Pk-vtk.ru

Электро освещение
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Сила тока короткого замыкания

сила тока короткого замыкания

сила тока короткого замыкания формула

Сегодня мы поговорим как раз о токе короткого замыкания. Любую электрическую цепс можно представить себе, как Источник тока и сопротивление нагрузки, по которой течет ток.

Ток в нормальной цепи без короткого замыкания

Однако, если появится какой-то проводящий элемент, который замкнет собой контур с входным напряжением, то картина будет следующей.

Схема цепи с коротким замыканием

В указанной цепи произошло короткое замыкание. На практике это может быть любая проволока или неосторожно засунутая отвертка, которая создала контур короткого замыкания. Особенность этой ситуации в том, что сопротивление этих проводов Rкз ничтожно мало по сравнению с сопротивлением нагрузки Rн. Что приводит к тому, что ток устремляется туда.

Опасность этого явления в том, что из-за очень низкого сопротивления, ток будет очень высоким. Рассмотрим конкретный пример — ваша Rн — это обычный фен мощностью 1 кВт. Т.е. при Действующем напряжении сети 220 В у него ток будет около 4 А и тогда мы можем понять, что наше Rн около 54 Ом.

Если же туда попадет провод, у которого сопротивление, скажем 0,054 Ом (вполне реальная цифра), то ток от 4 сразу может скакнуть до 4кА, а провод будет нагреваться уже в не в 1000, а 1000000 раз больше.

На практике это приводит к тому, что провод мгновенно нагревается до температуры плавления и перегорает. Однако, если он достаточно толстый, и расплавляется не очень быстро, то он может успечь поджечь горючие элементы, если они окажутся рядом.

В целом, это все, что вам необходимо знать про короткое замыкание )) Ниже теоретические выкладки, читать которые не обязательно.

В разговорной речи электриков это частно называется «коротнуло», «замкнуло», «закоротило» и т.д. На практике все эти слова означают, что произошло короткое замыкание электрической цепи. Т.е. проводники с разными потенциалами соединились и по сути произошла нештатная ситуация, при которой нормальное функционирование электрического устройства невозможно. В точке контакта происходит резкое падение сопротивления, что приводит к скачкообразному увеличению силы тока, которое влечет за собой тяжелые последствия.

Как правильно рассчитать ток КЗ

Проектирование любой электрической цепи подразумевает расчет нагрузки, возможностей и вероятность возникновения аварийных ситуаций. В большинстве случаев проблемы возникают в цепях с «металлическим» закорачиванием.

Причины возникновения КЗ.

  • Сбой работы автоматов, защитных систем;
  • «Человеческий фактор» (ошибки в работе обслуживающего персонала);
  • Повреждения, возникающие в результате износа элементов;
  • Стихийные бедствия (природные явления);
  • Диверсии, неправомерные действия третьих лиц.

Важно! Ток КЗ трансформатора соединяется с достаточно протяженной электрической цепью с большим количеством точек соединения (кабелей, проводов, розеток, других), которые серьезно увеличивают значение сопротивления в цепи, в результате чего возрастает риск аварии.

Формулы

Трехфазный

Предварительный расчет основывается на Законе Ома. Общий принцип заключается в том, что сила тока определяется отношением напряжения к сопротивлению. Действие справедливо также при подсчете нагрузок номинального уровня.

Замыкание на три фазы означает одновременное взаимодействие всех типов (ноль, плюс и минус). Для расчета тока короткого замыкания обмотки трансформатора используется определенный порядок действий:

  • Составление схемы расчета – упрощенный вариант с перечислением и корректным расположением элементов всей электрической системы (выключатели, приборы, розетки, свойства материалов);
  • Дополнительные параметры сети – номинальные значения напряжения, сопротивления и мощности сети;
  • Отмечают точки возможного возникновения КЗ;
  • Составляется схема замещения для намеченного участка;
  • Выполняется поэтапное преобразование схемы.
Читайте так же:
Выключатели с подсветкой 2013

Важно! После определения итогового сопротивления электрической цепи, можно рассчитать значение токов короткого замыкания.

Однофазный

Расчет однофазного тока короткого замыкания производится в рамках специальной формулы:

в которой х – суммированное (общее) значение сопротивления на участке до места короткого замыкания (максимум – 1,181Ом, минимум – 6,038Ом); U – базовое напряжение. Основная сложность – определить значение величины Х (высчитывается по отдельной формуле). Этапы работ:

  • Определить характеристики источника питания;
  • Установить параметры проводников;
  • Если схема разветвленная, потребуется ее упрощение (снятие нескольких элементов на расчетной схеме);
  • Определить сопротивления на участке фаза/ноль;
  • Если отсутствует техническая документация к электросети, высчитывают полное сопротивление.

