какое сопротивление при коротком замыкании
Измерение сопротивления и тока короткого замыкания цепи фаза нуль
Зачем измерять сопротивление фаза-нуль
Сопротивления цепи фаза нуль это полное сопротивление проводников тока от места измерения до трансформаторной подстанции. Для измерения сопротивления петли использовали прибор ИФН-300 с заводской поверкой. Чем меньше сопротивление тем лучше, тем больший ток может протекать от подстанции до потребителя. На сопротивление фаза нуль влияет качество затяжки проводов в клемниках, сечение проводов, сопротивление на автоматах, длина проводов, сопротивление обмотки трансформатора на подстанции. Сравнивая сопротивление в розетках, можем определить, где проводка и соединение качественное, а где нужно проверить проводку.
Второе главное назначение измерения сопротивления цепи фаза нуль это вычисление предполагаемого тока короткого замыкания. Ток короткого замыкания вычисляется по формуле: напряжение делить на полное сопротивления цепи, в современных приборах вычисляется автоматически. Знать ток нужно, чтобы понять правильно ли выбран автоматический выключатель. Например в частном доме далеко от подстанции сопротивление линии большое, ток короткого замыкания будет около 100 А. Если установлен автомат на 25 А типа С, то мгновенный (электромагнитный) расцепитель сработает только при пяти кратном превышении тока равным 125 А. А максимальный ток при коротком замыкании только 100 А, тогда при замыкании проводка будет греться, может загореться пока в автомате не сработает биметаллический размыкатель. Автомат в данном случае должен стоять на 16 А типа B и C.
Буквы в названии модульных автоматов которые крепятся на din рейку время-токовая характеристика автоматического выключателя означает, что мгновенный электромагнитный расцепитель сработает:
В электрических сетях до 1000 В с глухозаземленной нейтралью ток короткого замыкания должен быть больше тока отключения мгновенного расцепителя автоматического выключателя в 3 раза согласно ПТЭЭП пункт 3.6. Время отключения автоматического выключателя в сетях 220 В должно быть не более 0,4 с.
Измерив предполагаемый ток короткого замыкания в удлинителе получили, что ток короткого замыкания через удлинитель меньше, чем в розетке на 100 А. Это говорит о низкой мощности удлинителя из-за малого сечении проводов и некачественных контактов.
Короткое замыкание
Что такое короткое замыкание
Короткое замыкание (КЗ, англ. short curcuit) — незапланированное соединение точек цепи с различными потенциалами друг с другом или с другими электрическими цепями через пренебрежимо малое сопротивление. При этом образуется сверхток, значения которого на порядки превышают предусмотренные нормальными условиями работы.
Определение КЗ из «Элементарного учебника физики» Ландсберга
В результате короткого замыкания выходит из строя электрооборудование, происходят возгорания. О самых разрушительных последствиях коротких замыканий мы регулярно узнаем из новостных рубрик «Чрезвычайные происшествия». Что же именно происходит при КЗ? В результате чего они появляются? Какими могут быть последствия? Давайте рассмотрим подробнее эти и другие вопросы в приведенной ниже статье.
Как образуется короткое замыкание
Как мы помним из учебника физики за 8 класс, закон Ома для участка цепи определяется по формуле:
I — сила тока в цепи, А
R — сопротивление, Ом
Давайте рассмотрим вот такую схему
Если мы подключим настольную лампу EL к источнику тока Bat и замкнем ключ SA, то вольфрамовая нить лампы начнет разогреваться под тепловым воздействием тока. В этом случае значительная часть электрической энергии преобразуется в световую и тепловую.
А теперь покончим с лирическими отступлениями и замкнем два провода, которые идут на лампочку, через толстый провод AВ
Что будет дальше, если мы замкнем контакты ключа SA?
В результате ток пойдет по укороченному пути, минуя нагрузку. Короткий путь в данном случае и есть провод AB. Сопротивление провода АВ близко к нулю. В результате наша схема преобразуется в делитель тока. Согласно правилу делителя тока, если нагрузки соединены параллельно, то через нагрузку с меньшим сопротивлением побежит большая сила тока, а через нагрузку с большим значением сопротивления — меньшая сила тока. Так как провод АВ обладает почти нулевым сопротивлением, то через него потечет большая сила тока, согласно опять же закону Ома:
Как я уже сказал, в режиме КЗ сила тока достигает критических значений, превышающих допустимые для данной цепи.
Закон Джоуля-Ленца
Согласно закону Джоуля-Ленца, тепловое действие тока прямо пропорционально квадрату силы тока на данном участке электрической цепи
I — сила тока в этой цепи, А
Rн — сопротивление нагрузки, Ом
Это означает, что на проводе AB будет выделяться бешеное количество теплоты. Провод резко нагреется от температуры, а потом и сгорит. Все зависит от мощности источника питания.
То есть, если ток при коротком замыкании возрастет в 20 раз, то количество выделяющейся при этом теплоты — примерно в 400 раз! Вот почему бывшая еще мгновение назад мирной электроэнергия превращается в настоящее стихийное бедствие: горит проводка, расплавленный металл проводов поджигает находящиеся рядом предметы, возникают пожары.
Существуют еще запланированные и контролируемые КЗ, а также специальное замыкающее оборудование. Например, сварочные аппараты работают как раз на контролируемом КЗ, где требуется большая сила тока для плавки металла.
Основные причины короткого замыкания
Все многообразие причин возникновения коротких замыканий можно свести к следующим:
Нарушение изоляции вызывается как естественным износом, так и внешним вмешательством. Естественное старение элементов электросети ускоряется за счет длительного теплового воздействия тока (тепловое старение изоляции), агрессивных химических сред.
Внешние воздействия могут быть вызваны грызунами, насекомыми и другими животными. Сюда же относится и человеческий фактор. Это может быть «кривой» электромонтаж, либо несоблюдение техники электробезопасности.
Намного чаще короткое замыкание вызывается перегрузкой сети из-за подключения большого количества потребителей тока. Так, если совокупная мощность одновременно включенных в бытовую сеть электроприборов превышает допустимую нагрузку на проводку, с большой вероятностью произойдет короткое замыкание, так как сила тока в такой цепи начинает превышать допустимое значение. Такое явление можно часто наблюдать в домах со старой проводкой, где провода чаще всего алюминиевые и не рассчитаны на современные мощные электроприборы.
Ток короткого замыкания
Сверхток, образующийся в результате КЗ, называется током короткого замыкания. Как только произошло короткое замыкание в цепи, ток короткого замыкания достигает максимальных значений. После того, как провода начнут греться и плавиться, ток короткого замыкания идет на спад, так как сопротивление проводов в при нагреве возрастает.
Для источников ЭДС ток короткого замыкания может быть вычислен по формуле
Iкз — это ток короткого замыкания, А
E — ЭДС источника питания, В
Rвнутр. — внутреннее сопротивление источника ЭДС, Ом
Более подробно про ЭДС и внутреннее сопротивление читайте здесь.
Ниже на рисунке как раз изображен такой источник ЭДС в виде автомобильного аккумулятора с замкнутыми клеммами
Внутреннее сопротивление автомобильного аккумулятора может достигать значений в доли Ома. Теперь представьте, какой ток короткого замыкания будет течь через проводник, если закоротить им клеммы аккумулятора. Внутреннее сопротивление аккумулятора зависит от многих факторов. Возьмем среднее значение Rвнутр = 0,1 Ом. Тогда ток короткого замыкания будет равен Iкз =E/Rвнутр. = 12/0,1=120 Ампер. Это очень большое значение.
Виды коротких замыканий
В цепи постоянного тока
В цепи переменного тока
Трехфазное замыкание
Это когда три фазных провода коротнули между собой.
Трехфазное на землю
Здесь все три фазы соединены между собой, да еще и замкнуты на землю
Двухфазное
В этом случае любые две фазы замкнуты между собой
Двухфазное на землю
Любые две фазы замкнуты между собой, да еще и замкнуты на землю
Однофазное на землю
Однофазное на ноль
Эти две ситуации чаще всего бывают в ваших квартирах и домах, так как к простым потребителям идет два провода: фаза и ноль.
