Режим короткого замыкания трансформатора

Какие могут быть последствия?

Во время замыканий наблюдается резкое увеличение силы тока, что приводит к расплавлению металлов. «Брызги» могут разноситься во все стороны, приводя к воспламенению предметов вокруг и пожарам. Это особенно опасно для домашних условий, так как КЗ может стать причиной потери имущества и жилья. Последствиями на предприятиях является аварийная ситуация, повреждение техники и риск того, что могут пострадать люди.

Замыкание, в зависимости от места его образования, может привести к системой аварии, последствиями которой станет экономический и технический урон. Оборудование, которое находилось под действием усиленной силы тока, выходит из стоя или получает серьезные повреждения.

Еще одним последствием замыкания является ухудшение условий работы персонала и потребителей – резкое понижение давления приводит к остановке производственных мощностей и экономическому ущербу. Наибольший урон наносится тому месту, в котором непосредственно возникло замыкание.

Способы защиты

Наиболее надежным и действенным способом предотвращения КЗ является установка автоматических выключателей. Альтернативой служат плавкие предохранители. Автомат своевременно улавливает возникновение замыкания и отключает питание, благодаря чему возникновение аварийной ситуации является невозможным.

Прочие меры предосторожности:

регулярная ревизия электропроводных каналов – визуальное определение слабых мест кабеля, где изнашивается изоляция и своевременное устранение проблемы;
использование электрических реакторов, которые регулируют подачу тока;
использование специальных электроцепей, которые в случае необходимости отключают секционные выключатели;
использование понижающих трансформаторов, которые оснащены расщепляемой обмоткой низкого напряжения.

Совет: для домашнего использования рекомендуется устанавливать автоматические выключатели. Они рассчитаны на определенный ток, после превышения величины которого, разрывается цепь. Прочие меры в основном указаны для промышленного использования.

В чем заключается угроза КЗ?

Замыкание в первую очередь представляет угрозу здоровью и жизни человека. Это связано с пожарной опасностью: возгорание изоляции проводов, воспламенение окружающих предметов, способность изоляции распространять горение. Так же изменение силы тока может быть губительным для используемых устройств и приборов, приводя к катастрофическим последствиям

КЗ может стать причиной экономического убытка Поэтому важно использовать меры профилактики возникновения явления и прибегать к установке методов защиты

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.

Расчет тока короткого замыкания выполненный в Excel

Если выполнять данный расчет с помощью листка бумаги и калькулятора, уходит много времени, к тому же Вы можете ошибиться и весь расчет пойдет насмарку, а если еще и исходные данные постоянно меняются – это все приводит к увеличению времени на проектирование и не нужной трате нервов.

Поэтому, я принял решение выполнить данный расчет с помощью электронной таблицы Excel, чтобы больше не тратить в пустую свое время на перерасчеты ТКЗ и обезопасить себя от лишних ошибок, с ее помощью можно быстро пересчитать токи КЗ, изменяя только исходные данные.

Надеюсь, что данная программа Вам поможет, и Вы потратите меньше времени на проектирование Вашего объекта.

Высокий ток КЗ – это хорошо или плохо?

Как я показал на графике ранее, чем дальше место замыкания от источника питания, тем меньше будет ток короткого замыкания, поскольку сопротивление линии будет больше. Высокий ток КЗ обычно бывает в тех местах электросети, которые расположены наиболее близко к подстанции, а кабельные линии имеют большое сечение проводов. В питающих сетях с напряжением 0,4 кВ относительно высокими считаются токи КЗ более 6кА, а токи КЗ выше 15 кА практически не встречаются. Итак, что мы имеем:

