меньше (это видно на рисунке — линия под номером 1).

В одной из своих статей я привел наглядный пример расчета токов короткого замыкания. Переходите по ссылочке и знакомьтесь с материалами.

Последствия от короткого замыкания

Мы уже выяснили, что в момент короткого замыкания происходит резкое увеличение величины тока и снижение напряжения, что приводит к следующим последствиям.

1. Разрушения

По закону известного физика Джоуля-Ленца, ток короткого замыкания, протекая по активному сопротивлению электрической цепи в течение некоторого времени, выделяет в нем тепло, которое рассчитывается по формуле:

В точке короткого замыкания это тепло, а также пламя электрической дуги, производят огромные разрушения. И чем больше ток короткого замыкания и время его прохождения по цепи, тем больше будут разрушения.

Чтобы было понятно Вам насколько эти разрушения масштабны, ниже приведу примеры из своей практики.

Короткое замыкание в кабине трансформаторов

Привод переключающего устройства РПН. Короткое замыкание произошло в обмотке асинхронного двигателя

2. Повреждение изоляции

Во время прохождения тока короткого замыкания по неповрежденным линиям, происходит их нагрев выше предельной допустимой температуры, что приводит к повреждению их изоляции.

Активная часть трансформатора. Короткое замыкание произошло по причине повреждения изоляции

Повреждение изоляции кабельной линий привело к короткому замыканию

Короткое замыкание кабеля. Последствия

3. Потребители и электроприемники

Снижение напряжения при коротком замыкании нарушает нормальную работу потребителей и электроприемников электрической энергии.

Например, асинхронный электродвигатель при снижении напряжения сети может вообще остановиться, т.к. момент его вращения может оказаться меньше момента сопротивления и трения механизмов.

Также нарушается нормальная работа и осветительных остановок. Здесь я думаю объяснять не требуется.

Смотрите наглядное видео про причины и последствия короткого замыкания в электроустановке 400 (В) на одной из наших подстанций:

А вот уже случай по-серьезнее — трехфазное короткое замыкание в сети 10 (кВ).

Вот еще фрагменты аварии, которая возникла по причине короткого замыкания в разделке кабеля 10 (кВ):

P.S. В завершении статьи на тему короткое замыкание, хочется подтвердить сказанное в начале своей статьи, что короткое замыкание является самым опасным и тяжелым видом повреждения, которое требует мгновенного и быстрого реагирования и отключения поврежденного участка цепи.

1. Виды электропроводок
2. Цветовая маркировка проводов и шин
3. Измерение сопротивления изоляции
4. Как правильно установить электросчетчик
5. Расчет сечения кабеля. Программа Электрик
6. Как определить сечение провода?

57 комментариев к записи “Короткие замыкания и их классификация. Последствия КЗ на реальных примерах”

Где стоял асинхронник, если РПН так разворатило?

Асинхронный двигатель переключающего устройства стоял в приводе в правом нижнем углу. Там видно оставшиеся секции обмоток. При коротком замыкании произошел пожар внутри привода и сгорело абсолютно все.

Чёткая и понятная инструкция, что делать если случается короткое замыкание. Спасибо! Берём вместе с мужем в заметки!

Приехал только что из командировки, здание ТП осело примерно на 30 см, в результате сильных дождей перезамыкало всё что могло (ввод с земли был). Если интересует, могу фото в коллекцию прислать.

Присылайте. С удовольствием размещу их в данной статье.

Одно маленькое короткое замыкание — и такие последствия! Как Вы разбираетесь потом в этих руинах.

Ничего сложного. Все сгоревшее электрооборудование демонтируется, а на его месте монтируется все заново.

Мда… Я в 2007 году видел последствия короткого замыкания в одном студенческом общежитии. Это было полностью выгоревшее крыло здания — чёрные стены, чёрный потолок и покорёженный расплавленный электрощиток. Зрелище жуткое.

На фоне этого меня поразило отсутствие какой-либо пожарной безопасности в том общежитии — я не знаю, что там стояли за автоматы, но при коротком замыкании они по прежнему не срабатывали.

