Сборка трансформаторов — электродинамические силы, короткое замыкание

Реактивное индуктивное и емкостное

Выше рассказывалось о скин-эффекте, имеющем место в прямом проводнике. Если проводник смотан в катушку (обмотку), протекающий по нему переменный ток создает более сильное переменное магнитное поле, и наводимая им ЭДС самоиндукции не просто вытесняет ток во внешние слои проводника, а ощутимо ему противодействует. Такое противодействие катушки называют индуктивным сопротивлением.


Индуктивное сопротивление

Вычисляется индуктивное сопротивление по формуле XL = 2П * f * L, где

  • f — частота переменного тока, Гц;
  • L — индуктивность катушки, Гн.

Таким образом, чем выше f, тем больше XL. Этим свойством катушки пользуются при фильтрации высокочастотных помех (гармоник) в сети.

Свойства XL, отличающие его от R:

  • ток в цепи отстает по фазе от напряжения на 900;
  • превращение электроэнергии является обратимым: сначала она преобразуется в магнитное поле (1-я половина полупериода), затем накопленная в нем энергия снова становится электрической (вторая половина).

Обмотки применяются в электромоторах и трансформаторах, потому потребители с такими компонентами имеют значительное индуктивное сопротивление. На его преодоление тратится часть мощности электротока, именуемая реактивной Wр. В противоположность ей, другую часть, совершающую полезную работу, называют активной Wа.


Коэффициент мощности

При сложении обеих составляющих графическим путем, получается треугольник (прямоугольный), в котором полная мощность Wп является гипотенузой. Если угол между ней и вектором активной мощности Wа обозначить через ϕ, то: cosϕ = Wа / Wп.

Для каждого устройства с индуктивным сопротивлением cosϕ обозначается в характеристиках. Также приводится активная мощность, причем выходная, например, на валу электродвигателя. Таким образом, чтобы определить полную потребляемую мощность устройства, следует сделать действие: Wп = Wа / (cosϕ * КПД), где КПД — коэффициент полезного действия прибора.

Необходимость преодолевать реактивное сопротивление, создает значительную дополнительную нагрузку на энергогенерирующее оборудование электростанций. Чтобы разгрузить его, в электросетях применяют установки компенсации реактивной мощности. Они представляют собой конденсаторные батареи.

Емкостным сопротивлением обладают конденсаторы. В цепи постоянного тока этот элемент ток не пропускает, но переменный течет через него относительно свободно, поскольку емкость имеет свойство накапливать в себе заряд.

В 1-й четверти периода она заряжается, во второй — разряжается, в 3-й и 4-й — действия повторяются, но уже с обратной полярностью. При этом он работает подобно индукционной катушке: в 1-й половине полупериода накапливает часть энергии электрогенератора, во 2-й — возвращает ее в цепь.

То есть конденсатор тоже противостоит преобразованию переменного тока — в этом состоит суть емкостного сопротивления. Вычисляют емкостное сопротивление по формуле: Xc = 1 / (2П * f * C), где С — емкость конденсатора, Ф (фарад).

За счет разрядки элемента, ток в цепи опережает напряжение по фазе на 900. На преодоление емкостного сопротивления также расходуется часть полной мощности — реактивная. Установки для ее компенсации содержат индукционные катушки.

Почему происходит короткое замыкание?

Ток КЗ возникает в следующих случаях:

  1. 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.
  2. 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.
  3. При внешнем воздействии механического типа. Перетирание защитной оболочки провода или снятие его изоляционного покрытия, а также повреждение проводки приводят к возгоранию и КЗ.
  4. При попадании посторонних предметов на цепь. Попавшие на проводник пыль, мусор или другие мелкие предметы способны вызвать замыкание в цепи механизма.
  5. Во время удара молнии. Повышается уровень напряжения, пробивается изоляционное покрытие провода или электрической схемы, из-за чего и возникает КЗ в электро цепи.

Изменение тока в аварийном режиме

В аварийном режиме ток теряет свои постоянные характеристики и подвергается заметным изменениям. В самое первое мгновение он резко увеличивается, после чего происходит его затухание до определенной величины. Далее в работу вступает АРВ – автоматический регулятор возбуждения, под влиянием которого ток доходит до установленного уровня. Этот период известен под названием переходного процесса. Временные рамки наступившего короткого замыкания начинаются со времени изменений токового уровня и заканчиваются отсоединением КЗ.

Различные показатели тока на протяжении всего периода используются для исследований динамической и термической устойчивости аппаратуры, избрания нужных уставок релейной защиты.

В любой сети присутствуют различные типы сопротивлений индуктивного типа. В момент возникновения КЗ они создают определенные препятствия и не позволяют току мгновенно переменяться. То есть, изменения все-таки происходят, но не скачкообразно, а в нарастающем порядке от обычного показателя до аварийного.

Для того чтобы упростить расчетную и аналитическую работу, ток в период перехода условно разделяется на две составные части – апериодическую и периодическую. Первая компонента считается неизменной токовой составной частью. Она появляется в самом начале КЗ и довольно скоро снижается до нулевой отметки.

Периодическая токовая часть в начальном периоде получила такое же название тока КЗ. Он тоже называется сверхпереходным, поскольку для его вычислений замещающая схема дополняется сверхпереходным сопротивлением генераторной установки и сверхпереходной ЭДС. Данная величина применяется при назначении уставок или, когда требуется проверить восприимчивость к току релейной защиты.

По завершении переходного периода периодический ток становится постоянно действующим током короткого замыкания. В этот момент как раз затухает апериодическая компонента, и вступает в действие АРВ. Таким образом, полная величина тока КЗ будет состоять из суммы обеих компонент, действующих в каждый временной отрезок переходного процесса. Полный ток с максимальным мгновенным показателем известен, как ударный ток короткого замыкания, рассчитываемый при анализе динамической устойчивости электрооборудования.

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.

Принцип действия

Из представленной выше формулы понятно, что ток проходит по пути наименьшего электрического сопротивления. Этот процесс можно наблюдать, если разрушить изоляционные оболочки и соединить провода (уменьшить расстояние до критически малого уровня). Электрический пробой создает локальный нагрев. При значительном энергетическом потенциале такое воздействие провоцирует пожар, разрушает кабель.

На этом этапе рассуждений надо вспомнить следующую формулу:

P = I * U.

По мощности определяют потребление энергии нагрузкой. Увеличение этого параметра повышает вероятность повреждения силовых линий.

Причины возникновения аварийного режима

Основная причина возникновения короткого замыкания заключается в резком возрастании силы тока, увеличение которой происходит параллельно со снижением сопротивления проводников. Под действием высокого тока создается критическая температура, опасная для сетей и оборудования.

Подобная ситуация, в свою очередь, также создается в силу определенных факторов:

  • Скачки напряжения, когда превышаются все допустимые параметры и номинальные значения. Происходит электрический пробой изоляции проводов или всей схемы. Токовая утечка мгновенно превращается в КЗ, образуя стабильный кратковременный дуговой разряд.
  • Причины возникновения замыкания часто кроются в изношенной изоляции, особенно в старых зданиях, где давно не менялась электропроводка. На изоляционный слой оказывают влияние внешние факторы, и после выработки своего ресурса она разрушается. В местах соприкосновения оголенных проводников возникает КЗ.
  • Любые виды механических воздействий, негативно влияющих на целостность изоляции электропроводки. Оболочка постепенно теряет свои качества и разрушается. Часто провода повреждаются при сверлении стен и отсутствии схемы электрических сетей.
  • Попадание посторонних предметов на токоведущие части. Они замыкают контакты, приводя к возникновению и развитию аварийного режима.
  • Прямые удары молний производят такой же эффект, как и в случае перепадов напряжения.
  • Работа электрических сетей с перегрузками в течение длительного времени, нарушения и сбои в работе электрооборудования – серьезные причины короткого замыкания.
  • Резкое повышение влажности в помещении, например, при затоплении соседями сверху. Влага разрушительно действует на изоляцию в местах соединений и скруток, приводя к незапланированным контактам между проводниками.

В чем опасность?

