Что такое короткое замыкание по простому - Причины и последствия возникновения короткого замыкания

Содержание

Что такое короткое замыкание?

Под данным термином принято называть состояние сети, в которой имеет место непредусмотренный нормальной эксплуатацией электрический контакт между точками электроцепи с различными потенциалами. Низкое сопротивление в зоне контакта вызывает резкое увеличение силы тока, превышающее допустимое значение.

Для понимания процесса приведем наглядный пример. Допустим, имеется лампа накаливания мощностью 100 Вт, подключенная к бытовой сети 220 В. Применив Закон Ома, рассчитаем величину тока для нормального режима и короткого замыкания, игнорируя сопротивление источника и электрической проводки.

Электрическая схема нормального режима работы (а) и короткого замыкания (b)

При нормальном режиме работы приведенной выше цепи, электрический ток будет равен 0,45 А (I = P/U = 100/220 ≈ 0,45), а сопротивление нагрузки составит 489 Ом (R = U/A = 220/0,45 ≈ 489).

Теперь рассмотрим изменение параметров цепи при возникновении КЗ. Для этого замкнем цепь между точками А и В выполним соединение при помощи провода с сопротивлением 0,01 Ом. Учитывая свойства электрического тока, он выберет путь с наименьшим сопротивлением, соответственно, Iкз увеличится до 22000 А (I=U/R). Собственно, по этой причине замыкание называется коротким.

Данный пример сильно упрощен, в реальности ток замыкания не поднимется до 2,2 кА, поскольку произойдет падение напряжения на потребителе, согласно второму закону Киргофа: E = I * r + I * R , где I*r — напряжение на источнике питания, а I * R, соответственно, на потребителе. Поскольку R при замыкании стремится к нулю, то вольтметр в изображенной выше схеме покажет падение напряжения.

Почему короткое замыкание так называется

Подключая какую-то нагрузку к сети, например, утюг, телевизор или любой другой электроприбор, мы создаём сопротивление для протекания электрического тока.
Если же мы умышленно или случайно соединим, например, фазу и ноль напрямую, без нагрузки, мы, в каком-то смысле, укорачиваем путь, делаем его коротким.

Поэтому, короткое замыкание и называют коротким, подразумевая движение электронов по кротчайшему пути, без сопротивления.

Виды КЗ

Согласно ГОСТ 52735-2007, в энергосетях короткие замыкания принято разделять на несколько видов. Для наглядности ниже представлены схемы различных видов КЗ.

Различные виды КЗ

Обозначения с кратким описанием:

3-х фазное, принятое обозначение – К(З). То есть, происходит электрический контакт между тремя фазами. Это единственный вид замыкания не вызывающий «перекос» фаз, процесс протекает симметрично, что упрощает расчет силы тока КЗ. В тоже время 3-х фазное замыкание представляет наибольшую опасность по факторам тепловых и электродинамических воздействий. В связи с этим, когда производится расчет тока КЗ для трехфазной цепи, как правило, рассматривается данный вид замыкания.

Характерно, что при К(З) наличие контакта с землей не отражается на параметрах процесса.

2-х фазное (K(2)). Данный вид замыкания, как все последующие, относится к несимметричным процессам, вызывающим перекос напряжений в системе. В кабельных линиях электропередач довольно велика вероятность перехода процесса K(2) в К(З), поскольку температура в месте замыкания разрушает изоляцию токоведущих частей.
2-х фазное с землей (K(1,1)). Данный процесс можно наблюдать в системах с заземленной нейтралью.
1-о фазное с землей (K(1)). Этот вид замыкания на практике встречается чаще всего. Характерно, что процесс может возникнуть как в бытовых или промышленных электросетях, так и в запитанном от них оборудовании.
Двойное на землю (K(1+1)). То есть, две фазы замыкаются через землю, не имея электрического контакта между собой. Такой вид замыкания возможен в системах с заземленной нейтралью.

