Причины замыкания. Короткое замыкание. Мощность источника питания

Для 220 В или разноименных фаз между собой или с нулем не предусмотренные конструкцией электрической цепи или электроприборов, которое нарушает нормальную работу электросети.

Короткое замыкание возникает по причине нарушения изоляции электрических проводов, кабелей или токоведущих элементов в электроприборах, а также при механическом касании не изолированных элементов, поэтому важно всегда оголенные концы электропроводки изолировать отдельно друг от друга с использованием изоленты или электрических с электроизоляционным корпусом, т.е не проводящим электрический ток.

При возникновении короткого замыкания в электрической цепи мгновенно и многократно вырастает значение сила тока, приводящее к высокому тепловыделению, в результате которого происходит плавление электрических проводов с возникновением возгорания электропроводки и распространением пожара в помещении, где произошло КЗ.
В результате короткого замыкания нарушается нормальное функционирование не только в вашей квартире, но и у соседей- из-за падения питающего напряжения, что часто приводит к поломке электроприборов и бытовых техники.

В квартирах с 220 В возникает только однофазное замыкание (замыкание фазы на нулевой проводник или на ), а в некоторых частных домах или гаражах с трехфазным вводом на 380 Вольт- могут возникнуть гораздо более опасное двухфазное (замыкание двух фаз между собой+ на «Землю») или трёхфазное (замыкание трех фаз между собой + на «Землю»)

В электрических двигателях и аппаратах в случае поломки также возможны внутренние короткие замыкания:
Например межвитковые, которые возникают при замыкании между собой витков обмоток в статоре или ротора электродвигателя или между витками в обмотке трансформатора.

А если электроприбор имеет металлический корпус, то возможен пробой изоляции и замыкании на металлический корпус. В этом случае человека защитит от удара электрическим током только корпуса.

Внимание провода в полиэтиленовой и, особенно в резиновой оболочке больше склоны к возгоранию. Поэтому Я как профессиональный электрик много лет, занимающийся электромонтажом в Минске настоятельно рекомендую использовать в квартирах, домах, гаражах и т. для прокладки скрыто под штукатуркой кабель марки ВВГ Нг, с не горючей изоляцией, а открыто по несгораемому основанию более дорогой кабель- ВВГ Нг Ls, который даже не дымит при КЗ.

Перегрузка электросети в доме гараже или квартире нередко встречается в быту и также очень опасна и является аварийным случаем. И как показала практика более опасна, чем токи КЗ. Потому что электропроводка надежно защищена или .

Причиной возникновения перегрузки служит подключение, включение большого количества электроприборов на одну группу электрических розеток или повреждения потребителей электричества, при и котором суммарный ток, проходящий по электрическому кабелю или проводам превышает номинальное значение, на которое они рассчитаны. Для дома или квартиры, где в основном проложены кабеля или провода сечением 1.5 квадратных миллиметров номинальный ток должен быть не выше 16 Ампер или не более 3.5 Киловатт.

Важно знать и применять в практике только выключатели или розетки для подключения электроосвещения или электрооборудования с не менее значениями напряжения и тока, указанными на корпусе электрической розетки или выключателя. Например, на розетке написано «10 А; 250 В» , что означает она рассчитана на однофазную сеть 220 Вольт, а максимальное значение тока, проходящего через розетку, не должно быть выше 10 Ампер или, примерно по мощности не более 2 Киловатт. В такую розетку нельзя включать мощный электроприбор например с мощностью 2.5-3 Киловатта, что приведет к выгоранию контактов розетки.

Однажды одной даме, не очень сведущей в электротехнике, монтер сообщил причину пропадания света в ее квартире. Это оказалось короткое замыкание, и женщина потребовала немедленно его удлинить. Над этой историей можно посмеяться, но лучше все же рассмотреть эту неприятность подробнее. Специалистам-электрикам и без этой статьи известно, что это за явление, чем оно грозит и как рассчитать ток короткого замыкания. Изложенная ниже информация адресована людям, не имеющим технического образования, но, как и все прочие, не застрахованным от неприятностей, связанных с эксплуатацией техники, машин, производственного оборудования и самых обычных бытовых приборов. Каждому человеку важно знать, что такое короткое замыкание, каковы его причины, возможные последствия и методы его предотвращения. Не обойтись в этом описании и без знакомства с азами электротехнической науки. Не знающий их читатель может заскучать и не дочитать статью до конца.

Две простых, но важных формулы

Понять причину, по которой возникает ток короткого замыкания, невозможно без усвоения еще одной нехитрой формулы. Мощность, потребляемая нагрузкой, равна (без учета реактивных составляющих, но о них позже) произведению тока на напряжение.

P - мощность, Ватт или Вольт-Ампер;

U - напряжение, Вольт;

I - ток, Ампер.

Мощность бесконечной не бывает, она всегда чем-то ограничена, поэтому при ее фиксированной величине при увеличении тока напряжение уменьшается. Зависимость этих двух параметров рабочей цепи, выраженная графически, называется вольт-амперной характеристикой.

И еще одна формула, необходимая для того, чтобы произвести расчет токов короткого замыкания, это закон Джоуля-Ленца. Она дает представление о том, сколько тепла выделяется при сопротивлении нагрузке, и очень проста. Проводник будет греться с интенсивностью, пропорциональной величинам напряжения и квадрата тока. И, конечно же, формула не обходится без времени, чем дольше раскаляется сопротивление, тем больше оно выделит тепла.

Что происходит в цепи при коротком замыкании

Итак, читатель может считать, что освоил все главные физические закономерности для того, чтобы разобраться в том, какой может быть величина (ладно, пусть будет сила) тока короткого замыкания. Но сначала следует определиться с вопросом о том, что, собственно, это такое. КЗ (короткое замыкание) - это ситуация, при которой сопротивление нагрузки близко к нулю. Смотрим на формулу закона Ома. Если рассматривать его вариант для участка цепи, несложно понять, что ток будет стремиться к бесконечности. В полном варианте он будет ограничен сопротивлением источника ЭДС. В любом случае ток короткого замыкания очень велик, а по закону Джоуля-Ленца, чем он больше, тем сильнее греется проводник, по которому он идет. Причем зависимость не прямая, а квадратичная, то есть, если I увеличится стократно, то тепла выделится в десять тысяч раз больше. В этом и состоит опасность явления, приводящего порой к пожарам.

Провода накаляются докрасна (или добела), они передают эту энергию стенам, потолкам и другим предметам, которых касаются, и поджигают их. Если фаза в каком-то приборе касается нулевого проводника, возникает ток короткого замыкания источника, замкнутого на самого себя. Горючее основание электропроводки - страшный сон инспекторов пожарной охраны и причина многих штрафов, налагаемых на безответственных собственников зданий и помещений. И всему виной, конечно же, не законы Джоуля-Ленца и Ома, а пересохшая от старости изоляция, неаккуратно или безграмотно произведенный монтаж, повреждения механического характера или перегрузка проводки.

Однако и ток короткого замыкания, каким бы он ни был большим, также не бесконечен. На размеры бед, которые он может натворить, влияет продолжительность нагрева и параметры схемы электроснабжения.

Цепи переменного тока

Рассмотренные выше ситуации имели общий характер или касались цепей постоянного тока. В большинстве случаев электроснабжение и жилых, и промышленных объектов производится от сети переменного напряжения 220 или 380 Вольт. Неприятности с проводкой, рассчитанной на постоянный ток, чаще всего случаются в автомобилях.

Между этими двумя основными типами электропитания есть разница, и существенная. Дело в том, что прохождению переменного тока препятствуют дополнительные составляющие сопротивления, называемые реактивными и обусловленные волновой природой возникающих в них явлений. На переменный ток реагируют индуктивности и емкости. Ток короткого замыкания трансформатора ограничивается не только активным (или омическим, то есть таким, которое можно измерить карманным приборчиком-тестером) сопротивлением, но и его индуктивной составляющей. Второй тип нагрузки - емкостный. Относительно вектора активного тока векторы реактивных составляющих отклонены. Индуктивный ток отстает, а емкостный опережает его на 90 градусов.

Примером разницы поведения нагрузки, обладающей реактивной составляющей, может служить обычный динамик. Его некоторые любители громкой музыки перегружают до тех пор, пока диффузор магнитное поле не выбивает вперед. Катушка слетает с сердечника и тут же сгорает, потому что индуктивная составляющая ее напряжения уменьшается.

Виды КЗ

Ток короткого замыкания может возникать в разных цепях, подключенных к различным источникам постоянного или переменного тока. Проще всего дело обстоит с обычным плюсом, который вдруг соединился с минусом, минуя полезную нагрузку.

А вот с переменным током вариантов больше. Однофазный ток короткого замыкания возникает при соединении фазы с нейтралью или ее заземлении. В трехфазной сети может возникнуть нежелательный контакт между двумя фазами. Напряжение в 380 или более (при передаче энергии на большие расстояния по ЛЭП) вольт также может вызвать неприятные последствия, в том числе и дуговую вспышку в момент коммутации. Замкнуть может и все три (или четыре, вместе с нейтралью) провода одновременно, и ток трехфазного короткого замыкания будет течь по ним до тех пор, пока не сработает защитная автоматика.

Но и это еще не все. В роторах и статорах электрических машин (двигателей и генераторов) и трансформаторах порой случается такое неприятное явление, как межвитковое замыкание, при котором соседние петли провода образуют своеобразное кольцо. Этот замкнутый контур обладает крайне низким сопротивлением в сети переменного тока. Сила тока короткого замыкания в витках растет, это становится причиной нагрева всей машины. Собственно, если такая беда произошла, не следует ждать, пока оплавится вся изоляция и электромотор задымится. Обмотки машины нужно перематывать, для этого необходимо специальное оборудование. Это же касается и тех случаев, когда из-за «межвиткового» возник ток короткого замыкания трансформатора. Чем меньше обгорит изоляция, тем проще и дешевле будет перемотка.

Расчет величины тока при коротком замыкании

Каким бы ни было катастрофичным то или иное явление, для инженерной и прикладной науки важна его количественная оценка. Формула тока короткого замыкания очень похожа на закон Ома, просто к ней требуются некоторые пояснения. Итак:

I к.з.=Uph / (Zn + Zt),

I к.з. - величина тока короткого замыкания, А;

Uph - фазное напряжение, В;

Zn - полное (включая реактивную составляющую) сопротивление короткозамкнутой петли;

Zt - полное (включая реактивную составляющую) сопротивление трансформатора питания (силового), Ом.

Полные сопротивления определяются как гипотенуза прямоугольного треугольника, катеты которого представляют собой величины активного и реактивного (индуктивного) сопротивления. Это очень просто, нужно пользоваться теоремой Пифагора.

Несколько чаще, чем формула тока короткого замыкания, на практике используются экспериментально выведенные кривые. Они представляют собой зависимости величины I к.з. от длины проводника, сечения провода и мощности силового трансформатора. Графики представляют собой совокупность нисходящих по экспоненте линий, из которых остается лишь выбрать подходящую. Метод дает приблизительные результаты, но его точность вполне отвечает практическим потребностям инженеров по энергоснабжению.

Как проходит процесс

Кажется, что все происходит мгновенно. Что-то загудело, свет померк и тут же погас. На самом деле, как любое физическое явление, процесс можно мысленно растянуть, замедлить, проанализировать и разбить на фазы. До наступления аварийного момента цепь характеризуется установившимся значением тока, находящимся в пределах номинального режима. Внезапно полное сопротивление резко уменьшается до величины, близкой к нулю. Индуктивные составляющие (электродвигатели, дроссели и трансформаторы) нагрузки при этом как бы замедляют процесс роста тока. Таким образом, в первые микросекунды (до 0,01 сек) сила тока короткого замыкания источника напряжения остается практически неизменной и даже несколько снижается за счет начала переходного процесса. ЭДС его при этом постепенно достигает нулевого значения, затем проходит через него и устанавливается в каком-то стабилизированном значении, обеспечивающем протекание большого I к.з. Сам ток в момент переходного процесса представляет собой сумму из периодической и апериодической составляющих. Форма графика процесса анализируется, в результате чего можно определить постоянную величину времени, зависящую от угла наклона касательной к кривой разгона в точке ее перегиба (первой производной) и времени запаздывания, определяемого величиной реактивной (индуктивной) составляющей суммарного сопротивления.

