Ток короткого замыкания

При определенных условиях возникают аварии, повреждающие силовые цепи и подключенное оборудование, опасные для человека. Изучив ток короткого замыкания (КЗ), можно предотвратить появление и развитие негативных ситуаций. На практике пригодятся эффективные меры профилактики и защиты.

Плавкая вставка предохранителя сгорает и разрывает цепь электропитания

Популярное изложение закона Ома

До детального изучения явления нужно вспомнить базовые определения из школьного курса физики. Основные зависимости описывает известная формула (закон Ома):

I = U / R,

где:

• I – сила (величина) тока в амперах (А), которая определяет плотность энергии в контрольном участке и при достаточной величине способна разогреть проводник до высокой температуры;
• U – напряжение (ЭДС, разница потенциалов между определенными точками);
• электрическое сопротивление (R) – препятствует прохождению электрического тока, увеличивается при нагреве проводника.

К сведению. Равный потенциал подразумевает отсутствие перемещения заряженных частиц между контрольными точками.

Закон Ома для участка цепи

«Магический» треугольник помогает запомнить основные формулы для расчета. Взаимные зависимости рассматриваемых параметров часто поясняют на примере с трубопроводом:

• ток (движение заряженных частиц) подобен потоку;
• напряжение – разница давления на входе и выходе;
• сопротивление – внутренний диаметр, ограничивающий пропускные способности транспортной системы.

По приведенным аналогам несложно догадаться о том, что тонкий (толстый) проводник затрудняет (упрощает) прохождение тока. Дополнительные ограничения объясняются проводимостью определенного материала и наличием посторонних примесей.

Причины возникновения

Условия, благоприятные для КЗ:

• чрезмерно большая разница потенциалов;
• ухудшение изоляционных параметров оболочки кабеля в ходе естественного старения;
• повреждение соответствующего слоя механическим, температурным либо другим внешним воздействием.

Принцип действия

Из представленной выше формулы понятно, что ток проходит по пути наименьшего электрического сопротивления. Этот процесс можно наблюдать, если разрушить изоляционные оболочки и соединить провода (уменьшить расстояние до критически малого уровня). Электрический пробой создает локальный нагрев. При значительном энергетическом потенциале такое воздействие провоцирует пожар, разрушает кабель.

На этом этапе рассуждений надо вспомнить следующую формулу:

P = I * U.

По мощности определяют потребление энергии нагрузкой. Увеличение этого параметра повышает вероятность повреждения силовых линий.

Что происходит в цепи при коротком замыкании

Рассчитать количество выделяемого тепла можно с помощью математического выражения закона Джоуля-Ленца:

Q = k*I2*R*t.

Расшифровка отдельных обозначений:

• Q – тепло в калориях (кал);
• k – поправочный коэффициент (0,239);
• t – время в секундах.

Эта зависимость в совокупности с рассмотренными выше формулами закона Ома объясняет критически быстрый (ударный) рост температуры при возникновении КЗ. В аварийной ситуации снижение сопротивления в цепи провоцирует увеличение тока. В соответствии с законом Джоуля-Ленца выделяется большое количество тепла (прямая квадратичная зависимость от I).

Экстремально быстрое повышение температуры объясняет потенциальную опасность возникновения открытого пламени

Цепи переменного тока

В легковом автомобиле двигатель внутреннего сгорания через передаточный механизм вращает генератор. Второй источник тока – аккумуляторная батарея. В бортовой сети есть цепи с переменным и постоянным током. Для изменения питающего напряжения применяют специальный преобразователь.

Электрическая схема автомобильного преобразователя напряжения (12-220V) для подключения усилителя мощностью 750 Вт

Для оценки постоянных составляющих тока применяют представленные выше формулы. Переменные – анализируют с учетом реактивных составляющих нагрузок. Индуктивные и емкостные характеристики изменяют фазы токов и напряжений, обеспечивают накопление и возврат электроэнергии обратно в источник питания.

Виды КЗ

При переменном токе увеличивается вероятность возникновения аварийных ситуаций. Если рассмотреть пример с источником 380 V (3 фазы), можно отметить следующие варианты КЗ:

• при контакте фазы с нейтралью или заземлением – однофазное;
• замыкание пары фазных проводников (в том числе с одновременным контактом с контуром заземления) – двухфазное;
• КЗ между всеми тремя фазами.

В трансформаторе замыкание образуется между витками либо при контакте проводящего элемента обмотки с заземленным корпусом.

Расчет величины тока при коротком замыкании

Для вычисления тока КЗ (Iкз) необходимо учесть суммарное значение сопротивления: R соответствующего участка цепи (Zц) + R источника питания (Zи).

Итоговая формула приобретает следующий вид:

Iкз = Uф/(Zц + Zи),

где Uф – соответствующее фазное напряжение.

Кто занимается вычислением КЗ

Квалифицированный расчет тока КЗ выполняют опытные специалисты на стадии создания проектной документации либо при модернизации действующих сетей, установленного оборудования. Аналогичные вычисления можно выполнить самостоятельно вручную. Также используют специальную программу (калькулятор). Автоматический расчет предлагается в режиме онлайн бесплатно на тематических сайтах.

Особенности расчёта

Для вычисления тока короткого замыкания формулы и методику выбирают с учетом особенностей сети. В следующих разделах публикации показано, как выполнить расчет самостоятельно.

Формулы вычисления трёхфазного замыкания

При выполнении работ с подобными системами подразумевают следующие исходные условия:

• симметричность фаз;
• номинальные электрические параметры источника питания берут с повышающим коэффициентом (+5%);
• мощность пересчитывают к единому значению.

При подключении емкостной нагрузки следует учесть постепенное увеличение силы тока. Для трехфазной цепи подойдет формула:

Iкз = Uш/(√3 * (Zс + Zш)),

где:

• Zс – сопротивление рассматриваемой системы;
• Zш – сопротивление между точками шины – место КЗ.

Расчёт однофазной сети

Для этой ситуации ток КЗ определяется следующим образом:

Iкз = Uф/(Zи/3 + Zс).

Здесь сопротивление системы определяется значением Zс между проводниками фаза-ноль. Этот параметр вычисляют сложением активных и реактивных составляющих цепи.

Вычисление КЗ по паспортным данным

Эту методику применяют, если известны параметры отдельных функциональных устройств.

Сопротивление реактора:

Rр = (Rр% * Uн )/(100% √3 Iн),

где Rр% – относительная величина (%) при номинальном токе трансформатора (иного источника питания).

Сопротивление определяют по формуле:

Rт = (Uо% /100%)*(Uн/Sн),

где:

• Uо% – изменение напряжения в обмотках (%) при прохождении тока в рабочем режиме;
• Uн – номинальное напряжение (кВ);
• Pн – мощность.

Итоговые формулы для КЗ:

• Ток: Iкз = (Iн/ Rр%) * 100%;
• Мощность: Pкз = (Pн/Uо%) * 100%.

Определение тока КЗ в сети неограниченной мощности

Аккумулятор накапливает ограниченную энергию, что объясняет сравнительно небольшие последствия короткого замыкания. Однако ситуация меняется при подключении к стационарной сети. В этом случае мощность источника намного больше суммарного потребления подключенных устройств. При расчете можно принять сопротивление проводников равным нулю.

Как проходит процесс

Несмотря на высокую скорость, развитие КЗ можно разделить на несколько этапов. Сначала сила тока несколько снижается (длительность цикла – 0,005-0,01 с.). Дальнейшее увеличение замедляется реактивными характеристиками подключенной нагрузки (индуктивностью). Напряжение после завершения переходного процесса стабилизируется.

График переходного процесса при подключенном генераторе с ограниченной мощностью

Ударный ток КЗ

Этим термином обозначают максимальное значение силы тока. Время зависит от частотных параметров питающего сигнала: при 50 Гц – 0,1с. (половина периода волны).

Полезное КЗ

Этот процесс применяют для соединения деталей сваркой. Электрическая дуга повышает температуру в рабочей зоне. Качество шва во многом зависит от стабильности поддерживаемого специально режима короткого замыкания.

Методы защиты

Простейший, но достаточно эффективный автоматический «выключатель» показан на первой картинке. При увеличении плотности тока в цепи выше определенного уровня плавкая вставка разрушается.

Подобное устройство стоит недорого. Минусы:

• медленное срабатывание;
• отсутствие регулировок;
• однократное применение.

Чтобы исключить перечисленные недостатки, рекомендуется применить специализированный автомат. Корректный выбор модели сопровождается оценкой чувствительности. Для упрощения оборудование этой категории разделено на группы. Класс В, например, будет отключать питание не более, чем за 0,015 с после регистрации двукратного увеличения тока, по сравнению с номиналом.

Видео

Автор:

Гaличeв Илья Виктoрoвич