Мы привели только пять видов замыканий, которые чаще всего встречаются на практике. С полным списком возможных вариантов и поясняющими схемами можно ознакомиться в приложении 2 к ГОСТу 26522 85.

Вероятность возникновения каждого из рассмотренных выше вариантов приведена в таблице. Как видно из нее чаще всего наблюдаются однофазные короткие замыкания.

Таблица 1. Распределение, составленное по аварийной статистике.

Обозначение КЗ	Процентное соотношение к общему числу (%)
К(З)	5,0
K(2)	10,0
K(1)	65,0
K(1,1) и K(1+1)	20,0

Разобравшись с видами замыканий, рассмотрим, в каких ситуациях они могут возникнуть.

Как образуется короткое замыкание

Как мы помним из учебника физики за 8 класс, закон Ома для участка цепи определяется по формуле:

где

I – сила тока в цепи, А

U – напряжение, В

R – сопротивление, Ом

Давайте рассмотрим вот такую схему

Если мы подключим настольную лампу EL к источнику тока Bat и замкнем ключ SA, то вольфрамовая нить лампы начнет разогреваться под тепловым воздействием тока. В этом случае значительная часть электрической энергии преобразуется в световую и тепловую.

А теперь покончим с лирическими отступлениями и замкнем два провода, которые идут на лампочку, через толстый провод AВ

Что будет дальше, если мы замкнем контакты ключа SA?

В результате ток пойдет по укороченному пути, минуя нагрузку. Короткий путь в данном случае и есть провод AB. Сопротивление провода АВ близко к нулю. В результате наша схема преобразуется в делитель тока. Согласно правилу делителя тока, если нагрузки соединены параллельно, то через нагрузку с меньшим сопротивлением побежит большая сила тока, а через нагрузку с большим значением сопротивления – меньшая сила тока. Так как провод АВ обладает почти нулевым сопротивлением, то через него потечет большая сила тока, согласно опять же закону Ома:

Как я уже сказал, в режиме КЗ сила тока достигает критических значений, превышающих допустимые для данной цепи.

Причины возникновения короткого замыкания

Коротит проводка — причины и способы устранения проблемы

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:

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.

Нужно отметить! У любой изоляции есть свой срок использования, старение её приводит к аварийным режимам.

Изменение физических параметров электрической сети, например, перенапряжение. Такое явление возможно во время грозы, а именно попадания молнии в проводник с током.
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.

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.

Скачок сетевого напряжения

Стандартное сетевое напряжение для стран СНГ составляет 220-230 вольт. Редко эта норма превышается. В розетке оказывается напряжение 380 вольт и выше. В этом случае должны сработать устройства защиты на подстанции или непосредственно у потребителя. Однако не всегда они находятся в исправном состоянии и по проводам «гуляет» перенапряжение.

Большая разность потенциалов приводит к электрическому пробою изоляции. Процесс начинается с небольшого тока утечки. Впоследствии он возрастает. Место пробоя греется. Затем изоляция в точке повреждения окончательно теряет диэлектрические свойства и происходит полноценное короткое замыкание с образованием электрической дуги.

Перегрев и износ изоляции

Происходит с течением времени и вследствие даже незначительных, но регулярных перепадов температур.

Обычно в таком случае изоляция постепенно из гибкой становится хрупкой – на ней появляются трещины в которых может скапливаться влага или пыль. В случае неблагоприятного стечения обстоятельств это может спровоцировать возникновение КЗ через микродугу, причем это самый тяжелый случай с точки зрения поиска неисправности.

При этом внешне вся проводка выглядит целой, но когда на нее подается напряжение, то со временем выбивает автомат защиты.

Поиск подавляющего большинства неисправностей в электроцепи происходит по принципу проверки «слабых звеньев» — это любые контакты, переходы – все те места, где при монтаже вскрывается наружная изоляция кабеля. Поэтому в скрытой проводке поиск неисправности всегда надо начинать в розетках, коробах и щитках.