Ударный ток КЗ

В технической литературе часто встречается термин «ударный ток короткого замыкания». Не следует пугаться этого понятия, оно вовсе не такое страшное и к поражению электричеством прямого отношения не имеет. Понятие это означает максимальное значение I к.з. в цепи переменного тока, достигающее своей величины обычно через полпериода после того, как возникла аварийная ситуация. При частоте 50 Гц период составляет 0,2 секунды, а его половина - соответственно 0,1 сек. В этот момент взаимодействие проводников, расположенных вблизи друг относительно друга, достигает наибольшей интенсивности. Ударный ток короткого замыкания определяется по формуле, которую в этой статье, предназначенной не для специалистов и даже не для студентов, приводить не имеет смысла. Она доступна в специальной литературе и учебниках. Само по себе это математическое выражение не представляет особой сложности, но требует довольно объемных комментариев, углубляющих читателя в теорию электроцепей.

Полезное КЗ

Казалось бы, очевидный факт состоит в том, что короткое замыкание - явление крайне скверное, неприятное и нежелательное. Оно может привести в лучшем случае к обесточиванию объекта, отключению аварийной защитной аппаратуры, а в худшем - к выгоранию проводки и даже пожару. Следовательно, все силы нужно сосредоточить на том, чтобы избежать этой напасти. Однако расчет токов короткого замыкания имеет вполне реальный и практический смысл. Изобретено немало технических средств, работающих в режиме высоких токовых значений. Примером может служить обычный сварочный аппарат, особенно дуговой, замыкающий в момент эксплуатации практически накоротко электрод с заземлением. Другой вопрос состоит в том, что режимы эти носят кратковременный характер, а мощность трансформатора позволяет выдерживать эти перегрузки. При сварке в точке касания окончания электрода проходят огромные токи (они измеряются в десятках ампер), в результате чего выделяется достаточно тепла для местного расплавления металла и создания прочного шва.

Методы защиты

В первые же годы бурного развития электротехники, когда человечество еще отважно экспериментировало, внедряя гальванические приборы, изобретало различные виды генераторов, двигателей и освещения, возникла проблема защиты этих устройств от перегрузок и токов короткого замыкания. Самое простое ее решение состояло в последовательной с нагрузкой установке плавких элементов, которые разрушались под воздействием резистивного тепла, в случае если ток превышал установленное значение. Такие предохранители служат людям и сегодня, их главные достоинства состоят в простоте, надежности и дешевизне. Но есть у них и недостатки. Сама простота «пробки» (так назвали держатели плавких ставок за их специфическую форму) провоцирует пользователей после ее перегорания не мудрствовать лукаво, а заменять вышедшие из строя элементы первыми попавшимися под руку проволочками, скрепками, а то и гвоздями. Стоит ли упоминать о том, что такая защита от токов короткого замыкания не выполняет своей благородной функции?

На промышленных предприятиях для обесточивания перегруженных цепей автоматические выключатели начали использовать раньше, чем в квартирных щитках, но в последние десятилетия «пробки» были в основном заменены ими. «Автоматы» намного удобнее, их можно не менять, а включить, устранив причину КЗ и дождавшись, когда тепловые элементы остынут. Контакты у них иногда подгорают, в этом случае их лучше заменить и не пытаться почистить или починить. Более сложные дифференциальные автоматы при высокой стоимости не служат дольше обычных, но функционально их нагрузка шире, они отключают напряжение в случае минимальной утечки тока «на сторону», например при поражении человека током.

В обыденной же жизни экспериментировать с коротким замыканием не рекомендуется.

В этой статье рассмотрим главную головную боль любого электрика – короткое замыкание. При этом поясним, что такое ток короткого замыкания и развеем миф о том, что такое напряжение короткого замыкания, заодно обсудив, что коротыш (он же КЗ ) значит для электросети. Но сначала немного физики, что поможет вспомнить о том, что электричество – это передача электронами заряда от одной точки в другую. Последовательный и упорядоченный процесс. Но иногда в эту строгую последовательность вмешивается авария, и вот тут-то приходится вспомнить эти два слова «короткое замыкание».

Почему замыкание короткое, и кто в этом виноват?

Любая схема электрической цепи представляет собой «плюс» и «минус», как в любой батарейке. Если между ними поместить лампочку, она при замыкании цепи начнёт гореть. Правильно собранная цепь позволить гореть лампочке довольно долго, что успешно демонстрирует любой фонарик. Но давайте посмотрим, что случится, если мы просто соединим «плюс» и «минус» батарейки. Без лампочки и вообще без какого бы то ни было сопротивления. Да, в этой модели мы получим замыкание электропроводки в чистом виде. Провод между контактами батарейки нагреется, заряд почти мгновенно истощится и через пару секунд эта батарейка не зажжет ни одну лампочку. Вся энергия батарейки уйдёт на максимальный подъём силы тока короткого замыкания, разогрев провода и полное истощение ресурса. Такой опыт безопасен для экспериментатора, поскольку токи невелики.

Однако примерно то же самое произойдет, если в розетку сунуть ножницы, чтобы понять что случится. Ток, обнаружив самый короткий путь (ножницы) устремится в розетке именно через этот короткий путь от «плюса» к «минусу» (), забыв про остальные пути, на которых его ожидает сопротивление цепи. Отсюда и название этой неприятности – «короткое замыкание». Фактически, КЗ - это возможность для тока максимально быстро и с максимальным эффектом достигнуть от «плюса» «минуса». Ток при этом становится неразборчивым в средствах, на чем и построена защита от замыкания, и основные правила того, как избежать этой напасти.

Итак, короткое замыкание - это аварийная ситуация в электрической сети, где прохождение тока получает наиболее короткий и прямой путь для ликвидации потенциала (разности потенциала между «плюсом» и «минусом»), приводя к лавинообразному росту силы тока и сильному разогреву участка цепи, в котором произошло КЗ.

Отметим, что перманентное (непрерывное КЗ) имеет место и в сетях, в которых использованы силовые провода с недостаточным уровнем изоляции (низкое сопротивление изоляции), многочисленными лишними коммутациями (скрутки в распредкоробках, в линиях и пр.), а также во влажных зонах.