Последствия короткого замыкания могут быть следующими:

  1. Падает уровень напряжения в электро цепи. Это может привести к выходу из строя и обгоранию электрического прибора или сбоям в функционировании устройства.
  2. Повреждения механического и термического типа: обрыв цепи, повреждение проводки или отдельных проводов, розеток и выключателей.
  3. В зависимости от мощности короткого замыкания возможно возгорание проводки и расположенных рядом с ней материалов и предметов.
  4. Деструктивное электромагнитное воздействие на телефонную линию связи, компьютер, телевизор и другие электроприборы.
  5. Опасность для жизни. Если в момент возникновения замыкания человек находится рядом с источником КЗ, то он может получить ожоги.
  6. Нарушается функционирование электропоставляющих систем.
  7. В зависимости от параметров КЗ возможны сбои в работе подземных коммуникаций при электромагнитном воздействии.

Многих людей интересует вопрос о том, как посчитать, чему равна сила тока при коротком замыкании. Для этого необходимо воспользоваться законом Ома: сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению на ее концах и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.

Вычисление КЗ осуществляется по формуле: I= U/R (I — сила тока, U — напряжение, R — сопротивление).

Критерии выбора преобразователя

При выборе такого элемента гелиосистемы как инвертор важна не только геометрия сигнала на выходе, но и его мощность. Специалисты советуют укомплектовывать солнечные батареи преобразователями, номинальная мощность которых выше суммарной мощности, имеющейся в томе техники, процентов на 25 – 30.

Необходимо также учитывать нагрузку, возникающую при единовременном включении нескольких приборов с большой пусковой мощностью.

Еще одним критерием при выборе инвертора является его КПД, определяющей потери энергии на сопутствующие процессы. В зависимости от модели он имеет разное значение, находящееся в пределах 85-95%. Оптимальный выбор — КПД не ниже 90%.

Инверторы бывают как однофазными, так и трехфазными. Первые отличаются более низкой стоимостью, но выбор их оправдан, когда потребляемая мощность составляет менее 10 кВт. Величина напряжения у них составляет 220В, а частота 50Гц. Трехфазные инверторы имеют диапазон напряжений более широкий — 315, 400, 690В.


Производители качественного оборудования укомплектовывают свои изделия трансформаторами выхода. Существует зависимость между весом инвертора и его техническими характеристиками — если на каждый кг его массы приходится 100 Вт мощности, значит, трансформатор включен в его схему

Разным может быть и количество инверторов в системе. В этом вопросе следует руководствоваться следующими рекомендациями: если мощность солнечных батарей не превышает 5 кВт, то для такой системы достаточно одного инвертора. Для батарей большей мощности может потребоваться 2 и больше инвертора. Оптимально, когда один инвертор приходится на каждые 5 кВт.

Для работы в сети, сочетающей использование стандартной электроэнергии и энергии, поставляемой солнечными батареями, применяются гибридные инверторы. С особенностями устройства и правилами их выбора ознакомит рекомендуемая нами статья.

Преобразователи могут отличаться друг от друга схемами, геометрией выходного сигнала, другими определяющими величинами. Отдельные преобразователи комплектуют зарядными устройствами. Если выйдет со строя один из инверторов, система не прекратит свою работу.

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.

Короткое замыканиеКороткое замыкание

Видео 1. Короткое замыкание

Виды коротких замыканий

Данное явление нередко наблюдается под действием природных электрических аномалий. Как правило, это мощные грозовые разряды, сопровождаемые молниями. Их основным источником служит статическое электричество с огромным потенциалом, с различными знаками и величинами, накопленное облаками в процессе перемещения силой ветра с одного места на другое на большие расстояния.

Влажные пары, находящиеся в облаке, поднимаются на высоту, охлаждаются естественным путем. Образующийся конденсат проливается на землю в виде дождя. Из-за низкого сопротивления влажной среды воздушная прослойка подвергается пробою, по которому и проходит высокий электрический ток, представляющий собой молнию.

Для прохождения электрического разряда требуется два отдельных объекта с разными значениями потенциалов. Чаще всего, это два облака, идущие на сближение, или сама грозовая туча и поверхность земли. В первом случае опасность грозит в основном летательным аппаратам, а во втором под действие разряда могут попасть любое устройство или объект, в том числе и воздушные ЛЭП. Защита обеспечивается путем установки молниеотводов, нейтрализующих грозовые разряды.
В других случаях коротким замыканиям подвергаются цепи постоянного тока. У всех аккумуляторов или выпрямителей на выходе установлены контакты с положительным и отрицательным потенциалом. В обычных условиях они поддерживают рабочий режим схемы, обеспечивая нормальную работу потребителей.

Все процессы определяются математическим выражением закона Ома для полной цепи. Происходит равномерное распределение нагрузки в обоих контурах – внутреннем и внешнем.

При возникновении аварийной ситуации, между плюсовой и минусовой клеммами возникает непредвиденный контакт в виде короткой цепи, в которой чрезвычайно низкое электрическое сопротивление. Внешний контур выключается из работы, и циркуляция тока происходит лишь по внутреннему контуру с маленьким сопротивлением. ЭДС, при этом, остается неизменной, что приводит к резкому росту силы тока. Все это сопровождается большим тепловыделением и нарушениями целостности цепи.

Процессы в цепях переменного тока также попадают под действие закона Ома. В отличие от предыдущего варианта, эти схемы могут быть одно- или трехфазными, подключаться к заземляющему контуру. Короткие замыкания в таких цепях возникают в самых разнообразных формах: «фаза-земля», «фаза-фаза», «фаза-фаза-земля», «фаза-фаза-фаза», «фаза-фаза-фаза-земля».
В воздушных ЛЭП применяются изолированная и глухозаземленная схемы подключения нейтрали. В каждой из них ток короткого замыкания будет прокладывать собственный путь, который обязательно учитывается при создании защитной системы.

Иногда замыкания могут возникнуть внутри самой нагрузки, например, в электродвигателях. При одной фазе возможен пробой изоляции корпуса или нулевого проводника. У трехфазных потребителей возможны замыкания между фазами и другие аналогичные сочетания. В любом случае все это приводит к аварийному режиму с тяжелыми последствиями. Предотвратить подобные ситуации помогает автомат снимающий опасное напряжение с участка цепи и подключенного оборудования.

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.

Использование явления короткого замыкания

Помимо негативного эффекта, к которому приводит короткое замыкание в аварийных и неконтролируемых ситуациях, это явление может использоваться и в полезных целях. Нужно отметить, что в результате КЗ выделяется значительное количество тепла, и возникает электрическая дуга, контролируемое использование которой может принести немалую пользу.

Единица измерения напряжения

Так, например, электродуговой сварочный аппарат. Принципом его работы является создание электрической дуги между электродом и поверхностью детали, в результате чего в зоне её работы повышается температура, и металл сваривается между собой. Действие в этом случае основано на явлении КЗ электрода и земли.

Стоит отметить! Величина тока и температура, создаваемая на месте сварки, достаточно велики, поэтому при работе с подобного рода оборудованием требуется соблюдать все необходимые меры предосторожности

Почему КЗ так называется?

Рассмотрим определение КЗ, расшифровка — короткое замыкание. Это объединение 2 любых точек (обладающих различным потенциалом), которые находятся в электрической цепи. Соединение не предусмотрено нормальным режимом функционирования цепи, что приводит к критическим показателям силы тока на месте объединения этих точек.

Такое замыкание называется коротким, потому что образуется, минуя прибор, т.е. по короткому пути.

Простым языком: происходит соединение положительного и отрицательного проводника (короткий путь), что приводит к тому, что значение сопротивления становится равно 0. Для нормального функционирования механизма необходимо сопротивление, а его отсутствие вызывает сбой в работе источника напряжения, что приводит к замыканию.

КЗ — это любое соединение проводников с разным потенциалом между собой или с землей. КЗ возникает только в том случае, если такое объединение не запланировано конструкцией данного прибора или механизма. Например, соединение между любыми точками разных фаз или объединение фазы и 0, когда образуется разрушительный ток, превышающий все критические значения электрической схемы устройства.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий