Причины и последствия возникновения короткого замыкания

Виды и причины

В быту короткие замыкания бывают:

• однофазные – когда фазный провод замыкается на ноль. Такие КЗ случаются чаще всего;
• двухфазные – когда одна фаза замыкается на другую;
• трехфазные – когда замыкаются сразу три фазы. Это самый проблемный вид КЗ.

Например, утром в воскресенье ваш сосед за стенкой соединяет фазу и ноль в розетке, включив в нее перфоратор. Это значит, что цепь замыкается, и ток идет через нагрузку, то есть через включенный в розетку прибор. Если же сосед соединит провода фазы и нуля в розетке без подключения нагрузки, то в цепи возникнет КЗ, но вы сможете поспать подольше.

Тем, кто не знает, для лучшего понимания полезно будет почитать, что такое фаза и ноль в электричестве. Короткое замыкание называют коротким, так как ток при таком замыкании цепи как бы идет по короткому пути, минуя нагрузку. Контролируемое или длинное замыкание – это обычное, привычное всем включение приборов в розетку.

Электрическая цепь — это, как правило, два проводника с разноименным потенциалом и подключенным потребителем тока. Каждый конечный потребитель имеет свое внутреннее сопротивление, которое сопротивляется току и ограничивает, тем самым дозируя его количество и плотность в проводнике, заставляя производить работу.

Природа негативного явления

Чтобы лучше понять происхождение этого явления, следует сделать короткое замыкание своими руками. Для этого нужно собрать простейшую электрическую цепь из батарейки, лампочки и оголенных проводов. Как только будут соединены проводами источник питания и устройство, то по цепи пойдет ток, и лампочка загорится. Провода, идущие к лампочке, необходимо замкнуть любым металлическим отрезком. Ток начнет проходить по новому проводнику и через лампочку.

Но так как сопротивление провода очень мало, то весь ток будет протекать через него. Если говорить простым языком, короткое замыкание — это кратчайшее прохождение электрического тока по пути, где наименьшее сопротивление в цепи. Проводок сильно нагреется, так как, согласно Закону Ома из физики, по нему потечет ток большого значения. В результате сильного нагрева возможен обрыв проводов или их возгорание. В больших масштабах часто из-за этого явления возникают пожары.

Что такое короткое замыкание

Что называется коротким замыканием (КЗ)? Короткое замыкание – это соединение токоведущих частей разных фаз или потенциалов между собой или на корпус оборудования, соединенный с землей, в сетях электроснабжения или в электроприемниках.

Почему происходит короткое замыкание (кз)?

• ухудшение сопротивления изоляции во влажной или химически активной среде;
• при недопустимом перегреве изоляции;

• механические воздействия;
• ошибочные воздействия персонала при обслуживании и ремонте и т. д.

В таблице ниже представлена предельно допустимая нагрузка на различные устройства и приборы:

Как видно из самого названия процесса, при КЗ путь тока укорачивается, т. е. он идет, минуя сопротивление нагрузки, поэтому он может увеличиться до недопустимых величин, если напряжение не отключится под действием электрической зашиты. Но напряжение может не отключиться и при наличии защиты, если КЗ случилось в удаленной точке, и из-за большого сопротивления до места КЗ ток недостаточен для срабатывания защиты. Но этот ток может быть достаточным для возгорания проводов, что может привести к пожару.

Короткое замыкание в городской троллейбусной сети

Что делать, если замкнуло: экстренные действия

В случае отключения электроэнергии в доме следует убедиться, что произошла авария в доме. О проблемах «расскажут» дым и едкий запах расплавившейся пластмассы.
Необходимо отключить автоматы, выкрутить пробки на электрическом щитке, отсоединить из розеток электроприборы. Открытый огонь лучше сбить, накрыв одеялом или плотной тканью.

Если припасен порошковый (автомобильный) или углекислотный огнетушитель, обязательно задействуйте его в тушении. Нельзя поливать очаг возгорания водой!

Причины серьезных неисправностей электропроводки разнообразны, но в большинстве случаев известны. Возникновение КЗ связано с неправильной эксплуатацией и нарушением при монтаже электропроводки п.2.1.21 правил ПЭУ.