Выходит, что виноват в коротком замыкании кто угодно, но не электрик, который делал проводку? Не совсем так. Именно электрик обязан, прокладывая линию или, включая оконечное (проходное) устройство, обеспечить невозможность короткого замыкания. Иначе любая защита от короткого замыкания будет ни к чему. Чаще всего защита не справляется именно в щитках, собранных с нарушениями, что приводит к катастрофическим последствиям:

Немного подробнее о причинах короткого замыкания

Неправильно заизолированные провода или физическое перемещение контактов в оконечных устройствах (сдвиг, поворот, иные действия способные соединить два провода).
Повреждение изоляции кабелей при прокладке (в том числе скрытых) силовых линий или при работах по ремонту и отделке помещений.
Использование в работе неисправных приборов (от патрона к лампе до клеммника и розетки), в которых есть прямая возможность возникновения короткого замыкания.
Игнорирование замыканий электропроводки при работах (самая частая ошибка начинающих электриков), поскольку эффект КЗ не повторяется.
«Плавающие», «спорадические» неисправности проводки, которым не уделено достаточно внимания из-за редких проявлений.

Это список наиболее частых причин коротких замыканий, выхода из строя квартирных и домашних электросетей, а также пожаров, которые сложно тушить по причине постоянной подпитки огня со стороны горящих кабелей. Очевидно, что такие неприятности не нужны никому.

Ещё несколько слов о физике короткого замыкания.

Вернёмся за парту, и вспомним, что при прохождении тока можно наблюдать, как падает сила тока при возрастании сопротивления проводника. Это тот самый фактор, благодаря которому ток короткого замыкания значительно превышает допустимые параметры. Так и работает защита от замыкания – отслеживает внезапные скачки силы тока, обесточивая «подозрительную» линию.

Не все вспомнят, что при снятии сопротивления в проводнике, также изменится ещё один параметр. Мы говорим о том, что напряжение короткого замыкания станет совсем уж подозрительным. А при наличии индуктивного фактора (например, человек с феном упал в ванну с водой) и вовсе нелинейным и не синусоидальным. При этом непосредственно короткого замыкания может и не быть, но защита от короткого замыкания работает и в этом случае – это автоматы отключения УЗО. Устройство защитного отключения, принцип действия которого исключает реагирование на изменение только силы тока.

Что оценивают защитные устройства, и что мы должны знать о КЗ, если не хотим, чтобы нас спасали только ?

Любая электросеть имеет точки нестабильности. Это контакты, клеммы, выключатели света и прочие автоматические выключатели, работающие на основе программ (например, датчик отслеживания освещённости). Каждая из этих точек потенциальный источник КЗ. Именно им электрик обязан уделить максимальное внимание при работах и монтаже;
Наличие заземления в сети. Вы удивитесь, но замыкание на землю (ноль) это наиболее безопасное КЗ. Да, оно тоже доставит много хлопот и неприятностей, но, по крайней мере, никого не убьет. Кроме того, заземление приборов позволяет оценить наличие пробоя изоляции и утечки ДО того, как короткое замыкание случится.

Заземлять в обязательном порядке необходимо микроволновую печь, посудомоечную и стиральную машины, морозильную камеру и духовой электрический шкаф. Посмотрите на заднюю панель микроволновки. Вы увидите прикрученный медный контакт. Это – заземление. Не стоит рассчитывать на вилку с контактами «ноль». Найдите специалиста, который заземлит эту печь. Такой же контакт Вы обнаружите на задней стенке электрического духового шкафа. На морозильной камере этот контакт будет, скорее всего, в зоне змеевика-охладителя. Это делается не просто так, поэтому не думайте, что вилка способна Вас защитить. Найдите способ такую технику «занулить» по-настоящему!

Кроме перечисленного, автоматы ещё определяют постоянный «баланс сети», отслеживая перегрузки и пиковые перепады как токов короткого замыкания (или близких по значению), так и напряжений. Но автоматы не станут панацеей, если произойдёт короткое замыкание на участке Вашей сети, который проложен с нарушениями требований и правил. Например, провод, проходящий под листом фанеры или другого горючего отделочного материала. О том, что произойдет при КЗ в таком месте ниже.

Процесс возникновения короткого замыкания. Время отключения, развитие процесса, последствия

Несмотря на кажущуюся «мгновенность», процесс короткого замыкания имеет хорошо описанные стадии при возникновении.

Возникновение несанкционированного мостика между двумя проводниками;
Пробой током «барьера изоляции» и возникновение новой, короткой, цепи в электрической схеме;
Перенаправление энергии, и возникновение тока короткого замыкания в новом участке;
Резкий рост силы тока, падение напряжения и быстрый разогрев нового участка «сопротивления» - проводов, в которых происходит короткое замыкание;
Расплавление проводов (нагрев не останавливается сам, и температуры нагрева существенно превышают температуры плавления сплавов и металлов) с одновременным возгоранием изоляции;
Срабатывание автоматов защиты, пытающихся обесточить проблемную зону;
Снятие напряжение и обесточивание линии;
Продолжающийся нагрев повреждённого участка сети (даже после обесточивания, поскольку нагрев значительно более длительный процесс) с возгоранием изоляции или проводов, если защита от замыкания не работала как надо;
Выход из строя участка сети, в котором произошло КЗ.

Всё это занимает примерно 2-4 секунды. Достаточное время для того, чтобы провод разогрелся до 1100 градусов и изоляция вспыхнула как спичка. Предотвратить короткое замыкание в этом случае не получится, только минимизировать урон. Несмотря на время, даже при визуальном наблюдении процесса замыкания электропроводки, возникновения КЗ, Вы просто не успеете ничего сделать. Поэтому несколько рекомендаций о том, как избежать такой беды

Если не можешь предотвратить – возглавь!

Эта фраза великого политического деятеля как нельзя лучше описывает ситуацию с электросетью, которой мы доверяем многое. И свою жизнь, и комфорт и почти всё имущество. Поэтому не будет лишним список простых рекомендаций.

Проверку новых электросетей и коммуникаций проводите с избыточными токами, моделируя перегрузку. Такое испытание надо проводить со специалистом, самостоятельно делать это опасно.

Не пренебрегайте замером сопротивления изоляции в готовой сети. Да, это стоит денег и занимает время, но такой замер исключит замыкание на землю, свойственное длинным кабелям, а также покажет наиболее опасные участки, которые возможно правильнее будет заменить.

На изображении видно, что дуга (пробой) может происходить и без физического контакта проводников. Именно поэтому, собирая розетки и выключатели, зачищайте изоляцию проводов только на участке, полностью убираемом в клемму! Не допускайте даже нескольких миллиметров оголённых проводов, иначе может случиться то, что на фото – электрическая дуга внутри прибора. Напомним, что при таком происшествии защита от короткого замыкания почти гарантированно опоздает с отключением линии!

Непродуманное наращивание и добавление линий без мер защиты – прямая дорога к замыканию и пожару. Это хороший пример того, что никогда нельзя делать.

Основная причина возникновения короткого замыкания – нарушение изоляции оборудования электроустановок, в том числе кабельных и воздушных линий электропередач. Приведем несколько примеров возникновения КЗ по причине нарушения изоляции.

При проведении земляных работ был поврежден высоковольтных кабель, что привело к возникновению междуфазного короткого замыкания. В данном случае повреждение изоляции произошло в результате механического воздействия на кабельную линию.

В открытом распределительном устройстве подстанции возникло однофазное замыкание на землю в результате пробоя опорного изолятора по причине старения его изоляционного покрытия.

Еще один достаточно распространенный пример – падение ветки или дерева на провода воздушной линии электропередач, что приводит к схлестыванию или обрыву проводов.

Способы защиты оборудования от коротких замыканий в электроустановках

Как и упоминалось выше, короткие замыкания сопровождаются значительным увеличением тока, что приводит к повреждению электрооборудования. Следовательно, защита оборудования электроустановок от данного аварийного режима – основная задача энергетики.

Для защиты от короткого замыкания, как аварийного режима работы оборудования, в электроустановках распределительных подстанций используют различные защитные устройства.

Основная цель всех устройств релейной защиты – это отключение выключателя (или нескольких), которые питаютучасток сети, на котором возникло короткое замыкание.

В электроустановках напряжением 6-35кВ для защиты линий электропередач от коротких замыканий используют максимально-токовую защиту (МТЗ). Для защиты линий напряжением 110 кВ от коротких замыканий используется дифференциально-фазная защита, как основная защита линий. Кроме того, для защиты ЛЭП 110 кВ в качестве резервных защит используются дистанционная защита и земляная защита (ТЗНП).

3Передача электроэнергии

Передача электроэнергии от электростанции к потребителям - одна из важнейших задач энергетики. Электроэнергия передаётся преимущественно по воздушным линиям электропередачи (ЛЭП) переменного тока, хотя наблюдается тенденция ко всё более широкому применению кабельных линий и линий постоянного тока. Необходимость П. э. на расстояние обусловлена тем, что электроэнергия вырабатывается крупными электростанциями с мощными агрегатами, а потребляется сравнительно маломощными электроприёмниками, распределёнными на значительной территории.. От эффективности П. э. на расстояние зависит работа единых электроэнергетических систем , охватывающих обширные территории.

Одной из основных характеристик электропередачи является её пропускная способность, то есть та наибольшая мощность, которую можно передать по ЛЭП с учётом ограничивающих факторов: предельной мощности по условиям устойчивости, потерь на корону, нагрева проводников и т.д. Мощность, передаваемая по ЛЭП переменного тока, связана с её протяжённостью и напряжениями зависимостью

где U 1 и U 2 - напряжения в начале и в конце ЛЭП, Z c - волновое сопротивление ЛЭП, a - коэффициент изменения фазы, характеризующий поворот вектора напряжения вдоль линии на единицу её длины (обусловленный волновым характером распространения электромагнитного поля), l - протяжённость ЛЭП, d - угол между векторами напряжения в начале и в конце линии, характеризующий режим электропередачи и её устойчивость. Предельная передаваемая мощность достигается при d = 90°, когда sind = 1. Для воздушных ЛЭП переменного тока можно приближённо считать, что максимальная передаваемая мощность примерно пропорциональна квадрату напряжения, а стоимость сооружения ЛЭП пропорциональна напряжению. Поэтому в развитии электропередач наблюдается тенденция к увеличению напряжения как к главному средству повышения пропускной способности ЛЭП.

В электропередачах постоянного тока отсутствуют многие факторы, свойственные электропередачам переменного тока и ограничивающие их пропускную способность. Предельная мощность, передаваемая по ЛЭП постоянного тока, имеет большие значения, чем у аналогичных ЛЭП переменного тока:

где Е в - напряжение на выходе выпрямителя, R å - суммарное активное сопротивление электропередачи, в которое, кроме сопротивления проводов ЛЭП, входят сопротивления выпрямителя и инвертора. Ограниченность применения электропередач постоянного тока связана главным образом с техническими трудностями создания эффективных недорогих устройств для преобразования переменного тока в постоянный (в начале линии) и постоянного тока в переменный (в конце линии). Электропередачи постоянного тока перспективны для объединения крупных удалённых друг от друга энергосистем. В этом случае отпадает необходимость в обеспечении устойчивости работы этих систем.

Качество электроэнергии определяется надёжной и устойчивой работой электропередачи, что обеспечивается, в частности, применением компенсирующих устройств и систем автоматического регулирования и управления (см. Автоматическое регулирование возбуждения , Автоматическое регулирование напряжения , Автоматическое регулирование частоты ).

В результате проведения научно-исследовательской работы были разработаны:

схемы электропередачи постоянного тока, позволяющие наиболее рационально использовать особенности конструкции воздушных линий трехфазного переменного тока, предназначенные для передачи электрической энергии по трем проводам;

методика расчета рабочего напряжения постоянного тока для воздушных линий электропередач, сооруженных на основе типовых конструкций опор трехфазного переменного тока классов напряжений 500-750кВ;

методика расчета пропускной способности воздушных линий трехфазного переменного тока с рабочим напряжением 500-750кВ после их перевода на постоянный ток по предложенным автором схемам;

методика расчета надежности воздушных линий трехфазного переменного тока с рабочим напряжением 500-750кВ после их перевода на постоянный ток по предложенным автором схемам.

Выполнен расчет критической длины линии, начиная с которой электропередача постоянного тока по разработанным автором схемам будет экономически более выгодной, чем электропередача переменного тока с напряжением 500, 750кВ.

