Спрямований рух частинок, що володіють зарядом, під впливом електромагнітного поля називають струмом.
Формула короткого замикання (КЗ) — це явище, при якому величина сили струму, що досягає найбільшого значення, була отримана емпіричним шляхом, а після виведена на підставі закону Ома.
Загальні відомості
Всі чинні матеріали в електротехніці поділяють на 2 великих класів:
- провідники;
- діелектрики.
Перші здатні пропускати через себе електричний струм. Як приклад провідників можна привести метали, а непровідників — пластмаси, гуму.
Як виявилося, в процесі перенесення зарядів беруть участь електрони. Природа так влаштована, що всі тіла складаються з атомів і молекул. Вони пов’язані між собою електромагнітними силами.
Основу речовини становить ядро, що містить нейтрон і протон — позитивно заряджену частинку. Навколо центру по орбіталі обертається електрон – негативно заряджений елемент. У нормальному стані кількість і тих і інших збігається, тому тіло електрично нейтральне.
Якщо на речовину діє стороння сила, електрони можуть розірвати свій зв’язок з атомом і стати вільними. При цьому в структурі матеріалу можуть вже бути вільні частинки. Виникають вони через домішки або різні дефекти кристалічної ґратки. У стані спокою вільні частинки можуть рухатися по структурі хаотично.
Але варто тільки до тіла докласти електромагнітну силу, рух вільних частинок стає впорядкованим. Виникає явище, що називається електричним струмом. Характеризується струм силою. Це величина, що показує, яка кількість зарядів може протекти через поперечний переріз провідника за одиницю часу.
Щоб виникла сила струму, потрібно виконання трьох умов:
- існування вільних носіїв заряду;
- створення електромагнітного поля;
- замкнутість електричного кола.
Кількісно визначити силу струму можна за допомогою закону Ома:
I = U/R
Провівши ряд експериментів, Ом відкрив правило, згідно з яким значення струму пропорційно роботі, виконуваної для перенесення заряду з однієї точки в іншу і обернено пропорційно опору матеріалу.
Суть процесу
При включенні будь-якого електричного приладу в коло відбувається замикання лінії. По ній починає проходити електрострум. Він тече від джерела живлення через навантаження (споживача) і повертається.
Сила струму визначається навантажувальним опором елементів, підключених до кола. Якщо r велике, величина сили струму невелика. В іншому випадку вона може досягати великих значень.
Наприклад, можна уявити просте коло, що складається з джерела струму і лампи розжарювання. Щоб вона засвітилася, один з кінців джерела (фаза) слід приєднати до одного з електродів лампи, а інший — до другого контакту освітлювального пристрою (нульовий). У замкнутому ланцюзі з’явиться струм, який, проходячи по вольфрамовому провіднику лампи, призведе до його розігріву з випромінюванням світла. Така робота називається штатною або нормальною.
Але якщо з якихось причин виникне додатковий контакт між кінцями джерела живлення, причому його опір буде зневажливо мало, практично весь генерований струм піде по ньому. Відбудеться шунтування фази живлення з нулем.
В результаті вся напруга виявиться прикладеним до виводів генеруючого пристрою. І сила струму, що виникла в кола, буде визначатися тільки внутрішнім опором джерела живлення.
Сила струму різко зросте. З огляду на закон Джоуля-Ленца, що визначає теплову дію електроструму, зросте нагрів електричного кола. Якщо сила струму при КЗ виросте у 2 рази, тоді тепло, що виділяється, збільшиться в 40 разів.
Коротке замикання часто супроводжується розплавленням проводів і загорянням. Ось саме чому так важливо вміти виконувати розрахунок струмів короткого замикання для 110 В, 220 В або 380 В. Це ті напруги, що використовуються в побуті і промисловості та забезпечують роботу електроприладів і установок.
Розрізняють такі види КЗ:
- однофазне – встановлення контакту між фазовою лінією і нульовою;
- двофазне – замикання фаз між собою або їх загальне з’єднання з землею;
- трифазне – спостерігається в мережах 380 вольт при з’єднанні трьох фаз.
Слід зазначити, що КЗ виникне лише в тому випадку, якщо з’єднання буде мати найменший опір на замкнутій ділянці кола, ніж передбачене нормальним режимом роботи. Визначається ж воно згідно з правилами улаштування електроустановок (ПУЕ).
Вимірювання струму КЗ
Розрахунок КЗ необхідний для правильного підбору пристроїв, здатних захищати електричне коло від цього явища, тому вкрай важливо знати, до якої величини може піднятися струм при замиканні в певній точці.
Виконання робіт передбачає визначення опору лінії від місця вимірювань до трансформаторної підстанції. Потім за результатами виконується розрахунок струмів трифазного КЗ або однофазного, в залежності від типу використовуваної електролінії.
Є кілька способів, за допомогою яких можна визначити величину опору лінії КЗ:
- метод обчислення напруги в знеструмленому колі;
- спосіб визначення падіння різниці потенціалів на навантажувальному імпедансі;
- вимірювання повного опору кола.
Порахувати імпеданс петлі можна, створивши штучне коротке замикання. Для цього використовують спеціальні прилади. Вони дозволяють спочатку виміряти напругу без підключеного навантаження, а потім при включенні малоомного резистора (до 10 Ом) протягом короткого часу (близько 10 мілісекунд).
Розрахунок виконують за формулою:
Z = √ (R2 + (Xl + Xc)2)
Щоб розрахувати імпеданс лінії, що складається з безлічі елементів, використовують еквівалентну схему, що складається з резисторів. Всі дані трансформаторів, ліній, різних електричних компонентів, необхідні для розрахунків, наведені в довідкових таблицях. Виконуючи приведення, отримують просту схему, що складається з двох опорів — активного і реактивного.
Виконувати розрахунок струмів КЗ можна в іменованих та відносних одиницях. Для знаходження номінальних параметрів системи застосовують стандартні формули:
Zn = U/p та I = P/√(3 * U)
Зв’язок між одиницями можна встановити, виразивши параметри через базисні значення.
Z = Zn * (Un2/Sn)
При спрощених обчисленнях заведено робити розрахунок струмів КЗ у відносних одиницях.
Явища при короткому замиканні
Як виявилося, струм короткого замикання непостійний у часі. Існує 2 поняття, що описують процес становлення СКЗ: ударний струм та сталий. Вони визначають поведінку протікання процесу.
Ударний виникає в перший момент часу при замиканні провідників. Він являє собою імпульс з максимальною амплітудою. Потім сила струму спадає, її значення стає постійним. При розрахунках даний процес представляють сумою двох коефіцієнтів: аперіодичним і періодичним. Тобто вважають, що струм постійний на всьому протязі часу.
Якщо розглянути еквівалентну схему, стає зрозумілим, чому при КЗ відбувається осідання напруги в мережі. Струм, проходячи через всі елементи, які знаходяться між ним і джерелом, викликає втрати. У точці КЗ напруга стає мінімальною, а у всій мережі вона різко зменшується. Причому чим далі знаходиться генератор, тим зниження напруги сильніше.
Чим далі виникає КЗ від електростанції, тим його значення менше. Якщо в високовольтних колах відбувається істотне виділення тепла і виникнення іскор, ближче до споживача, зазвичай, виникає тільки дуга або маленький спалах. З іншого боку, на цьому явищі побудована робота аналогового зварювального трансформатора.
Однак методика обчислення залишається незмінною. Але разом з цим, щоб точно переконатися, наскільки правильно обраний автоматичний запобіжник від КЗ, виконують вимір опір петлі фаза-нуль.
Вважається, що безпека здійсненна, якщо вимірювання задовольняють наступну нерівність:
Z ≤ 2 * U0/3 * Ia
де:
- Z – виміряне значення петлі в омах;
- U0 – напруга фази в вольтах;
- I0 – струм спрацьовування автомата відповідно до умов, наведеними в ГОСТ.
Обчислення можна виконати і на різноманітних онлайн-калькуляторах.
