Одного разу одній дамі, не надто обізнаного в електротехніці, монтер повідомив причину зникнення світла в її квартирі. Це виявилося коротке замикання, і жінка зажадала негайно його подовжити. Над цією історією можна посміятися, але краще все-таки розглянути цю неприємність докладніше. Фахівцям-електрикам і без цієї статті відомо, що це за явище, чим воно загрожує і як розрахувати струм короткого замикання. Викладена нижче інформація адресована людям, які не мають технічної освіти, але, як і всі інші, які не застраховані від неприємностей, пов`язаних з експлуатацією техніки, машин, виробничого обладнання та самих звичайних побутових приладів. Кожній людині важливо знати, що таке коротке замикання, які його причини, можливі наслідки і методи його запобігання. Не обійтися в цьому описі і без знайомства з азами електротехнічної науки. Він не знає їх читач може занудьгувати і не дочитати статтю до кінця.
Популярний виклад закону Ома
Незалежно від того, який характер струму електричного кола, він виникає тільки в тому випадку, якщо існує різниця потенціалів (або напруга, це те ж саме). Природа цього явища може бути пояснена на прикладі водоспаду: якщо є різниця рівнів, вода тече в якомусь напрямку, а коли ні - вона стоїть на місці. Навіть школярам відомий закон Ома, згідно з яким, ток тим більше, чим вище напруга, і тим менше, чим вище опір, включене в навантаження:
I = U / R,
де:
I - величина струму, яку іноді називають «силою струму», хоча це не зовсім грамотний переклад з німецької мови. Вимірюється в Амперах (А).
Насправді силою (тобто причиною прискорення) струм сам по собі не має, що як раз і проявляється під час короткого замикання. Цей термін вже став звичним і вживається часто, хоча викладачі деяких вузів, почувши з уст студента слова «сила струму» тут же ставлять «незадовільно». «А як же вогонь і дим, що йдуть від проводки під час короткого замикання? - Запитає настирливий опонент, - це не сила? »Відповідь на це зауваження є. Справа в тому, що ідеальних провідників не існує, і нагрів їх обумовлений саме цим фактом. Якщо припустити, що R = 0, то і тепло б не виділялося, як зрозуміло з закону Джоуля-Ленца, наведеного нижче.
U - та сама різниця потенціалів, яка називається також напругою. Вимірюється в Вольтах (у нас В, за кордоном V). Його також називають електрорушійної силою (ЕРС).
R - електричний опір, тобто здатність матеріалу перешкоджати проходженню струму. У діелектриків (ізоляторів) воно велике, хоча і не нескінченне, у провідників - мале. Вимірюється в Омах, але оцінюється як питомої величини. Само собою, що чим товще дріт, тим він краще проводить струм, а чим він довший, тим гірше. Тому питомий опір вимірюється в Омах, помножених на квадратний міліметр і ділених на метр. Крім цього, на його величину впливає температура, чим вона вища, тим більше опір. Наприклад, золотий провідник довжиною в 1 метр і перетином в 1 кв. мм при 20 градусах Цельсія має загальним опором 0,024 Ома.
Є ще формула закону Ома для повного кола, в неї введено внутрішнє (власне) опір джерела напруги (ЕРС).
Дві простих, але важливих формули
Зрозуміти причину, по якій виникає струм короткого замикання, неможливо без засвоєння ще однієї нехитрої формули. Потужність, що споживається навантаженням, дорівнює (без урахування реактивних складових, але про них пізніше) добутку струму на напругу.
P = U x I,
де:
P - потужність, Ватт або Вольт-Ампер;
U - напруга, Вольт;
I - струм, Ампер.
Потужність нескінченної не буває, вона завжди чимось обмежена, тому при її фіксованою величиною при збільшенні струму напруга зменшується. Залежність цих двох параметрів робочої ланцюга, виражена графічно, називається вольт-амперної характеристикою.
І ще одна формула, необхідна для того, щоб розрахуватися струмів короткого замикання, це закон Джоуля-Ленца. Вона дає уявлення про те, скільки тепла виділяється при опорі навантаження, і дуже проста. Провідник буде грітися з інтенсивністю, пропорційної величинам напруги і квадрата струму. І, звичайно ж, формула не обходиться без часу, чим довше розжарюється опір, тим більше воно виділить тепла.
Що відбувається в ланцюзі при короткому замиканні
Отже, читач може вважати, що освоїв всі головні фізичні закономірності для того, щоб розібратися в тому, який може бути величина (ладно, нехай буде сила) струму короткого замикання. Але спочатку слід визначитися з питанням про те, що, власне, це таке. КЗ (коротке замикання) - це ситуація, при якій опір навантаження близько до нуля. Дивимося на формулу закону Ома. Якщо розглядати його варіант для ділянки кола, нескладно зрозуміти, що струм буде прагнути до нескінченності. У повному варіанті він буде обмежений опором джерела ЕРС. У будь-якому випадку струм короткого замикання дуже великий, а за законом Джоуля-Ленца, чим він більший, тим сильніше гріється провідник, по якому він йде. Причому залежність не пряма, а квадратична, тобто, якщо I збільшиться стократно, то тепла виділиться в десять тисяч разів більше. В цьому і полягає небезпека явища, що приводить часом до пожеж.
Провід розпалюються до червоного (або білого), вони передають цю енергію стін, стелі та інших предметів, яких стосуються, і підпалюють їх. Якщо фаза в якомусь приладі стосується нульового провідника, виникає струм короткого замикання джерела, замкнутого на самого себе. Пальне підставу електропроводки - страшний сон інспекторів пожежної охорони і причина багатьох штрафів, що накладаються на безвідповідальних власників будівель і приміщень. І всьому виною, звичайно ж, не закони Джоуля-Ленца і Ома, а пересохла від старості ізоляція, неакуратно або безграмотно вироблений монтаж, пошкодження механічного характеру або перевантаження проводки.
Однак і струм короткого замикання, яким би він не був великим, також не нескінченний. На розміри бід, які він може накоїти, впливає тривалість нагріву і параметри схеми електропостачання.
Ланцюги змінного струму
Розглянуті вище ситуації мали загальний характер або стосувалися ланцюгів постійного струму. У більшості випадків електропостачання та житлових, і промислових об`єктів проводиться від мережі змінного напруги 220 або 380 Вольт. Неприємності з проводкою, розрахованої на постійний струм, найчастіше трапляються в автомобілях.
Між цими двома основними типами електроживлення є різниця, і суттєва. Справа в тому, що проходженню змінного струму перешкоджають додаткові складові опору, звані реактивними і обумовлені хвильової природою виникають в них явищ. На змінний струм реагують індуктивності і ємності. Струм короткого замикання трансформатора обмежується не тільки активним (або омічним, тобто таким, яке можна виміряти кишеньковим приборчиком-тестером) опором, але і його індуктивної складової. Другий тип навантаження - ємнісний. Щодо вектора активного струму вектори реактивних складових відхилені. Індуктивний струм відстає, а ємнісний випереджає його на 90 градусів.
Прикладом різниці поведінки навантаження, що володіє реактивної складової, може служити гучномовець. Його деякі любителі гучної музики перевантажують до тих пір, поки дифузор магнітне полі не вибиває вперед. Котушка злітає з сердечника і тут же згорає, тому що індуктивна складова її напруги зменшується.
види КЗ
Струм короткого замикання може виникати в різних ланцюгах, підключених до різних джерел постійного або змінного струму. Найпростіше справа йде зі звичайним плюсом, який раптом з`єднався з мінусом, минаючи корисне навантаження.
А ось зі змінним струмом варіантів більше. Однофазний струм короткого замикання виникає при з`єднанні фази з нейтраллю або її заземлення. У трифазної мережі може виникнути небажаний контакт між двома фазами. Напруга в 380 або більше (при передачі енергії на великі відстані по ЛЕП) вольт також може викликати неприємні наслідки, в тому числі і дугову спалах в момент комутації. Замкнути може і все три (або чотири, разом з нейтраллю) проводи одночасно, і струм трифазного короткого замикання буде текти по ним до тих пір, поки не спрацює захисна автоматика.
Але і це ще не все. У роторах і статорах електричних машин (двигунів і генераторів) і трансформаторах часом трапляється таке неприємне явище, як межвитковое замикання, при якому сусідні петлі дроти утворюють своєрідне кільце. Цей замкнутий контур має вкрай низьким опором в мережі змінного струму. Сила струму короткого замикання в витках зростає, це стає причиною нагріву всієї машини. Власне, якщо така біда сталася, не слід чекати, поки оплавітся вся ізоляція і електромотор задимиться. Обмотки машини потрібно перемотувати, для цього необхідне спеціальне обладнання. Це ж стосується і тих випадків, коли через «межвиткового» виник струм короткого замикання трансформатора. Чим менше обгорить ізоляція, тим простіше і дешевше буде перемотування.
Розрахунок величини струму при короткому замиканні
Яким би не було катастрофічним те чи інше явище, для інженерної і прикладної науки важлива його кількісна оцінка. Формула струму короткого замикання дуже схожа на закон Ома, просто до неї потрібні деякі пояснення. Отже:
I к.з. = Uph / (Zn + Zt),
де:
I к.з. - Величина струму короткого замикання, А;
Uph - фазна напруга, В;
Zn - повне (включаючи реактивну складову) опір короткозамкненою петлі;
Zt - повне (включаючи реактивну складову) опір трансформатора харчування (силового), Ом.
Повні опору визначаються як гіпотенуза прямокутного трикутника, катети якого є величини активного і реактивного (індуктивного) опору. Це дуже просто, потрібно користуватися теоремою Піфагора.
Кілька частіше, ніж формула струму короткого замикання, на практиці використовуються експериментально виведені криві. Вони являють собою залежності величини I к.з. від довжини провідника, перетину дроту і потужності силового трансформатора. Графіки представляють собою сукупність низхідних по експоненті ліній, з яких залишається лише вибрати відповідну. Метод дає приблизні результати, але його точність цілком відповідає практичним потребам інженерів з енергопостачання.
Як проходить процес
Здається, що все відбувається миттєво. Щось загуло, світло померкло і тут же погас. Насправді, як будь-яка фізична явище, процес можна подумки розтягнути, уповільнити, проаналізувати і розбити на фази. До настання аварійного моменту ланцюг характеризується сталим значенням струму, що знаходяться в межах номінального режиму. Раптово повне опір різко зменшується до величини, близької до нуля. Індуктивні складові (електродвигуни, дроселі та трансформатори) навантаження при цьому як би уповільнюють процес зростання струму. Таким чином, в перші мікросекунди (до 0,01 сек) сила струму короткого замикання джерела напруги залишається практично незмінною і навіть дещо знижується за рахунок початку перехідного процесу. ЕРС його при цьому поступово досягає нульового значення, потім проходить через нього і встановлюється в якомусь стабілізованому значенні, що забезпечує протікання великого I к.з. Сам ток в момент перехідного процесу являє собою суму з періодичної і аперіодичної складових. Форма графіка процесу аналізується, в результаті чого можна визначити постійну величину часу, що залежить від кута нахилу дотичної до кривої розгону в точці її перегину (першої похідної) і часу запізнювання, що визначається величиною реактивної (індуктивної) складової сумарного опору.
Ударний струм КЗ
У технічній літературі часто зустрічається термін «ударний струм короткого замикання». Не слід лякатися цього поняття, воно зовсім не таке страшне і до поразки електрикою прямого відношення не має. Поняття це означає максимальне значення I к.з. в колі змінного струму, що досягає своєї величини зазвичай через півперіоду після того, як виникла аварійна ситуація. При частоті 50 Гц період становить 0,2 секунди, а його половина - відповідно 0,1 сек. У цей момент взаємодія провідників, розташованих поблизу один щодо одного, досягає найбільшої інтенсивності. Ударний струм короткого замикання визначається за формулою, яку в цій статті, призначеної не для фахівців і навіть не для студентів, приводити не має сенсу. Вона доступна в спеціальній літературі і підручниках. Само по собі це математичний вираз не представляє особливої складності, але вимагає досить об`ємних коментарів, що поглиблюють читача в теорію електроланок.
Корисне КЗ
Здавалося б, очевидний факт полягає в тому, що коротке замикання - явище вкрай погане, неприємне і небажане. Воно може призвести в кращому випадку до знеструмлення об`єкта, відключення аварійної захисної апаратури, а в гіршому - до вигоряння проводки і навіть пожежі. Отже, всі сили потрібно зосередити на тому, щоб уникнути цієї напасті. Однак розрахунок струмів короткого замикання має цілком реальний і практичний сенс. Винайдено чимало технічних засобів, що працюють в режимі високих струмових значень. Прикладом може служити звичайний зварювальний апарат, особливо дугового, який замикає в момент експлуатації практично накоротко електрод із заземленням. Інше питання полягає в тому, що режими ці носять короткочасний характер, а потужність трансформатора дозволяє витримувати ці навантаження. При зварюванні в точці дотику закінчення електрода проходять величезні струми (вони вимірюються в десятках ампер), в результаті чого виділяється досить тепла для місцевого розплавлення металу і створення міцного шва.
методи захисту
У перші ж роки бурхливого розвитку електротехніки, коли людство ще відважно експериментувало, впроваджуючи гальванічні прилади, винаходило різні види генераторів, двигунів і освітлення, виникла проблема захисту цих пристроїв від перевантажень і струмів короткого замикання. Найпростіше її рішення полягало в послідовній з навантаженням установці плавких елементів, які руйнувалися під впливом резистивного тепла, в разі якщо струм перевищував встановлений значення. Такі запобіжники служать людям і сьогодні, їх головні переваги полягають в простоті, надійності і дешевизні. Але є у них і недоліки. Сама простота «пробки» (так назвали власники плавких ставок за їх специфічну форму) провокує користувачів після її перегоряння не мудрувати лукаво, а замінювати вийшли з ладу елементи першими попалися під руку тяганиною, скріпками, а то і цвяхами. Чи варто згадувати про те, що такий захист від струмів короткого замикання не виконує своєї благородної функції?
На промислових підприємствах для знеструмлення перевантажених ланцюгів автоматичні вимикачі почали використовувати раніше, ніж в квартирних щитках, але в останні десятиліття «пробки» були в основному замінені ними. «Автомати» набагато зручніше, їх можна не міняти, а включити, усунувши причину КЗ і дочекавшись, коли теплові елементи охолонуть. Контакти у них іноді підгорають, в цьому випадку їх краще замінити і не намагатися почистити або полагодити. більш складні диференціальні автомати при високій вартістю не служать довше звичайних, але функціонально їх навантаження ширше, вони відключають напругу в разі мінімальної витоку струму «на сторону», наприклад при ураженні людини струмом.
У повсякденному ж житті експериментувати з коротким замиканням не рекомендується.
