Prąd zwarciowy i jego obliczenia. Prąd zwarcia szokowego

Kiedyś pani, niezbyt kompetentna w dziedzinie elektrotechniki, instalator wyjaśnił przyczynę utraty światła w mieszkaniu. To okazało się zwarciem, a kobieta zażądała natychmiastowego przedłużenia. Można śmiać się z tej historii, ale lepiej jest rozważyć tę uciążliwość bardziej szczegółowo. Elektrycy i bez tego artykułu wiedzą, czym jest to zjawisko, co zagraża i jak obliczyć prąd zwarciowy. Poniższe informacje są adresowane do osób, które nie mają wykształcenia technicznego, ale, podobnie jak wszystkie inne, nie są ubezpieczone od problemów związanych z eksploatacją maszyn, maszyn, urządzeń produkcyjnych i najczęściej używanych urządzeń gospodarstwa domowego. Ważne jest, aby każdy wiedział, czym jest zwarcie, jakie są jego przyczyny, możliwe konsekwencje i sposoby zapobiegania. Nie radzić sobie w tym opisie bez znajomości podstaw elektrotechniki. Nie wiedząc, że ich czytelnik może się znudzić i nie do końca czytać artykuł do końca.

Popularne Oświadczenie o prawie Ohma

Bez względu na naturę prądu obwód elektryczny występuje tylko wtedy, gdy istnieje różnica potencjałów (lub napięcie, to jest to samo). Naturę tego zjawiska można wytłumaczyć przykładem wodospadu: jeśli występuje różnica poziomów, woda płynie w określonym kierunku, a kiedy nie, zatrzymuje się. Nawet dzieci w wieku szkolnym znają prawo Ohma, zgodnie z którym prąd jest większy, im wyższe napięcie, a im niższy, tym większy opór zawarty w ładunku:

I = U / R,

gdzie:

Ja jestem wielkością prądu, który jest czasami nazywany "natężeniem prądu", chociaż nie jest to bardzo kompetentne tłumaczenie z języka niemieckiego. Mierzone w amperach (A).

W rzeczywistości moc (to jest przyczyna przyspieszenia) nie ma prądu per se, co jest dokładnie tym, co pojawia się podczas zwarcia. Termin ten już stał się zwyczajem i jest często używany, chociaż nauczyciele na niektórych uniwersytetach, słysząc z ust ucznia, słowa "aktualna siła" natychmiast dodają "niewystarczająco". "Ale co z ogniem i dymem pochodzącym z przewodów podczas zwarcia? - uparty przeciwnik zapyta: - Czy to nie władza? "Istnieje odpowiedź na tę uwagę. Faktem jest, że nie ma idealnych przewodników, a ich ogrzewanie jest spowodowane tym faktem. Jeśli przyjmiemy, że R = 0, to ciepło nie zostanie przydzielone, jak wynika z prawa Joule-Lenz podanego poniżej.

U to ta sama różnica potencjałów, zwana również napięciem. Mierzone w woltach (mamy B, za granicą V). Jest również nazywany siłą elektromotoryczną (EMF).

R jest oporem elektrycznym, czyli zdolnością materiału do zapobiegania przepływowi prądu. W dielektrykach (izolatorach) jest duży, choć nie nieskończony, w przewodnikach jest mały. Jest mierzony w omach, ale jest szacowany jako wartość konkretna. Rozumie się samo przez się, że im grubszy drut, tym lepiej przewodzi prąd, a im dłuższy tym, tym gorzej. Dlatego rezystywność mierzona jest w omach pomnożonych przez milimetr kwadratowy i dzielona przez metr. Ponadto na jego wartość ma wpływ temperatura, im wyższa, tym większy opór. Na przykład złoty przewodnik o długości 1 metra i przekroju 1 kwadratu. mm przy 20 stopniach Celsjusza ma całkowitą rezystancję 0,024 oma.

Istnieje również wzór prawa Ohma dla całego obwodu, do którego wprowadzana jest wewnętrzna (wewnętrzna) rezystancja źródła napięcia (EMF).

Dwie proste, ale ważne formuły

Zrozumienie przyczyny powstawania prądu zwarcia jest niemożliwe bez opanowania kolejnej prostej formuły. Moc pobierana przez obciążenie jest równa (bez uwzględnienia składników reaktywnych, ale o nich później) do iloczynu prądu i napięcia.

P = U x I,

gdzie:

P - moc, wat lub woltamper;

U - napięcie, Volt;

Ja - prąd, Ampere.

Siła nieskończoności się nie dzieje, zawsze jest coś ograniczonego, więc gdy jego stała wartość wraz ze wzrostem napięcia prądu maleje. Zależność tych dwóch parametrów obwodu roboczego, wyrażona graficznie, nazywana jest charakterystyką prądowo-napięciową.

Inną formułą wymaganą do obliczenia prądów zwarciowych jest prawo Joule'a-Lenza. Daje to pojęcie o tym, ile ciepła uwalniane jest, gdy obciążenie jest odporne i jest bardzo proste. Przewód będzie ogrzewany z natężeniem proporcjonalnym do napięcia i kwadratu prądu. I oczywiście formuła nie zawiera się bez czasu, im dłuższy jest opór, tym więcej ciepła uwolni.

Co dzieje się w obwodzie podczas zwarcia

Czytelnik może zatem założyć, że opanował wszystkie główne prawa fizyczne, aby zrozumieć, jaka może być wielkość prądu zwarciowego (ok, niech to będzie). Ale najpierw musisz zdecydować, co to właściwie jest. Zwarcie (zwarcie) to sytuacja, w której rezystancja obciążenia jest bliska zeru. Patrzymy na formułę prawa Ohma. Jeśli rozważymy jego opcję dla odcinka obwodu, łatwo zrozumieć, że prąd będzie dążył do nieskończoności. W pełnej wersji będzie on ograniczony oporem źródła EMF. W każdym razie prąd zwarciowy jest bardzo wysoki, a zgodnie z prawem Joule'a-Lenza, im bardziej jest, tym gorętszy jest przewodnik, po którym się porusza. Co więcej, zależność nie jest bezpośrednia, ale kwadratowa, to znaczy, że jeśli zwiększę stokrotność, to ciepło zostanie uwolnione dziesięć tysięcy razy więcej. Jest to niebezpieczeństwo tego zjawiska, czasami prowadzące do pożarów.

Druty rozgrzewają się na gorąco (lub białe), przenoszą energię na ściany, sufity i inne przedmioty, których dotykają, i podpalają je. Jeżeli faza w jakimś urządzeniu dotknie przewodu neutralnego, powstaje prąd zwarcia źródła, który jest zamknięty dla siebie. Baza paliwowa instalacji elektrycznych jest koszmarem dla inspektorów pożarniczych i przyczyną wielu kar nałożonych na nieodpowiedzialnych właścicieli budynków i lokali. Powodem są oczywiście nie prawa Joule'a-Lenza i Oma, ale izolacja, która wyschła ze starości, niedokładne lub niepisane instalacje, mechaniczne uszkodzenia lub przeciążenie okablowania.

Jednak prąd zwarciowy, bez względu na wielkość, również nie jest nieskończony. Rozmiar problemów, które może on zepsuć, wpływa na czas trwania ogrzewania i parametry obwodu zasilania.

Obwody prądu przemiennego

Powyższe sytuacje miały charakter ogólny lub były związane z obwodami prądu stałego. W większości przypadków zasilanie do budynków mieszkalnych i przemysłowych jest wytwarzane z sieci napięć zmiennoprądowych 220 lub 380 woltów. Problemy z okablowaniem prąd stały najczęściej występują w samochodach.

Istnieje różnica między tymi dwoma podstawowymi typami zasilania i znaczącą. Faktem jest, że przejście prądu przemiennego jest utrudnione przez dodatkowe elementy rezystancji, zwane reaktywnymi i ze względu na falowy charakter pojawiających się w nich zjawisk. Indukcyjności i pojemności reagują na prąd przemienny. Prąd zwarciowy transformatora jest ograniczony nie tylko przez rezystancję aktywną (lub rezystancyjną, tzn. Taką, którą można zmierzyć za pomocą testera kieszonkowego), ale także przez jej element indukcyjny. Drugi rodzaj obciążenia jest pojemnościowy. Względnie do aktywnego wektora prądu, reaktywne wektory komponentów są odrzucane. Prąd indukcyjny pozostaje w tyle, a prąd pojemnościowy wyprzedza o 90 stopni.

Przykład różnicy w zachowaniu ładunku z elementem reaktywnym może służyć jako normalny głośnik. Niektórzy miłośnicy głośnej muzyki przeciążają się, dopóki dyfuzor nie uderzy pola magnetycznego do przodu. Cewka leci z rdzenia i natychmiast się spala, ponieważ indukcyjny składnik jego napięcia maleje.

Rodzaje KZ

Prąd zwarciowy może występować w różnych obwodach połączonych z różnymi źródłami prądu stałego lub przemiennego. Najprostszą rzeczą jest zwykły plus, który nagle łączy się z minusem, omijając ładunek.

