Что такое короткое замыкание, его виды и причины возникновения

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:

• Плавкие предохранители (применяются в том числе в бытовых электроприборах).
• Автоматические выключатели.
• Стабилизаторы напряжения.
• Устройства дифференциального тока.

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:

• Устройствами релейной защиты и другим отключающим оборудованием.
• Понижающими трансформаторами.
• Распараллеливанием цепей.
• Токоограничивающими реакторами.

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.

Как найти короткое замыкание в проводке

Определить место возникновения КЗ практически невозможно заранее, но после срабатывания автоматического выключателя нужно переходить к поиску и локализации места его появления.

Действовать нужно последовательно, по определенному алгоритму:

1. Тщательный визуальный осмотр. Если удалось обнаружить повреждение изоляции и оголенные жилы, которые соприкасаются, то вероятно причина находится здесь. Обычно повреждения появляются в местах соединения и перекрещивания проводов, в розетках, в распределительных коробках. Подгорелая изоляция оболочки проводов – это сигнал о возможном месте неисправности;
2. Отключаются все электрические приборы и лампы, затем мегаомметром измеряется сопротивление между фазой и нулем, а также между фазой и заземлением. В случае КЗ прибор покажет очень небольшую величину сопротивления.
3. Иногда КЗ возникает в подключенных электрических приборах. В таком случае его можно вычислить методом исключения. Отключаются все приборы, и включается автоматический выключатель. Затем по очереди подключаются приборы. Пока не сработает автомат.
4. Известны и народные методы определения КЗ по звуку, издаваемому в месте возникшего короткого замыкания. Другой способ – определение проблемной зоны по запаху плавящейся или горелой пластмассы. Конечно, специалисты не рекомендуют использовать дедовские способы, ведь сейчас существуют приборы, которые точно определяют место неисправности электросети.

Польза короткого замыкания

На основе короткого замыкания зародилась дуговая сварка, которая используется на производстве. Точка контакта стержня и металлическая поверхность нагревается до температуры плавления, металлическая конструкция соединяется в единое целое. Например, современные кузова автомобилей скреплены именно посредством короткого замыкания – дуговой сварки.

Как мы увидели, короткое замыкание может приносить разрушения, если сила тока используется не по назначению. Если правильно управлять энергией, можно достичь отличных технических достижений.

Рассмотрим особый случай параллельного соединения проводников — так называемое короткое замыкание.

Им называется параллельное включение в цепь проводника с очень маленьким сопротивлением. Рассмотрим пример. Пусть лампы и выключатель соединены так, как показано на схемах

Обратите внимание, что выключатель и вторая лампа соединены параллельно, кроме того, замкнутый выключатель на правой схеме — проводник с очень маленьким сопротивлением. Следовательно, согласно определению,на правой схеме существует короткое замыкание лампы

Пусть, например, напряжение источника тока подобрано так, что при разомкнутом выключателе обе лампы светятся не очень ярко — в полнакала (поэтому на первой схеме они наполовину закрашены). Если же выключатель замкнуть, то левая лампа будет гореть ярко, а правая лампа вообще погаснет. Таким образом, увеличение яркости левой лампы указывает нам, что при существовании в цепи короткого замыкания сила тока резко возрастает.

Согласно закону Джоуля-Ленца, возрастание силы тока может привести к перегреванию проводов и возникновению пожара. Объясним, почему левая лампа загорается ярче. Вспомним, что при параллельном соединении проводников их общее сопротивление становится меньше меньшего из них, то есть даже меньше, чем сопротивление выключателя (у которого оно и так почти равно нулю). Согласно закону Ома, уменьшение сопротивления приводит к возрастанию силы тока. А возрастание тока, согласно закону Джоуля-Ленца, приводит к более сильному накалу спирали левой лампы. Объясним теперь, почему гаснет правая лампа. Поскольку при параллельном соединении проводников напряжение на каждом из них одинаково, то напряжения на правой лампе и на выключателе одинаковы. По закону Ома U=I·R. Как мы выяснили в предыдущем абзаце, сопротивление этого соединения почти равно нулю, то есть R»0. Подставляя ноль в формулу, получим: U=I·0=0. То есть, напряжение на выключателе и лампе равно нулю (точнее, очень маленькое). Такого напряжения явно недостаточно, чтобы поддерживать свечение лампы, поэтому она гаснет.

Для защиты электроприборов от короткого замыкания применяют предохранители.

