Ток короткого замыкания - формула и методы расчета

Общие сведения

Все существующие материалы в электротехнике разделяют на 2 больших класса: проводники и диэлектрики. Первые способны пропускать через себя электрический ток. В качестве примера проводников можно привести металлы, а непроводников — пластмассы, резину. С физической точки зрения, способность пропускать электроток зависит от свойств материалов.

Как оказалось, в процессе переноса зарядов участвуют электроны. Природа так устроена, что все тела состоят из атомов и молекул. Они связаны между собой электромагнитными силами. Основу вещества составляет ядро, включающее в себя нейтрон и протон — положительно заряженную частицу. Вокруг центра по орбитали вращается электрон — отрицательный элемент. В нормальном состоянии количество и тех и других совпадает, поэтому тело электрически нейтральное.

Если на вещество действует сторонняя сила, электроны могут разорвать свою связь с атомом и стать свободными. При этом в структуре материала могут уже быть свободные частицы. Возникают они из-за примесей или различных дефектов кристаллической решётки. В состоянии покоя свободные частицы могут хаотично двигаться по структуре.

Но стоит только к телу приложить электромагнитную силу, их движение становится упорядоченным. Возникает явление, называемое электрическим током. Характеризуется он силой. Это величина, показывающая, какое количество зарядов может протечь через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Чтобы возникла сила тока, нужно выполнение трёх условий:

• существование свободных носителей заряда;
• создание электромагнитного поля;
• замкнутость цепи.

Количественно определить силу тока можно с помощью закона Ома: I = U/R. Проведя ряд экспериментов, учёный открыл правило, согласно которому значение тока пропорционально работе, выполняемой для переноса заряда из одной точки в другую и обратно пропорционально сопротивлению материала.

Последняя величина довольно важная характеристика. По своему смыслу сопротивление — параметр обратный проводимости, то есть определяет тип материала.

Суть процесса

При включении любого электрического прибора в цепь происходит замыкание линии. По ней начинает проходить электроток. Он течёт от источника питания через нагрузку (потребителя) и возвращается. Сила тока определяется нагрузочным сопротивлением элементов, подключённых к цепи. Если R большое, величина силы тока небольшая. В ином случае она может достигать больших значений. Ситуация, при которой происходит электрическое соединение плюсового и минусового контакта электрической линии, называют коротким замыканием.

Например, можно представить простую цепь, состоящую из источника тока и лампы накаливания. Чтобы она засветилась, один из выводов источника (фаза) следует подключить к одному из электродов лампы, а другой — ко второму контакту осветительного устройства (нулевой). В замкнутой цепи появится ток, который, проходя по вольфрамовому проводнику лампы, приведёт к его разогреву с излучением света. Такая работа называется штатной или нормальной.

Но если по каким-то причинам возникнет дополнительный контакт между выводами источника питания, причём его сопротивление будет пренебрежительно мало, практически весь генерируемый ток устремится по нему. Произойдёт шунтирование фазы питания с нулём. В результате всё напряжение окажется приложенным к выводам генерирующего устройства. И сила тока, возникшая в цепи, будет определяться только внутренним сопротивлением источника питания.

Сила тока резко возрастёт. Учитывая закон Джоуля — Ленца, определяющий тепловое действие электротока, возрастёт нагрев электрической цепи. Если сила тока при КЗ вырастет в 2 раза, выделившееся тепло увеличится в 40 раз. Явление часто сопровождается расплавлением проводов и возгоранием. Вот поэтому так важно уметь выполнять расчёт токов короткого замыкания для 110 В, 220 В или 380 В. Это те напряжения, что используются в быту и промышленности, обеспечивающие работу электроприборов и установок.

Различают следующие виды КЗ:

• однофазное — установление контакта между фазовой линией и нулевой;
• двухфазное — замыкание фаз между собой или их общее соединение с землёй;
• трёхфазное — наблюдается в сетях 380 вольт при соединении трёх фаз.

Следует отметить, что КЗ возникнет лишь в том случае, если соединение будет иметь наименьшее сопротивление на замкнутом участке цепи, чем предусмотренное нормальным режимом работы. Определяется же он согласно ГОСТ и правилами устройства электроустановок (ПУЭ).

Измерение тока КЗ

Расчёт КЗ необходим для правильного подбора устройств, способных защищать цепи от этого явления, поэтому крайне важно знать, до какой величины может подняться ток при замыкании в определённой точке. Выполнение работ предполагает определение сопротивления линии от места измерений до трансформаторной подстанции. Затем по результатам выполняется расчёт токов трёхфазного КЗ или однофазного, в зависимости от типа используемой электролинии.

При возникновении аварийной ситуации замыкания фазы на фазу или на корпус фактически появляется новая электрическая цепь — «петля» короткого замыкания. Есть несколько способов, с помощью которых можно определить величину сопротивления линии КЗ:

• метод вычисления напряжения в обесточенной цепи;
• способ определения падения разности потенциалов на нагрузочном импедансе;
• измерение полного сопротивления цепи.

Посчитать импеданс петли можно, создав искусственное короткое замыкание. Для этого используют специальные приборы. Они позволяют сначала измерить напряжение без подключённой нагрузки, а затем при включении малоомного резистора (до 10 Ом) в течение короткого времени (порядка 10 миллисекунд).

Полное сопротивление линии состоит из активной и реактивной составляющей. Расчёт выполняют по формуле: Z = √ (R² + (Xl + Xc)²). Чтобы рассчитать импеданс линии, состоящей из множества элементов, используют эквивалентную схему, состоящую из резисторов. Все данные трансформаторов, линий, различных электрических компонентов, необходимые для расчётов, приведены в справочных таблицах. Выполняя приведение, получают простую схему, состоящую из двух сопротивлений — активного и реактивного.

Выполнять можно расчёт токов КЗ в именованных единицах и относительных. Для нахождения номинальных параметров системы применяют стандартные формулы: Zn = U / P и I = P / √ (3 * U). Связь между единицами можно установить, выразив параметры через базисные значения. Z = Zn * (Un ²/Sn). При упрощённых вычислениях принято делать расчёт токов КЗ в относительных единицах.

Явления при замыкании

Как оказалось, ток короткого замыкания непостоянен во времени. Существует 2 понятия, описывающие процесс становления ТКЗ: ударный ток и установившийся. Они определяют поведение протекания процесса. Ударный возникает в первый момент времени при замыкании проводников. Он представляет собой импульс с максимальной амплитудой. Затем сила тока спадает, её значение становится постоянным. При расчётах процесс представляют суммой двух коэффициентов: апериодическим и периодическим. То есть считают, что ток постоянен на всём протяжении времени.

Если рассмотреть эквивалентную схему, становится понятным, почему при КЗ происходит просадка напряжения в сети. Ток, проходя через все элементы, которые находятся между ним и источником, вызывает потери. В точке КЗ напряжение становится минимальным, а во всей сети резко уменьшается. Причём чем дальше находится генератор, тем снижение весомее.

Это явление опасно тем, что на шинах генераторного напряжения происходит перевозбуждение обмоток. В них возникает большой нагрев, что в итоге приводит к пробою. Причём он часто сопровождается появлением искры. Чем дальше возникает КЗ от электростанции, тем его значение меньше. Если в высоковольтных цепях происходит существенное выделение тепла и возникновение искр, ближе к потребителю обычно возникает только дуга или маленькая вспышка. С другой стороны, на этом явлении построена работа аналогового сварочного трансформатора.

Однако методика вычисления остаётся неизменной. Но вместе с этим, чтобы точно убедиться, насколько правильно выбран автоматический предохранитель от КЗ, выполняют измерение сопротивление петли фаза-ноль. Считается, что безопасность выполнима, если измерения удовлетворяют следующему неравенству: Z ≤ 2 * U 0 / 3 * Ia, где:

• Z — измеренное значение петли в омах;
• U0 — напряжение фазы в вольтах;
• I0 — ток срабатывания автомата в соответствии с условиями, приведёнными в ГОСТ 50571 .16−99.

Вычисления можно выполнить и на так называемых онлайн-калькуляторах. Найти с их использованием ТКЗ не представляет трудностей даже человеку, слабо разбирающемуся в процессах, возникающих при замыкании.

Чтобы определить, чему он будет равен, нужно на сайте заполнить предлагающиеся графы и нажать кнопку «Расчёт». Через несколько секунд результат будет выведен на экран.