Схема электроцепи.

Полученные значения необходимо подставить в формулу. Для небольших помещений (квартира, частный дом) подобного расчета будет достаточно.

Как ИКЗ экономят деньги?

Потребление электроэнергии населением в последние годы значительно возросло. Множество бытовых электроприборов, используемых населением, техника заводов и предприятий заставляют энергосеть работать на пределе возможности. В таких условиях аварии в системе электроснабжения неизбежны, учитывая её состояние.

Как уже упоминалось, место обрыва или замыкания линии электропередач, в нашей стране определяется дедовским методом. Оперативно-выездная бригада едет и осматривает линию, пока не найдёт проблемное место. Принимая во внимание, что страна наша очень просторна, расстояние между населёнными пунктами часто достигает несколько десятков километров. Следовательно, чтобы просто объехать такую высоковольтную линию, потребуется много часов. А учитывая, что аварии на линии случаются отнюдь не в хорошую погоду, то передвижение по нашему бездорожью займёт ещё больше времени.

Как ИКЗ экономят деньги?

Кроме того, длительный недоотпуск электроэнергии потребителям приводит к убыткам. Количество жалоб в таких условиях возрастает, что может привести к наложению штрафов на энергоснабжающую организацию.

Применение в энергетике индикаторов короткого замыкания, позволяет значительно снизить расходы на оплату рабочего времени монтёров оперативно-выездных бригад, амортизацию транспорта, расходов на горюче смазочные материалы для техники. При использовании ИКЗ в системе распределительных сетей, устранение неисправности сводится к непосредственному выезду бригады к месту аварии и восстановлению целостности линии.

Современные технологии ИКЗ, способны немедленно передать на пульт диспетчера информацию не только о повреждении, а и о месте его локализации. Статистически определено, что использование индикаторов короткого замыкания сокращает время поиска неисправности более чем в два раза, а на некоторых участках – в три раза. Срок окупаемости такого оборудования не превышает два с половиной года, при условии приобретения аппаратуры надёжных, проверенных фирм.

Что происходит в цепи при коротком замыкании

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

Расшифровка отдельных обозначений:

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

К сведению. Для достаточно точных расчетов k принимают равным 0,24. Такое количество тепла выделяется при нагревании на 1°C одного грамма воды.

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

Виды коротких замыканий

Понятие короткого замыкания подразумевает электрическое соединение, которое не предусмотрено условиями эксплуатации оборудования между точками различных фаз, либо нейтрального проводника с фазой или земли с фазой (при наличии контура заземления нейтрали источника питания).

При эксплуатации потребителей напряжение питания может подключаться различными способами:

  • По схеме трехфазной сети 0,4 киловольта.
  • Однофазной сетью (фазой и нолем) 220 В.
  • Источником постоянного напряжения выводами положительного и отрицательного потенциала.
Читайте так же:
Панель под выключатель света

В каждом отдельном случае может возникнуть нарушение изоляции в некоторых точках, вследствие чего возникает ток короткого замыкания.

Для 3-фазной сети переменного тока существуют разновидности короткого замыкания:

  1. Трехфазное замыкание.
  2. Двухфазное замыкание.
  3. Однофазное замыкание на землю.
  4. Однофазное замыкание на землю (Изолированная нейтраль).
  5. Двухфазное замыкание на землю.
  6. Трехфазное замыкание на землю.

Tok korotkogo zamykaniia vidy

При выполнении проекта снабжения электрической энергией предприятия или оборудования подобные режимы требуют определенных расчетов.

Причины повреждения изоляции
  • Воздействие на изоляцию механическим путем.
  • Электрический пробой токоведущих частей вследствие чрезмерных нагрузок или перенапряжения.
  • Подобно нарушению изоляции можно считать причиной повреждения схлестывание неизолированных проводов воздушных линий от сильного ветра.
  • Наброс металлических предметов на линию.
  • Воздействие животных на проводники, находящиеся под напряжением.
  • Ошибки в работе обслуживающего персонала в электроустановках.
  • Сбой в функционировании защит и автоматики.
  • Техническое старение оборудования.
  • Умышленное действие, направленное на повреждение изоляции.
Последствия короткого замыкания

Ток короткого замыкания во много раз превышает ток при нормальной работе оборудования. Возможными последствиями такого замыкания могут быть:

  • Перегрев токоведущих частей.
  • Чрезмерные динамические нагрузки.
  • Прекращение подачи электрической энергии потребителям.
  • Нарушение нормального функционирования других взаимосвязанных приемников, которые подключены к исправным участкам цепи, из-за резкого снижения напряжения.
  • Расстройство системы электроснабжения.

Принцип действия короткого замыкания

До начала возникновения короткого замыкания величина тока в электрической цепи имела установившееся значение iп. При резком коротком замыкании в этой цепи из-за сильного уменьшения общего сопротивления цепи электрический ток значительно повышается до значения iк. Вначале, когда время t равно нулю, электрический ток не может резко измениться до другого установившегося значения, так как в замкнутой цепи кроме активного сопротивления R, есть еще и индуктивное сопротивление L. Это увеличивает во времени процесс возрастания тока при переходе на новый режим.

В результате в начальный период короткого замыкания электрический ток сохраняет первоначальное значение iK = iно. Чтобы ток изменился, необходимо некоторое время. В первые мгновения этого времени ток повышается до максимального значения, далее немного снижается, а затем через определенный период времени принимает установившийся режим.

Период времени от начала замыкания до установившегося режима считается переходным процессом. Ток короткого замыкания можно рассчитать для любого момента в течение переходного процесса.

Ток КЗ при режиме перехода лучше рассматривать в виде суммы составляющих: периодического тока i пt с наибольшей периодической составляющей I пт и апериодического тока i аt (его наибольшее значение – I am).

Апериодическая составляющая тока КЗ во время замыкания постепенно затухает до нулевого значения. При этом ее изменение происходит по экспоненциальной зависимости.

Возможный максимальный ток КЗ считают ударным током iу. Когда нет затухания в начальный момент замыкания, ударный ток определяется:

I у i пm + i аt=0’, где i пm является амплитудой периодической токовой составляющей.

Полезное короткое замыкание

Считается, что короткое замыкание является отрицательным и нежелательным явлением, от которого происходят разрушительные последствия в электроустановках. Оно может создать условия для пожара, отключения защитной аппаратуры, обесточиванию объектов и другим последствиям.

Tok korotkogo zamykaniia skhema

Однако ток короткого замыкания может принести реальную пользу на практике. Есть немало устройств, функционирующих в режиме повышенных значений тока. Для примера можно рассмотреть сварочный аппарат. Наиболее ярким примером для этого послужит электродуговая сварка, при работе которой накоротко замыкается сварочный электрод с заземляющим контуром.

Читайте так же:
Как рассчитать падение напряжения в кабеле переменного тока

Такие режимы короткого замыкания действуют кратковременно. Мощность сварочного трансформатора обеспечивает работу при таких значительных перегрузках. Во время сварки в точке соприкосновения электрода возникает очень большой ток. В итоге выделяется значительное количество теплоты, достаточное для расплавления металла в месте касания, и образования сварочного шва достаточной прочности.

Tok korotkogo zamykaniia foto

Способы защиты

Еще в начале развития электротехники появилась проблема защиты электрических устройств от чрезмерных токовых нагрузок, в том числе и короткого замыкания. Наиболее простым решением стала установка плавких предохранителей, которые перегорали от их нагревания вследствие превышения тока определенной величины.

Такие плавкие вставки функционируют и в настоящее время. Их основным достоинством является надежность, простота и невысокая стоимость. Однако имеются и недостатки. Простая конструкция предохранителя побуждает человека после сгорания плавкого элемента заменить его самостоятельно подручными материалами в виде скрепок, проволочек и даже гвоздей.

Такая защита не способна обеспечить необходимой защиты от короткого замыкания, так как она не рассчитана на определенную нагрузку. На производстве для отключения цепей, в которых возникло замыкание, используют электрические автоматы. Они намного удобнее обычных плавких предохранителей, не требуют замены сгоревшего элемента. После устранения причины замыкания и остывания тепловых элементов, автомат можно просто включить, тем самым подав напряжение в цепь.

Существуют также более сложные системы защиты в виде дифференциальных автоматов. Они имеют высокую стоимость. Такие устройства отключают напряжение цепи в случае наименьшей утечки тока. Такая утечка может возникнуть при поражении работника током.

Другим способом защиты от короткого замыкания является токоограничивающий реактор. Он служит для защиты цепей в сетях высокого напряжения, где величина тока КЗ способна достичь такого размера, при котором невозможно подобрать защитные устройства, выдерживающие большие электродинамические силы.

Реактор представляет собой катушку с индуктивным сопротивлением. Он подключен в цепь по последовательной схеме. При нормальной работе на реакторе имеется падение напряжения около 4%. В случае возникновения КЗ основная часть напряжения приходится на реактор. Существует несколько видов реакторов: бетонные, масляные. Каждый из них имеет свои особенности.

Закон Ома при КЗ

В основе расчета замыканий цепи лежит принцип, который определяет вычисление силы тока по напряжению, путем его деления на подключенное сопротивление. Такой же принцип работает и при определении номинальных нагрузок. Отличие в следующем:

  • При возникновении аварийного режима процесс протекает случайным образом, стихийно. Однако он поддается некоторым расчетам по разработанным специалистами методикам.
  • В процессе нормальной работы электрической цепи сопротивление и напряжение находятся в уравновешенном режиме и могут незначительно изменяться в рабочих диапазонах в пределах нормы.
Мощность источника питания

По этой мощности выполняют оценку энергетической силовой возможности разрушительного действия, которое может осуществить ток короткого замыкания, проводят анализ времени протекания, размер.

Для примера рассмотрим, что отрезок медного проводника с площадью сечения 1,5 мм 2 длиной 50 см сначала подсоединили непосредственно к батарее «Крона». А в другом случае этот же кусок провода вставили в бытовую розетку.

В случае с «Кроной» по проводнику будет протекать ток КЗ, который нагреет эту батарею до выхода ее из строя, так как мощности батареи не достаточно для того, чтобы нагреть и расплавить подключенный проводник для разрыва цепи.

В случае с бытовой розеткой сработают защитные устройства. Представим, что эти защиты вышли из строя, и не сработали. В этом случае ток короткого замыкания будет протекать по бытовой проводке, затем по проводке всего подъезда, дома, и далее по воздушной линии или кабеля. Так он дойдет до трансформатора питания на подстанции.

Читайте так же:
Схема для подключения светодиодов через выключатель

В результате к трансформатору подсоединяется длинная цепь с множеством кабелей, проводов, различных соединений. Они намного повысят электрическое сопротивление нашего опытного отрезка провода. Однако даже в таком случае остается большая вероятность того, что этот кусок провода расплавится и сгорит.

Сопротивление цепи

Участок линии электропередач от источника питания до места короткого замыкания обладает некоторым электрическим сопротивлением. Его значение влияет на величину тока короткого замыкания. Обмотки трансформаторов, катушек, дросселей, пластин конденсаторов вносят свой вклад в суммарное сопротивление цепи в виде емкостных и индуктивных сопротивлений. При этом создаются апериодические составляющие, которые искажают симметричность основных форм гармонических колебаний.

Существует множество различных методик, с помощью которых производится расчет ток короткого замыкания. Они позволяют рассчитать с необходимой точностью ток короткого замыкания по имеющейся информации. Практически можно измерить сопротивление имеющейся схемы по методике «фаза-ноль». Это сопротивление делает расчет более точным, вносит соответствующие коррективы при подборе защиты от короткого замыкания.

Исходные данные и критерии для расчетов

Напряжение, используемое в сети, бывает постоянным, переменным, с импульсной, синусоидальной и другой конфигурацией. Аварийные токи, случайно созданные любым из этих напряжений, полностью повторяют начальную форму, которая может изменяться под действием сопротивления или других факторов.

В первую очередь учитывается закон Ома, определяемый формулой I = U/R. Его принципы совершенно одинаковы как для номинальных нагрузок, так и для аварийных ситуаций, с небольшими отличиями. В первом случае показатели напряжения и сопротивления находятся в стабильном состоянии, а их изменения не выходят за пределы нормативных данных. В аварийном режиме эти процессы проходят стихийно, под влиянием случайных факторов. Поэтому и требуется расчет тока по специальным методикам.

Не менее важны показатели мощности источника напряжения. Данный критерий позволяет сделать оценку и вычислить энергетические возможности для разрушений, причиняемых токами коротких замыканий. Одновременно определяется величина этих токов и продолжительность действия. Кроме того, учитывается протяженность электрической цепи, количество линий и подключенных потребителей, существенно повышающих сопротивление. Однако, при слишком большой мощности, даже самая надежная схема не выдержит нагрузки и сгорит.

Методы расчетов зависит от конфигурации конкретной электрической схемы. В первую очередь, это подводка питания, выполняемая разными способами. В бытовых сетях на 220 В обычно используется фаза и ноль, постоянное напряжение подается от плюсовой и минусовой клеммы источника, а трехфазный ток подается по отдельной схеме. Изоляция проводников и токоведущих частей может быть нарушена в любом из этих вариантов, и в поврежденных местах начнут протекать токи короткого замыкания.

Замыкание случается одновременно между тремя или двумя фазами, между фазой и нулем или землей, между двумя или тремя фазами и землей. Каждый из этих режимов учитывается при составлении проекта.

Большое значение имеет электрическое сопротивление цепи. Оно зависит от протяженности линии от источника питания, особенно постоянного, до точки КЗ, отсюда и его возможности по ограничению тока. К основному добавляются индуктивные и емкостные сопротивления, присутствующие в обмотках катушек, трансформаторов и в обкладках конденсаторов. Они участвуют в формировании апериодических составляющих, вносят изменения в основные параметры.

Содержание

Принципы работы плавкого предохранителя [ править | править код ]

В плавких предохранителях в качестве разрушаемого экстратоками токопроводящего элемента применяются чистые металлы (медь, цинк, свинец, железо и др.) и некоторые сплавы — (ковар, сталь и др.).

Читайте так же:
Освещение от телефонного провода

Все чистые металлы и практически все металлические сплавы имеют положительный температурный коэффициент электрического сопротивления, то есть при повышении температуры сопротивление плавкого элемента увеличивается. Именно положительный температурный коэффициент сопротивления обуславливает защитные свойства плавкого предохранителя. При токах ниже защитного номинального тока тепло, выделяемое в плавком элементе, стационарно рассеивается в окружающую среду. При этом температура плавкого элемента устанавливается немного выше температуры среды. При токах свыше номинального тока в плавком элементе развивается тепловая неустойчивость — повышение температуры ведёт к увеличению активного сопротивления плавкого элемента, что вызывает ещё больший разогрев его, так как мощность на ветви в последовательной электрической цепи есть I 2 ⋅ R . cdot R.> Повышение сопротивления ведёт к увеличению тепловыделения, тепловыделение повышает температуру, увеличивает сопротивление и тем самым выделяющуюся мощность, что снова увеличивает температуру. При этом процесс развивается лавинообразно — температура плавкого элемента начинает превышать температуру его плавления, что вызывает механическое разрушение плавкого элемента предохранителя и разрыв электрической цепи.

Также важным электрическим параметром плавкого предохранителя, помимо номинального тока, является так называемый параметр защиты, определяемый по время-токовой характеристике.

Экспериментально установлено, что область токов, вызывающих «сгорание» плавкого предохранителя лежит выше линии на графике в декартовых координатах ток — время срабатывания (сгорания, разрыва цепи), уравнение этой линии приближённо удовлетворяет условию

В профессиональных спецификациях на предохранители параметр k обычно явно указывается.

Конструкции плавких предохранителей и их держатели [ править | править код ]

Основными элементами предохранителя являются: плавкая вставка (плавкий элемент), корпус, в который устанавливается плавкая вставка и которая может заменяться при перегорании (у предохранителей на малые токи плавкая вставка не сменная, конструкция является одноразовой, и при срабатывании производится замена целиком предохранителя в держателе), контактная часть, дугогасительное устройство и дугогасительная среда.

Плавкая вставка внутри патрона помещается в специальную дугогасящую среду (например, кварцевый песок), которая при сгорании плавкой вставки интенсивно охлаждает и деионизирует электрическую дугу, не давая выйти плазме наружу через корпус. У некоторых типов предохранителей корпус изготавливается из газогенерирующего материала (например, фибры), под тепловым действии дуги происходит интенсивное газовыделение, образующиеся газы способствуют гашению дуги внутри корпуса.

В предохранителях на малые токи плавкие вставки могут иногда помещаются в среду инертных газов в герметичном корпусе (для исключения окисления плавкой вставки со временем: находящаяся под током плавкая вставка нагревается, и интенсивнее происходит процесс окисления).

Предохранители для защиты полупроводниковых приборов (быстродействующие) имеют дополнительные элементы конструкции для ускорения срабатывания: при этом разрыв электрической цепи внутри предохранителя производится электродинамическими силами и натянутыми пружинами. Ускорение срабатывания предохранителя производится также с использованием металлургического эффекта.

Различается номинальный ток плавкой вставки и номинальный ток патрона (для одного патрона выпускаются несколько номиналов вставок одинакового габарита и на разный ток).

Разновидности предохранителей [ править | править код ]

Разрушающийся защитный элемент плавкого предохранителя или некоторую сменную конструкцию с этим элементом обычно называют вставкой. Сменная вставка заменяется на новую после её сгорания.

Для защиты электрических цепей устройствами неоднократной защиты экономически целесообразно применять автоматические выключатели — восстанавливающие электрическую цепь манипуляцией (автоматические выключатели).

В слаботочных низковольтных цепях применяются самовосстанавливающиеся предохранители.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector