Нередко при обсуждении каких-либо тем, связанных с электричеством, причиной поломки оборудования или возникновения пожара называют короткое замыкание (КЗ). Со школьных уроков физики люди знают, что оно несёт неприятности, но многие даже не догадываются о его пользе. Узнав, что такое КЗ, и разобравшись в природе его появления, можно понять, когда оно становится губительным, а в каких случаях помогает.
Физическое определение
В учебниках физики коротким замыканием принято называть возникновение электрического соединения между двумя точками в электрической цепи, находящимися под разными значениями потенциала в случаях, не предусмотренных конструкцией прибора и приводящих к нарушениям в его работе.
Для того чтобы разобраться в этом определении, следует понять, что такое потенциал. Но правильней будет говорить «электростатический потенциал», ведь он бывает биологическим, химическим и математическим. Заряд — это физическая величина, определяющая свойство тел или частиц взаимодействовать в электромагнитном поле. Понятие электрический заряд является первичным в электродинамике, на его основе составляются определения для других физических процессов и явлений, в том числе для потенциала.
Потенциал обозначает энергию, которой обладает заряд, помещённый в электрическое поле. За единицу его измерения принимается вольт, равный отношению джоуля к кулону. То есть электрический потенциал характеризуется отношением энергии взаимодействия заряда с окружающим его полем к значению его величины.
Работа, которую совершает электричество или энергия, определяется разностью потенциалов (напряжением). Чем она выше, тем больше работы необходимо выполнить электрической силе для перемещения заряда из одной точки в другую. Для движения необходима энергия, при этом во время перемещения выделяется мощность. Если передвижение заряда происходит упорядоченное, то возникает ток.
Полезной считается в этом случае та работа, когда потенциальная энергия из разных концов электрической цепи преодолевает определённое сопротивление. Но если его не будет, то из одной части схемы ток без потерь потечёт к другой, при этом выделится мощность, соответствующая силе тока.
Объяснить по-простому, что такое короткое замыкание, можно следующим образом: если в проводнике с током, находящимся под напряжением, сопротивление уменьшится до ничтожного значения, то вся энергия начнёт выделяться в месте электрического соединения двух значений потенциалов. Образование этой мощности и называется возникновением короткого замыкания или пробоем.
Виды явления
Процесс появления КЗ подразумевает образование электрического контакта между двумя потенциалами. В зависимости от площади замыкание может быть точечным и сплошным. Если оно возникает в электроустановках, то его разделяют на межвитковое или корпусное. Первый вид характерен для ротора или статора. При этом пробой может произойти через землю или воздух. В зависимости от типа проводки и количества замкнувших фаз явление делится на следующие виды:
- трёхфазное — все фазовые провода соединяются в одну точку;
- двухфазное — между двумя проводами, находящимися под разным потенциалом, возникает электрический контакт;
- однофазное — замыкание фазы на нулевой провод или заземляющий контур.
Ток короткого замыкания
Для понимания определения короткого замыкания следует вспомнить основополагающий принцип в электричестве — закон Ома. Его формулировка заключается в следующем: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна разности потенциалов и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению этого участка. Формулой это можно выразить в виде I = U/R, где:
- I — сила тока, А;
- U — значение напряжения, В;
- R — сопротивление (импеданс), Ом.
Таким образом, чем будет больше величина импеданса, тем меньше станет ток. Например, когда электрическая линия с напряжением 220 вольт перемыкается сопротивлением 1 кОм, то через элемент течёт ток, равный I = 220/1000 = 0,220 А.
Если резистор будет подходящей мощности, то ничего не произойдёт, на нём упадёт какое-то количество напряжения, однако схема будет продолжать работать. Но если вместо резистора использовать проводник с бесконечно малым внутренним сопротивлением, то сила тока начнёт стремительно расти, пока замкнутые части не перегорят и не разорвут электрический контакт. Ток, при котором происходит разрыв контакта, называется пробойным.
Кстати, короткое замыкание поэтому и получило такое своё название, ведь ток стремится пойти по направлению с наименьшим сопротивлением для его протекания. Такая линия оказывается самой короткой на его пути.
При точном расчёте пробоя используется формула, учитывающая внутреннее сопротивление источника питания: Iкз = E/(R+r). В этом случае появляющаяся тепловая мощность будет определяться с помощью выражения P = E2*R/(R+r).
Расчёт тока КЗ важен, поскольку он используется при выборе электрооборудования, защиты, устройств автоматики и ограничителей тока. Явление пробоя происходит чаще всего из-за появления переходных сопротивлений, через которые начинает протекать ток. К ним относятся электрические дуги, посторонние предметы в месте повреждения изоляций, опор и их заземлений, а также контакт с землёй или между фазовыми проводами. Но для упрощения вычислений эти сопротивления принимаются равными нулю и не учитываются.
Причины появления
При образовании контакта между двумя потоками зарядов возникает огромная сила тока, которой характеризуется КЗ. Так как это резкое возрастание энергии происходит из-за появления ударного электрического импульса, то, согласно закону Джоуля — Ленца, появившаяся мощность имеет высокую степень выделения тепла.
Причина такого явления заключается в нарушении изоляционных свойств проводников. Это может произойти из-за естественного износа или возникновения аварийных ситуаций в работе электрооборудования. На практике это обозначает непосредственный контакт между нулевым и фазовым проводом.
Но провода необязательно должны соприкоснуться между собой. Мгновенный рост силы тока также возникает, если между ними появляется проводящее тело или среда с ничтожно малым сопротивлением, например, проводящий предмет, вода или влажный воздух. Такую ситуацию называют пробоем. Можно выделить следующие причины возникновения КЗ:
Перенапряжение. При превышении физических параметров электролинии, когда по проводнику проходит большая сила тока, его сопротивление оказывается для неё большим, поэтому происходит интенсивное выделение тепла. Проводник греется, передавая тепло изоляционному слою, который растрескивается и разрушается. Появление высокого напряжения может быть вызвано как природными явлениями (ударом молнии), так и ошибками в работе электроприборов или источников энергии.- Естественное старение изоляции. Любая изоляция имеет свой ресурс, который сокращается при нахождении в агрессивной окружающей среде, например, при перепадах температуры.
- Механическое повреждение: перетирание, повреждение при выполнении строительных работ, результат действия грызунов.
- Ошибка монтажа. Неосторожное обращение с токоведущими частями оборудования, нарушения в укладке кабеля (сгибание под острым углом, пересечение проводов).
- Неправильная коммутация электрооборудования или кабелей. Происходит из-за действий человека. Это может быть связано с неудачным ремонтом, ошибкой соединения проводов или электролиний, использованием сломанных устройств.
Последствия и защита
Самая большая неприятность, которая может возникнуть во время КЗ, — это возникновение пожара. Образовавшийся избыток тепла вызывает возгорание изоляции и близко расположенных горючих веществ. Кроме того, при пробое возникает электрическая дуга, представляющая собой открытый источник огня. При этом она может воспламенить рядом находящиеся предметы.
Если в зону действия замыкания попадает человек, то он подвергается удару большой силы тока. Это приводит к выделению организмом тепла и последующему сгоранию тела.
К менее значимым последствиям можно отнести возникновение электрического поля большой величины и электромагнитного удара, которые негативно воздействуют на электронные узлы и блоки радиоаппаратуры, а также электродвигатели. Появление КЗ приводит к перекосу фаз в электросети, что вызывает в ней всплеск напряжения, а это ведёт к поломкам блоков питания электрических устройств, подключённых к ней.
Для предотвращения последствий при конструировании электрических систем используются специальные устройства и мероприятия по защите. К таким мерам относят:
периодическое испытание изоляции оборудования и линий электропередач;- использование техники или электропроводки с повышенным классом защиты в потенциально опасных местах, например, применение высококачественных диэлектриков или не поддерживающей горение двойной изоляции;
- установка предохранителей, перегорающих при достижении тока опасной величины;
- использование громозащиты, автоматических и дифференциальных выключателей, устройств контроля напряжения.
Очень важно при построении системы электропередачи использовать правильные материалы и защитное оборудование. В большей мере это касается сечения токопроводящего кабеля, расчёта параметров используемых защитных модулей и грамотного построения заземляющего контура.
Преднамеренное использование
Непреднамеренное возникновение КЗ несёт в себе опасности и неприятности, но контролируя его, можно извлечь выгоду. Благодаря этому появилась электродуговая сварка. Одна обмотка трансформатора подключается к свариваемой детали, образуя с ней постоянный контакт, а вторая соединяется с электродом. При его прикосновении к детали возникает КЗ с образованием дуги и выделением тепла. Именно эта дуга и применяется для расплавления металлов. Но если электрод «прилипнет» к металлу, то вся используемая мощность начнёт выделяться на преобразователе, что приведёт к его межвитковому замыканию.
Другое применение явления используется в короткозамыкателях — устройствах, оборудованных автоматическими выключателями. При возникновении необходимости быстро отключить линию электропередачи происходит её замыкание, на которую реагирует электромеханическое устройство, отключающее участок.
Индукционные виброметры и сейсмоприёмники в основе своей работы используют КЗ, что позволяет демпфировать механические колебания. Часто режим пробоя используется при соединении усилительных каскадов в электронике, например, каскодных усилителей. Цепи питания электронных плат тоже работают в режиме КЗ для переменного тока. На их линиях питания устанавливаются шунтирующие блокировочные конденсаторы. Предназначены они для снижения самовозбуждения усилительных каскадов, помех и сбоев кодов в цифровых устройствах.
Подводя итоги, можно отметить важные аспекты электрических процессов. Для того чтобы возник ток, должна появиться разность потенциалов, а затем физическое их соединение. Тогда заряд начнёт передаваться из одной точки в другую, встречая на своём пути сопротивление. На нём будет выделяться энергия, которая используется для каких-либо процессов. Образованная мощность характеризуется полезной работой. Но если на своём пути ток не встретит препятствия, то при соединении двух потенциалов вся мощность выделится на этом пути. В результате она преобразуется в тепловую энергию и частично в световую.
Это и есть принцип возникновения КЗ, а также явлений, сопровождающих его, — чрезмерного нагрева и световой вспышки. При возникновении такого режима ток в цепи намного превышает номинальные значения (из-за отсутствия сопротивления), что и приводит к выходу из строя источника энергии и её приёмника в электрической цепи.
