Короткое замыкание

Одним из самых опасных моментов для работы электрических сетей является процесс короткого замыкания. Он связан с высокими токовыми перегрузками, выбросом большого количества тепловой энергии и, как следствие, нарушением надёжности электроснабжения потребителей и подключенного к источнику энергии оборудования. В этом режиме неизбежно отключение повреждённого участка от сети, значит, перебои в электроснабжении при устранении аварии.

Что собой представляет КЗ

Что такое короткое замыкание

Короткое замыкание (сокращённо КЗ) – это аварийный режим электрической цепи, который представляет собой соединение двух точек этой цепи с разницей потенциалов. Так как это аварийный режим работы, то он не предусматривается конструкцией устройства или линией электроснабжения, находящейся под напряжением. Возникновение процесса КЗ связано с резким увеличением силы тока, до максимально возможного значения, при этом масштабы повышения характеризуются мощностью источника питания. Также увеличение тока в режиме замыкания сопровождается снижением величины напряжения, так как происходит падение напряжения.

Почему короткое замыкание так называется

Почему короткое замыкание так называется? Этот процесс выхода устройства или электрической цепи из нормального режима работы получил своё название, благодаря низкому сопротивлению между точками соприкосновения цепи с разным потенциалом. Так как доказано, что электроны двигаются по самому короткому пути с минимальным электрическим сопротивлением, то во время соединения двух проводников в точке КЗ их путь будет кротчайшим, поэтому этот процесс получил соответствующее название.

Причины возникновения короткого замыкания

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

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

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

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

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

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

Виды коротких замыканий

Рассматривая трёхфазные электрические сети и аварийные режимы в них, можно выделить следующие возможные виды короткого замыкания:

1. трёхфазное – три фазных провода замыкаются между собой;
2. однофазное – электрическое соединение фазного провода с земляным, нейтральным или токопроводящим элементом, которые присоединены к земле;
3. двухфазное – замыкание двухфазных проводов с разным потенциалом между собой;
4. двухфазное замыкание на землю – это два любых фазных провода с током замыкаются между собой и прикасаются к земле или заземлению.

Замыкание внутри электрических устройств и оборудования – это процесс, идентичный КЗ, но происходит он из-за ухудшения изоляции внутри электрических машин и чаще всего требует замены статорной или роторной обмотки. Внутри электрических машин короткое замыкание может быть двух типов:

1. межвитковое, снижающее сопротивление обмоток до критического значения;
2. замыкание обмотки на корпус, который изготовлен из токопроводящего материала.

Виды КЗ

Как предотвратить КЗ, защита от него

Так как КЗ – это аварийный режим, то существуют способы защиты от этого опасного процесса и его предотвращения:

• Быстродействующая электромагнитная или электронная защита от мгновенного увеличения тока в нагрузке или линии, которая максимально быстро отключит аварийный участок цепи от напряжения. Для этого используются автоматические выключатели, предохранители, дифференциальные автоматы. В домашних условиях для защиты от КЗ достаточно установить на группу приборов правильно рассчитанный автоматический выключатель (АВ).
• Для высоковольтных линий и силовых цепей подстанций используются масляные (вакуумные и другие) аппараты коммутации с настроенной и проверенной защитой от резкого увеличения тока на отходящих линиях.

Способ предотвращения короткого замыкания в тот момент, когда этот процесс уже произошел, простой: он заключается в немедленном автоматическом отключении участка цепи от напряжения. В принципе, любой автоматический выключатель имеет внутри конструкции электромагнитный разцепитель, который при превышении номинального тока разрывает цепь нагрузки достаточно эффективно и быстро.

Виды предохранителей и автоматических выключателей

Так как предохранители и автоматические выключатели – это самые распространённые элементы защиты участков цепей от коротких замыканий, то стоит рассмотреть основные виды этой токоограничивающей аппаратуры.

Предохранители делятся на три основные группы, которые отличаются по типу срабатывания:

• с плавкой вставкой;
• электромеханические с повторным взводом путём нажатия кнопки;
• электронные (редко применяемые в быту).

Автоматические выключатели делятся по количеству полюсов:

• однополюсные;
• двухполюсные;
• трёхполюсные.

Подбор данной аппаратуры для отключения напряжения вследствие короткого замыкания связан с величиной напряжения сети, номинальной силой тока и порога срабатывания защиты. В зависимости от назначения электроустановки, конструктивных особенностей, а также местных условий работы, проектировщики выбирают необходимую и максимально эффективную систему защиты от КЗ.

Автоматический выключатель считается более надёжным и быстродействующим элементом защиты от короткого замыкания, нежели предохранитель, даже если автомат включить повторно на цепь с коротким замыканием – это не так опасно для человека, нежели установка предохранителя под нагрузкой и напряжением.

Что такое УЗО

Появившиеся недавно на рынке защитного оборудования системы УЗО (внешне похожи на автоматические выключатели) – это надёжные устройства для защиты от токовой утечки из-за появления повреждений изоляции, которые выявляются за счёт токового перекоса цепи. Данная система отлично справляется с защитой от попадания человека под напряжение, но никак не от короткого замыкания. Таким образом, установка УЗО повышает безопасность участка цепи и обслуживаемого оборудования, но это не значит, что в этой цепи не требуется установка автоматических выключателей с токовым разцепителем.

Последствия короткого замыкания

Согласно закону Ома, при снижении сопротивления в цепи, которое характерно при КЗ, происходит пропорциональное многократное увеличение силы тока. При этом увеличение тока сопровождается значительным выделением тепла, согласно закону Джоуля Ленца, что приводит к возгоранию, пожару, нагреву и расплавлению изоляции на проводах с током.

Что такое КЗ и его последствия, часто видят и знают пожарные службы, которым приходится устранять возгорания, а также электромонтёры с опытом работы в электроустановках. Короткое замыкание у одного из потребителей способно нарушить электроснабжение и привести к отключению целого участка энергосистемы, поэтому установка, обслуживание, а также проверка срабатывания токоограничивающей защиты являются очень важными и актуальными.

Чем опасно КЗ и его последствия

Преднамеренное использование

Короткое замыкание лишь в некоторых случаях оправдывает себя, а именно:

• Для обесточивания участка цепи, на которой человек попал под воздействие опасного напряжения. Если индивид попадает под опасный потенциал, а в цепи нет УЗО, и автоматический выключатель находится далеко от места происшествия, то для спасения человека выполняется искусственное КЗ, отключающее линию;
• При отключении цепей высоковольтных участков от источника напряжения с помощью короткозамыкателей. Короткозамыкатель – это коммутационный аппарат, имеющий мощную контактную часть, которая конструктивно рассчитана и предназначена для создания искусственного короткого замыкания в сетях электроснабжения;
• В сварочных аппаратах. Конструкция этих устройств рассчитана на технологическое создание электрической дуги. За счёт низкого напряжения (практически безопасного) и электрического соединения с землёй через сварочный электрод, который плавится, выполняется сваривание металлических поверхностей.

Преднамеренное короткое замыкание с помощью короткозамыкателя

Электрическая энергия и возникающее в сетях короткое замыкание – это опасный процесс, который может привести к ужасным последствиям с человеческими жертвами. Однако, если правильно рассчитать и установить токоограничивающие аппараты, а также своевременно проверять их работоспособность, то его можно контролировать. Быстрое реагирование качественной защитной аппаратуры на режим КЗ предотвратит крупные аварии.

Видео

Автор:

Гaличeв Илья Виктoрoвич