Несмотря на свою очевидную пользу, электрическая энергия, в определенных условиях, представляет серьезную опасность. Среди всех негативных факторов, более всего оказывает отрицательное воздействие ток короткого замыкания, способный нанести вред не только приборам, бытовой технике, оборудованию, но и обслуживающему персоналу. КЗ возникает в результате электрического взаимодействия разных фаз друг с другом или с землей. В точках соприкосновения в цепи наблюдается резкий рост силы тока, многократно превышающий предельно допустимые значения. В результате, возникает аварийная ситуация.
Понятие короткого замыкания
Короткое замыкание — КЗ возникает при незапланированном электрическом контакте между точками цепи с разными потенциалами, не предусмотренном нормативными правилами эксплуатации. Зону контакта отличает низкое сопротивление, что приводит к резкому росту силы тока, превышающему номинальное значение.
В качестве наглядного примера можно взять обычную лампочку на 100 Вт, подключенную к напряжению 220В. Для того чтобы сравнить токи в нормальном и аварийном режиме, необходимо воспользоваться законом Ома. При этом, сопротивление источника тока и проводников не учитывается при расчетах.
Сила тока в нормальном рабочем режиме составит I = P/U = 100/220 равно около 0,45А. Далее рассчитывается сопротивление нагрузки: R = U/I = 220/0,45 = около 489 Ом.
Когда появляется ток короткого замыкания, формула показывает, что параметры цепи существенно изменяются. Замыкание между двумя точками осуществляется проводником, сопротивление которого составляет 0,01 Ом. Известно, что ТКЗ всегда выбирает путь с минимальным сопротивлением. С связи с этим, произойдет резкое увеличение силы тока: I = U/R = 220/0,01 = 22000A. Поэтому данное явление и получило свое название, поскольку ток КЗ идет по наиболее минимальному пути, минуя нагрузку. Такое высокое значение получается лишь теоретически, на самом же деле такого роста не произойдет из-за падения напряжения у потребителя.
Таким образом, отвечая на вопрос, что такое короткое замыкание по-простому, можно отметить, что в этом случае положительный и отрицательный проводники создают для тока самый короткий путь, сопротивление начинает стремиться к нулю. Физика утверждает, что без сопротивления схема перестает нормально функционировать, работа источника напряжения сбивается и происходит замыкание с образованием разрушительного тока.
Причины опасной ситуации
Аварийная ситуация и короткое замыкание цепи не может возникнуть просто так.
В каждом конкретном случае имеются определенные причины и негативные факторы:
- Высокий уровень напряжения при замыкании. Обычно возникает в результате резкого скачка, при котором наблюдается превышение всех допустимых норм. Вероятность пробоя изоляции или всей схемы становится очень высокой. Повышаются токовые утечки с одновременным повышением температуры дуги. При коротком замыкании большое напряжение всегда создает кратковременный дуговой разряд.
- Старые изношенные слои изоляционного покрытия. Подобные ситуации чаще всего встречаются, когда замена проводки не проводилась в течение длительного времени. Слабая изоляция оказывается наиболее подверженной электрическому пробою, чему причина выработка своего ресурса.
- Внешние механические воздействия. Защитная оболочка проводников постепенно перетирается, а изоляционное покрытие оказывается нарушенным. Жилы проводов также подвержены повреждениям, вызывающим не только КЗ, но и возгорания.
- В электрическую цепь иногда попадают посторонние предметы пыль, мусор и т.д. Попадая на проводник, они создают собственную дополнительную цепочку, способную вызвать ток короткого замыкания источника.
- Удары молний, создающие высокое напряжение, легко пробивающее всю электрическую схему или изоляцию проводников.
Разновидности коротких замыканий
В зависимости от конкретных обстоятельств и компонентов, участвующих в этом процессе, все аварийные ситуации подобного рода условно разделяются на следующие виды коротких замыканий:
- Трехфазное (№ 1 на рисунке). В этом случае между собой контактируют все три фазы, без каких-либо перекосов. Распределение токов происходит симметрично, поэтому силу тока и ЭДС КЗ рассчитать достаточно легко. Главную опасность такого замыкания составляют тепловые и электродинамические воздействия, существенно превышающие такие же факторы в других случаях. Дополнительное замыкание на землю не оказывает какого-либо влияния на общий процесс, что характерно для подобной ситуации.
- Двухфазное (№ 2). Подобное замыкание, как и все остальные называется несимметричным из-за происходящих процессов. В результате, они сопровождаются обязательным перекосом напряжения. В кабельных ЛЭП двухфазных процесс может легко превратиться в трехфазный. Это случается из-за высокой температуры в точке замыкания, под действием которой разрушается изоляция токоведущих частей.
- Две фазы замыкаются с землей (№ 3). Ситуация характерна для систем, имеющих заземленную нейтраль.
- Одна фаза замыкается на землю (№ 4). Считается наиболее частым коротким замыканием, встречающимся на жилых и промышленных объектах.
- Замыкание двух фаз на землю (№ 5). Каждая из них замыкается по-отдельности, не контактируя между собой. Обычно такое положение приобретает схема, где имеется заземленная нейтраль.
Опасность и последствия
Практически все короткие замыкания приводят к негативным последствиям различной степени тяжести. Если кратко, то наибольшую опасность представляет возможное возгорание, нередко переходящее в полноценный пожар. В аварийной ситуации сила тока значительно увеличивается, а в проводниках в большом количестве выделяется теплота, оказывающая разрушающее действие на изоляцию.
В большинстве случаев, особенно в быту, при возникновении дугового КЗ между проводниками и местом замыкания образуется электрический разряд большой мощности, способный легко воспламенить находящиеся рядом предметы. Резкое выделение тока и тепла представляет особую опасность для людей, проживающих в доме, и обслуживающего персонала предприятий.
Аварийные ситуации с замыканиями называются просадочными из-за значительных понижений напряжения в данной сети. Особенно большие просадки образуются непосредственно в месте КЗ. Подобные скачки отрицательно влияют на электроприборы и оборудование, особенно с электрическими двигателями. Чувствительные устройства нередко попадают под воздействие сильных электромагнитных волн.
Предотвратить разрушительные последствия, определяемые термином коротких замыканий, вполне возможно при помощи различных защитных средств. Они определяются еще на стадии проектирования в индивидуальном порядке для каждой электроустановки.
Защитные и профилактические мероприятия
Полностью защититься от КЗ практически невозможно, поскольку во многих случаях оно происходит под влиянием случайных факторов. Поэтому основная роль отводится профилактическим мероприятиям, от чего зависит снижение вероятности аварийных ситуаций.
В обязательном порядке планируется и выполняется следующее:
- Контроль и определение состояния изоляционного слоя токоведущих частей электроустановок или ЛЭП. В помещениях производственного назначения изоляция проводов проходит испытание 1 раз в 3 года или чаще. Домашние сети нормируются сроками максимальной эксплуатации. Например, скрытая проводка из медного провода может эксплуатироваться в течение 40 лет.
- Перед тем как найти скрытую проводку перед сверлением стен, необходимо заранее свериться со схемой или проектом электрических сетей. Это существенно снизит вероятность повреждений, хотя более точные результаты можно получить только с помощью специального поискового прибора.
- Выходя из дома следует отключать все электроприборы, особенно мощное оборудование нагреватели, электроплиты, посудомоечные машины и т.д.
- В помещениях, где есть признаки повышенной влажности, количество электрических устройств должно быть минимальным. Допускается эксплуатация приборов только с соответствующим классом защиты.
- Не должна подключаться к сети поврежденная электротехника.
- Не выходить за рамки установленных норм потребления электроэнергии.
Большое значение имеет использование защитных средств в электрической цепи автоматов или плавких предохранителей. Они устанавливаются на вводе и на всех внутренних линиях проводки. В случае короткого замыкания произойдет срабатывание и сеть окажется обесточенной. Отработанные предохранители заменяются аналогичными устройствами того же типа. Элементы с меньшими номиналами приведут к ложным срабатываниям, а превышение допустимых токов вызовет повреждение оборудования и проводов.
Как использовать короткое замыкание
КЗ может не только наносить вред, но в чем-то приносить ощутимую пользу в работе. Если говорить простым языком, то типичным примером такого использования служит дуговая сварка. Принцип действия сварочной аппаратуры заключается во взаимном контакте стержня-электрода и поверхности свариваемого металла.
Свойства КЗ обеспечивают нагрев поверхности до температуры плавления, после чего образуется сварочный шов из сплава металлов, обеспечивающий высокую прочность соединения. С технической точки зрения происходит замыкание сварочного электрода и контура заземления.
Работа сварочного аппарата в режиме электродвижущей силы КЗ происходит в течение короткого времени. В момент соприкосновения электрода с металлом появляется ток короткого замыкания с нестандартным зарядом и высокой ЭДС, сопровождающийся выделением большого количества тепла. Этой теплоты вполне достаточно, чтобы расплавить металл и образовать сварочный шов.
Кроме того, режимы КЗ используются в промышленной автоматике, некоторых видах электроники, в электродинамических датчиках сейсмических приемников и индукционных виброметров.