Их назначение — отключать электроэнергию в случае, если ток возрастает больше допустимой величины. На рисунке справа вы видитеавтоматический предохранитель с винтовым цоколем как у лампы. Такие предохранители (в просторечии «пробки») вворачивают в специальные патроны, которые укрепляют на стене. Существуют такжеплавкие предохранители. В них основной деталью является тонкая (диаметром около 0,1 мм) проволочка из олова или свинца (см. рисунок ниже). В случае сильного возрастания тока она практически мгновенно плавится, и цепь размыкается, прерывая ток. В отличие от «многоразовых» автоматических предохранителей, плавкие предохранители являются одноразовыми электроприборами.

Если предположить, что провода, подводящие ток к квартирной проводке, сделаны из алюминия и имеют диаметр 1 мм, то площадь сечения свинцовой проволочки окажется в 100 раз меньше. Кроме того, заглянув в таблицу, мы увидим, что удельное сопротивление свинца примерно в 10 раз больше, чем у алюминия. Следовательно, сопротивление проволочки примерно в 1000 раз больше сопротивления алюминиевого провода такой же длины. Поскольку провод и предохранитель (то есть проволочка внутри него) соединены последовательно, то сила тока в них одинакова. Так как по закону Джоуля-Ленца Q=I2Rt, следовательно, количество теплоты, выделяющееся в проволочке, в каждый момент времени в 1000 раз больше, чем в проводе. Именно поэтому проволочка плавится, а электропроводка остаётся в сохранности. В настоящее время плавкие предохранители практически не применяются в технике, уступив место автоматическим.

Меры по предотвращению КЗ в домашней электросети

Чтобы уменьшить вероятность возникновения короткого замыкания владелец жилья должен периодически производить осмотр своей сети освещения. Конечно, осмотр не даст 100% гарантии, но поможет устранить неисправности, приводящие к появлению КЗ в сети.

В процессе осмотра нужно производить следующие действия:

если розетка начала греться, искрить, появился запах пластика, то ее следует заменить новой, или отремонтировать;
ревизия всей сети освещения и силовой группы проводов проводится раз в полгода

Нужно обращать внимание на цвет изоляции. Возможные места опасного нагрева определяются по цвету изоляции проводов;
установка автоматического выключателя с УЗО

Автоматический выключатель отключит сеть в случае КЗ, а УЗО (устройство защитного отключения) реагирует на прикосновение человека к оголенным проводам. Применение этого устройства может спасти жизнь;
сечение проводов электропроводки рассчитывается исходя из суммарной мощности всех электрических приборов;
при монтаже не следует слишком плотно укладывать кабели проводки;
если нужно произвести какие-либо работы, например, просверлить стену, то следует убедиться в отсутствии электропроводки под штукатуркой в этом месте.

Не включайте частично поврежденные приборы

Если в утюге или холодильнике перетерся кабель и видна внутренняя оболочка, не включайте его, до того, как отремонтируете. Сначала аккуратно снимите верхний слой изоляции в поврежденном участке и осмотрите внешнее состояние изоляции. Все повреждения и трещины плотно замотайте изолентой. Затем верните назад верхнюю оболочку и тоже перемотайте.

Часто требуется замена штепсельной вилки, например, если она сильно расшатана или поврежден корпус. Она продается в любом переходе или магазине, потому не откладывайте с покупкой.

Повреждения могут быть не только на шнуре питания, но и внутри. Например, если Вы включаете что-либо и слышите внутри искрение. Это уже говорит о серьезной неисправности, даже если электрооборудование работает, на первый взгляд, нормально. В таком случае, выключите его из розетки и отнесите в сервисный центр (или отремонтируйте самостоятельно).

Даже если Вы проверили всю проводку и включаете только новую исправную технику, это не дает 100%-ой гарантии, что в вашей сети не случится аварии. Потому, всегда устанавливайте в щиток качественные автоматические выключатели и УЗО.

При параллельной прокладке разделяйте линии

Если у Вас проложено несколько силовых линий параллельно, старайтесь соблюдать между ними расстояние не менее 10см. Дело в том, что при плотной прокладке кабель хуже охлаждается, из-за этого сильнее нагревается оболочка, и теряются ее изоляционные свойства. В результате она может оплавиться или случится пробой, и контакты замкнутся.

Для параллельной прокладки применяются также специальные кабель-каналы с перегородкой посередине. Она изолирует силовые линии между собой.