В трехфазных сетях наиболее часто происходит однофазное замыкание на землю — 60-70% всех коротких замыканий. Двухфазные КЗ составляют 20-25%. Двойное замыкание фаз на землю происходит в электросетях с изолированной нейтралью и составляет 10-15% всех случаев. До 3-5% занимают трехфазные КЗ, при которых происходит нарушение изоляции между всеми тремя фазами.
В электрических двигателях короткое замыкание чаще всего возникает между обмотками двигателя и его корпусом.
Последствия короткого замыкания
Во время КЗ температура в зоне контакта возрастает до нескольких тысяч градусов. Помимо воспламенения изоляции, расплавления и механических повреждений выключателей и розеток и возгорания проводки, следствием замыкания может стать выход из строя компьютерного и телекоммуникационного оборудования и линий связи, которые находятся рядом, вследствие сильного электромагнитного воздействия.
Но падение напряжения и выход из строя оборудования — не самое опасное последствие. Нередко короткие замыкания становятся причиной разрушительных пожаров, зачастую с человеческими жертвами и огромными экономическими потерями.
Из-за удаленности и большого сопротивления до места замыкания защитное оборудование может не сработать. Бывают ситуации, когда ток недостаточен для срабатывания защиты и отключения напряжения, но в месте КЗ его вполне хватает для расплавления проводов и возникновения источников возгорания. Поэтому, токи коротких замыканий очень важны для расчетов аварийных режимов работы.
Меры, исключающие короткое замыкание
Еще на заре развития электротехники появились плавкие предохранители. Принцип действия подобной защиты очень прост: под влиянием теплового действия тока предохранитель разрушается, тем самым размыкая цепь. Предохранители наиболее часто используются в бытовых электросетях и бытовых электроприборах, электрическом оборудовании транспортных средств и промышленном электрооборудовании до 1000 В. Встречаются они и в цепях с высоковольтным оборудованием.
Вот такие предохранители используются в цепях с малыми токами
вот такие плавкие предохранители вы можете увидеть в автомобилях
А вот эти большие предохранители используются в промышленности, и они уже рассчитаны на очень большие значения токов
Более сложную конструкцию имеют автоматические выключатели, оснащенные электромагнитными и/или тепловыми датчиками. Ниже на фото однофазный автоматический выключатель, а справа — трехфазный
Их принцип действия основан на размыкании цепи при превышении допустимых значений силы тока.
В быту мы чаще всего сталкиваемся со следующими устройствами защиты электросети:
Все вышеперечисленное защитное оборудование относится к устройствам вторичной защиты, действующим по инерционному принципу. На вводе бытовых электросетей наиболее часто устанавливаются автоматические защитные устройства, действующие по адаптивному принципу. Такие устройства можно увидеть возле счетчиков электроэнергии квартир, коттеджей, офисов.
В высоковольтных сетях защита чаще обеспечивается:
Большинства коротких замыканий можно избежать, если устранить основные причины их возникновения: своевременно ремонтировать или заменять изношенное оборудование, исключить вредные воздействия человека. Не допускать неправильных действий при монтажных и ремонтных работах, соблюдать СНИПы и правила техники безопасности.
Измерение тока КЗ в домашних условиях
Сегодняшняя статья – продолжение моей статьи под интригующим названием «Ток короткого замыкания: размер имеет значение». На этот раз расскажу про то, как можно измерить ток КЗ при помощи измерительных приборов. Я проведу натурный эксперимент по измерению тока КЗ у себя в квартире и на даче. Расскажу не только про способы с применением профессиональной техники стоимостью десятки тысяч рублей, но и как это сделать при помощи обычного любительского мультиметра.
Что влияет на значение тока короткого замыкания
При эксплуатации электросети важно мониторить параметры её качества, основной их которых – напряжение. Об этом я писал в одной из прошлых статей. Как известно, чтобы узнать напряжение, нужен вольтметр. Но и без него можно легко узнать, что с напряжением что-то не так – например, по тусклому свечению лампочек (в случае низкого напряжения) либо по перегоранию электроприборов при повышенном напряжении.
