Что такое короткое замыкание на землю

Короткие замыкания и их классификация. Последствия КЗ на реальных примерах

Добрый день, уважаемые читатели сайта «Заметки электрика».

Давно хотел написать статью про короткое замыкание. Но все как то не доходили руки.

Сегодня решился, потому как повлияли на меня последние события, произошедшие на распределительной подстанции нашего предприятия.

Ранее в статьях мы говорили, что повреждения в электроустановках вызывают короткие замыкания, или сокращенно, к.з.

Короткое замыкание — это одно из самых тяжелых и опасных видов повреждения.

Вы спросите почему? Читайте ниже.

Что же такое короткое замыкание?

Википедия на этот вопрос отвечает, что  короткое замыкание — это:

Определение прочитали.

А теперь давайте рассмотрим подробно, что же происходит с параметрами электроустановки в момент короткого замыкания.

При возникновении короткого замыкания,  напряжение на источнике питания, а правильнее назвать ЭДС, замыкается «накоротко» через небольшое (малой величины) сопротивление кабельных и воздушных линий, обмоток трансформаторов и генераторов. Отсюда и название «короткое замыкание».

В «накоротко» замкнутой цепи появляется ток очень большой величины, который и называется током короткого замыкания.

Классификация коротких замыканий

Рассмотрим классификацию коротких замыканий.

Короткие замыкания разделяются по количеству замкнувшихся фаз:

• трехфазные короткие замыкания
• двухфазные короткие замыкания
• однофазные короткие замыкания

Короткие замыкания разделяются по замыканию:

Короткие замыкания разделяются по количеству замкнувшихся точек в сети:

• в одной точке
• в двух точках
• в нескольких точках (более двух)

Пример

Рассмотрим пример.

Допустим, что наш потребитель питается с подстанции через воздушную линию (ВЛ) электропередач. Питающая линия является транзитной, поэтому питание потребителя осуществляется отпайкой от линии ВЛ в точке «О».

Пунктирной линией под номером 2 показан уровень напряжения на протяжении всей воздушной линии до возникновения короткого замыкания. 

По рисунку видно, что напряжение в любой точке электрической сети равно разнице ЭДС источника питания и падения напряжения в электрической цепи до необходимой нам точки.

Например, напряжение в точке «О» можно рассчитать по формуле:

Uо = E — I*Zo, где

• E — ЭДС источника питания, в нашем случае генератора
• Zo — полное сопротивление воздушной линий от источника питания до точки «О» (состоит из активного и реактивного сопротивления)
• I — ток, протекающий по воздушной линии в данный момент времени.

Аналогично, можно рассчитать напряжение в любой точке нашей воздушной линий.

Предположим, что по каким-либо причинам произошло короткое замыкание на воздушной линии, но за пределами нашей отпайки. Назовем эту точку короткого замыкания буквой «К».

Что же произойдет в момент короткого замыкания?

В момент короткого замыкания по воздушной линии проходит уже не номинальный ток, а  ток короткого замыкания большой величины, поэтому возрастает падение напряжения на каждом элементе электрической цепи. А именно на сопротивлении Zo и Zк.

Самое наибольшее снижение напряжения будет в месте короткого замыкания, т.е. в точке «К». В остальных точках воздушной линии, удаленных от места к.з., напряжение снизится чуть меньше (это видно на рисунке — линия под номером 1).

В одной из своих статей я привел наглядный пример расчета токов короткого замыкания. Переходите по ссылочке и знакомьтесь с материалами.

Последствия от короткого замыкания

Мы уже выяснили, что в момент короткого замыкания происходит резкое увеличение величины тока и снижение напряжения, что приводит к следующим последствиям.

1. Разрушения

Вспомним немного физику.

По закону известного физика Джоуля-Ленца, ток короткого замыкания, протекая по активному сопротивлению электрической цепи в течение некоторого времени, выделяет в нем тепло, которое рассчитывается по формуле:

В точке короткого замыкания это тепло, а также пламя электрической дуги, производят огромные разрушения. И чем больше ток короткого замыкания и время его прохождения по цепи, тем больше будут разрушения.

Чтобы было понятно Вам насколько эти разрушения масштабны, ниже приведу примеры из своей практики.  

Короткое замыкание в кабине трансформаторов

Привод переключающего устройства РПН. Короткое замыкание произошло в обмотке асинхронного двигателя

2. Повреждение изоляции

Во время прохождения тока короткого замыкания по неповрежденным линиям, происходит их нагрев выше предельной допустимой температуры, что приводит к повреждению их изоляции.

Активная часть трансформатора. Короткое замыкание произошло по причине повреждения изоляции

Повреждение изоляции кабельной линий привело к короткому замыканию

Короткое замыкание кабеля. Последствия

3. Потребители и электроприемники

Снижение напряжения при коротком замыкании нарушает нормальную работу потребителей и электроприемников электрической энергии.

Например, асинхронный электродвигатель  при снижении напряжения сети может вообще остановиться, т.к. момент его вращения может оказаться меньше момента сопротивления и трения механизмов.

Также нарушается нормальная работа и осветительных остановок. Здесь я думаю объяснять не требуется.

Смотрите наглядное видео про причины и последствия короткого замыкания в электроустановке 400 (В) на одной из наших подстанций:

А вот уже случай по-серьезнее — трехфазное короткое замыкание в сети 10 (кВ).

Вот еще фрагменты аварии, которая возникла по причине короткого замыкания в разделке кабеля 10 (кВ):

Источник: http://zametkielectrika.ru/korotkoe-zamykanie/

Повреждения вида «глухая земля»

«Глухая земля» – термин, родившийся в среде тех, кто занимается поиском мест повреждений (МП) подземных электрических силовых кабельных линий.

С одной стороны, этот термин метко определяет вид повреждения – стабильное однофазное замыкание, т. е. замыкание одной жилы кабеля на землю (Рис.1).

Рис. 1 — Однофазное замыкание

С другой стороны, эта идиоматическая конструкция несет этакий налет безнадежности. И это вполне справедливо. Повреждения такого рода относятся к самым сложным, требуют большого опыта и определенной изобретательности при поиске.

Трудоемкость поиска таких повреждений, наверно, максимальная из всех известных видов повреждений. Вероятно по этой причине наибольшее число вопросов от наших читателей поступает про «глухую землю».

Они интересуются методическими вопросами и новинками оборудования для поиска.

Топографические методы поиска мест повреждений вида «глухая земля»

Общий подход к поиску МП такого вида за долгие годы достаточно отработан и включает два возможных варианта действий.

Первый вариант применим для самых простых случаев, не требующих больших трудозатрат – поиск производят с помощью популярного индукционного метода. Успешное применение индукционного метода, возможно, как при замыкании одной жилы на землю, так и двух или трех.

Комбинированные повреждения, когда две или три жилы замкнуты на землю, а значит и между собой, как правило, затруднений в поиске не вызывают. Поскольку в такую комбинацию входит и межфазное повреждение, легко определяемое индукционным методом, то его ищут, подключая генератор между поврежденными жилами. Для успешного поиска необходимо наличие двух предпосылок:

• отсутствие контакта с землей на всех участках кабеля кроме МП. Это обеспечит отсутствие одиночного тока растекания «забивающего» полезный сигнал. Понятно, что оболочка на обоих концах кабеля также должна быть отключена.
• залегание кабеля на глубине обеспечивающей слышимость сигнала повива — главного информативного признака индукционного метода.

Наличие этих двух предпосылок гарантирует успех поиска в случае возникновения комбинированного повреждения. В случае чистого однофазного повреждения наличие этих предпосылок также позволит добиться успеха, но генератор при этом подключают между жилой и оболочкой.

Попутно следует заметить, что большое значение имеет правильное применение дистанционных, например рефлектометрических, методов определения расстояния до места повреждения. Если с их помощью удается обнаружить, что повреждение не единственное, то соответственно придется изменить и тактику поиска.

Отсутствие вышеуказанных предпосылок делает невозможным использование индукционного метода для поиска чистой однофазной «глухой земли».

Стабильное короткое замыкание в МП делает маловероятным успешное применение акустического метода.

Последний из топографических методов, который можно использовать для поиска однофазного повреждения – потенциальный. Возможности его применения в большой степени определяются внешними условиями, такими как: наличие глубокого снежного покрова зимой или твердого покрытия в городских условиях и др.

Что делать, если ни одним из абсолютных методов не удается локализовать «глухую землю»?

В случае, когда ни одним из абсолютных методов невозможно локализовать «глухую землю» остается второй вариант действий — перевод однофазного повреждения в другой вид, позволяющий использовать один из известных абсолютных методов.

Исходя из конкретных условий поиска, оснащенности специальным оборудованием, опыта и квалификации персонала может быть выбран один из трех подходов. Первые два являются наиболее популярными, третий — используется в практически безысходных случаях.

Первый подход: перевод короткого замыкания в МП в высокоомное повреждение, параметры которого позволяли бы применение акустического метода поиска.

Добиваются этого подключая между оболочкой и поврежденной жилой установку прожига (Рис.2). Для разрушения металлического «мостика» в МП часто могут потребоваться очень значительные токи в несколько сот ампер. Причем прожиг надо проводить достаточно аккуратно. Так чтобы зазор образовавшийся между жилой и оболочкой после выплавления металлической перемычки пробивался импульсным напряжением от ударного генератора.

Достижение такого результата — это своего рода искусство, требующее хорошего опыта от исполнителя. Но даже использование на конечной стадии прожига дожигающих установок с токами до 300А не всегда позволяет добиться нужного результата. Последней надеждой для разбивания «глухой земли» в таких случаях остается использование ударного импульсного генератора.

Учитывая, что выходной импульсный ток у современных ударных генераторов на повреждениях типа короткого замыкания может достигать килоампер, то это может быть решающим условием успеха.

Рис. 2 — Прожиг однофазного повреждения

Второй подход: в тех случаях, когда разбить «глухую землю» не удается можно попытаться перевести повреждение в межфазное.

Чтобы добиться этого одновременно с прожигом включают высоковольтную установку (ВУ) между целой и поврежденной жилами (Рис. 3). Ухудшение свойств изоляции и ее выгорание в процессе прожига приведет к пробою жила-жила.

Снизив с помощью ВУ сопротивление между теперь уже двумя поврежденными жилами до уровня, позволяющего использовать прожиг, подключают установку прожига между этими жилами и доводят сопротивление в МП до величины, позволяющей применить индукционный метод.

Применение индукционного метода возможно при выполнении двух вышеупомянутых предпосылок:

• отсутствие токов растекания;
• залегание кабеля на глубине, не превышающей возможность слышать сигнал повива.

Рис. 3 — Перевод однофазного повреждения в междуфазное

Практическая реализация второго подхода сложнее, но почитатели индукционного метода предпочитают именно ее. Энтузиасты акустического метода используют первый подход. Найти объективные аргументы для предпочтения какого-либо из двух методов довольно сложно. Это два наиболее часто используемых варианта решения проблемы «глухой земли».

В совсем безысходных случаях применяют поиск с помощью шурфов и накладной рамки. Так называемый метод «пяти шурфов». Или изобретают собственные решения проблемы.

Оборудование, с помощью которого можно решить проблему «глухой земли»

Вместе с вопросами о методах поиска стабильных однофазных повреждений наши читатели интересуются и новинками аппаратуры, позволяющей эффективно решить проблему «глухой земли». До сих пор нельзя было дать какой-либо обнадеживающий ответ. Однако похоже ситуация меняется.

Разработан и проходит полевые испытания Приемник для поиска однофазных повреждений ППО-1. Первые результаты его опытной эксплуатации достаточно обнадеживающие. Заложенные в принцип действия приемника идеи позволяют использовать его для поиска как стабильных, так нестабильных высокоомных повреждений.

Первоначально предполагалось, что ППО-1 будет использоваться для поиска заплывающих повреждений. Однако уже первый опыт применения приемника дают основание предполагать, что с его помощью можно будет успешно определять место нахождения как высокоомных, в том числе и заплывающих повреждений, так и повреждений вида «глухая земля».

Универсальность метода обещает интересные перспективы его применения.

Насколько эффективным станет применение Приемника ППО-1 в значительной мере будет зависеть от методического обеспечения. Пока нельзя сказать, что методическая база разработана в достаточной мере. Конечно, это недостаток.

Но любое новое оборудование, в принцип работы которого заложены новые идеи или идеи, вышедшие на новый инструментальный уровень, на начальном этапе своего жизненного цикла не может быть обеспечено во всей полноте методической базой. Нужна практика, опыт.

Начало в приобретении такого опыта и новых знаний положили несколько наших постоянных партнеров, получивших в опытную эксплуатацию Приемник ППО-1 и активно его применяющих в работе.

Источник: https://angstrem.tech/blog/povrezhdeniya_vida_glukhaya_zemlya/

Короткое замыкание – краткая характеристика процесса, меры защиты в электроустановках

Короткое замыкание – это явление в электротехнике, которое сопровождается замыканием (электрическим соединением) между собой двух или трех фаз, фазы на нулевой проводник, замыкание фазного проводника на землю в сетях с глухозаземленной, а также эффективно заземленной нейтралью в трехфазной сети. Кроме того, коротким замыканием является межвитковое замыкание в электрических машинах.

Характерные особенности данного процесса – это значительное увеличение тока и падение напряжения. Рост тока происходит до значений, превышающих номинальный в несколько раз.  

Общепринятое буквенное сокращение данного явления – КЗ. В зависимости от количества замыкаемых фаз различают несколько видов коротких замыканий. Для наглядности изобразим схемы, которые иллюстрируют тот или иной тип КЗ в трехфазной электрической сети.

Вероятность возникновения однофазных коротких замыканий наиболее высока и составляет более 60% от общего количества КЗ. Двухфазные КЗ, в том числе на землю, возникают реже, вероятность возникновения данной аварийной ситуации — 20%. Трехфазные КЗ встречаются достаточно редко, вероятность их возникновения – 10%.

Причины возникновения короткого замыкания

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 питают участок 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).

В низковольтных сетях для защиты цепей от КЗ используются автоматические выключатели.

Источник: http://elektri4estwo.ru/osnovi-elektrotehniki/83-korotkoe-zamikanie.html

Что такое короткое замыкание и перегрузка сети?

Короткое замыкание (КЗ) – это возникновение электрического контакта между разными фазами, фазой и нулевым рабочим или защитным проводом. В сети с глухозаземленной нейтралью коротким замыканием можно считать контакт между фазным проводником и землей.

Причинами короткого замыкания могут быть:

• ухудшение или повреждение изоляции;
• попадание посторонних предметов, проводящих электрический ток, на токоведущие части;
• механические повреждения или разрушения электрических машин и аппаратов;
• ошибки работников при монтаже или обслуживании электрооборудования;
• аварийные режимы работы сети, связанные с возникновением в ней перенапряжений или резких бросков тока.

Со временем изоляция стареет и теряет свои свойства. Это относится в равной степени и к кабелям, и к обмоткам электродвигателей, и к изоляторам. Этому свойству подвержены и изоляционные поверхности: корпуса автоматических выключателей, предохранителей.

На ухудшение свойств изоляторов влияет среда, в которой они работают: степень загрязненности, наличие влаги, пыли, агрессивных газов. Стоит появиться небольшому токопроводящему участку, и он начинает греться и разрастаться, пока ток через него не достигнет критической величины. Он лавинообразно возрастет, разогреет и обуглит поверхность, по которой протекает.

С этого момента участок с ослабленной изоляцией становится местом короткого замыкания.

Примером посторонних предметов на токоведущих частях являются деревья, падающие на провода линий электропередач. Сами они создают контакт между землей и фазными проводниками, дополнительно обрываются провода или замыкаются между собой.

Износ подшипников электродвигателей тоже может привести к короткому замыканию. Ротор при вращении цепляет своими обмотками за внутренние детали или обмотку статора. Изоляция повреждается и возникает КЗ. Кабели, проложенные в земле, неизбежно подвергаются механическим деформациям. Над ними проезжает транспорт, а при смене времен года подвижки грунта испытывают их на прочность.

Невнимательность, неаккуратность, несоблюдение правил безопасности тоже могут привести к КЗ. При этом дополнительно наносится вред здоровью работников.

Перенапряжения сами по себе не являются причинами КЗ. Они лишь ускоряют их возникновение на участках с пониженной изоляцией, где рано или поздно замыкание все равно бы произошло.

Расчет и измерение токов короткого замыкания

При коротком замыкании вся мощность электрической сети сосредотачивается на маленьком участке. Если бы кабели, провода и коммутационные аппараты не имели бы собственных сопротивлений, ток КЗ достигал бы огромных величин. Но на самом деле он ограничивается суммарным сопротивлением линии от источника питания (трансформатора на подстанции, генераторов энергосистемы) до точки КЗ.

При проектировании электроустановок величину этого тока обязательно рассчитывают. Для этого используются данные о сопротивлениях (активных и реактивных) всего электрооборудования, установленного на пути КЗ. Ток считается для самой удаленной от источника точки, чтобы проверить, отключит ли его защита.

В эксплуатации или после монтажа ток КЗ измеряют специальными приборами: измерителями петли фаза-нуль. Делается это для того, чтобы удостовериться в правильности расчетов или в местах, для которых этот расчет выполнить невозможно.

Прибор MZC-200 для измерения петли фаза-нуль

Чем дальше точка КЗ от источника, тем ток замыкания меньше. При определенном удалении может получиться ситуация, когда тока будет не хватать для срабатывания отсечек автоматических выключателей. В этом случае:

• вместо модульных выключателей с характеристикой «С» (кратность отсечки 5-10) применяют «В» (кратность 3-5);
• увеличивают сечение питающих кабелей.

Действие короткого замыкания на электрооборудование

Короткое замыкание – аварийный режим работы для электрической сети. При возникновении он оказывает на электрооборудование одновременно два действия:

• электродинамическое;
• термическое.

Согласно законам физики, при прохождении тока по двум проводникам, расположенным рядом, они взаимодействуют друг с другом. В зависимости от направления тока они либо притягиваются, либо отталкиваются. С увеличением тока и уменьшением расстояния сила взаимодействия увеличивается.

На этом принципе и происходит электродинамическое воздействие тока КЗ на шины, провода, обмотки электрических машин. На подстанциях и других энергообъектах, где значения токов замыкания достигают десятков и сотен тысяч ампер, после КЗ оборудование может прийти в полную негодность из-за механических разрушений. При этом само КЗ может произойти где-то в стороне.

Термическое воздействие основано на нагревании проводников при прохождении по ним электрического тока. При этом температура иногда повышается настолько, что провода или шины расплавляются.

В бытовых условиях ярче выражено термическое воздействие КЗ, динамическое можно не учитывать из-за небольших значений токов.

Перегрузка сети

Это тоже аварийный режим работы. Все электрооборудование рассчитано на номинальный ток, превышение которого недопустимо. Иначе контактные системы коммутационных аппаратов, жилы кабелей и проводов начинают нагреваться. Перегрев приводит к расплавлению или обугливанию изоляции, которое вскоре приводит к пожару или короткому замыканию.

Последствия перегрузки

Причинами перегрузки является:

• подключение нагрузки к групповой линии, превышающей ту, на которую рассчитан ее кабель и автоматический выключатель. Это либо связано с подключением мощного электроприемника или превышением суммарной мощности группы электроприемников.
• неисправности, возникающие в одном из электроприемников. Например, витковое замыкание в электродвигателе, частичный выход из строя нагревательного элемента в калорифере.

Источник: http://electric-tolk.ru/chto-takoe-korotkoe-zamykanie-i-peregruzka-seti/

Причины и виды коротких замыканий | Электрические станции, подстанции, линии и сети

Подробности Категория: Учеба

Часть вторая КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ, РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В СЕЛЬСКИХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ ГЛАВА 4 КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ В СЕЛЬСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ

§ 10. Причины и виды коротких замыканий

Основные определения коротких замыканий и причины их возникновения.

При работе станций, подстанций и сетей возможны ненормальные режимы их работы, приводящие к повреждениям и авариям. Большинство таких аварий происходит по причине возникновения коротких замыканий. Коротким замыканием (к.

з) называется всякое не предусмотренное нормальным режимом работы соединение токоведущих частей отдельных фаз между собой, а в установках с заземленной нейтралью — также и с землей или с нулевым проводом (в четырехпроводных системах). Замыкания между отдельными фазами или фазой и землей большей частью происходят из-за повреждений изоляции между токоведущими частями.

В этих случаях ток проходит не через приемники электроэнергии, а более коротким путем — через место повреждения изоляции. Общее сопротивление цепи при этом резко снижается, а ток возрастает во много раз. Такие токи и называются токами короткого замыкания. Величина тока короткого замыкания не зависит от нагрузки, она обусловлена характеристикой генератора и сопротивлением участка цепи, на котором произошло короткое замыкание.

Ввиду больших мощностей генераторов в системах, питающих сельские установки, и малого сопротивления короткозамкнутого контура, токи короткого замыкания могут достигать значительной величины и приводить к серьезным повреждениям.

Они могут возникать и в нормальных режимах работы электроустановки, но при ошибочных действиях обслуживающего персонала, например, при включении цепи на неснятые за коротки, или при отключении нагрузки разъединителями и переброски возникшей дуги на соседние фазы. Об этом всегда следует помнить при производстве работ и выполнении оперативных переключений на станциях и подстанциях.

Основные причины возникновения токов короткого замыкания связаны с повреждением изоляции электроустановок. Они могут возникну и от действия различных перенапряжений, естественного изноет (старения) изоляции или ее дефектов, не обнаруженных до включения электроустановки под напряжение.

При работе возле элементов установки могут возникнуть также непредвиденные механические повреждения  изоляции; она может быть повреждена различными животными и птицами или в результате преднамеренных злоумышленных действий. Чаще всего повреждается изоляция сельских воздушных линий из за загрязнения изоляторов, растрескивания их под действием атмосферных осадков, температурных перепадов или перенапряжений. Появление микроскопических трещин в теле изоляторов и их последующий пробой может возникнуть также от постоянной механической нагрузки, которую испытывают изоляторы при вибрации и раскачивании проводов. Все указанные причины приводят к возникновению короткого замыкания и, как их следствию, нежелательным аварийным отключениям или повреждениям элементов установки.

Различают нарушения изоляции как между отдельными фазами, так и между фазами и землей. Повреждения междуфазовой изоляции и установках с изолированной и заземленной нейтралями всегда приводят к возникновению аварийных режимов короткого замыкания.

То же происходит и при повреждениях изоляции фаз по отношению к земле при наличии заземленной нейтрали или фаз по отношению к нулевому проводу при наличии заземленного нулевого провода.

При изолированной нейтрали замыкание одной из фаз на землю создает не аварийный, а лишь ненормальный режим работы установки.

Виды коротких замыканий и их характеристики.

Выше было отмечено, что для выработки и потребления электрической энергии наибольшее распространение нашли трехфазные системы переменного тока с изолированной и заземленной нейтралью. В общем случае в таких системах могут возникнуть трехфазные, двухфазные и однофазные короткие замыкания, а также замыкания между фазными проводами и землей. Разберем более подробно виды коротких замыканий, возникающих в различных системах (рис. 28).

В системах, работающих с изолированной (незаземленной) нейтралью, короткие замыкания могут быть трехфазные в одной точке (рис. 28, а); двухфазные в одной точке (рис. 28, б); двухфазные в двух точках при замыкании фаз на землю (рис. 28, в). В системах с заземленной нейтралью встречаются следующие короткие замыкания: трехфазные в одной точке (рис. 28, г); двухфазные в одной точке (рис. 28, д); двухфазные на землю в одной и в двух точках (рис. 28, е); однофазные на землю (рис.

28, ж) или на заземленный нулевой провод (в четырехпроводных системах).

Источник: https://leg.co.ua/knigi/ucheba/elektricheskie-stancii-podstancii-linii-i-seti-11.html

Короткое замыкание: причины возникновения и основные виды, признаки и последствия негативного явления

Коротким замыканием называется нештатное соединение двух точек электрической сети, обладающих разными потенциалами. При этом явлении происходит нарушение нормальной работы цепи, не предусмотренное конструкцией оборудования. Такая ситуация может возникать при повреждении изоляции проводников или прикосновении оголенных их частей. Резкое падение сопротивления нагрузки при подключении к сети также относится к короткому замыканию.

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.