Защищайте кабель при прокладке

Старайтесь делать скрытую проводку в стенах, штукатурке, там изоляция сохранится намного дольше и меньше риск ее повреждения. При открытой проводке старайтесь применять защитные средства: кабель-каналы, пластиковые трубы, гофру. Защищая от внешних факторов, они увеличивают срок службы проводки в несколько раз.

Замените алюминиевую проводку на медную

При меньшем сечении провода медь лучше проводит электричество и выдерживает большую нагрузку. Кроме того, она выдерживает больше механических изгибов и не так быстро окисляется, как алюминий.

В советские времена в жилых домах часто делали алюминиевую проводку. Если Ваша квартира до сих пор пользуется таким «советским наследством», задумайтесь, срок эксплуатации ее, наверняка, уже давно вышел.

Не игнорируйте пылевлагозащиту

Размещая розетки, выключатели или электроприборы в местах повышенной влажности позаботьтесь о высоком уровне пылевлагозащиты. Например, на улице, где возможны осадки, роса и туман, он должен быть не ниже IP67. Минимальный уровень для ванной IP44, если существует вероятность прямого попадания водяных брызгов, тогда лучше IP56.

Если внутрь проникнет вода, розетка начнет искриться, оплавится пластиковый корпус и в конце концов случится короткое замыкание. Потому всегда выбирайте оптимальный уровень пылевлагозащиты.

Короткое замыкание, его причины и последствия

Прежде чем переходить к вопросу, о том, как найти короткое замыкание в скрытой проводке, нужно разобраться с неприятным и опасным явлением, узнать его причины. В этом случае у мастера будет возможность предупредить возникновение таких внештатных ситуаций.

Что такое короткое замыкание?

Для того чтобы объяснить, что такое короткое замыкание, один умный человек привел аналог КЗ, но в бытовой гидравлике. Это внезапный срыв крана. Запорное устройство, работающее исправно, создает потоку воды необходимое сопротивление. Если кран вдруг срывается с резьбы, то сопротивление сразу же падает, а сила напора многократно возрастает. В этом случае хозяевам грозит потоп, ЧП с электросетью может закончиться пожаром.

Короткое замыкание, или КЗ — возникновение контакта между проводниками, имеющими разный потенциал. Причина — возрастание силы тока при снижении сопротивления элементов. Если говорить о типичной электропроводке в квартирах, то в этом случае ЧП провоцирует «внезапная встреча» фазного и нулевого провода. Если в частном доме трехфазное электропитание, то вариантов опасного контакта несколько. Например, замыкание возможно между фазой и нейтралью, а также между фазами, КЗ на землю.

Сила тока при таком контакте сильно увеличивается из-за незначительного сопротивления проводников. Последствием этого явления становится резкий скачок температуры, он провоцирует их нагрев. Если по каким-то причинам не сможет сработать защитный автомат, то температура может достичь предельного значения. Следствием критических величин нередко становится возгорание изоляции и тех материалов, которые легко самовоспламеняются.

Причины, провоцирующие короткое замыкание

Вызвать такую внештатную ситуацию в бытовой проводке может несколько разных факторов. Например:

1. Состояние изоляционных материалов, которые далеки от идеальных. Причины — их старение, особенно в местах перегибов. Свою лепту способна внести повышенная влажность, вызванная «потопом», случившимся из-за халатности соседей.
2. Механическое повреждение изоляции из-за случайного повреждения скрытой проводки. Простые примеры — гвоздь, вбитый в стену, «вмешательство» дрели или перфоратора. Чтобы предотвратить такое ЧП, перед ремонтом рекомендуют узнать, где именно находится проводка.
3. Состояние изношенной проводки. Нередко такие аварии происходят в старых домах, где главные элементы электросети не рассчитаны на реальную мощность всех бытовых электроприборов. Следствие длительной перегрузки — перегрев, расплавление изоляции.
4. Неисправности, возникающие в бытовой технике. Они также провоцируют короткое замыкание в электросети.
5. Обрыв проводов энергосетей из-за порывов ветра, налипания снега и т. д.
6. Некачественный монтаж, некорректный выбор проводников, их сечения.
7. Электроприборы (розетки, выключатели) с плохими контактами.

Самые необычные провокаторы аварии — почти вездесущие грызуны, которые могут решить поточить резцы о первый попавшийся предмет, и тем самым совершить преступление «против человечества» — перегрызть кабель. Такие случаи не повсеместное явление, но они бывают.

Причем иногда «отличаются» мирные питомцы, которые посягают на другое, движимое имущество. Например, «прославился» хомяк, по воле «судьбы» попавший в хозяйский автомобиль, и ставший потом причиной его дорогостоящего ремонта.