С током короткого замыкания не всё так просто – его значение может «гулять», и это не будет особо заметно. А проявится это в самый неподходящий момент – например, когда при замыкании электропроводки не сработает автоматический выключатель. Поэтому рекомендуется проверять (рассчитывать и/или измерять) ток КЗ периодически – перед проектированием электрощита, после ввода электропроводки в эксплуатацию, а затем – раз в год.
В любом измерении тока КЗ нужно понимать, что измеренный или расчетный ток КЗ относится только к конкретной точке электросети, применительно к которой производится измерение и расчет. Невозможно предугадать, в каком месте состоится замыкание, поэтому обычно измерения проводят в двух местах – в электрощите и самой удаленной от него точке.
Косвенно о низком токе КЗ можно сказать и без приборов, опираясь на такие факты:
Чем плох и хорош низкий и высокий ток КЗ, я подробно рассмотрел в первой части статьи (ссылку давал в начале).
Зачем нужно знать ток КЗ?
Ток КЗ – это максимально возможный ток в определенной точке сети. Этот параметр определяет качество электропроводки в целом. Зная значение ожидаемого тока короткого замыкания, можно:
Подробнее вопросы селективности и выбора автоматических выключателей будут рассмотрены в следующей статье.
Как измеряется ток КЗ при помощи приборов
Есть старый, «дедовский» способ измерения тока КЗ – с использованием понижающего трансформатора, амперметра и вольтметра. Далее нужен расчет по формулам.
Есть и другой, экстремальный способ – подключают амперметр и вручную создают короткое замыкание, замыкая цепь. Это не наш метод – мало того, что он неточен, но при таком «измерении» электросеть подвергается экстремальной нагрузке. К тому же не факт, что защита выбрана правильно, поэтому можно просто-напросто сжечь электропроводку.
Я в школьные годы решил как-то проверить «ток в розетке» этим методом, и воткнул свой новенький тестер ТЛ-4М в режиме амперметра (∼3А) в розетку. Результат – в доме выбило «пробки», в тестере сгорел шунт, а я получил бесценный опыт.
Сейчас большинство приборов вычисляют полное сопротивление петли «фаза – ноль», а затем автоматически пересчитывают полученное значение в ток КЗ. Делается это методом падения напряжения, подключая к точке измерения нагрузку (резистор) известного сопротивления. Номинал резистора обычно равен 10 Ом, время измерения – 30 мс (полтора периода напряжения). Такое измерение не перегружает сеть, и в то же время обеспечивает максимальную точность, не вызывая срабатывания автоматических выключателей – тепловой расцепитель за такое время не успеет сработать, а электромагнитному не хватит величины испытательного тока.
При этом ток КЗ измеряется во всех вариантах, где он может возникнуть: «фаза – нейтраль», «фаза – защитное заземление», «фаза – фаза».
Чтобы правильно провести измерения тока КЗ при помощи приборов, нужно обладать достаточной квалификацией, и внимательно изучить инструкцию к прибору. Например, необходимо учитывать сопротивление измерительных проводов. Важен и тот факт, что полученное значение тока КЗ нужно пересчитать под реальное напряжение в сети.
Измерение тока КЗ. Выводим формулы
Итак, самый распространенный метод измерения тока КЗ – метод падения напряжения, который мы сейчас и проверим на практике. Этот метод – косвенный, то есть итоговое значение получается путем измерения некоторых параметров с дальнейшими расчетами по формулам. Эти формулы мы сейчас и получим. Конечно, не без помощи нашего немецкого коллеги, о котором мы знаем из уроков физики.