Как итог – в этом случае проводится внимательный осмотр проводки – если уже выбивает автомат защиты, то возможно место повреждения изоляции будет подгоревшим и его станет видно. В некоторых случаях приходится устаивать проводке «стресс-тест» – подавая на нее повышенное напряжение. Это достаточно экстремальный способ, ведь по сути приходится провоцировать полноценное короткое замыкание электропроводки, после которого место неисправности видно «невооруженным глазом.

Для скрытой проводки и нахождения микротрещин в изоляции также можно воспользоваться и мегаомметром, но он только покажет наличие КЗ на локализованном участке электроцепи, а место его возникновения определить не сможет.

После того, как находим неисправность, то уже в зависимости от общего состояния проводки надо решать, менять кабель или обойтись восстановлением изоляции посредством изоленты.

Пример работы мегаомметра – на видео:

Проникновение пыли, грязи и влаги из воздуха

Такой вид короткого замыкания распространен в квартирных щитках и распределительных устройствах. На этих участках сети проводка имеет открытые неизолированные части. С течением времени на них осаждается пыль из воздуха. В сухом виде она плохо проводит ток. Однако в воздухе имеется некоторый процент влаги.

Пыль осаживается на клеммные колодки, вводные автоматы и прочие узлы электрического щита. Когда слой грязи становится достаточно толстым, его сопротивление резко снижается и происходит электрический пробой. Многократно усугубить ситуацию способно попадание в электрощиток воды. Например, в случае прорыва трубы или если щит находится под открытым небом, и подвержен влиянию осадков.

Повреждение изоляции грызунами

Это достаточно частое явление в сельской местности, да и в промышленных условиях такие поломки далеко не редкость – мыши прогрызают наружную изоляцию кабелей, затем внутреннюю и замыкают собой фазу с нолем.

Сложность поиска такой неисправности может заключаться в том, что неизвестно где мышь могла облюбовать себе место для «трапезы». Но с другой стороны, обычно место повреждения хорошо заметно, поэтому достаточно поверхностного осмотра провода, хоть и по всей его длине.

Надо учитывать, что здесь не всегда происходит полноценное замыкание – иногда мышь может частично повредить изоляцию и замкнуть провода не напрямую, а через себя. В таком случае велика вероятность найти место повреждения провода по погибшему животному, которого судорога от электрического тока приковывает к перегрызенному проводу. Хотя иногда бывает и такое, что мышь отбрасывает от кабеля, особенно если у нее получается замкнуть провода напрямую и произойдет полноценное короткое замыкание погрызенной проводки.

Молнии и атмосферное электричество

Высокие здания, инженерные сооружения, опоры ЛЭП в обязательном порядке оснащаются заземлением. Одна из его задач — притянуть удар молнии и заряды из атмосферы для дальнейшего их отвода в землю.

Простая система молниезащиты представляет собой железную проволоку или ленту, подключенную между крышей здания, арматурой и землей. Обычно это делается для каждого подъезда в отдельности. Если исключить грозозащиту, то разряд способен попасть в бытовую электросеть. Она не рассчитана на высокие токи и напряжения молнии. При ударе повсеместно будет происходить электрический пробой изоляции. Есть большой риск повреждения защитного слоя высоким напряжением и дальнейшего развития замыкания.

Ошибка человека

Причины, по которым напрямую коротнуло силовую проводку могут быть самыми разнообразными – от банальной невнимательности, которую иногда допускают выполняя монтаж, до аварии вследствие бури или другого стихийного бедствия.

Главное здесь то, что при прямом соприкосновении фазы и ноля всегда происходит скачкообразное повышение силы тока и температуры на токоведущих жилах. В большинстве случаев провода не рассчитаны на то, чтобы выдерживать токи короткого замыкания, поэтому в месте соприкосновения происходит мини-взрыв, вследствие которого выгорает изоляция, а разлетающиеся расплавленные частицы токоведущих жил разносят ее пепел вокруг. В этом случае нет особой проблемы в том, как найти короткое замыкание в проводке – все видно невооруженным глазом – провода оплавлены и все вокруг в саже.