Токи короткого замыкания: необходим точный расчет

Отсюда возникает необходимость расчета тока короткого замыкания — тока КЗ. Величина токов КЗ может меняться, если к сети электроснабжения вашего дома присоединяются другие электроприемники в более удаленных местах. В таких случаях снова производится расчет тока КЗ в месте установки новых электроприемников. Токи КЗ производят также электродинамическое действие на аппараты и проводники, когда их детали могут деформироваться под действием механических сил, возникающих при больших токах.

При коротком замыкании происходит перегрев аппаратов и проводов. Термическое действие токов КЗ заключается в перегреве аппаратов и проводов. Поэтому при выборе аппаратов их нужно проверять по условиям КЗ, с тем чтобы они выдержали токи КЗ в месте их установки. Как известно, наряду с сетями с глухозаземленной нейтралью существуют сети с изолированной нейтралью. Рассмотрим характерные отличия этих сетей при КЗ.

Это интересно! Все о полупроводниковых диодах.

Как устранить

Замена розетки после короткого замыкания
Когда найдено место, где коротит проводка, нужно провести ее замену и ремонт. Предварительно помещение нужно обесточить и только потом менять проблемный участок. Место соединения двух проводников нужно надежно заизолировать. Также важно правильно выбрать способ создания контакта. Если под действием тока короткого замыкания подгорел выключатель или розетка, рекомендуется приобрести и установить новое изделие. Это дешевле и надежнее, чем чинить сломанный прибор.

В старых домах электропроводка выполнялась из алюминия. Это ненадежный устаревший способ прокладки сетей, поэтому ее нужно полностью заменить. Именно алюминиевая проводка может закоротить.

Когда замыкает бытовой прибор, починкой должен заниматься профессионал. Самостоятельно чинить устройство без профессионального инструмента, навыков и умений опасно для здоровья.

Однофазные короткие замыкания

На практике в большинстве случаев происходят однофазные короткие замыкания. В сетях с изолированной нейтралью при соединении одной фазы с землей режим не является коротким замыканием и бесперебойность электроснабжения не нарушается, но он должен быть отключен, так как соответствует аварийному состоянию. При замыкании одной фазы на землю в данной сети напряжения на двух других фазах повышаются в 1,73 раза, а напряжение на нулевой точке становится равным фазному напряжению относительно земли.

Будет интересно➡ Что такое коэффициент полезного действия (КПД) и как рассчитать его по формуле

В сетях с глухозаземленной нейтралью при соединении провода с землей сгорает предохранитель или срабатывает автоматический выключатель, при этом электроснабжение нарушается, а при сгорании предохранителя могут повредиться обмотки двигателей при работе на двух фазах.

Если в любой части электропроводки или электроприбора (лампочки, утюга и т. д.) нарушится изоляция и фазный провод коснется нулевого, произойдет короткое замыкание.

Поскольку между замкнувшимися проводами нет никакой нагрузки, иначе говоря, электрическое сопротивление места контакта практически равно нулю, ток через контакт начнет расти до тех пор, пока не расплавятся провода, что, в частности, может привести к пожару. Для защиты от короткого замыкания и служат предохранители.

Простой (в виде «пробки») предохранитель — это включенная в фазный провод легкоплавкая вставка, которая при росте тока сгорит и разомкнет цепь задолго до того, как произойдут более серьезные неприятности. Конструктивно предохранитель выполнен так, что эта микрокатастрофа не приводит к порче предохранительной колодки. Пожертвовавшую собой маленькую героиню выбрасывают и заменяют следующей.

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.

Защита от токов короткого замыкания

Как мы выяснили, токи КЗ весьма опасны, прежде всего с точки зрения пожарной безопасности. Поэтому необходимо построить защиту от токов короткого замыкания, то есть установить в щите автоматические выключатели. Автоматические предохранители устроены так, что в случае короткого замыкания рост тока КЗ приводит к срабатыванию электромагнитного расцепителя мгновенного действия, который разъединяет электрическую цепь без ущерба для себя.

Для того, чтобы после устранения короткого замыкания снова включить электричество, необходимо просто нажать на белую кнопку (красная служит для выключения) или перекинуть вверх опустившийся при срабатывании предохранителя рычажок.

Правила монтажа электропроводки предусматривают расчет нагрузки и токов, идущих через автоматы защиты. Понятно, что предохранитель должен срабатывать при значениях тока, выбранных с солидным запасом. Иначе случайные небольшие колебания напряжения в сети (а следовательно, и тока) будут приводить к постоянному ложному срабатыванию защиты. С другой стороны, запас не должен быть и слишком велик, чтобы действия тока не причинило вреда сети раньше, чем произойдет отсечка.

Возгорание изоляции кабеля.

Автоматический предохранитель защищает внутреннюю и внешнюю сеть

Заметим, что автоматические предохранители, установленные в начале каждой домовой линии (рабочей группы), защищают от короткого замыкания не только домовую сеть, но и наружную. В самом деле, если бы их не было, то аварийное короткое замыкание привело бы к выходу из строя трансформаторной подстанции, а вернее, электрического силового щита более высокого уровня, так что электричества лишилось бы значительное количество пользователей, да и без вызова аварийной службы было бы не обойтись. А при наличии «автомата» достаточно включить его после срабатывания (удалив, конечно, причину короткого замыкания).

Становится понятна и необходимость нескольких линий в доме: если одна линия вылетела, в запасе есть другие. Кстати, отсюда вывод: удобно, если от каждой рабочей группы питается лампочка аварийного освещения в районе счетчика или аварийная розетка, в которую можно включить переносную лампу.

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.

Какие бывают виды

Короткое замыкание. Каждый слышал это словосочетание. Многие видели надпись «Не закорачивать!» Часто, когда ломается какой-нибудь электроприбор, говорят: «Коротнуло!» И несмотря на негативный оттенок этих слов, профессионалы знают, что короткое замыкание – не печальный приговор. Иногда с коротким замыканием (КЗ) бороться бессмысленно, а порой и принципиально невозможно. В этой статье будут даны ответы на самые важные вопросы: что такое короткое замыкание и какие виды КЗ встречаются в технике.

Будет интересно➡ Что такое электрическое сопротивление

Начнем рассматривать эти вопросы под необычным углом – узнаем, в каких случаях короткие замыкания неизбежны и где они не играют роль повреждений. Возьмем за оба конца обыкновенный металлический провод. Соединим концы вместе. Провод замкнулся накоротко – произошло КЗ. Но так как в цепи отсутствуют источники электрической энергии и нагрузка, такое короткое замыкание никакого вреда не несет. В некоторых областях электротехники КЗ, которое мы рассмотрели, играет на руку, например, в электрических аппаратах и электрических машинах.

Материал по теме: Как подключить конденсатор

Взглянем на однофазное реле или пускатель, в конструкции которых есть магнитная система с подвижными частями – электромагнит, притягивающий якорь. Из-за постоянно меняющейся полярности тока, текущего в обмотках электромагнита, его магнитный поток периодически становится равен нулю, что вызывает дребезжание якоря, появляются вибрации и характерное, знакомое всем электрикам гудение. Чтобы избавиться от этого явления, на торец сердечника электромагнита или якоря прикрепляют короткозамкнутый виток – кольцо или прямоугольник из меди или алюминия.

Из-за явления электромагнитной индукции в витке создается ток, создающий свой магнитный поток, компенсирующий пропадание основного магнитного потока, создаваемого электромагнитом, что приводит к уменьшению или исчезновению вибраций, разрушающих конструкцию.

Так же на руку играет короткое замыкание и в роторе асинхронного электродвигателя. Благодаря взаимодействию магнитного поля, создаваемого обмотками статора, с короткозамкнутым ротором, в роторе по уже упомянутому закону появляются свои токи, создающие свое поле, что приводит ротор во вращение. Конечно, важно грамотное проектирование электродвигателя или электрического аппарата, чтобы токи, протекающие в короткозамкнутых элементах, не приводили к перегреву и порче изоляции основных обмоток.

Возгорание розетки

Подобным образом понятие «короткое замыкание» используется применительно к трансформаторам. Люди, так или иначе связанные с энергетикой, знают, что одна из важнейших характеристик трансформатора – это напряжение короткого замыкания, UКЗ, измеряемое в процентах. Возьмем трансформатор. Одну из его обмоток, скажем, низшего напряжения (НН) закоротим амперметром, сопротивление которого, как известно, принимается равным нулю. Обмотку высшего напряжения (ВН) подключаем к источнику напряжения. Повышаем напряжение на обмотке ВН до тех пор, пока ток в обмотке НН не станет равным номинальному, фиксируем это напряжение.

Делим его на номинальное напряжение высшей стороны, умножаем на 100%, получаем UКЗ. Эта величина характеризует потери мощности в трансформаторе и его сопротивление, от которого зависит ток короткого замыкания, ведущий к повреждениям. Поговорим наконец о коротких замыканиях, несущих негативные последствия. Такие короткие замыкания появляются, когда ток от источника питания протекает не через нагрузку, а только через провода, обладающие ничтожно маленьким сопротивлением. Например, трехфазный кабель питается от трансформатора, и одним неосторожным движением ковша экскаватора происходит его повреждение – две фазы закорачиваются через ковш. Такое КЗ называют двухфазным. Аналогично по количеству замкнутых фаз называют другие КЗ.

Однофазное замыкание на землю в сетях с изолированной нейтралью не является коротким, но может представлять угрозу жизни живых существ. Металлическим называют КЗ, в котором переходное сопротивление равно нулю – например, при болтовом или сварочном соединении. Токи КЗ в зависимости от напряжения и вида повреждения могут достигать тысяч и сотен тысяч ампер, приводить к пожарам и колоссальным электродинамическим усилиям, «выворачивающим» шины и провода. Защита от КЗ может осуществляться автоматическими выключателями или предохранителями, а в высоковольтных сетях – средствами релейной защиты и автоматики.

Защита блока питания от короткого замыкания.

Характерные признаки и последствия

Визуально такой процесс можно определить по ярким вспышкам, появлению дыма, обугленным проводам и перегоревшим плавким предохранителям. Кроме того, при этом происходит падение напряжения и рост силы тока в электрической магистрали. Все эти явления представляют большую опасность, а именно:

1. В месте соприкосновения проводников или элементов устройств появляется источник возгорания, который часто приводит к возникновению пожара.
2. Падение напряжения приводит к сбою в работе электрического оборудования и бытовой техники.
3. Возникают электромагнитные волны, которые оказывают влияние на линии связи и коммуникаций.
4. Происходит цепь различных аварий, приводящих к отключению потребителей от энергетической системы до устранения последствий.

Вам это будет интересно Устройство, принцип работы и применение ионистора

Последствия негативного явления считаются очень серьезными, поэтому при проектировании и монтаже электрооборудования обязательно устанавливаются средства защиты от КЗ.

Чем КЗ отличается от перегрузки

Если фазу и ноль электрической сети соединить под напряжением друг с другом не через потребитель, а напрямую, то возникнет короткое замыкание, сокращенно КЗ. Коротким замыканием называется соединение проводников отдельных фаз между собой или с землей через относительно малое сопротивление, принимаемое равным нулю при глухом металлическом коротком замыкании.

Никакая сеть не предназначена для длительной работы в таком режиме. Однако данный аварийный режим иногда возникает. Так, короткое замыкание может случиться из-за нарушения изоляции электропроводки или из-за случайного замыкания разноименных проводников проводящими частями электрооборудования. Нормальная работа электрической сети будет нарушена. Чтобы это нежелательное явление предотвратить, электрики используют клеммники либо просто изолируют соединения.

Будет интересно➡ Что такое клетка Фарадея

Проблема режима КЗ заключается в том, что в момент его возникновения в сети многократно увеличивается ток (до 20 раз превышает номинал), что приводит к выделению огромного количества джоулева тепла (до 400 раз превышает норму), поскольку количество выделяемой теплоты пропорционально квадрату тока и сопротивлению потребителя.

Теперь представьте: сопротивление потребителя здесь — доли ома проводки, а ток, как известно, тем выше, чем меньше сопротивление. В итоге, если мгновенно не сработает защитное устройство, произойдет чрезмерный перегрев проводки, провода расплавятся, изоляция воспламенится, и может случиться пожар в помещении. В соседних помещениях, питаемых этой же сетью, упадет напряжение, и некоторые электроприборы могут выйти из строя.

Важное по теме: Как прозвонить транзистор.

Типичный вид короткого замыкания для жилых квартир — однофазное короткое замыкание, когда фаза смыкается с нулем. Для сетей трехфазных, например в цеху или в гараже, возможно трехфазное или двухфазное короткое замыкание (две фазы между собой, три фазы между собой, или несколько фаз на ноль). Для трехфазного оборудования, такого как асинхронный двигатель или трехфазный трансформатор, характерно межвитковое замыкание, когда витки замыкаются накоротко внутри обмотки статора или внутри обмотки трансформатора, шунтируя остальные рабочие витки и выводя таким образом прибор из строя.

Или замыкание может случиться через проводящий корпус прибора. Вообще проводящие корпуса следует заземлять, дабы защитить персонал от случайного поражения током, а провода в квартирах использовать те, что в негорючей изоляции. Есть еще один вид аварийного режима нагрузки электрической сети, связанный с превышением нормального тока.

Это так называемая перегрузка. Перегрузки иногда возникают в квартирах, в домах, на предприятиях. Это опасный режим, порой более опасный, чем короткое замыкание. Ведь короткое замыкание в квартире может быть на корню остановлено мгновенно сработавшим автоматическим выключателем в щитке. А вот токовая перегрузка — случай более хитрый.

Выключатели для защиты от короткого замыкания.

Представьте себе, что в одну единственную розетку вы решили понавтыкать множество электроприборов через тройник да через удлинители. Что нежелательного может в этом случае произойти? Если жила проводки, подведенный к розетке, не рассчитана на ток более 16 ампер, то при включении в такую розетку нагрузки более 3500 ватт начнется перегрев электропроводки чреватый пожаром.

Вообще тепловое воздействие на изоляцию проводов резко снижает ее механические и диэлектрические свойства. Например, если проводимость электрокартона (как изоляционного материала) при 20°С принять за единицу, то при температурах 30, 40 и 50°С она увеличится в 4, 13 и 37 раз соответственно.

И тепловое старение изоляции наиболее часто возникает именно из-за перегрузки электросетей токами, превышающими длительно допустимые для данного вида и сечений проводников. Также нельзя в розетку, на которой указано 250 В 10 А, включать потребителей более чем на 2500 Вт, ибо может начаться перегрев контактов, ведущий к их ускоренному окислению. Для защиты от перегрузок в квартире, а также для мгновенного купирования режима КЗ, используйте автоматические выключатели.

Методы защиты

Так как возникновение этого явления полностью нельзя исключить, поэтому все меры защиты основаны на профилактике и предупреждении КЗ. Основной задачей считается применение мероприятий, понижающих вероятность возникновения аварийной ситуации. К ним относятся:

1. Наблюдение за состоянием изолирующего материала на токоведущих элементах или линиях электрических передач. Раз в три года проводятся испытания изоляции электрических проводов в производственных помещениях, а в бытовых магистралях определение ее надежности осуществляется согласно сроку эксплуатации. Для медного провода он составляет 40 лет.
2. Перед проведением ремонтных работ, связанных со сверлением стен, необходимо с помощью специального прибора определить месторасположение скрытых проводов.
3. Отказаться или минимизировать использование электрического оборудования в ванной комнате и в других помещениях с повышенной влажностью.

Для обеспечения безопасности электрического оборудования проводится установка автоматических выключателей как на ввод, так и на каждую внутреннюю линию. Выключатель срабатывает при протекании через него большого тока, который образуется в результате замыкания в электрической сети или бытовом приборе.

В некоторых распределительных устройствах используются плавкие предохранители, рассчитанные на определенную силу тока. На производстве для защиты электрических двигателей устанавливается специальное реле, которое разрывает цепь при замыкании якоря или обмотки статора устройства.

Внезапность

Виды коротких замыканий совершенно непохожи друг на друга. Особенно сильно ударяет внезапное и глубокое снижение напряжения, что сразу же отражается на конечном пользователи электросети. Особенно тяжело переносят скачки самые обыкновенные двигатели. Они порой останавливаются даже после того, как скачки не превышают 30 – 40 процентов от нормы.

Это называется опрокидыванием. После этого может остановиться целое промышленное предприятие или завод, что в итоге приведет к многомиллионным издержкам. Потребуется время и для этапа восстановления. Такая ситуация может вывести из строя какие-то элементы производства, что приведет в конечном итоге к забракованной продукции и ещё большим потерям.

Что делать с короткими замыканиями, если они находятся на малой удаленности и длятся продолжительное время? Всё зависит от конкретной ситуации. Если параллельно работают две станции синхронно, то после происшествия это работа нарушается. Последовательность всех процесс меняется, вся электросистема перестает правильно функционировать. Это самый опасный вид.

Если замыкание возникает на землю, то ток может быть уже опасен для всех, кто находится в непосредственной близости, и для электроприборов, само собой.

Последствия всегда плачевны:

• Повреждения механического и термического свойства;
• Возникновения пожара;
• Снижение напряжение (торможение процессов, ухудшению производительности);
• Десинхронизация генераторов, подстанций и всей системы, приводящая к аварийным ситуациям глобального масштаба;
• Электромагнитное влияние на коммуникативные приборы.