Ещё больше меня поразило то, что у большинства иностранных студентов из Индии, которые учились на 1-м курсе ДГУ, всё понятие об электричестве сводилось к вставлению вилки в розетку и нажатию на кнопки аппаратуры. Всё! И если на шнуре питания будут выглядывать оголённые провода, которые будут ещё и коротить друг с другом, им абсолютно по барабану, на такие вещи они никогда не обращают внимания, даже если прямо на глазах у них бахнет в момент включения прибора в розетку, они не знают, что нужно делать.

И вот однажды прямо на моих глазах так и произошло — один студент из Индии захотел включить электрокипятильник, на котором у рукоятки провод был повреждён, и вставил вилку в розетку. Тут как бахнет с яркой вспышкой, смотрю на студента, тот сидит перепуганный, не знает что делать, я ему кричу «выдёргивай из розетки. » Вилку он выдернул, ну а свет в комнате конечно же не погас, т.е. никакой защиты от короткого замыкания не было либо она не сработала.

Студент из Индии смотрит на меня перепуганным взглядом и спрашивает, что произошло ? Я показываю ему на чёрную от сажи розетку, вилку и на чёрный обугленный провод в месте короткого замыкания. Тут и выяснилось, что он ничего не знал на эту тему, попытался ему объяснить, что такое короткое замыкание, чем оно грозит, и почему нужно всегда обращать внимание на отсутствие повреждений проводов всего того, что включается в розетку.

М-да, жесть…и не только из Индии, половина Азии в том числе.

Виды коротких замыканий и их причины

В быту короткие замыкания бывают:

• однофазные – когда фазный провод замыкается на ноль. Такие КЗ случаются чаще всего;
• двухфазные – когда одна фаза замыкается на другую;
• трехфазные – когда замыкаются сразу три фазы. Это самый проблемный вид КЗ.

Например, утром в воскресенье ваш сосед за стенкой соединяет фазу и ноль в розетке, включив в нее перфоратор. Это значит, что цепь замыкается, и ток идет через нагрузку, то есть через включенный в розетку прибор.

Если же сосед соединит провода фазы и нуля в розетке без подключения нагрузки, то в цепи возникнет КЗ, но вы сможете поспать подольше.

Тем, кто не знает, для лучшего понимания полезно будет почитать, что такое фаза и ноль в электричестве.

Короткое замыкание называют коротким, так как ток при таком замыкании цепи как бы идет по короткому пути, минуя нагрузку. Контролируемое или длинное замыкание – это обычное, привычное всем включение приборов в розетку.

Литература для выполнения расчетов токов КЗ

В РФ для определения токов КЗ в электроустановках напряжением свыше 1 кВ следует руководствоваться ГОСТ Р 52735-2007 «Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением свыше 1 кВ».

В Украине действует ДСТУ IEC 60909-0:2007 «Токи короткого замыкания в системах трехфазного переменного тока. Часть 0. Расчет силы тока (IEC 60909-0:2001, IDT).

Приведу ещё некоторую литературу, которая может быть полезной при выполнении расчетов токов КЗ:

1. Беляева Е.Н. Как рассчитать ток короткого замыкания. -2-е изд. перераб. и доп., 1983 год (Библиотечка электромонтера, выпуск 544)
2. ГОСТ 27514-87 Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением свыше 1 кВ
3. РД 153-34.0-20.527-98 Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования
4. СТО ДИВГ-058-2017 Расчет токов коротких замыканий и замыканий на землю в распределительных сетях. Методические указания. Механотроника

Для расчетов токов короткого замыкания в электроустановках напряжением до 1 кВ следует руководствоваться ГОСТ 28249-93 Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ.

Расчеты токов КЗ в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ имеют свои особенности, в частности обязательно следует учитывать активные сопротивления элементов, а также сопротивления контактов, переходные сопротивления и т.д., так они оказывают значительное влияние на результат расчета.

Автор статьи, инженер-проектировщик систем релейной защиты станций и подстанций