На основе результатов научного исследования сформулированы рекомендации:

по выбору типа подвесных тарельчатых изоляторов, входящих в состав изолирующих подвесок воздушных линий электропередач постоянного тока;

по расчету длины пути утечки изолирующих подвесок воздушных линий электропередач постоянного тока;

по выбору трехпроводной схемы электропередачи, применительно к воздушным линиям постоянного тока, выполненных на основе унифицированных конструкций опор трехфазного переменного тока;

по применению унифицированных конструкций опор трехфазного переменного тока на воздушных линиях постоянного тока;

по определению рабочего напряжения постоянного тока, применительно к воздушным линиям электропередач постоянного тока, выполненных на основе унифицированных конструкций опор трехфазного переменного тока;

по расчету пропускной способности трехпроводной линии электропередачи постоянного тока.

Результаты выполненных расчетов показывают, что пропускную способность существующих ЛЭП трехфазного переменного тока можно существенно повысить путем их перевода на постоянный электрический ток с использованием тех же самых опор, гирлянд изоляторов и проводов. Увеличение передаваемой мощности в этом случае может составить от 50% до 245% для ВЛ 500кВ и от 70% до 410% для ВЛ 750кВ, в зависимости от марки и сечения применяемых проводов и величины установленной пропускной способности ВЛ на переменном токе. Перевод существующих линий трехфазного переменного тока на постоянный ток по предложенным схемам позволит, также, существенно улучшить их показатели надежности. При этом, использование разработанных схем позволит повысить надежность в 5-30 раз, в зависимости от класса напряжения ВЛ. В случае нового проектирования ВЛ постоянного тока по вышеназванным схемам, их показатели надежности будут эквивалентными.

В целом, возможность перевода существующих ВЛ трехфазного переменного тока является вполне осуществимой. Такое техническое решение может быть актуальным для повышения пропускной способности находящихся в эксплуатации ВЛ при сохранении их конфигурации, а так же позволит расширить сферу применения электропередач постоянного тока. Не исключается возможность сооружения новых линий электропередач постоянного тока с применением унифицированных конструкций опор трехфазного переменного тока

4 Реактивная мощность – составляющая полной мощности, которая в зависимости от параметров, схемы и режима работы электрической сети вызывает дополнительные потери активной электрической энергии и ухудшение показателей качества электрической энергии.

Реактивная электрическая энергия – вызванная электромагнитной несбалансированностью электроустановок технологически вредная циркуляция электрической энергии между источниками электроснабжения и приемниками переменного электрического тока.

Основными потребителями реактивной мощности в электрических системах являются трансформаторы, воздушные электрические линии, асинхронные двигатели, вентильные преобразователи, индукционные электропечи, сварочные агрегаты и другие нагрузки.

Реактивная мощность может генерироваться не только генераторами, но и компенсирующими устройствами-конденсаторами, синхронными компенсаторами или статистическими источниками реактивной мощности (ИРМ), которые можно установить на подстанциях электрической сети.

Для нормализации потоков реактивной мощности, при решении задач компенсации реактивной мощности собственными силами и усилиями потребителей для продвижения процесса решения проблем реактивной мощности и задач по оптимизации ее потоков, нормализации уровней напряжения, снижения потерь активной мощности в распределительных электрических сетях и повышения надежности электроснабжения потребителей должно быть произведено обследование объектов филиала ОАО «МРСК Северного Кавказа» – «Ставропольэнерго» на предмет состояния источников реактивной мощности, состояния средств учета реактивной энергии и мощности для функции контроля баланса реактивной энергии и мощности.

В «Ставропольэнерго» 866 банок компенсирующих устройств (БСК) располагаемой мощностью 38,66 МВар (фактическая загрузка в максимум по реактивной мощности - 25,4 МВар). На балансе потребителей установленная мощность 25,746 МВар (фактическая загрузка в максимум по реактивной мощности - 18,98 МВар)

Совместно с ОАО «Ставропольэнергосбыт» проведены обследования характера нагрузки потребителей с повышенным потреблением реактивной мощности (tg ? > 0,4). После издания «Порядка расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств потребителей электрической энергии», в соответствии с Постановлением Правительства РФ № 530, работа с потребителями будет организована в полном объеме. Условия работы с потребителями в соответствии с новым «Порядком…» включены в текст перезаключаемых в настоящее время договоров электроснабжения.

При обращении потребителей об осуществлении присоединения к электрическим сетям «Ставропольэнерго» или об увеличении присоединенной мощности 150 кВт и выше, осуществляется внесение в договора на присоединение потребителей к электрической сети требований по необходимости компенсации реактивной мощности, в размере, обеспечивающем соблюдение устанавливаемых предельных значений коэффициентов реактивной мощности.

Организовано подписание дополнительных соглашений к договорам на оказания услуг по передаче электрической энергии с ОАО «Ставропольэнергосбыт», ОАО «Пятигорские электрические сети», ООО «РН-энерго», КТ ЗАО «РЦЭР и К», ОАО «Невинномысский Азот», гарантирующими поставщиками условий по поддержанию Потребителями с присоединенной мощностью 150 кВт и более коэффициентов реактивной мощности, устанавливаемых федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по выработке государственной политики в сфере топливно-энергетического комплекса и требований по обеспечению учета реактивной энергии.

В ближайшие годы ожидается ввод новых промышленных мощностей, что определит рост потребления до 3 и более % в год. Это выдвигает задачу по балансу реактивной мощности в одно из приоритетных направлений, которому будет уделяться повышенное внимание.

Компенса́ция реакти́вной мо́щности - целенаправленное воздействие на баланс реактивной мощности в узле электроэнергетической системы с целью регулирования напряжения, а в распределительных сетях и с целью снижения потерь электроэнергии . Осуществляется с использованием компенсирующих устройств. Для поддержания требуемых уровней напряжения в узлах электрической сети потребление реактивной мощности должно обеспечиваться требуемой генерируемой мощностью с учетом необходимого резерва. Генерируемая реактивная мощность складывается из реактивной мощности, вырабатываемой генераторами электростанций и реактивной мощности компенсирующих устройств, размещенных в электрической сети и в электроустановках потребителей электрической энергии.

Компенсация реактивной мощности особенно актуальна для промышленных предприятий, основными электроприёмниками которых являются асинхронные двигатели, в результате чего коэффициент мощности без принятия мер по компенсации составляет 0,7- 0,75. Мероприятия по компенсации реактивной мощности на предприятии позволяют:

уменьшить нагрузку на трансформаторы, увеличить срок их службы,

уменьшить нагрузку на провода, кабели, использовать их меньшего сечения,

улучшить качество электроэнергии у электроприемников (за счёт уменьшения искажения формы напряжения),

уменьшить нагрузку на коммутационную аппаратуру за счет снижения токов в цепях,

избежать штрафов за снижение качества электроэнергии пониженным коэффициентом мощности,

снизить расходы на электроэнергию.

Потребителями реактивной мощности, необходимой для создания магнитных полей, являются как отдельные звенья электропередачи (трансформаторы, линии, реакторы), так и такие электроприёмники, преобразующие электроэнергию в другой вид энергии, которые по принципу своего действия используют магнитное поле (асинхронные двигатели, индукционные печи и т.п.). До 80-85% всей реактивной мощности, связанной с образованием магнитных полей, потребляют асинхронные двигатели и трансформаторы. Относительно небольшая часть в общем балансе реактивной мощности приходится на долю прочих её потребителей, например на индукционные печи, сварочные трансформаторы, преобразовательные установки, люминисцентное освещение и т.п.

Полная мощность, выдаваемая генераторами в сеть :

(1)

где P и Q - активная и реактивная мощности приемников с учетом потери мощности в сетях;

cosφ - результирующий коэффициент мощности приемников электроэнергии.

Генераторы рассчитываются для работы с их номинальным коэффициентом мощности, равным 0,8-0,85, при котором они способны выдавать номинальную активную мощность . Снижение cosφ у потребителей ниже определенного значения может привести к тому, что cosφ генераторов окажется ниже номинального и выдаваемая ими активная мощность при той же полной мощности будет меньше номинальной. Таким образом, при низких коэффициентах мощности у потребителей для обеспечения передачи им заданной активной мощности приходится вкладывать дополнительные затраты в сооружение более мощных электростанций, увеличивать пропускную мощность сетей и трансформаторов и вследствие этого нести дополнительные эксплуатационные расходы.

Так как в современные электрические системы входит большое количество трансформаторов и протяженных воздушных линий, то реактивное сопротивление передающего устройства получается весьма значительным, а это вызывает немалые потери напряжения и реактивной мощности. Передача реактивной мощности по сети приводит к дополнительным потерям напряжения, из выражения :

(2)

видно, что передаваемая по сети реактивная мощность Q и реактивное сопротивление сети Х существенно влияют на уровень напряжения у потребителей.

Размер передаваемой реактивной мощности влияет также на потери активной мощности и энергии в электропередаче, что следует из формулы:

(3)

Величиной, характеризующей передаваемую реактивную мощность, является коэффициент мощности
. Подставляя в формулу потерь значение полной мощности, выраженной через cosφ, получаем:

(4)

Отсюда видно, что зависимость мощности конденсаторных батарей обратно пропорциональна квадрату напряжения сети, поэтому невозможно плавно регулировать реактивную мощность, а следовательно, и напряжение установки. Таким образом, сos (φ) уменьшается, когда потребление реактивной мощности нагрузкой увеличивается. Необходимо стремиться к повышению сos (φ), т.к. низкий сos (φ) несет следующие проблемы:

Похожая статья: Компенсация возмущений и помех при управлении линейным объектом по выходу

Высокие потери мощности в электрических линиях (протекание тока реактивной мощности);

Большие перепады напряжения в электрических линиях;

Необходимость увеличения габаритной мощности генераторов, сечения кабелей, мощности силовых трансформаторов.

Из всего выше приведенного, понятно, что компенсация реактивной мощности необходима. Что легко можно достичь применением активных компенсирующих установок. Основными источниками реактивной мощности, устанавливаемыми на месте потребления, являются синхронные компенсаторы и статические конденсаторы. Наиболее широко используют статические конденсаторы на напряжении до 1000 В и 6-10 кВ. Синхронные конденсаторы устанавливаются на напряжении 6-10 кВ районных подстанций.

Рис.1 Схемы электропередачи

а-без компенсации; б - с компенсацией.

Все эти устройства являются потребителями опережающей (емкостной) реактивной мощности или, что то же самое, - источниками отстающей реактивной мощности, выдаваемой ими в сеть. Сказанное иллюстрируется схемой на рис. 1. Так, на схеме рис. 1 а изо-бражена передача электроэнергии от электростанции А к потребительской подстанции Б. Передаваемая мощность составляет P + jQ. При установке у потребителя статических кон-денсаторов мощностью Q К (рис. 1 б) мощность, передаваемая по сети, будет Р + j(Q - Q К)

Мы видим, что реактивная мощность, передаваемая от электростанции, уменьшилась или, как говорят, стала скомпенсированной на величину мощности, вырабатываемой конденсаторной батареей. Эту мощность потребитель получает теперь в значительной части непосредственно от компенсирующей установки. При компенсации реактивной мощности уменьшаются и потери напряжения в электропередачах. Если до компенсации мы имели потерю напряжения в районной сети

(5)

то при наличии компенсации она будет снижена до величины

(6)

где R и Х - сопротивления сети.

Так как мощность отдельных конденсаторов сравнительно невелика, то обычно их соединяют параллельно в батареи, размещаемые в комплектных шкафах. Часто применяют установки, состоящие из нескольких групп или секций батарей конденсаторов, что делает возможным ступенчатое регулирование мощности конденсаторов, а стало быть, и напряжения установки.

Батарея конденсаторов должна быть снабжена разрядным сопротивлением, наглухо присоединенным к ее зажимам. Разрядным сопротивлением для конденсаторных установок напряжением 6-10 кВ служат трансформаторы напряжения ТН, а для конденсаторных батарей напряжением до 380 В - лампы накаливания. Необходимость в разрядных сопротивлениях диктуется тем, что при отключении конденсаторов от сети в них остается электрический заряд и сохраняется напряжение, близкое по величине к напряжению сети. Будучи же замкнутыми (после отключения) на разрядное сопротивление, конденсаторы быстро теряют свой электрический заряд, спадает до нуля и напряжение, что обеспечивает безопасность обслуживания установки. От других компенсирующих устройств конденсаторные установки выгодно отличаются простотой устройства и обслуживания, отсутствием вращающихся частей и малыми потерями активной мощности.

