Что такое короткое замыкание в электрической цепи? Основные причины возникновения короткого замыкания.

Любой человек, чья работа связана с обслуживанием электротехники, очень хорошо знает о тех неприятностях, которые таит в себе короткое замыкание (к.з.). Иногда считается, что оно представляет собой повреждение. Это не так. Короткое замыкание - это процесс, или, если угодно, аварийный режим работы какого-либо участка электроустановки. А вот последствия его действительно приводят к повреждениям. Общепринятое определение гласит: «Короткое замыкание - это непосредственное соединение двух или более точек электрической цепи, обладающих различным потенциалом. Является ненормальным (непредусмотренным) режимом работы».

Чтобы понять, что именно происходит в цепи в тот момент, когда там возникает короткое замыкание, необходимо вспомнить принципы функционирования элементов контура. Представим простейшую цепь, состоящую из двух проводников и нагрузки (например, лампочки). В обычных условиях в проводнике существует направленное движение заряженных элементарных частиц, обусловленное постоянным воздействием источника. Они перемещаются от одного полюса источника к другому через два участка провода и лампу. Соответственно, лампа излучает свет, так как частицы совершают в ней определенную работу.

При направление движения постоянно изменяется, но в данном случае это не принципиально. Количество электронов, проходящих по определенному участку цепи за единицу времени, ограничивается сопротивлением лампы, проводников, источника ЭДС. Другими словами, ток не растет бесконечно, а соответствует установившемуся режиму.

Но вот по какой-либо причине повреждается изоляция на участке цепи. К примеру, лампу залило водой. В этом случае ее уменьшается. В результате текущий по контуру ток ограничивается суммарным сопротивлением источника питания, проводов и водного «перешейка» на лампе. Обычно эта сумма настолько ничтожна, что в расчетах не учитывается (исключение составляют специализированные вычисления).

Итогом является практически бесконечный рост тока, определяемого по классическому закону Ома. В данном случае часто упоминают мощность короткого замыкания. Она определяется предельным значением электрического тока, который способен выдать источник питания до выхода из строя. Кстати, именно поэтому запрещается соединять проводком (закорачивать) противоположные контакты батареек.

Хотя в примере мы рассматриваем устранение из цепи сопротивления лампы вследствие попадания на нее воды, причин короткого замыкания множество. К примеру, если говорить об этой же схеме, то к.з. также может возникнуть, если будет нарушена изоляция хотя бы одного провода и он соприкоснется с землей. В этом случае ток от источника питания последует по пути наименьшего сопротивления, то есть в землю, обладающую огромной емкостью. Повреждение изоляции сразу двух проводов и их соприкосновение приведет к тому же самому результату.

Вышесказанное можно обобщить: к.з могут быть с землей и без нее. На происходящие процессы это не влияет.

О каких же повреждениях шла речь в начале статьи? Как известно, чем выше значение тока, протекающего по участкам цепи, тем больше их нагрев. При достаточной мощности источника при к.з. некоторые участки цепи попросту выгорают, превращаясь в медную пыль (для медных элементов).

Защита от короткого замыкания довольно проста и эффективна. Сообщения о разрушениях из-за замыкания возникают, прежде всего, по причине неправильно подобранных параметров аппаратов защиты, неверной селективности. Если речь идет о бытовой цепи 220 В, то применяют В них при чрезмерном возрастании тока электромагнитный расцепитель, находящийся внутри, разрывает цепь.

Наверняка многие слышали такое словосочетание как короткое замыкание, но мало кто понимает, из-за чего возникает данное явление, чем оно опасно и какие процессы происходят во время КЗ. В этой статье мы подробно рассмотрим данный вопрос, так как «коротыш в проводке» — это достаточно частая ситуация, которая является очень опасной и может привести к неблагоприятным последствиям. Итак, причины возникновения короткого замыкания, способы предотвращения и последствия мы рассмотрели ниже.

Что это такое?

Электрическая цепь — это, как правило, два проводника с разноименным потенциалом и подключенным потребителем тока. Каждый конечный потребитель имеет свое внутреннее сопротивление, которое сопротивляется току и ограничивает, тем самым дозируя его количество и плотность в проводнике, заставляя производить работу.