Для начала – несколько пояснений. Предлагаю условиться, что розетка – это источник напряжения, обладающий внутренним сопротивлением Ri. Это сопротивление фактически является сопротивлением цепи «фаза-ноль». Также для простоты изложения условимся не учитывать реактивную составляющую, т.е. принимаем cos φ = 1. Таким образом, получаем такую схему, к которой можем применить закон Ома для полной цепи:
Схема для пояснения закона Ома для полной цепи
Иными словами, получаем резистивный делитель напряжения, напряжение на выходе которого всегда ниже, чем на входе. Сопротивление Ri «олицетворяет» собой все сопротивления, которые встречаются на пути электроэнергии – от сопротивления обмоток трансформатора на подстанции (ТП) до переходного сопротивления клемм розетки, через которые подключается нагрузка с сопротивлением Rн.
Напряжение Uхх – это напряжение холостого хода, которое будет действовать на вторичной обмотке трансформатора, когда нагрузка не подключена. Uн – напряжение на нагрузке, которое всегда меньше Uхх. В расчетах будет фигурировать и номинальное напряжение Uном, которое обычно бывает равным 220 или 230 В.
Iкз=Uхх/Ri (0)
Напряжение холостого хода легко узнать – оно измеряется вольтметром, когда вся нагрузка на данной линии отключена.
Напряжение холостого хода Uхх – это наибольшее значение напряжения, которое в принципе может быть в розетке. Конечно, за исключением аварийных режимов типа обрыва нуля.
Теперь дело за малым – определить внутреннее сопротивление источника (сопротивление петли «фаза-ноль») Ri. Это можно сделать тремя способами, про которые я сейчас расскажу.
1. Расчет петли «фаза-ноль» через ток нагрузки
Сопротивление Ri теоретически не зависит от приложенного к нему напряжения. Поэтому, мы можем измерить ток нагрузки Iн и напряжение на Ri не в момент короткого замыкания, а при подключении нагрузки с ненулевым сопротивлением. А затем применить закон Ома:
Ri=(Uхх-Uн)/Iн (1)
Ток нагрузки можно измерить двумя способами – при помощи амперметра (прямого включения или через трансформатор тока) и применяя токоизмерительные клещи. Амперметр дает более точное измерение, клещи – более оперативное. Я использовал клещи, но можно применить и амперметр, встроенный в мультиметр.
2. Расчет петли «фаза-ноль» через сопротивление нагрузки
Вторую формулу можно получить, составив уравнение пропорциональности между сопротивлениями Ri и Rн, и напряжениями на них. Получаем:
Ri=(Uхх-Uн)·Rн/Uн (2)
Чтобы использовать формулу (2), нужно предварительно измерить сопротивление нагрузки при помощи омметра. Поскольку мы условились, что реактивную составляющую мы не учитываем, для чистоты эксперимента нагрузка обязательно должна быть активной. Я использовал масляные обогреватели – их сопротивление чисто активное, и не зависит от напряжения и наличия питания. Как вариант, в качестве нагрузочного сопротивления можно использовать утюг или электрочайник.
3. Расчет петли «фаза-ноль» через мощность нагрузки
Третий способ – самый простой, но его можно применить только тогда, когда мы точно знаем мощность нагрузки.
Составляющие закона Ома зависят от номинальной мощности нагрузки Рном, поэтому путем нехитрых манипуляций получаем следующую формулу:
Ri=(Uном(Uхх-Uн))/Pном (3)
Чтобы проводить расчеты по формуле (3), нужно знать номинальное напряжение Uном (220 или 230 В) и мощность нагрузки. Обычно их приводит производитель. Вот фото шильдика нагревателя с Uном = 230 В и Рном = 1500 Вт:
Шильдик нагревателя мощностью 1500 Вт
Забегая вперед, скажу, что этот способ – наименее точный, поскольку производитель может писать любые данные, преследуя маркетинговые или другие цели.
Теперь, рассчитав значение Ri наиболее удобным способом по формулам (1), (2) или (3), можно найти ток короткого замыкания по формуле (0) даже в домашних условиях. Чем мы наконец-то и займемся.
Измерение тока КЗ в квартире
Трансформаторная подстанция, которая питает мой дом, находится на расстоянии около 30 м до моего подъезда, плюс подъем на 5-й этаж и разводка по квартире. То есть, длина питающей линии сравнительно невелика. Мощность трансформатора на ТП – 400 кВА.
Результаты измерений, в которых участвовал обогреватель с паспортной мощностью 1500 Вт, приведены в таблице:
Измерение тока кз в квартире, исходные и измеренные данные
Далее, используя формулы (1), (2) и (3), я рассчитал сопротивление петли фаза-ноль Ri в трех вариантах. Соответствующие токи Iкз посчитаны по формуле (0):
Результаты расчетов тока короткого замыкания в квартире тремя способами по измеренным данным
Измерения я проводил в самой дальней от электрощита розетке, благо она сдвоенная, поэтому напряжение на нагрузке измерять было легко, без использования тройников и переносок. Как видно, три формулы дали три разных результата. Это нормально, поскольку методики измерения и погрешности разные. В бытовых условиях при использовании неповеренных средств измерений погрешность оценить проблематично. Но оценить значение тока КЗ можно вполне.
Из трех значений правильно выбрать наихудшее – наименьший ток КЗ составил 166 А. Этот расчет я делал исходя из измерения сопротивления нагрузки омметром. Считаю этот способ наиболее точным.
Что означает это значение? Это означает, что я правильно сделал, когда поменял все квартирные автоматы на 25 А, которые стояли от застройщика с 1979 года, на автоматы с номинальным током 16А. Обладая характеристикой отключения «С», они с некоторой вероятностью отключат свою линию при токе КЗ от 80 до 159 А, а при сверхтоке 160 А и более вероятность отключения равна 100%. Поэтому ток КЗ 166 А можно считать в данном случае достаточным.
Как определить, при каких токах конкретный автомат может отключиться, а при каких должен, а писал не раз, например, тут.
Откровенно говоря, я ожидал большего значения тока КЗ. Ведь по правилам (ПТЭЭП, п.28.4) должен быть запас 10%, а для моего автоматического выключателя это 176 А. Я подробно рассказывал об этом в предыдущей статье. Можно успокоиться тем, что другие методы измерения дали вполне приемлемые результаты (176 и 189 А).
Измерение тока КЗ в дачном домике
Не смотря на то, что недавно домик подключили от воздушной линии через новый провод СИП, я не питаю особых иллюзий – длина линии до квартального трансформатора – более 150 м, а его мощность – всего 63 кВА.
Для нагрузки я использовал два масляных обогревателя, включенных через переноску (длина 3 м, сечение провода 1,5 мм 2 ) с тройной колодкой. Что получилось в этом случае:
Исходные данные и измерения для расчета тока КЗ в доме на даче
Расчет тока КЗ на даче по формулам
Видим, что нужный (наименьший) результат опять получен методом измерения сопротивления нагрузки – 88 А. Много это или мало? В данном случае – очень мало, учитывая то, что у меня на даче установлены автоматические выключатели С16. Даже для третьего способа со значением тока КЗ 120 А данный автомат не даст гарантии срабатывания при КЗ (вероятность будет около 50%).
А это не просто цифры – это вероятность возникновения пожара! Ведь выключение в случае КЗ будет только по тепловому расцепителю, а длиться это может несколько минут, согласно время-токовой характеристике.
Что ж, нужно заменить автоматические выключатели на другие – с номиналом 16 А и характеристикой отключения «В», которые при токе 80 А гарантированно отключат аварийную розетку. И запас в 10% будет обеспечен!
На этом всё – измерения, расчеты и выводы я сделал. В следующей части раскроем более глобальный аспект данной темы – обеспечение селективности защиты в электрических цепях.
Скачать
Эту статью можно почитать в бумажно-журнальном варианте:
• Измерение и расчет тока короткого замыкания / Статья \»Измеряем ток КЗ в квартире и на даче\», опубликованная в журнале \»Электротехнический рынок\» №2, 2021 г., pdf, 1.31 MB, скачан: 332 раз./
А обсудить её можно тут, на блоге СамЭлектрик.ру, в комментариях. Буду рад всем замечаниям и вопросам!