Рис 2 Схема включения конденсаторной батареи.

При выборе мощности компенсирующих устройств надо стремиться к правильному распределению источников реактивной мощности и к наиболее экономичной загрузке сетей. Различают:

а) мгновенный коэффициент мощности, подсчитываемый по формуле.

(7)

исходя из одновременных показаний ваттметра (Р), вольтметра (U} и амперметра (I) для данного момента времени или из показаний фазометра,

б) средний коэффициент мощности, представляющий собой среднее арифметическое значение мгновенных коэффициентов мощности за равные промежутки времени, определяемый по формуле:

где n - число промежутков времени;
в) средневзвешенный коэффициент мощности, определяемый по показаниям счетчиков активной Wa и реактивной Wr энергии за определенный промежуток времени (сутки, месяц, год) с помощью формулы:
(9)
Выбор типа, мощности, места установки и режима работы компенсирующих устройств должен обеспечивать наибольшую экономичность при соблюдении:
а) допустимых режимов напряжения в питающей и распределительных сетях;
б) допустимых токовых нагрузок во всех элементах сети;
в) режимов работы источников реактивной мощности в допустимых пределах;
г) необходимого резерва реактивной мощности.
Критерием экономичности является минимум приведенных затрат, при определении которых следует учитывать:
а) затраты на установку компенсирующих устройств и дополнительного оборудования к ним;
б) снижение стоимости оборудования трансформаторных подстанций и сооружения распределительной и питающей сети, а также потерь электроэнергии в них и
в) снижение установленной мощности электростанций, обусловленное уменьшением потерь активной мощности.
Из всего вышесказанного, можно сделать вывод, что компенсация реактивной мощности в районных сетях с помощью конденсаторных батарей позволит увеличить пропускную способность линии, без изменения электротехнического оборудования. Кроме того, это целесообразно с экономической точки зрения.

5 Строго говоря, методы выбора сечений по допустимой потере напряжения, разработаны для проводников, выполненнных из цветного металла в сети нап-ряжением до 35 кВ включительно. Методы разработаны исходя из допущений принятых в сетях такого напряжения.

В основу методов определения сечения по допустимой потере напряжения положено то обстоятельство, что величина реактивного сопротивления проводни-ков x 0 практически не зависит от сечения провода F :

· для воздушных ЛЭП x 0 = 0,36 - 0,46 Ом/км;

· для кабельных ЛЭП напряжением 6 – 10 кВ x 0 = 0,06 - 0,09 Ом/км;

· для кабельных ЛЭП напряжением 35 кВ x 0 = 0,11 - 0,13 Ом/км.

Величина допустимой потери напряжения в ЛЭП рассчитывается по мощностям и сопротивлениям участков по формуле:

и складывается из двух составляющих – потери напряжения в активных сопротивлениях и потери напряжения в реактивных сопротивлениях .

Учитывая обстоятельство, что x 0 практически не зависит от сечения провода, величину можно вычислить до расчета сечения проводника, задавшись средним значением реактивного сопротивленияx 0ср в указанных диапазонах его изменения:

По заданной величине допустимой напряжения в ЛЭП рассчитывают долю потери напряжения в активных сопротивлениях:

В выражении для расчета потери напряжения в активных сопротивлениях

от сечения зависит параметр ,

где удельная проводимость материала провода.

Если ЛЭП состоит только из одного участка, то величину сечения можно определить из выражения для :

При большем количестве участков ЛЭП, для расчета сечений проводников нужны дополнительные условия. Их три:

· постоянство сечений на всех участках F=const ;

· минимальный расход проводникового материала min ;

· минимальные потери активной мощности min .

Что такое короткое замыкание? Чаще всего эту фразу можно услышать от электриков, а также людей, которые вообще не понимают в электронике и электрике. На любой вопрос, почему пошел дым с какого-либо прибора либо устройства, все как один глаголят:» Произошло короткое замыкание». Очень универсальный отмаз для тех, кто желает показаться умным незнайкой).

Природа короткого замыкания

Давайте рассмотрим простейшую цепь, состоящую из лампочки и автомобильного аккумулятора:

В данном случае, по цепи потечет ток и лампочка будет светиться.

Предположим, что наши провода, которые ведут к лампочке, абсолютно голые. Вдруг каким-то чудом на эти проводки падет еще один такой же голый провод. Этот проводок замыкает наши два оголенных провода и начинается самое интересное — в схеме возникает короткое замыкание (КЗ). Короткое замыкание — это короткий путь для прохождения электрического тока по цепи, где наименьшее сопротивление.

Теперь ток течет и по лампочке, и по проводку. Но у нас проводка намного меньше, чем сопротивление лампочки, и почти весь ток потечет туда, где меньшее сопротивление — то есть по проводку. А так как сопротивление у нашего провода очень мало, то и ток, следовательно, потечет очень большой, согласно Закону Ома . А если потечет большой ток, следовательно, и количество теплоты, выделяемое проводком, будет очень большим, согласно Закону Джоуля-Ленца . В конце концов, по цепи, которая выделена красным цветом , будет течь большая и эта цепь будет очень сильно нагреваться. Нагрев проводов может привести к их выгоранию или даже к возгоранию. Этот случай как раз носит название короткого замыкания .

Вы, наверное, не раз слышали в сводке новостей, что пожар произошел из-за короткого замыкания. В этом случае оголенный провод фазы в каком-то месте задевал оголенный провод нуля, либо фаза задевала землю. Возникало короткое замыкание, и провода стали нагреваться до такой степени, что своим нагревом воспламенили близлежащие предметы. Отсюда пожар.

В основном короткое замыкание происходит в старых домах от старого кабеля, который трещит по швам и может замкнуть между собой. Поэтому, первое, что надо сделать, покупая квартиру либо дом на вторичном рынке — это посмотреть состояние проводки.

Типичные признаки короткого замыкания

сгоревшие предохранители в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА)
нагрев цепи, в которой течет ток короткого замыкания
низкое напряжение источника напряжения
большой ток
дым
обугленные провода
выгоревшие дорожки печатной платы
черный нагар в месте, где произошло КЗ

Как же бороться с коротким замыканием? Это, конечно же, устанавливать предохранители, автоматические выключатели и стараться делать аккуратный монтаж проводки.