Данный информационный материал будет посвящён току короткого замыкания, а также сопротивлению петли фаза-ноль. Мы выясним, каким образом эти определения могут быть взаимосвязаны, и поймём, насколько знания в этой области необходимы для электрика на практике. Очевидно, что понимание этого вопроса может быть обоснованно законом Ома, но всё же это довольно объемная тема, которая, возможно, потребует не одной статьи для объяснения.
Стоит отметить, что мы не претендуем на передачу информации в расширенном виде, поэтому по итогу статьи вы сможете самостоятельно изучить дополнительный материал по теме.
Определение «Короткое замыкание»
Наверняка, многие не раз в своей жизни слышали такое понятие, как «короткое замыкание». Если не брать в расчёт название известного фильма 90-ых годов, то у простого человека этот термин ассоциируется с одной из причин возникновения возгорания. По данному вопросу до сих пор бытует множество мнений. Давайте разбираться подробнее.
Коротким замыканием можно назвать такой процесс работы электрической сети, а также явление, в момент которого в цепи, в районе замыкания, проходит максимально возможный ток. Этот момент предугадать довольно проблемно, но необходимо, чтобы оно как можно быстрее завершилось. При возникновении короткого замыкания вся энергия от источника питания будет уходить на процесс нагревания проводов. Не стоит забывать о том, что с большей долей вероятности возможны последствия механического характера. Из-за того, что тепловая энергия выделяется очень сильно, короткое замыкание – это быстрое и взрывное явление. Если вовремя не остановить процесс (как именно, мы узнаем позже), то короткое замыкание может стать настоящей трагедией.
Время отключения автоматов при коротком замыкании на землю должно быть менее 0,4 с. Если ток низкий, то из-за короткого замыкания выключение должно происходить самим устройством, реагирующим на дифференциальный ток. Время реакции должно составлять по ГОСТ менее 0,4 с.
Из схемы, представленной ниже, можно увидеть, что замыкание имеет тенденцию к возникновению между любыми точками цепи электричества, которые имеют разный потенциал. Вот, какой вид это имеет в 3-х фазном варианте:
На изображении мы видим вторичную обмотку понижающего трансформатора, который расположен в трансформаторной подстанции, линию электропередачи из 5-ти проводов и 3-х фазную электроустановку. В таком случае электроустановкой может выступать как частный, так и многоквартирный дом или промышленный объект.
Виды замыканий:
- 2-х- и 3-х фазные (межфазные);
- одно-, 2-х или 3-х фазные на нейтральный (N) или защитный (РЕ) проводник.
Если мы подробно изучим преимущественно безопасную систему заземления TN-S с глухозаземленной нейтралью трансформатора, то поймём, что больше всего отмечается однофазное замыкание между фазным проводом и нейтралью N, либо защитным проводником РЕ, соответственно, далее будем рассматривать однофазное замыкание.
На следующем изображении представлено замыкание на нейтральный и защитный проводники:
Важно знать, что замыкание может случиться в любом месте и по вине кого угодно (вблизи трансформаторной подстанции из-за неосторожности работника экскаватора или из-за кота в квартире, который уронил ёлку). Так или иначе, нужно всегда иметь план на случай такой ситуации, чтобы минимизировать вред от короткого замыкания.
Из-за чего возникает короткое замыкание?
Короткое замыкание могут спровоцировать абсолютно разные факторы, но главный из них – это наличие нарушений изоляции, а также взаимного расположения токоведущих частей. Часто большую роль в его возникновении играет человеческий или природный фактор.
Приведём пример, который поймут представительницы прекрасного пола (удачно, если они ознакомятся с этой статьёй). Из-за постоянных перегибов ухудшается изоляция так, что в любое время, во время подключения вилки или около неё от фена, утюга или другой техники может возникнуть характерный звук, похожий на хлопок.
Ещё один вариант: из-за механического повреждения или влияния внешних факторов токоведущие части по каким-либо обстоятельствам оказываются очень близки, почти соприкасаясь. Это может возникнуть из-за влияния непогоды (дерево падает на провода), а также ударов и падения электрических приборов.
И, как говорится «классика жанра» – это когда за электрические провода берутся «мастера», совершенно несмыслящие в этой сфере. По «сценарию» у такого «эксперта» после такого случая волосы должны стоять дыбом, а лицо почернеть. Честно говоря, кадры такого рода смеха не вызывают. На практике всё совершенно иначе.
Короткое замыкание. Можно ли избежать?
Мы не можем избежать всех моментов, которые могут вызвать короткое замыкание, потому что случиться может всё, что угодно, но колоссально снизить вероятность его появления нам вполне под силу. Самое важное в этом деле – это систематический осмотр и ТО электрических сетей.
Среди предупреждающих действий по защите от возникновения КЗ можно выделить:
- обработку от грязи токоведущих частей, контактов и изоляторов;
- наблюдение за защитой от влажности;
- проверку единства укладки и монтажа;
- защиту участков повышенной опасности;
- предупреждение, путём обозначения опасных участков специальными знаками и наклейками.
- реализацию проверки и протяжки контактов;
- срезание деревьев в нужный момент, а также исключение других опасных причин.
Обратите внимание на изображение, размещённое ниже, и поразмышляйте, какие предупреждающие действия по защите от короткого замыкания здесь необходимы?
На крупных предприятиях проверка кабелей и контактов тепловизором, а также измерение сопротивления изоляции и испытания изоляции высоковольтным напряжением проводится систематически.
Замыкание и перегрузка. Есть различия?
В цепи электричества отмечают 4 кардинально разных режима, имеющие отличительные черты по току потребления – это:
- Режим холостого хода (ток = 0, нормальное напряжение, потерь на проводах нет). Розетка работает в качестве источника напряжения.
- Номинальный режим (нормальный) – вариант, когда мощность нагрузки не превосходит расчётную. В таком режиме всё отлично. Если возникнет так называемая «просадка» напряжения, то она будет несущественной.
- Режим перегрузки – это вариант, когда ток несущественно превышает номинальный. Перегруз возможен из-за следующих причин: эпизодическое ухудшение изоляции; превышения суммарной мощности подключенных потребителей; внутренний дефект отдельного электрического прибора.
- Режим короткого замыкания – это один из самых серьёзных и катастрофических режимов. При нем происходит выделение значительного количества тепла. В таком случае ток в области замыкания является максимально возможным. Ещё одна «неприятность» такого явления заключается в понижении напряжения у других людей, а также несимметричности фаз.
Делаем вывод, что отличие короткого замыкания от перегрузки заключается в величине сверхтока (короткое замыкание в данной точке цепи ток становится максимально возможным; перегрузка – значение тока больше нормального, но меньше тока короткого замыкания).
Сверхток – это любые токи выше нормального.
Короткое замыкание может мгновенно произойти вследствие перегрузки (провода нагреваются, происходит плавление изоляции и другой негатив).
Перегрузка, короткое замыкание и искрение, – это разные понятия, в которых не нужно путаться. Перегрузка и короткое замыкание характеризуются разницей в значении сверхтока, а при искрении действующее токовое значение может быть совершенно несущественным, поэтому срабатывания автоматического выключателя, УЗО не произойдёт. Избежать пожарной ситуации может помочь устройство защиты от искрения, но встретить его можно довольно редко.
Напряжение и ток при коротком замыкании. Чем они определяются?
Уже говорили о том, что короткое замыкание может случиться в любой области линии. Сейчас постараемся подробнее узнать, каким образом зависит ток и напряжение от места короткого замыкания.
Короткое замыкание имеет физическую природу возникновения. Ток короткого замыкания – это показатель питающей электрической сети, который измеряется в амперах или килоамперах.
Ещё со времён школы мы узнали об исследованиях немецкого физика Ома, который доказал, что через сопротивление цепи определяется напряжение и ток (ниже представлена формула):
Помним о том, что ток короткого замыкания, как, в принципе, и любой ток можно вычислить по закону Ома, а также то, что он зависит от напряжения и сопротивления на данной области цепи. В реальности сопротивление проводов – это не значения мультиметра, а ещё и индуктивная составляющая, поэтому закон Ома для тока короткого замыкания мы отразим в совокупности:
Значение U в числителе – нормальное напряжение в сети. Число, полученное при вычислении в знаменателе – полное сопротивление цепи Z (от него и зависит ток короткого замыкания).
Ниже вашему вниманию представлено схематичное изображение однофазного питания квартиры и короткое замыкание, случившиеся после замыкания фена:
В этой схеме отмечаются полные сопротивления различных участков питающей сети, где:
- Z1 – внутреннее сопротивление трансформатора на подстанции с учетом пересчитанного сопротивления высоковольтной части;
- Z2 – кабельная линия от ТП к распределительному пункту многоквартирного дома;
- Z3 – кабельная линия от распределительного пункта до квартирного щитка;
- Z4 – кабель от щитка до розетки в одной из комнат;
- Z5 – переноска от розетки до замкнувшего фена.
Далее представлен график уровня напряжения на разных участках:
При падении напряжения тепло выделяется на всех отрезках линии питания. Доля так называемого «квартирного» тока на мощных отрезках с большим сечением проводов мала, в связи этим там незначительное падение.
Из-за того, что при коротком замыкании случается понижение напряжения, можно говорить о том, что это станет заметно на параллельных нагрузках, которые подключены, как вариант, к распределительному пункту. Когда случается короткое замыкание или сильная перегрузка у одного, лампочки в соседних домах или подъездах станут светить тусклым светом. Замечали такое? На следующей схеме вы можете увидеть, как может быть представлено изменение тока короткого замыкания от источника и до точки замыкания:
Классическая величина тока короткого замыкания на клеммах трансформатора мощностью до 1000 кВА, применяемые для питания городского потребления – это около 10 кА. А вот в розетках квартир, где мы проживаем, ток короткого замыкания может иметь величину около 1000 А. В частных домах и сельских районах значение тока КЗ может быть куда меньше – это величина до 100 А.
Ток короткого замыкания. Расчёт
Каким образом вычислить ток короткого замыкания? Что здесь сложного? Берём формулу и производим вычисления!
Но всё не так просто! Полный расчёт тока короткого замыкания довольно затруднителен. На эту тему даже можно написать курсовую работу или диплом. А ещё необходимо иметь достаточное количество исходной информации – это мощность трансформатора на ТП и индуктивное сопротивление всех участков кабельных линий. И даже при таком раскладе результат будет чисто теоретическим, вне реальности. Имеет важное значение и то, что во время короткого замыкания 2 составляющие тока – это апериодическая (самая мощная и неожиданная, которая действует только в начале во время переходного процесса) и периодическая. Из-за этого подобные расчёты делают студенты и проектировщики, а в реальности измеряют фактический ток короткого замыкания с применением нужного оборудования.
Каким образом измеряется ток короткого замыкания?
Чтобы измерить эту величину, продаётся достаточное количество профессиональных приспособлений от разных поставщиков, где их стоимость начинается от десяти тысяч рублей. Они отлично работают. Имеется также и бытовое исполнение ДИН-рейку – в частности, ВРТ-М02 от производителя «Меандр». Приспособление с размером автоматического выключателя, которое оснащено нужными настройками и индикацией напряжения. Как только ток короткого замыкания становится ниже порога, происходит срабатывание индикации.
Измеренный ток короткого замыкания очень низкий. Как поступить в данной ситуации?
Предположим, что мы произвели измерение специальным приспособлением, и из этого получили значение тока короткого замыкания. Как мы поймём, что этот ток очень низкий? Это определяется по показанию совершенно точного срабатывания электромагнитного расцепителя автоматического выключателя в измеренной цепи. Будет очевидным, что в таком случае ток короткого замыкания должен оказаться больше верхнего предела диапазона расцепления.
Для точного понимания используем Правилам Устройства Электроустановок (п.7.3.139):
7.3.139. В электроустановках до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью в целях обеспечения автоматического отключения аварийного участка проводимость нулевых защитных проводников должна быть выбрана такой, чтобы при замыкании на корпус или нулевой защитный проводник возникал ток КЗ, превышающий не менее чем в 4 раза номинальный ток плавкой вставки ближайшего предохранителя и не менее чем в 6 раз ток расцепителя автоматического выключателя, имеющего обратнозависимую от тока характеристику.
При защите сетей автоматическими выключателями, имеющими только электромагнитный расцепитель, следует руководствоваться требованиями, касающимися кратности тока КЗ и приведенными в 1.7.79.
Отсюда следует, что в 1-ом разделе речь идёт лишь о тепловом расцепителе (его номинальный ток должен быть в шесть раз меньше тока короткого замыкания). Из второго раздела этого пункта, а ещё из п.1.7.79 можно узнать о максимальном времени отключения при коротком замыкании, которое обеспечивается лишь электромагнитным расцепителем. Однако здесь нет конкретного определения о выборе АВ, учитывая характеристики отключения.
Из-за того, что нет чёткой трактовки, применяют правило, отражённое в ПТЭЭП (проверка срабатывания защиты при системе питания с заземленной нейтралью, п.28.4), где сказано, что во время замыкания на нулевой защитный проводник ток короткого замыкания должен составлять не менее «1,1 верхнего значения тока срабатывания, мгновенно действующего расцепителя».
Когда ток короткого замыкания меньше, разрешённый промежуток времени совершенно не гарантируется. Как поступить в этом случае? Есть 2 варианта:
- Увеличивать ток короткого замыкания.
- Уменьшать номинал автомата и буквенное обозначение характеристики отключения (с С на В) во вред самой большой мощности нагрузки.
Петля «Фаза-ноль» – что это? Каким образом она перекликается с током короткого замыкания?
Петлю «Фаза-ноль» можно охарактеризовать как контур, проводящий ток от источника напряжения через нагрузку назад в источник. Сопротивление петли «Фаза-ноль» измеряется в Омах по следующей формуле:
Значения тока короткого замыкания и сопротивления петли «Фаза-ноль». Для чего необходимо знать эти величины?
Имея представление об этом, мы можем рационально сделать выбор основных элементов энергосистемы (аппараты защиты и сечения кабелей) по критериям безопасности, функциональности, надёжности и стоимости.
Безопасность.Совершенно точно, что электрические сети должны быть совершенно не опасны во всех отделах и режимах. Поэтому нам нужны автоматические выключатели и устройства, управляемые дифференциальным током (УЗО). В совокупности мы сможем обеспечить защиту приборов от короткого замыкания и перегрузок, а самое главное – мы защитим себя и окружающих.
Функциональность. Этот критерий обосновывается тем, что, когда мы знаем ток короткого замыкания, имеется возможность выдать решение о необходимости установления стабилизатора или замены линии кабеля.
Надёжность. Если ток короткого замыкания высокий, то нужно применять выключатели с высокой способностью отключения. Также важно оценить уровень монтажа и комплектующих.
Стоимость. Этот критерий довольно прозрачен. Всё вышеперечисленное непосредственно имеет значение при расчёте стоимости всей электрической сети.
Высокий ток короткого замыкания. Как определить, норма это или нет?
Исходя из схемы, представленной выше, видим, что дальность места замыкания от источника питания влияет на ток короткого замыкания (т.е. он будет меньше, т.к. сопротивление линий больше). Как правило, высокий ток короткого замыкания в тех областях электрической сети, которые ближе к подстанции.
Низкий ток короткого замыкания. Его минусы:
- При большой нагрузке стремительно падает напряжение.
- Низкое на электрических приборах, где регулятор не всегда подействует.
- Стабильность напряжения техники от времени года/суток.
- Автоматические выключатели при коротком замыкании на землю срабатывают долго.
- Есть нужда в установке выключателей автоматического типа с характеристикой отключения «B» для того, чтобы произошло включение электромагнитного расцепителя при коротком замыкании.
- Необходимо обязательное внедрение устройства защитного отключения, которое защищает от короткого замыкания на землю.
Низкий ток короткого замыкания. Его плюсы:
- Возможность применения недорогих автоматических выключателей низкой способностью отключения.
- Лёгкая организации селективности между вводным и нижестоящим автоматами (нужно знать конкретное значение тока короткого замыкания).
- Пусковой ток электродвигателей низкий.
Высокий ток короткого замыкания. Его минусы:
- Отсутствие способа организации избирательности между вышестоящими и нижестоящими автоматами (можно установить рубильник или селективный по времени выключатель на автомате).
- Нужно устанавливать АВ с высокой возможностью отключения.
- Большая вероятность печального заключения при коротком замыкании.
Высокий ток короткого замыкания. Его плюсы:
- Можно обеспечить точную стабильность напряжения.
- Есть вероятность подключить новых пользователей и увеличить нагрузку.
- Отключение линии при возникновении короткого замыкания обеспечено.
Подводя итоги, можно говорить о том, что величина тока короткого замыкания – понятие двойственное. В зоне быта ток короткого замыкания зачастую низкий. Его стараются увеличить путём прокладывания новых линий. В серьёзной энергетической отрасли, напротив, стараются уменьшить ток короткого замыкания.
Спасибо, что дочитали статью до конца!