Ale z opcjami prądu zmiennego więcej. Jednofazowy prąd zwarciowy występuje, gdy faza jest połączona z przewodem zerowym lub uziemionym. W sieci trójfazowej może wystąpić niepożądany kontakt między dwiema fazami. Napięcie 380 lub więcej (przy przesyłaniu energii na duże odległości przez linie elektroenergetyczne) może również powodować nieprzyjemne konsekwencje, w tym błyski łuku w momencie przełączania. Wszystkie trzy (lub cztery wraz z przewodami neutralnym) mogą zostać zwarte jednocześnie, a trójfazowy prąd zwarciowy przepłynie przez nie, dopóki automatyczny system ochrony nie zostanie aktywowany.

Ale to nie wszystko. W wirnikach i statorach maszyn elektrycznych (silników i generatorów) i transformatorach czasami takie nieprzyjemne zjawisko występuje jako obwód przejściowy, w którym sąsiednie pętle druciane tworzą rodzaj pierścienia. Ta zamknięta pętla ma wyjątkowo niską rezystancję w sieci prądu przemiennego. Prąd zwarcia w cewkach wzrasta, co powoduje nagrzewanie całej maszyny. W rzeczywistości, jeśli takie nieszczęście wystąpiło, nie należy czekać, aż cała izolacja zostanie stopiona, a silnik elektryczny zacznie palić. Uzwojenia maszyny muszą zostać przewinięte, do tego potrzebny jest specjalny sprzęt. To samo dotyczy przypadków, w których z powodu "rozejścia się" wystąpił prąd zwarciowy transformatora. Im mniej oparzeń izolacji, tym łatwiej i taniej będzie przewijanie.

Obliczanie wielkości prądu podczas zwarcia

Bez względu na to, jak katastrofalne jest to lub tamto zjawisko, dla inżynierii i stosowana nauka jego ocena ilościowa jest ważna. Formuła prądu zwarciowego jest bardzo podobna do prawa Ohma, wymaga jedynie wyjaśnienia. A więc:

I skrót = Uph / (Zn + Zt),

gdzie:

I k.z. - wielkość prądu zwarcia, A;

Uph - napięcie fazowe, V;

Zn jest całkowitą (włącznie z reaktywną składową) rezystancją zwartej pętli;

Zt jest całkowitą (w tym reaktywną składową) rezystancją transformatora mocy (mocy), Ohm.

Impedancje definiuje się jako przeciwprostokątną trójkąta prostokątnego, którego nogi są oporami czynnymi i reaktywnymi (indukcyjnymi). To bardzo proste, musisz użyć twierdzenia Pitagorasa.

Nieco częściej niż obecna formuła zwarciowa, w praktyce stosuje się krzywe eksperymentalne. Są to zależności wartości I k.z. na długość przewodu, sekcja drutu i moc transformatora mocy. Wykresy są zbiorem malejących linii wykładniczych, z których pozostaje tylko wybrać odpowiedni. Metoda daje przybliżone wyniki, ale jej dokładność w pełni odpowiada praktycznym potrzebom inżynierów zasilania.

Jak przebiega proces

Wygląda na to, że wszystko dzieje się natychmiast. Coś zabrzęczało, światło zgasło i natychmiast zgasło. W rzeczywistości, podobnie jak każde zjawisko fizyczne, proces można rozciągnąć psychicznie, spowolnić, przeanalizować i podzielić na fazy. Przed momentem awaryjnym obwód charakteryzuje się stałą wartością prądu, która mieści się w granicach znamionowego trybu. Nagle całkowity opór gwałtownie spada do wartości bliskiej zeru. Elementy indukcyjne (silniki elektryczne, dławiki i transformatory) ładują się, jakby spowalniały proces obecnego wzrostu. Tak więc, w pierwszych mikrosekundach (do 0,01 s) siła prądu zwarciowego źródła napięcia pozostaje prawie niezmieniona, a nawet nieco spada ze względu na początek procesu przejściowego. W tym samym czasie jego emf stopniowo osiąga wartość zerową, następnie przechodzi przez niego i jest ustawiony na pewną stabilizowaną wartość, która zapewnia przepływ dużego I k.s. Sam prąd w momencie procesu przejściowego jest sumą okresowych i okresowych składników. Analizowana jest postać wykresu procesu, w wyniku której można wyznaczyć stałą ilość czasu w zależności od kąta nachylenia stycznej do krzywej przyspieszenia w jej punkcie przegięcia (pierwsza pochodna) oraz czas opóźnienia określony przez wartość składnika reaktywnego (indukcyjnego) całkowitej rezystancji.