Здесь особо надо учитывать, что сажа, которая покрывает всю прилегающую поверхность, как и пыль, в определенных концентрациях способна проводить электрический ток, поэтому при ликвидации последствий замыкания ее надо тщательно вычищать.

Опасность и последствия

Чтобы понять, какую опасность представляет КЗ, достаточно узнать о возможных последствиях короткого замыкания. Для этого перейдем к краткому перечню, составленному по статистическим данным Ростехнадзора:

Возникновение возгорания в месте механического соприкосновения неизолированных элементов оборудования или электрической сети часто становится причиной пожара.
Понижение уровня напряжения электрического тока в зоне замыкания вызовет сбой в работе электрооборудования. О последствиях пониженного напряжения можно подробно узнать в одной из публикаций на нашем сайте.
Как видно из приведенной выше таблицы 1, на долю симметричных замыканий (К(З)) приходится не более 5%, это означает, что во всех остальных случаях придется иметь дело с сетевой асимметрией, более известной под названием «перекос фаз». Последствия такого режима мы уже рассматривали в более ранней публикации.
Возникновение различных системных аварий, вызывающих отключение потребителей энергосистемы до устранения короткого замыкания.

Как найти короткое замыкание в проводке

Как правило, поиск замыкания происходит уже после того, как выбило пробки или автоматический выключатель.

Тут есть несколько вариантов:

внешний осмотр;
использование специальных приборов;
исключением;
по звуку;
по запаху.

Внешний осмотр при коротком замыкании

Если вы обнаружили, что повреждена изоляция или соприкосновение двух оголенных жил – можете считать, что причина найдена.

Обычно, такие повреждения можно найти в распределительных коробках, выключателях или розетках, где соединяются провода.

Заметили обгорелую оболочку – это и есть неисправность.

Как найти короткое замыкания, используя приборы

Использовать для этого лучше мегаомметр или мультимерт. Они быстро проверят сопротивление в цепи.

Подключите один провод прибора к фазе, а другой к заземлению (к нулю).

Если прибор показывает ноль – проводка в норме. Все, что выше нуля свидетельствует о соприкосновении контактов.

Стоит учесть, что мультиметр имеет маленькое сопротивление, поэтому определить короткое замыкание с его помощью не всегда возможно.

Как найти замыкание методом исключения

Тут все просто, но способ эффективен в случае вины электроприбора.

Когда у вас выбило выключатель, выключите всю технику от электричества.

Затем включите автомат и начинайте подключать каждый из приборов.

Как найти короткое замыкание по звуку и запаху

При замыкании контактов можно услышать потрескивание. Главное иметь хороший слух. По запаху гари пластмассы и легкого дымка вы легко найдете обрыв проводки в доме.

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.

Как предупредить короткое замыкание

Самый простой способ – это соблюдать рекомендации, прописанные в ПУЭ – практически всем записям в этой книге предшествует какая-либо авария либо как минимум нештатная ситуация. Ну а так как заучивать правила скорее всего никто не будет, то хотя бы надо руководствоваться здравым смыслом, который диктует следующее:

Если проводка старая, то настоятельно рекомендуется ее замена. Если по каким-либо причинам это невозможно, то, как минимум, надо осмотреть контакты розеток и оценить, требуется ли им дополнительная изоляция.
Если квартиру затопили соседи сверху, то, даже если ничего не замкнуло, это повод пересмотреть скрутки проводов в распределительных коробах – под воздействием влаги липкая сторона изоленты теряет свои свойства.
Нужна осторожность при вбивании гвоздей в стены – неудачно забитый гвоздь приносит с собой большое количество «головной боли» по замене перебитого провода.

Настоятельно рекомендуется при проведении капитального ремонта составить план электропроводки, а если в каком-либо месте есть скрутки проводов, то обязательно указывать её на схеме – это потенциальное «слабое звено».

Также можно просто сделать фото проводов до того, как они будут спрятаны в стену.

В частном секторе обязательно надо применять дополнительные меры по защите проводки от крыс и мышей – есть достаточно большое количество найденных домашними электриками способов борьбы с грызунами – это могут быть металлические гофры, промазывание кабелей мастикой и прочие методы.
Если в розетку приходилось включать мощный прибор, то потом стоит перепроверить, не подгорели ли контакты и состояние изоляции.

Пример поиска короткого замыкания специальным прибором — на видео:

Меры, исключающие короткое замыкание

Еще на заре развития электротехники появились плавкие предохранители. Принцип действия подобной защиты очень прост: под влиянием теплового действия тока предохранитель разрушается, тем самым размыкая цепь. Предохранители наиболее часто используются в бытовых электросетях и бытовых электроприборах, электрическом оборудовании транспортных средств и промышленном электрооборудовании до 1000 В. Встречаются они и в цепях с высоковольтным оборудованием.

Вот такие предохранители используются в цепях с малыми токами

вот такие плавкие предохранители вы можете увидеть в автомобилях

А вот эти большие предохранители используются в промышленности, и они уже рассчитаны на очень большие значения токов

Более сложную конструкцию имеют автоматические выключатели, оснащенные электромагнитными и/или тепловыми датчиками. Ниже на фото однофазный автоматический выключатель, а справа – трехфазный

Их принцип действия основан на размыкании цепи при превышении допустимых значений силы тока.

В быту мы чаще всего сталкиваемся со следующими устройствами защиты электросети:

Плавкие предохранители (применяются в том числе в бытовых электроприборах).
Автоматические выключатели.
Стабилизаторы напряжения.
Устройства дифференциального тока.

Все вышеперечисленное защитное оборудование относится к устройствам вторичной защиты, действующим по инерционному принципу. На вводе бытовых электросетей наиболее часто устанавливаются автоматические защитные устройства, действующие по адаптивному принципу. Такие устройства можно увидеть возле счетчиков электроэнергии квартир, коттеджей, офисов.

В высоковольтных сетях защита чаще обеспечивается:

Устройствами релейной защиты и другим отключающим оборудованием.
Понижающими трансформаторами.
Распараллеливанием цепей.
Токоограничивающими реакторами.

Большинства коротких замыканий можно избежать, если устранить основные причины их возникновения: своевременно ремонтировать или заменять изношенное оборудование, исключить вредные воздействия человека. Не допускать неправильных действий при монтажных и ремонтных работах, соблюдать СНИПы и правила техники безопасности.

Профилактика КЗ

Выполнить профилактические действия безопаснее, надежнее и дешевле, чем восстанавливать проводку после КЗ. Периодически нужно проверять розетки. Если они начинают искрить, нужно их ремонтировать или менять. Если производилась частичная замена проводки, следует проверять надежность мест соединения, целостность изоляционного слоя.

Раз в несколько месяцев следует проверять источники света, осветительную сеть и силовые провода. Короткое замыкание может возникать со временем. Выявить его можно по изменению цвета устройств или их плавлению. В квартире обязательно должны стоять автоматические выключатели. На мощные электроприборы ставятся отдельные средства защиты, которые должны сработать при аварийной ситуации.

При самостоятельном проведении монтажа электропроводки важно правильно рассчитывать сечение кабеля. Если оно не способно выдержать мощность всех подключаемых приборов, будет происходить перегрузка, приводящая к короткому замыканию. Кабели не должны укладываться тесно друг с другом – это может привести к повреждению защитного слоя. Также при соединении надо правильно выбрать способ создания контакта и приобрести заранее необходимое оборудование. Нельзя соединять провода методом скрутки.

Если надо сверлить стену, следует проверить место самодельным металлоискателем или изучить схему электропроводки. Таким образом можно обнаружить кабель скрытой проводки, который мастер мог бы случайно повредить.