В момент, когда сопротивление резко уменьшается до статической погрешности сопротивления проводников, электрический ток, ничем практически не ограниченный, возрастает до такой величины, что сечение проводников становится малым и проходя через них, разогревает жилы до температуры разрушения и плавления. Поэтому частый спутник короткого замыкания — это огонь, расплавленный металл проводников и вспомогательных механизмов.

Признаками замыкания в проводке являются запах гари, искрение и возгорание проводов, а также отключение электричества на определенном участке или же во всей сети.

Как возникает КЗ?

Итак, рассмотрим основные причины возникновения короткого замыкания в электропроводке и электроустановках.

Высокое напряжение . В момент выше допустимых параметров, присутствует возможность электрического пробоя изоляции проводника или электрической схемы. В результате развивается утечка тока до размеров КЗ, с созданием кратковременного стабильного дугового разряда.

Старая изоляция . Жилые и промышленные фонды, не проводившие замену электрической проводки — это первые претенденты на спонтанные КЗ. Любая изоляция, используемая в электропроводке, имеет свой ресурс. Со временем она разрушается под воздействием внешних факторов, что и приводит к возникновению замыкания.

Внешнее механическое воздействие. Снятие изоляции с провода, ее перетирание и прочее воздействие на защитную оболочку, ослабляющее ее свойства, рано или поздно вызовут возгорание и КЗ. К примеру, в быту часто причиной возникновения короткого замыкания является повреждение проводки при сверлении стен. О том, читайте в нашей статье.

Посторонние предметы . Сюда относится пыль различного происхождения, мелкие животные, детали с соседних узлов, волей случая попавших на электрические проводники, вызвав и развив таким образом КЗ.

Прямой удар молнии. Происходит тоже, что и при (смотри выше).

Пример последствия от возникновения КЗ в электроустановке демонстрируется на видео:

Последствия короткого замыкания — это выгоревшие участки проводки и ее возгорание!

Виды явлений

Самое распространенное — это замыкание на землю, когда либо одна фаза взаимодействует с землей, либо две фазы взаимодействует с землей, на одном или нескольких участках. Короткое замыкание на землю, встречается в системах с глухозаземленной нейтралью и составляют до 70% всех случаев.

Существует также межфазное КЗ, когда происходит взаимодействие двух фаз между собой. Происходит в следствии нарушении изоляции в трехфазном оборудовании.

Ну и последний вид КЗ — трехфазное, когда взаимодействуют все три фазы. На схеме ниже изображены основные виды коротких замыканий:

Способы предотвращения

Для предотвращения развития КЗ и защиты электрических устройств и линий электроснабжения самым эффективным методом является или же плавких предохранителей. Автомат (на фото ниже) при возникновении «коротыша» своевременно отключит питание, тем самым предотвратит возникновение опасной ситуации.

Еще один способ предотвратить возникновение короткого замыкания — своевременная , благодаря которой можно визуально определить место оплавления изоляции и перейти к устранению неполадки.

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.

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

1. Неправильно заизолированные провода или физическое перемещение контактов в оконечных устройствах (сдвиг, поворот, иные действия способные соединить два провода).
2. Повреждение изоляции кабелей при прокладке (в том числе скрытых) силовых линий или при работах по ремонту и отделке помещений.
3. Использование в работе неисправных приборов (от патрона к лампе до клеммника и розетки), в которых есть прямая возможность возникновения короткого замыкания.
4. Игнорирование замыканий электропроводки при работах (самая частая ошибка начинающих электриков), поскольку эффект КЗ не повторяется.
5. «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.

Ток короткого замыкания

На рисунке 1 показана схема включения электрической лампы накаливания в электрическую сеть. Если сопротивление этой лампы r л = 240 Ом, а напряжение сети U = 120 В, то по закону Ома ток в цепи лампы будет:

Рисунок 1. Схема короткого замыкания на зажимах рубильника

Разберем случай, когда провода, идущие к лампе накаливания, оказались замкнутыми через очень малое сопротивление, например толстый металлический стержень с сопротивлением r = 0,01 Ом, случайно попавший на два провода. В этом случае ток сети, проходя к точке А , будет разветвляться по двум путям: одна большая его часть, пойдет по металлическому стержню – пути с малым сопротивлением, а другая, небольшая часть тока, будет проходить по пути с большим сопротивлением – лампе накаливания.

Аварийный режим работы сети, когда вследствие уменьшения ее сопротивления ток в ней резко увеличивается против нормального, называется коротким замыканием .

Определим какова сила тока короткого замыкания, текущего по металлическому стержню:

На самом деле в случае короткого замыкания напряжение сети будет меньше 120 В, так как большой ток создаст в сети большое падение напряжения и поэтому ток, протекающий по металлическому стержню, будет меньше 12 000 А. Но все же этот ток будет во много раз превышать ток, потреблявшийся ранее лампой накаливания.

Мощность короткого замыкания при токе I кз = 12 000 А составит:

P кз = U × I кз = 120 ×12 000 = 1 440 000 Вт = 1 440 кВт.

Ток, проходя по проводнику, выделяет тепло, и проводник нагревается. В нашем примере сечение проводов электрической цепи было рассчитано на небольшой ток – 0,5 А. При замыкании проводов по цепи будет протекать очень большой ток – 12 000 А. Такой ток вызовет выделение громадного количества тепла, что безусловно приведет к обугливанию и сгоранию изоляции проводов, расплавлению материала проводов, порче электроизмерительных приборов, оплавлению контактов выключателей, ножей рубильников и так далее. Источник электрической энергии, питающий такую цепь, также может быть поврежден. Перегрев проводов может вызвать пожар.

Каждая электрическая сеть рассчитывается на свой, нормальный для нее ток.

Ввиду опасных, разрушительных, а иногда и непоправимых последствий короткого замыкания необходимо соблюдать определенные условия при монтаже и эксплуатации электрических установок, чтобы исключить причины короткого замыкания. Основные из них следующие:
1) изоляция проводов должна соответствовать своему назначению (напряжению сети и условиям ее работы);
2) сечение проводов должно быть таково, чтобы нагревание их при существующих условиях работы не достигало опасной величины;
3) проложенные провода должны быть надежно защищены от механических повреждений;
4) места соединений и ответвлений должны быть так же надежно изолированы, как и сами провода;
5) скрещивание проводов должно быть выполнено так, чтобы провода не касались друг друга;
6) через стены, потолки и полы провода должны быть проложены так, чтобы они были защищены от сырости, механических и химических повреждений и хорошо изолированы.

Защита от токов короткого замыкания

Чтобы избежать внезапного, опасного увеличения тока в электрической цепи при ее коротком замыкании, цепь защищают плавкими предохранителями или автоматическими выключателями.

Плавкие предохранители представляют собой легкоплавкую проволочку, включенную последовательно в сеть. При увеличении тока сверх определенной величины проволочка предохранителя нагревается и плавится, в результате чего электрическая цепь автоматически разрывается и ток в ней прекращается.

Автоматический выключатель более сложный и дорогостоящий аппарат защиты нежели плавкий предохранитель. Однако в отличии от плавкого предохранителя он рассчитан на многократные срабатывания при защите цепей при аварийных режимах работы. Конструктивно автоматический выключатель выполнен в диэлектрическом корпусе со встроенным внутрь механизмом расцепления. Механизм расцепления имеет неподвижный и подвижный контакты. Подвижный контакт подпружинен, пружина обеспечивает усилие для быстрого расцепления контактов. Механизм расцепления приводится в действие одним из двух расцепителей: тепловым или магнитным.

Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину, нагреваемую протекающим током. При протекании тока выше допустимого значения биметаллическая пластина изгибается и приводит в действие механизм расцепления. Время срабатывания зависит от тока (времятоковая характеристика) и может изменяться от секунд до часа. В отличие от плавкого предохранителя, автоматический выключатель готов к следующему использованию после остывания пластины.

Электромагнитный расцепитель – расцепитель мгновенного действия, представляет собой соленоид (катушку выполненную из медного проводника), подвижный сердечник которого также может приводить в действие механизм расцепления. Ток, проходящий через выключатель, течет по обмотке соленоида и вызывает втягивание сердечника при превышении заданного порога тока. Мгновенный расцепитель, в отличие от теплового, срабатывает очень быстро (доли секунды), но при значительно большем превышении тока: в 2 ÷ 14 раз от номинального тока.

Видео 1. Короткое замыкание