Минусы низкого тока КЗ

большое падение напряжения при достаточно мощной нагрузке;
как правило, низкое напряжение на электроприборах. При этом стабилизатор поможет не всегда;
нестабильность напряжения на электроприборах в зависимости от времени суток или времени года. По нормам на напряжение и его допуски я провёл расследование;
высокое (вплоть до бесконечности) время срабатывания автоматических выключателей при КЗ на землю (работает только тепловой расцепитель);
необходимость установки автоматических выключателей с характеристикой отключения “В” с целью более вероятного срабатывания электромагнитного расцепителя при КЗ. Этот спорный вопрос обсуждается в моей статье на Дзене Зачем ставить автоматы с характеристикой “В”;
обязательная установка УЗО – при этом, кроме своих “основных” обязанностей (отключение питания при высоком токе утечки, а также для защиты человека при прямом и косвенном прикосновении), УЗО выполняет функцию защиты от КЗ на землю (ПУЭ 1.7.59, 7.1.72).

Плюсы низкого тока КЗ

можно устанавливать дешевые автоматические выключатели с низкой номинальной наибольшей отключающей способностью (Icn = 4500 А);
сравнительно легко можно обеспечить селективность между вводным и нижестоящим автоматами. Но нужен расчет и измерение точного значения тока КЗ,
низкий пусковой ток электродвигателей и другой инерционной нагрузки. Статья Что такое пусковой ток, как его измерить и посчитать.

Минусы высокого тока КЗ

невозможность обеспечить селективность между вышестоящими и нижестоящими автоматами. Выход – установка рубильника либо селективного по времени автоматического выключателя;
необходимость установки АВ с высокой номинальной наибольшей отключающей способностью (Icn = 6000, 10000 А и т.д.). Отключающая способность должна быть выше, чем ток КЗ в начале защищаемого участка (ПУЭ п. 3.1.3);
большие негативные последствия при возникновении КЗ.

Плюсы высокого тока КЗ

легко гарантировать стабильное напряжение на нагрузке и вообще качество электроэнергии;
имеется перспектива подключения новых потребителей и увеличения нагрузки;
гарантированное отключение линии при КЗ.

Резюмируя плюсы и минусы, можно сказать, что значение тока КЗ – палка о двух концах. В бытовом секторе ток КЗ часто бывает низким, и его стараются увеличить, прокладывая новые линии с высоким сечением проводов и устанавливая новые трансформаторные подстанции. В серьезной энергетике наоборот, применяют методы по уменьшению тока КЗ.

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:

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.
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.
В бытовых условиях происходит механическое повреждение изоляции. Особенно часто такая ситуация возникает во время проведения ремонта.
Возможно попадание на токоведущие элементы посторонних металлических предметов. Такая ситуация говорит о неудовлетворительном уходе за электрическим оборудованием.
Подключение к сети неисправных приборов, у которых низкое внутреннее сопротивление.

Вам это будет интересно Описание принципиальной электрической схемы с примером

Проведение расчетов

Для выполнения расчетов трёхфазного и однофазного тока привлекаются квалифицированные специалисты. Они отвечают не только за математическую часть, но и за дальнейшее поведение рассчитанной схемы в условиях эксплуатации. Вычисления, сделанные в домашних условиях, требуют дополнительной проверки, чтобы исключить вероятность ошибок. До начала расчетов начинающие электрики должны изучить основные понятия электричества, свойства проводников и диэлектриков, роль и значение надежной изоляции.

Все вычисления, в том числе затрагивающие трехфазное оборудование, выполняются по специальным методикам, включающим в себя различные формулы.

Следует обязательно учесть ряд особенностей:

Все трехфазные системы условно относятся к симметричным.
Питание, подведенное к трансформатору, считается неизменной величиной, приравненной к его номиналу.
Сила тока принимает максимальное значение в момент возникновения аварийного режима. Потребуется расчет ударного тока короткого замыкания.
Влияние ЭДС источника питания, расположенного на большом расстоянии от места появления короткого замыкания.

Параметры ТКЗ при необходимости дополняются результирующим сопротивлением проводников. С этой целью показатели мощности приводятся к единому значению. Для таких расчетов нежелательно использовать обычные формулы, изучаемые на курсе физики. Здесь вполне возможны ошибки из-за разных номиналов напряжения на различных участках цепи в момент начала аварийного режима. Единая базовая мощность делает расчеты более простыми, существенно повышая точность результатов.

Номинальное напряжение, используемое при вычислениях, берется с увеличением на 5%. В сетях 380 вольт этот показатель составит 400В, а при 220В итоговое значение будет 231В.

Режим — короткое замыкание

Режим короткого замыкания возникает при каждом пуске двигателя, однако в этом случае он кратковременен. Несколько пусков двигателя с короткозамкнутым ротором подряд или через короткие промежутки времени могут привести к превышению допустимой температуры его обмоток и к выходу двигателя из строя.

Векторная диаграмма и характеристики трансформатора напряжения.

Режим короткого замыкания для них недопустим.

Режим короткого замыкания при номинальном напряжении является аварийным, так как токи в обмотках значительно больше номинальных значений, что приводит к тепловому и механическому разрушению трансформатора.

Пути движения потока поля в реактивной катушке с обмоткой на обоих сердечниках.

Режим короткого замыкания характеризуется тем, что основной магнитный поток чрезвычайно мал.

Режим короткого замыкания, d этом режима обмотка статоре асинхронного двнгамдя о ЗАТОркожаиним ротором подключается к сети, ь обмотки ротора гамшЕМтея накоротко.

Режим короткого замыкания можно практически легко осуществить в цепи коллектора, где внутреннее сопротивление транзистора велико. Выполнение режима короткого замыкания в цепи эмиттера затруднено, особенно в области низких частот. Это ограничивает применение / — параметров для описания свойств транзистора.

Режим короткого замыкания можно легко осуществить в цепи коллектора, где внутреннее сопротивление транзистора велико. Выполнение режима короткого замыкания в цепи эмиттера затруднено, особенно в области низких частот. Это ограничивает применение / — параметров для описания свойств транзистора.

Режим короткого замыкания, возникающий случайно в процессе эксплуатации при номинальном первичном напряжении, является аварийным процессом, сопровождающимся весьма большими токами в обмотках. Многократное превышение токов по сравнению с номинальными токами может привести к повреждению изоляции обмоток вследствие нагрева и разрушению последних механическими силами, возникающими при этом режиме между обмотками.

Режимы короткого замыкания и перенапряжений являются аварийными, и эти аппараты редко подвергаются наибольшим нагрузкам.

Режим короткого замыкания — аварийный для источника. Специально в этот режим источник никогда не переводят, но он может возникать в результате неправильных условий эксплуатации источника и приводить к выходу источника из строя, если в электрической цепи заблаговременно не будут предприняты меры для защиты от последствий короткого замыкания.

Режим короткого замыкания является следствием выхода из строя изоляции, обрыва проводов, поломки деталей, небрежности обслуживающего персонала. При коротких замыканиях могут возникнуть недопустимо большие токи, электрическая дуга, возможно резкое снижение напряжения. Все это может привести к весьма тяжелым последствиям, поэтому режим короткого замыкания рассматривают как аварийный.

Режим короткого замыкания, как известно, целиком определяется сопротивлениями короткого замыкания — реактивным сопротивлением рассеяния хк и активным сопротивлением гк. Сопротивление гк в основном обусловливается активными сопротивлениями обмоток.

Режим короткого замыкания для измерительного трансформатора напряжения опасен так же, как и для силового трансформатора. При номинальном первичном токе вторичный ток составляет 5 или 10 А. Во вторичные цепи трансформаторов тока включают амперметры, токовые обмотки ваттметров и других приборов, токовые реле. Сопротивление этих приборов мало ( доли ома), и, несмотря на то что по отношению ко вторичной обмотке их включают последовательно, общее сопротивление нагрузки составляет менее 1 Ом, поэтому трансформатор тока работает в режиме, близком к короткому замыканию.

2.1. Порядок измерения прибором MZC-300, MZC-303E

2.1.1 Условия выполнения измерений и получения правильных результатов

Чтобы начать измерение, необходимо соблюдение нескольких условий. Измеритель автоматически блокирует возможность начала измерений (это не касается измерения напряжения сети) в случае обнаружения каких-либо из ниже перечисленных ненормальных условий:

Ситуация Отображаемые символы и предупреждающие сигналы Пояснения Напряжение, приложенное к измерителю, больше 250В. Надпись OFL и длительный звуковой сигнал. Незамедлительно отсоедините измеритель от испытуемой сети! Нарушена целостность провода PE/N. Отображается символ _—_ и звучит продолжительный звуковой сигнал

Символ и звуковой сигнал появляются после нажатия клавиши Необходимо принять меры предосторожности, так как в испытуемой сети отсутствует защита от сверхтоков! Напряжение, приложенное к измерителю, слишком мало для измерения сопротивления – менее 180В. Отображается надпись -U- и звучат два длинных звуковых сигнала

Надпись и звуковые сигналы появляются после нажатия клавиши Термическая защита блокирует измерение, что возможно при очень интенсивных измерениях. Отображается символ Т на дисплее и звучат два длинных звуковых сигнала. Символ и звуковые сигналы появляются после нажатия клавиши Во время Автокалибровки сумма полного сопротивления цепи и полного сопротивления измеряемого провода очень велика. Вместо результата измерения отображается символ ]-[, прибор дополнительно генерирует два длинных звуковых сигнала.

Измеритель также сигнализирует о ситуации, в которой результат измерения не может быть признан верным: ¦ Если элементы питания разряжены, то на дисплее попеременно с результатом измерения напряжения отображается надпись bAt . Заданное измерение можно произвести, однако полученные результаты не могут быть основанием для правильной оценки электробезопасности испытуемой электроустановки.

2.1.2 Способы подключения измерителя

Рис.6. Измерение в рабочей цепи (L-N)

Рис. 7. Измерение в защитной цепи (L-PE) а) сети TN (с занулением) б) сети ТТ (с защитным заземлением)

Рис. 8. Тестирование эффективности защиты корпуса электроустановки

Измеритель подключается к тестируемой цепи или к устройству как показано на Рис.6, 7 и 8

Следует обратить внимание на правильный подбор измерительных наконечников, так как точность выполняемых измерений сильно зависит от качества выполненных подключений. Следует обеспечить хорошее соединение и сделать возможным непрерывное протекание большого измерительного тока

Недопустимо, например, присоединение зажима «Крокодил» к грязным или ржавым элементам — необходимо их тщательно очистить или использовать для измерений остроконечные зонды.

2.1.3 Измерение напряжения переменного тока

Приборами семейства MZC-300 можно измерить напряжение переменного тока в диапазоне 0. 250В. Прибор измеряет напряжение между измерительными гнёздами L и PE/N. Входное сопротивление вольтметра не менее 150 кОм. Включение режима вольтметра происходит автоматически после включения питания измерителя, а также примерно через 5 секунд после: • Выполнения измерения полного сопротивления, ожидаемого тока короткого замыкания либо сопротивления измерительного провода (во время Автокалибровки); • Последнего нажатия какой-либо из клавиш, связанных с выводом на дисплей результатов измерения.

Общее понятие короткого замыкания и его связь с силой тока

Любое подключение устройства потребления электроэнергии можно считать коротким замыканием. При этом само изделие является сопротивлением и всю нагрузку принимает на себя. Таким образом осуществляется штатная работа электроприбора. Но если сопротивление по какой-либо причине будет уменьшаться (стремиться к нулю), то сила тока будет возрастать. Из школьной программы всем известен закон Ома, который определяет взаимосвязь ЭДС (электродвижущей силы или напряжения), величиной тока и сопротивлением.

Сила тока при коротком замыкании участка цепи

Формула, по которой можно вычислить силу тока при коротком замыкании имеет следующий вид:

I=U/R,

-I – величина тока (его сила);
U – разность потенциалов (напряжение сети);
R – электрическое сопротивление.

Это упрощенная формула и она верна для участка цепи

При этом подразумевается, что проводники однородные, а в цепи присутствует резистор (сопротивление), но не принимается во внимание сам источник тока

Для полной сети формула будет иметь несколько усложненный вид, но в нашем случае для понимания сущности короткого замыкания в электрической цепи и его влияния на нее, это не принципиально.

Возвращаясь к формуле можно заметить, что при уменьшении сопротивления, сила тока будет возрастать. Казалось бы, что в этом нет ни чего страшного, если б в свое время Джоуль и Ленц не вывели закон, названный их именем. На основе своих опытов они пришли к заключению что при протекании электрического тока по проводнику выделяется тепло. Причем эта связь имеет не только количественную, но и временную характеристику. Кратко суть закона состоит в следующем – чем выше сила тока, тем большее количество тепла будет выделяться за единицу времени.

Сила тока при коротком замыкании источника питания

Любой источник тока, такой как батарея или аккумулятор состоит из отрицательного (анода) и положительного (катода) контакта разделенных жидким или твердым электролитом. Под действием химической реакции происходит формирование электрического заряда, который при замыкании на устройство потребления обеспечивает его функционирование. В упрощенном варианте батарею можно рассматривать как участок цепи для которого будут действовать вышеприведенные правила.

Причиной замыкания электродов по короткому пути, как правило, является нарушение изоляционного слоя. При этом сила тока многократно возрастает с выделением тепла, что приводит к перегреву и разрушению источника электроэнергии. При использовании жидкого электролита, как например, в большинстве автомобильных аккумуляторов. Это может привести к закипанию жидкости и разрушению корпуса.

Простейший, но достаточно эффективный автоматический «выключатель» показан на первой картинке. При увеличении плотности тока в цепи выше определенного уровня плавкая вставка разрушается.

Подобное устройство стоит недорого. Минусы:

медленное срабатывание;
отсутствие регулировок;
однократное применение.

Чтобы исключить перечисленные недостатки, рекомендуется применить специализированный автомат. Корректный выбор модели сопровождается оценкой чувствительности. Для упрощения оборудование этой категории разделено на группы. Класс В, например, будет отключать питание не более, чем за 0,015 с после регистрации двукратного увеличения тока, по сравнению с номиналом.

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:

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.

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

Почему происходит короткое замыкание?

Ток КЗ возникает в следующих случаях:

При высоком уровне напряжения. Происходит резкий скачок, уровень напряжения начинает превышать допустимые нормы, возникает вероятность появления электрического пробоя изоляционного покрытия проводника или схемы электрического типа. Образуется утечка тока, повышается температура дуги. Напряжение короткого замыкания приводит к созданию кратковременного дугового разряда.
При старом изоляционном покрытии. Такое замыкание возникает в жилых и промышленных зданиях, в которых не проводилась замена проводки. У любого изоляционного покрытия есть свой ресурс, который со временем истощается под воздействием факторов внешней среды. Несвоевременная замена изоляции может стать причиной КЗ.
При внешнем воздействии механического типа. Перетирание защитной оболочки провода или снятие его изоляционного покрытия, а также повреждение проводки приводят к возгоранию и КЗ.
При попадании посторонних предметов на цепь. Попавшие на проводник пыль, мусор или другие мелкие предметы способны вызвать замыкание в цепи механизма.
Во время удара молнии. Повышается уровень напряжения, пробивается изоляционное покрытие провода или электрической схемы, из-за чего и возникает КЗ в электро цепи.

Watch this video on YouTube