Wsteczny prąd uderzeniowy

Termin "prąd zwarciowy" często znajduje się w literaturze technicznej. Nie należy obawiać się tej koncepcji, wcale nie jest tak straszna i nie ma bezpośredniego związku z porażką elektryczności. Pojęcie to oznacza maksymalną wartość I k. w obwodzie prądu przemiennego, osiągając jego wartość zwykle w połowie okresu po wystąpieniu sytuacji awaryjnej. Przy częstotliwości 50 Hz okres wynosi 0,2 sekundy, a jego połowa to 0,1 sekundy. W tym momencie interakcja przewodników położonych blisko siebie osiąga największą intensywność. Prąd uderzeniowy zwarcia jest określony przez formułę, która w tym artykule nie jest przeznaczona dla specjalistów, a nawet dla studentów, nie ma sensu nadawać. Jest dostępny w specjalnej literaturze i podręcznikach. Samo wyrażenie matematyczne nie jest szczególnie trudne, ale wymaga dość długich komentarzy, które pogłębiają czytelnika w teorii obwodów elektrycznych.

Przydatne zwarcie

Wydaje się, że oczywistym faktem jest to, że zwarcie jest wyjątkowo złym, nieprzyjemnym i niepożądanym zjawiskiem. W najlepszym przypadku może to doprowadzić do odwzbudzenia obiektu, wyłączenia awaryjnego sprzętu ochronnego, aw najgorszym - do podłączenia przewodów, a nawet pożaru. W związku z tym wszystkie siły muszą skupić się na tym, jak uniknąć tej plagi. Jednak obliczanie prądów zwarciowych ma bardzo realne i praktyczne znaczenie. Wymyślono wiele narzędzi technicznych działających w trybie wysokich wartości prądu. Przykładem może być konwencjonalna spawarka, zwłaszcza łuk, który w czasie pracy powoduje zwarcie elektrody z uziemieniem. Inną kwestią jest to, że tryby te są krótkotrwałe, a moc transformatora może wytrzymać te przeciążenia. Podczas spawania, w punkcie styczności, końce elektrody przepuszczają ogromne prądy (mierzone są w dziesiątkach amperów), w wyniku czego uwalniane jest wystarczające ciepło, aby miejscowo stopić metal i utworzyć mocną spoinę.

Metody ochrony

W pierwszych latach szybkiego rozwoju elektrotechniki, kiedy ludzkość wciąż mężnie eksperymentowała, wprowadzając urządzenia galwaniczne, wynaleźli różnego rodzaju generatory, silniki i oświetlenie, pojawił się problem ochrony tych urządzeń przed przeciążeniami i prądami zwarciowymi. Najprostszym rozwiązaniem było zainstalowanie elementów topliwych w szeregu z obciążeniem, które zapadło się pod wpływem ciepła rezystancyjnego, na wypadek, gdyby prąd przekroczył ustawioną wartość. Te bezpieczniki to dziś ludzie, ich głównymi zaletami są prostota, niezawodność i niski koszt. Ale mają wady. Bardzo prostota "korka" (tak zwane topliwe oprawki dla ich specyficznej formy) prowokuje użytkowników, po wypaleniu, do tego, aby nie filozofować chytrze, ale aby zastąpić nieudane elementy pierwszymi drutami, spinaczami lub nawet gwoździami. Czy warto wspomnieć, że taka ochrona przed prądami zwarciowymi nie spełnia swojej szlachetnej funkcji?

W przedsiębiorstwach przemysłowych, aby odciążyć obwody przeciążone, automatyczne wyłączniki zaczęły być używane wcześniej niż w panelach mieszkalnych, ale w ostatnich dziesięcioleciach korki zostały w dużej mierze przez nich zastąpione. "Automatyczny" jest znacznie wygodniejszy, nie można go zmienić i włączyć, eliminując przyczynę zwarcia i czekając na ochłodzenie elementów termicznych. Czasami płoną kontakty, w tym przypadku lepiej je wymienić, a nie próbować czyścić lub naprawiać. Bardziej złożony automaty różnicowe przy wysokich kosztach nie trwają dłużej niż zwykle, ale ich funkcjonalność jest szersza, odłączają napięcie w przypadku minimalnego upływu prądu "z boku", na przykład, gdy osoba zostaje uderzona prądem.

W życiu codziennym eksperymentowanie ze zwarciem nie jest zalecane.