Причины возникновения

Считается, что короткое замыкание (КЗ) — явление случайное, которое может произойти в любое время. Существует ряд прямых и косвенных причин, приводящих к этому негативному событию. К ним относятся:

1. В процессе длительной эксплуатации большой износ энергетических систем или бытовой электрической сети. Провода со временем теряют качество изоляции, что приводит к непреднамеренным соединениям. Проверяется такая ситуация в местах соединения электрической проводки по степени ее нагрева. Если происходит большой нагрев проводников, значит, где-то произошло нарушение изоляции.
2. Часто причиной короткого замыкания считается удар молнии в высоковольтную линию. Происходит кратковременное перенапряжение сети с последующим замыканием. Если даже молния ударила рядом с линией, все равно это вызывает ионизацию воздуха, что приводит к увеличению электрической проводимости. Вследствие чего образуется дуга, соединяющая линии электрических передач.
3. В бытовых условиях происходит механическое повреждение изоляции. Особенно часто такая ситуация возникает во время проведения ремонта.
4. Возможно попадание на токоведущие элементы посторонних металлических предметов. Такая ситуация говорит о неудовлетворительном уходе за электрическим оборудованием.
5. Подключение к сети неисправных приборов, у которых низкое внутреннее сопротивление.

Кроме того, большое значение имеют действия человека, которые иногда могут привести к замыканию. Особенно такие моменты часто происходят при неправильном монтаже электрической проводки.

Основные виды

Существует несколько видов КЗ. Все они описываются и подтверждаются документально национальным стандартом. В перечень входят:

1. Трехфазное — электрический контакт осуществляется между тремя фазами цепи. В отличие от других видов, этот процесс протекает симметрично, поэтому более точно можно рассчитать силу тока в этот период. Такой вид замыкания считается самым опасным по тепловым и электродинамическим воздействиям. Наличие контакта с землей никак не влияет на параметры процесса.
2. Двухфазное — это короткое замыкание в электрической цепи, как все последующие, вызывает неравномерное распределение напряжения в сети. Такой вид негативного явления в кабельных линиях может быстро перейти в трехфазное замыкание из-за разрушения изоляции проводников.
3. Двухфазное с землей — обычно такой процесс наблюдается в электрических магистралях с заземленной нейтралью.
4. Однофазное с землей — наиболее часто встречающаяся ситуация, которая происходит в бытовых или промышленных электросетях и подключенным к ним устройствам.
5. Двойное замыкание на землю — когда две фазы замыкаются через землю, не взаимодействуя напрямую друг с другом. Наблюдается в сетях с заземленной нейтралью.

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  Прибор для электрика: тестер напряжения

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

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.

Применение короткого замыкания

Помимо негативных характеристик, это явление широко применяется в некотором электрическом оборудовании. По этому принципу работают короткозамыкатели, которые представляют собой быстродействующие приводы.

Используются они для создания преднамеренного замыкания с целью вызвать защитное отключение. Такие приборы применяются при аварийных ситуациях в высоковольтных линиях. При поломке силового трансформатора устройство вызывает замыкание между фазами в электрических магистралях до 35 кВ или фазой и землей при напряжении от 110 кВ.

Прибор включается как автоматически, так и вручную, если есть необходимость. На основе замыкания работает электродуговая сварка, которая позволяет получить крепкие металлические соединения. Чаще всего такое устройство используется для соединения кузовных деталей автомобилей.

Источник: https://rusenergetics.ru/praktika/prichiny-korotkogo-zamykaniya

Понятие и расчет тока замыкания на землю

Такое явление, как растекание тока при замыкании на землю одного из фазных проводников, возникает вследствие его случайного соприкосновения с грунтом. К этому же типу внештатных ситуаций следует отнести и снижение изоляционных характеристик защитной оболочки кабеля, проложенного в земле.

Явление растекания

В 3-х фазной питающей сети, работающей по схеме с так называемой «изолированной» нейтралью, о замыкании фазы на землю можно судить по показаниям подключённого к ней индикаторного прибора (вольтметра). Для организации таких измерений его контрольные щупы подсоединяются к контактам вторичной обмотки измерительного трансформатора типа НТМИ, способного выдерживать длительные перенапряжения.

При непосредственном или прямом замыкании проводника на землю обмотка измерительного трансформатора накоротко замкнута, а показания соответствующего ей вольтметра будут нулевыми.

Одновременно с этим суммарный магнитный поток (индукция) в двух других обмотках НТМИ увеличится в √3 раз, а соответствующими вольтметрами вместо фазного измеряется линейное напряжение.

В случае практического измерения емкостного тока замыкания на землю используют метод «подбора». Его суть заключается в умышленных смещениях нейтрали (подача переменного напряжения в нейтраль) и измерении возникающих при этом токах.

Метод применяется только в сухую погоду к сетям не более 10 кВ. Проводить замеры тока замыкания на землю могут те работники, которые получили допуск.

Расчетный ток замыкания на землю определяется как геометрическая сумма его емкостных составляющих во всех рабочих жилах согласно следующей формуле:

С ростом протяжённости сети её емкость, естественно, возрастает и, согласно формуле, увеличивается аварийный ток утечки. Одновременно с этим в соответствии с требованиями ПУЭ величина тока в цепи не должна превышать следующих значений:

Для выполнения указанного требования в 3-х фазных питающих цепях должна быть принудительно организована компенсация емкостного тока замыкания на землю.

Последствия замыкания

Растекание тока в сетях с изолированной нейтралью возможно лишь через провод, находящийся в прямом контакте с грунтом. Самый близкий пример такой ситуации – искусственный заземлитель.

Стекание тока

Аварийное замыкание фазы на грунт приводит к тому же эффекту, в результате которого происходит резкое уменьшение потенциала проводника относительно земли.

В указанной ситуации такой провод формально превращается в одиночный заземлитель.

Напряжение в точке контакта понижается до значения, соответствующего произведению протекающего через неё тока на величину сопротивления почвы его растеканию.

Это явление очень полезно с точки зрения уменьшения опасности при случайном повреждении линии. Одновременно с этим понижение потенциала фазы приводит к ряду нежелательных последствий.

Одно из негативных последствий – эффект распределения потенциала по поверхности земли вблизи от зоны контакта. Вследствие этого в точках, по-разному удалённых от заземляющей конструкции, появляются различные по величине потенциалы, образующие перепады напряжения, опасные для попавших в эту зону людей.

Это обстоятельство послужило причиной введения такого показателя, как «напряжение шага», определяемого разностью потенциалов между его ступнями при передвижении в границах опасной зоны.

В связи с тем, что снижение потенциала по мере удаления от точки контакта происходит по экспоненте – максимальное напряжение шага наблюдается вблизи от неё. Минимум этой величины проявляется на участках, достаточно удаленных от эпицентра аварии.

Характер распределения тока замыкания на землю, величина сопротивления растеканию и распределение потенциалов на опасном участке – все эти показатели зависят от геометрических параметров образовавшегося соединения. Существенное влияние на них оказывает и состояние грунта в момент аварии (повышенная влажность, сухость или другие факторы).

Возникновение дуги

Ещё одним последствием замыкания фазного проводника на землю является образование электрической дуги, в процессе горения которой выделяется большое количество тепла и наблюдается ионизация воздуха. Это создаёт условия, способствующие появлению в линейных межфазных цепях короткого замыкания.

Прерывистый характер дуги, образующейся при замыкании на землю, приводит к появлению значительных перенапряжений величиной до 3,2 Uф.. С целью снижения амплитуды ёмкостных токов, увеличения времени восстановления напряжения на аварийной фазе, а также ограничения перенапряжений при последующих зажиганиях дуги в цепях устанавливается специальный дугогасящий реактор.

Компенсационные меры защиты

В соответствии с положениями ПУЭ в нормальных условиях работы сети должны предприниматься специальные меры защиты от возможного пробоя на землю.

Для ограничения емкостных токов в нейтраль трансформатора вводится специальный дугогасящий реактор (смотрите рисунок 1, б). С его помощью удаётся снизить (компенсировать) ток однофазного замыкания на землю, возникающий сразу после аварии.

Практически установлено, что при наличии компенсатора воздушные и кабельные линии могут работать в критическом аварийном режиме довольно продолжительное время и вот почему.

Как только протекающий в реакторе индуктивный ток Ip сравнивается по своей величине с противофазной емкостной составляющей Ic – наблюдается эффект компенсации, при котором Iр + Iс = 0 (явление резонанса токов).

Реакторы с индуктивным импедансом достаточно просто настраиваются на работу с переменным значением компенсационного потока и могут эксплуатироваться в режимах недо- и перекомпенсации.

Использование дугогасящего реактора оказывает определённое влияние на распределение потенциалов в линейных проводах и в нейтрали. В последней появляется напряжение смещения Ucм , вызванное асимметрией в цепи и приложенное к выводам реактора.

В резонансном режиме такое рассогласование приводит к искажению нормальной картины распределения потенциалов даже в отсутствии однофазного замыкания (ОЗЗ).

Искусственное предупреждение резонансных явлений может быть достигнуто путём преднамеренного рассогласования соответствующих цепей, в результате чего удаётся снизить Ucм и выровнять показания контрольных приборов.

Дополнительное замечание. Варьировать величину компенсационных токов допускается в пределах, при которых образовавшееся в случае аварии рассогласование не приводило бы к появлению Ucм более чем 0,7 Uф.

Порядок расчёта параметров однофазного замыкания

Расчет емкостного тока замыкания предлагаем рассмотреть на примере типовых электрических подстанций с действующим напряжением 10 киловольт.

Для повышения точности проводимых при этом выкладок советуем воспользоваться методом, при котором за основу берётся показатель удельного ёмкостного тока. (С его рабочими значениями можно будет ознакомиться в одной из таблиц, приведённых в приложении). Формула, в соответствии с которой рассчитывается этот показатель, выглядит следующим образом:

где:

Uф – эта фазное напряжение 3-х фидерной электросети, киловольты,

ω=2Пf=314(радианы/секунду).

Со – величины ёмкости каждой отдельной фазы по отношению к земле (микрофарады/километры).

Сразу же вслед за этим можно будет приступать к определению величины ёмкостной составляющей тока в самой фидерной линии:

По завершении основного расчёта переходим к определению параметров срабатывания защиты от перенапряжений (компенсационных токов).

При их проведении следует исходить из показателя емкостного тока защиты, определяемого по формуле:

где:
Кн – показатель надежности работы защиты (обычно он принимается равным 1,2),

Кбр – показатель так называемого «броска», учитывающий скачок тока в момент возникновения однофазного замыкания на землю (ОЗЗ),

Ic фидера макс. – емкостный ток подлежащего защите фидера.

Соблюдение неравенства, обозначенного в приведённой выше формуле, позволяет обеспечить условия, при которых даже при возникновении однофазного замыкания на землю защита не будет срабатывать.

Для реле ЭМ типа рекомендуемый показатель надёжности срабатывания защиты, как правило, выбирается равным 2 или 3 единицам. При этом в защитной схеме не предусматривается специальная временная задержка. При установке в этих цепях цифровых реле рабочее значение показателя Кбр = 1-1,5.

В заключение отметим, что для различных промышленных устройств фидерной защиты указанные параметры могут иметь значения, несколько отличающиеся от тех, что приведены в расчётах.

Источник: https://evosnab.ru/ustanovka/zemlja/tok-zamykanija-na-zemlju

Что такое короткое замыкание, его виды и причины возникновения

О таком нештатном режиме работы электрической цепи как короткое замыкание слышали практически все. Описание физики этого процесса входит в школьную программу 8-го класса. Предлагаем вспомнить, что представляет собой данное явление, какую опасность представляют токи КЗ и их вероятные причины возникновения. В статье мы рассмотрим виды короткого замыкания, а также способы защиты, позволяющие минимизировать негативные последствия.

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.

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:

1. 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.

1. 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. 2-х фазное с землей (K(1,1)). Данный процесс можно наблюдать в системах с заземленной нейтралью.
3. 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.
4. 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.

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 предотвратить КЗ и защита от него?

Нельзя полностью исключить вероятность КЗ, поскольку на природу его возникновения влияет случайная составляющая. Поэтому в данном случае может идти речь только о профилактике, понижающей вероятность возникновения аварийной ситуации. К таким мерам относятся:

• Контроль состояния изоляции токоведущих элементов оборудования или линий электропередач. В частности, испытание изоляции электропроводки в производственных помещениях положено проводить не реже одного раза в три года. Для бытовых сетей нормируется только срок максимальной эксплуатации. Например, для скрытой проводки, выполненной медным проводом, допустимая эксплуатация – 40 лет.
• Сверка с проектом бытовой электросети перед сверлением теоретически должна минимизировать вероятность механического повреждения скрытой проводки. Но, как показывает практика, в таких ситуациях надежней воспользоваться прибором, для поиска проводки. Обзор таких устройств и их принципиальные схемы, можно найти на нашем сайте.Детектор проводки
• Отключение электроприборов при выходе из дома или квартиры.
• В «сырых» помещениях (например, в ванной комнате) необходимо минимизировать количество электрооборудования. Если таковое нельзя исключить, оно должно иметь соответствующий класс защиты.
• В случае повреждения электроприбора, требуется исключить возможность его подсоединения к сети питания.
• Соблюдение норм потребления электроэнергии и т.д.

Не менее важным является организация защиты, она реализуется путем установки автоматических выключателей (или предохранителей) как на ввод, так и на каждую внутреннюю линию проводки. Если произойдет короткое замыкание, электромагнитная защита автоматического выключателя сработает под воздействием высокого уровня тока КЗ. Как подобрать автоматический выключатель, в зависимости от номинального тока, Вы можете прочитать на нашем сайте.

Если в щитах РУ используются плавкие электрические предохранители, то после их «расплавления» (срабатывания), замена должна проводиться на однотипные устройства. Установка предохранителя с током меньше номинального приведет к ложным срабатываниям, превышение допустимого тока срабатывания может вызвать повреждение электрооборудования.

Преднамеренное КЗ

Завершая данную тему нельзя не упомянуть, что большие токи короткого замыкания могут успешно использоваться. Ярким примером этому являются электросварочные аппараты с ручным или автоматическим ограничением по току КЗ. Принцип работы и примеры электрических схем различных видов сварочного оборудования мы уже ранее рассматривали на нашем сайте.

Помимо сварочных аппаратов особенности КЗ используются в короткозамыкателях.

Внешний вид короткозамыкателя

Короткозамыкатели представляют собой специальные электромеханические устройства, вызывающие преднамеренное короткое замыкание для оперативного отключения системой защиты определенного участка цепи.

Таким образом, можно констатировать, что в приведенных примерах короткое замыкание вызывается принудительно для выполнения конструктивных действий.

Несколько видео по теме:

Источник: https://www.asutpp.ru/chto-takoe-korotkoe-zamykanie.html