Короткое замыкание представляет собой одно из наиболее опасных явлений в электрических цепях, способное вызвать серьезные повреждения оборудования, перебои в электроснабжении и создать угрозу безопасности как персоналу, так и потребителям электроэнергии. Понимание причин возникновения коротких замыканий и осознание их последствий крайне важно для специалистов и всех, кто связан с эксплуатацией электрооборудования и систем электроснабжения.
В настоящей статье рассматриваются основные причины появления коротких замыканий, типовые сценарии развития аварий и практические последствия для электроустановок, а также представлены меры, позволяющие минимизировать риски их возникновения. Это позволит читателю не только углубить свои знания об опасностях коротких замыканий, но и научиться применять эффективные способы профилактики и защиты электрических сетей.
Что аткое короткое замыкание
Короткое замыкание — включение источника ЭДС на нагрузку, сопротивление которой очень мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника.
Сила тока при коротком замыкании определяется только внутренним сопротивлением источника r, т. е. ik = E/r, где Е — ЭДС источника.
Обычно источники ЭДС не рассчитаны на ту большую силу тока, которая устанавливается при коротком замыкании, в источнике выделяется очень большое количество тепла, которое может привести к разрушению и гибели источника. Особенно опасно короткое замыкание для источников с малым внутренним сопротивлением (аккумуляторов, электрических машин и т. д.).
Итак, короткое замыкание возникает при соединении двух проводов цепи, присоединенных к разным зажимах (например, в цепях постоянного тока это "+" и "-") источника через очень малое сопротивление, которое сравнимо с сопротивлением самих проводов.
Это может произойти из-за механического повреждения изоляции проводов, ошибок при монтаже или эксплуатации электрооборудования, а также из-за внешних факторов, таких как воздействие влаги или высоких температур.
Ток при коротком замыкании может превысить номинальный ток в цепи во много раз, часто в 10-100 раз, в зависимости от конкретных условий и местоположения короткого замыкания в сети.
В таких случаях цепь должна быть разорвана раньше, чем температура проводов достигнет опасных значений, которые могут привести к их плавлению и возгоранию. Например, если номинальный ток в цепи составляет 10 ампер, то при коротком замыкании он может достигнуть 1000 ампер или более, что требует немедленного отключения цепи для предотвращения повреждений и пожаров.
Для защиты проводов от перегрева и предупреждения воспламенения окружающих предметов в цепь включаются аппараты защиты - плавкие предохранители или автоматические выключатели.
Короткие замыкания могут возникнуть также при перенапряжениях в результате грозовых явлений, прямых ударов молнии, механических повреждении изолирующих частей, ошибочных действий обслуживающего персонала.
При коротких замыканиях резко возрастают токи в короткозамкнутой цепи и снижается напряжение, что представляет большую опасность для электрического оборудования и может вызвать перебои в электроснабжении потребителей.
Это происходит из-за того, что короткое замыкание создает путь с очень низким сопротивлением для электрического тока, что приводит к значительному увеличению силы тока.
Такие высокие токи могут вызвать перегрев проводов и оборудования, что может привести к их повреждению или даже пожару.
Кроме того, снижение напряжения в сети может привести к сбоям в работе чувствительного электронного оборудования и нарушению функционирования важных систем, таких как освещение, отопление и охлаждение. Поэтому важно своевременно обнаруживать и устранять короткие замыкания для обеспечения надежности и безопасности электроснабжения.
Смотрите также: Как устроена и работает защита от коротких замыканий
Короткие замыкания бывают:
-
Трехфазные (симметричные), при которых накоротко замыкаются все три фазы. Этот тип короткого замыкания вызывает токи наибольшей силы в сравнении с другими типами, но не всегда достигает наибольшей величины тока в конкретной системе.
-
Двухфазные (несимметричные), при которых накоротко замыкаются только две фазы. Этот тип короткого замыкания также распространен и составляет значительную часть всех коротких замыканий.
-
Двухфазные на землю, в системах с глухо заземленными нейтралями, когда две фазы замыкаются между собой и одновременно на землю. Этот тип короткого замыкания может возникать в сетях с изолированной нейтралью, но встречается реже.
-
Однофазные несимметричные на землю, в системах с заземленными нейтралями, когда одна фаза замыкается на землю. Этот тип короткого замыкания является наиболее распространенным и составляет до 60-70% всех коротких замыканий.
Наибольшей величины ток достигает при однофазном коротком замыкании в системах с глухо заземленной нейтралью, но в результате применения специальных искусственных мер, таких как заземление нейтралей через реакторы или заземление только части нейтралей, наибольшее значение тока однофазного короткого замыкания может быть снижено до величины тока трехфазного короткого замыкания.
Для трехфазных коротких замыканий чаще всего и ведутся расчеты, поскольку они обеспечивают симметричные условия для всех фаз.
Причины возникновения коротких замыканий
Основной причиной возникновения коротких замыканий является нарушения изоляции электрооборудования.
Нарушения изоляции вызываются:
1. Перенапряжениями (особенно в сетях с изолированными нейтралями),
2. Прямыми ударами молнии,
3. Старением изоляции,
4. Механическими повреждениями изоляции, проездом под линиями негабаритных механизмов,
5. Неудовлетворительным уходом за оборудованием.
Перенапряжения, особенно в сетях с изолированными нейтралями, могут вызвать пробой изоляции. Прямые удары молнии обладают высокой энергией, способной разрушить изоляцию. Со временем изоляционные материалы стареют и теряют свои свойства, становясь более уязвимыми к пробою. Механические повреждения изоляции могут возникнуть из-за проезда под линиями негабаритных механизмов или других физических воздействий.
Часто причиной повреждений в электрической части электроустановок являются неквалифицированные действия обслуживающего персонала.
Дополнительные факторы, способствующие возникновению коротких замыканий:
- Перегрузка сети - превышение допустимой нагрузки на электрическую сеть может привести к перегреву и разрушению изоляции.
- Внешние воздействия - попадание влаги, пыли или других посторонних веществ в электрооборудование может ухудшить изоляцию.
- Недостаточная защита от перенапряжений - отсутствие или неисправность устройств защиты от перенапряжений увеличивает риск повреждения изоляции.
- Неправильная эксплуатация оборудования - несоблюдение правил эксплуатации и технического обслуживания может привести к преждевременному износу изоляции.
Меры предотвращения коротких замыканий:
- Регулярное техническое обслуживание - своевременное обнаружение и устранение неисправностей.
- Использование защитных устройств - установка предохранителей, автоматических выключателей и устройств защиты от перенапряжений.
- Обучение персонала - повышение квалификации обслуживающего персонала для предотвращения неквалифицированных действий.
Преднамеренные короткие замыкания
При осуществлении упрощенных схем соединений понижающих подстанций используют специальные аппараты - короткозамыкатели, которые создают преднамеренные короткие замыкания с целью быстрых отключений возникших повреждений.
Таким образом, наряду с короткими замыканиями случайного характера в системах электроснабжения имеют место также преднамеренные короткие замыкания, вызываемые действием короткозамыкателей.
Эти преднамеренные короткие замыкания играют важную роль в тестировании и проверке систем защиты, а также в обеспечении быстрого отключения поврежденных участков сети для предотвращения распространения повреждений и минимизации времени простоя оборудования.
Благодаря короткозамыкателям, операторы могут симулировать условия аварийных режимов и проверять эффективность систем защиты, что позволяет оптимизировать работу электрических сетей и повышать их надежность.
Последствия коротких замыканий
В результате возникновения короткого замыкания токоведущие части сильно перегреваются, что может привести к нарушению изоляции, а также возникновению больших механических усилий, способствующих разрушению частей электроустановок.
Перегрев вызывает плавление и разрушение изоляции проводов, что может привести к еще большему увеличению тока и усугублению ситуации. Механические усилия, возникающие из-за электродинамических сил, могут вызвать деформацию или разрыв проводов, а также повреждение других элементов электрооборудования, таких как трансформаторы, выключатели и разъемы.
При этом нарушается нормальное электроснабжение потребителей в неповрежденных участках сети, так как аварийный режим короткого замыкания в одной линии приводит к общему снижению напряжения. В месте короткого замыкания спряжение становится равным нулю, а во всех точках до места короткого замыкания напряжение резко снижается, и нормальное питание неповрежденных линий становится невозможным.
При возникновении коротких замыканий в системе электроснабжения ее общее сопротивление уменьшается, что приводит к увеличению токов в ее ветвях по сравнению с токами нормального режима, а это вызывает снижение напряжения отдельных точек системы электроснабжения, которое особенно велико вблизи места короткого замыкания. Степень снижения напряжения зависит от работы устройств автоматического регулирования напряжения и удаленности от места повреждения.
В зависимости от места возникновения и продолжительности повреждения его последствия могут иметь местный характер или отражаться на всей системе электроснабжения.
При большой удаленности короткого замыкания величина тока короткого замыкания может составлять лишь незначительную часть номинального тока питающих генераторов и возникновение такого короткого замыкания воспринимается ими как небольшое увеличение нагрузки.
Сильное снижение напряжения получается только вблизи места короткого замыкания, в то время как в других точках системы электроснабжения это снижение менее заметно. Следовательно, при рассматриваемых условиях опасные последствия короткого замыкания проявляются лишь в ближайших к месту аварии частях системы электроснабжения.
Ток короткого замыкания, являясь даже малым по сравнению с номинальным током генераторов, обычно во много раз превышает номинальный ток ветви, где произошло короткое замыкание. Поэтому и при кратковременном протекании тока короткого замыкания он может вызвать дополнительный нагрев токоведущих элементов и проводников выше допустимого.
Токи короткого замыкания вызывают между проводниками большие механические усилия, которые особенно велики в начале процесса короткого замыкания, когда ток достигает максимального значения. При недостаточной прочности проводников и их креплений могут иметь место разрушения механического характера.
Внезапное глубокое снижение напряжения при коротком замыкании отражается на работе потребителей. В первую очередь это касается двигателей, так как даже при кратковременном понижении напряжения на 30-40% они могут остановиться (происходит опрокидывание двигателей).
Опрокидывание двигателей тяжело отражается на работе промышленного предприятия, так как для восстановления нормального производственного процесса требуется длительное время и неожиданная остановка двигателей может вызвать брак продукции предприятия.
При малой удаленности и достаточной длительности короткого замыкания возможно выпадение из синхронизма параллельно работающих станций, т.е. нарушение нормальной работы всей электрической системы, что является самым опасным последствием короткого замыкания.
Возникающие при замыканиях на землю неуравновешенные системы токов способны создать магнитные потоки, достаточные для наведения в соседних цепях (линиях связи, трубопроводах) значительных ЭДС, опасных для обслуживающего персонала и аппаратуры этих цепей.
Таким образом, последствия коротких замыканий следующие:
1. Механические и термические повреждения электрооборудования.
2. Возгорания в электроустановках.
3. Снижение уровня напряжения в электрической сети, ведущее к уменьшению вращающего момента электродвигателей, их торможению, снижению производительности или даже к опрокидыванию их.
4. Выпадение из синхронизма отдельных генераторов, электростанций и частей электрической системы и возникновение аварий, включая системные аварии.
5. Электромагнитное влияние на линии связи, коммуникации и т.п.
Для чего нужен расчет токов короткого замыкания
Короткое замыкание цепи вызывает переходный процесс в ней, в ходе которого ток можно рассматривать как сумму двух составляющих: вынужденной гармонической (периодической, синусоидальной) iп и свободной (апериодической, экспоненциальной) iа. Свободная составляющая уменьшается с постоянной времени Тк = Lк/rк = xк/?rк по мере затухания переходного процесса. Максимальное мгновенное значение iу суммарного тока i называется ударным током, а отношение последнего к амплитуде Iпm — ударным коэффициентом.
Вычисление токов короткого замыкания необходимо для правильного выбора электрооборудования, проектирования релейной защиты и автоматики, выбора средств ограничения токов короткого замыкания.
Короткие замыкания (КЗ) происходят обычно через переходные сопротивления — электрических дуг, посторонних предметов в месте повреждения, опор и их заземлений, а также сопротивления между проводами фаз и землей (например, при падении проводов на землю). Для упрощения расчетов отдельные переходные сопротивления в зависимости от вида повреждения принимаются равными между собою или равными нулю («металлическое», или «глухое» КЗ).
Смотрите также: Ток короткого замыкания, от чего зависит величина тока КЗ
Таблица: Причины, последствия и меры профилактики коротких замыканий
| Причины | Последствия | Меры профилактики |
|---|---|---|
| Нарушение изоляции | Перегрев, пожары | ТО, контроль изоляции |
| Перенапряжения, гроза | Механические повреждения | Молниезащита, УЗИП |
| Механические повреждения | Сбой в работе оборудования | Защитные каналы, правильный монтаж |
| Влажность, загрязнения | Выход оборудования из строя | Контроль микроклимата |
| Перегрузки | Аварии, возгорания | Расчет нагрузок, техобслуживание |
| Ошибки персонала | Системные аварии, сбои | Обучение, инструктаж |
Популярные вопросы по этой теме
-
Что происходит при коротком замыкании в электрической цепи?
При коротком замыкании сопротивление участка между разными полюсами источника питания резко уменьшается, сила тока возрастает в десятки и сотни раз, возникает опасный нагрев проводников и оборудования, иногда приводящий к разрушению и пожару. -
Почему короткое замыкание особенно опасно для источников с низким внутренним сопротивлением?
Такие источники (аккумуляторы, генераторы) при КЗ способны отдавать огромные токи, из-за чего повреждение и перегрев происходят быстрее и сильнее, ресурс оборудования при аварии существенно сокращается. -
Какие внешние факторы способствуют возникновению коротких замыканий?
Большую роль играют перенапряжения, удары молнии, влажность, пыль, механические воздействия, а также ошибки персонала и неправильная эксплуатация, всё это ухудшает изоляцию и увеличивает риск КЗ. -
Какие последствия КЗ для электроснабжения потребителей?
Вблизи точки короткого замыкания напряжение резко падает, потребители теряют электропитание, двигатели останавливаются, может наступить сбой технологических процессов на производстве. -
Что происходит с изоляцией проводов при протекании тока КЗ?
Изоляция перегревается и разрушается, что нередко становится источником возгорания и новых аварийных ситуаций. -
Почему важно быстро отключить цепь при КЗ?
Чем быстрее отключить участок, тем меньше последствий — происходит минимальный нагрев проводов, уменьшается риск пожара, оборудование удается сохранить в рабочем состоянии. -
Зачем нужны расчеты токов короткого замыкания?
Расчеты позволяют подобрать аппараты защиты и оборудование с нужными характеристиками, чтобы обеспечить безопасность при возникновении аварийного режима. -
Что такое преднамеренное короткое замыкание?
Это специальное временное соединение для проверки или быстрой локализации повреждения, используется в сетях через аппараты — короткозамыкатели. -
Как борьба с КЗ влияет на надежность электросетей?
Правильная система автоматической защиты, регулярное обслуживание, профилактика и обучение персонала позволяют минимизировать аварии и потери, повысить надёжность всей энергосистемы. -
Как магнитные и механические воздействия при КЗ отражаются на оборудовании?
Мощные токи создают электродинамические усилия, способные привести к деформации, механическим разрушениям, повреждению контактов, шин, трансформаторов и прочих элементов электроустановок.
Примеры из практики
Пример 1: Однофазное короткое замыкание на землю в распределительной сети 6-10 кВ (с глухозаземленной нейтралью)
В условиях городской электросети при повреждении изоляции одного фазного провода и его контакте с землёй возникает однофазное короткое замыкание. Здесь ток КЗ может достигать нескольких тысяч ампер. На подстанции резко увеличивается ток в поврежденной фазе, защита срабатывает почти мгновенно, отключая участок. Если автоматика не сработает, прогревается кабель, может возникнуть пожар в муфте, а снижение напряжения выведет из строя чувствительную нагрузку (например, системы управления или серверы). После замыкания необходимо локализовать поврежденный участок, произвести поиск места и ремонт изоляции, иногда замену кабельной линии — иначе повторная подача напряжения приведет к следующей аварии.
Пример 2: Трёхфазное короткое замыкание на шинах трансформаторной подстанции 110 кВ
При внешнем воздействии (например, обрыв провода и падение на шины) возможен контакт сразу трёх фаз. В результате вся подстанция подвергается симметричному замыканию. Ток КЗ может достигать десятков тысяч ампер, на поблизости шины вспыхивают дуги, есть риск разрушения шинных мостов, отключения трансформатора и повреждения изоляции высоковольтного оборудования. В первые доли секунды ток генерируется генераторами электростанции, после срабатывания релейной защиты вся подстанция и часть питающей сети отключаются, что приводит к массовым отключениям потребителей города или даже региона. Восстановление работы требует проверки всей изоляции, проведения высоковольтных испытаний и устранения всех механических повреждений.
Пример 3: Двухфазное короткое замыкание с переходом дуги на металлическую конструкцию в промышленном объекте
В крупном промышленном цехе при повреждении кабеля двумя фазами возникает дуговое замыкание. Если рядом проходит заземленная металлическая конструкция, дуга может "переброситься" на корпус, появится опасное напряжение на технологическом оборудовании. Это создаёт дополнительную цепь через корпус, увеличивает риск поражения персонала электрическим током, повреждает электронику управления и вызывает остановку технологического процесса. В таких обстоятельствах критична работа защитных реле с функцией отслеживания токов замыкания на землю. После отключения требуются тщательная ревизия всей установки, проверка заземлений, а также замена поврежденных участков кабеля и элементов автоматики для повторного безопасного запуска производства.
Андрей Повный