Серьезные последствия

Результатом короткого замыкания для хозяев жилья становится:

выход приборов из строя: в некоторых случаях их ремонт невозможен;
разрыв/расплавление выключателей, проводов, розеток;
нагрев и воспламенение изоляционных материалов;
взрыв, пожар: возможны ожоги и другие травмы;
худшее последствие — поражение током.

Во всех случаях важнее всего быстро обнаружить источник проблемы и устранить опасность. К сожалению, короткое замыкание происходит внезапно, предотвратить его или заранее определить «слабое» место в сети невозможно.

Правильная эксплуатация розеток

Но конечно лучше просто не доводить розетку до возгорания. Ведь в большинстве случаев мы своими руками практически поджигаем розетку своим неправильным обращением с ней. Поэтому мы приведем всего несколько простейших правил которые позволят вам не попадать в такую «горячую» ситуацию.

• Мы не будем советовать не вставлять в розетку посторонние вещи, не поливать ее и не выполнять других целиком очевидных вещей. При приведем правила, о которых наверняка все слышали, но почему-то забыли.
• Прежде всего не забывайте, что каждая розетка имеет свой номинальный ток. Этот параметр устанавливается исходя из мощности контактной части розетки. Обычно розетки изготавливаются на ток в 6А, что примерно соответствует приборам мощностью в 1,3кВт. Есть розетки на 10, 16 и 25А, цена которых естественно несколько выше. К ним можно подключать более мощные приборы. Но их мощность все равно не должна превышать номинального тока розетки.

На фото вы можете видеть где посмотреть номинальный ток розетки

• Розетка должна быть жестко закреплена в посадочном месте. При вытягивании вилки не должно быть люфта. В противном случае при каждом использовании розетки провода будут подвергаться деформации, что в конечном итоге приведет к их переламыванию и плохому контакту.
• Не вставляйте в розетки вилки большего диаметра. Это ведет к деформации контактной части вилки и как следствие плохому контакту. Тот в свою очередь ведет к нагреву.

Помните! Чем выше сопротивление проводника, тем больше он выделяет тепла при протекании тока. В то же время чем выше температура любого проводника, тем больше его сопротивление. Получается, что чем больше нагрет провод, тем меньший ток он может нормально пропускать. Поэтому перегретый провод при дальнейшей эксплуатации обязательно перегорит.

Если на вилке или розетки видны следы подгара как на видео, то обязательно снимите с нее напряжение и почистите. В противном случае это неизбежно приведет к возгоранию.

Что такое короткое замыкание

Коротким замыканием называется такое состояние электрической сети, при котором возникает контакт между какими-либо точками цепи с разными значениями потенциалов. Зона контакта отличается низким сопротивлением, поэтому в таком месте резко возрастает сила тока, многократно превышая допустимые значения.

Таким образом, при замыкании источника напряжения с незначительным внутренним сопротивлением, в цепи начнет протекать ток, представляющий собой отношение ЭДС этого источника и суммы, которая включает в себя внутреннее сопротивление источника и сопротивление замкнутой цепи. Когда источник тока обладает большой мощностью, сила тока значительно возрастает. Высокий потенциал наносит повреждения всем элементам цепи, в том числе, соединительным проводам и потребителям. Как правило, они быстро перегреваются и становятся причиной возгорания. В связи с этим, схема использования мощных источников питания предполагает включение в цепь защиту потребителей от коротких замыканий, возникающих под действием различных факторов. Простейшими средствами защиты от разрушений служат плавкие предохранители. Чаще всего используются автоматические защитные устройства, способные многократно восстанавливать работоспособность цепи после срабатывания, в то время как предохранители могут быть использованы лишь один раз.

Особую опасность замыкание представляет для аккумуляторных батарей. Пребывание в таком состоянии в течение длительного времени вызывает закипание электролита и его разбрызгивание. Литиевые АКБ в таких случаях перегреваются, их корпус взрывается, а сам литий начинает гореть.

Последствия КЗ и способы их предотвращения

Короткое замыкание характеризуется протеканием повышенных значений тока. В свою очередь большой ток опасен для кабелей, соединений. Это характерно лавинообразным развитием последствий замыкания. Кабеля отгорают от соединений, сами соединения нагреваются, после чего происходит их ускоренное разрушение. Нагрев может повлечь возгорание электропроводки и пожар.

Для предотвращения последствий межфазного замыкания в цепях 220/380 используются плавкие вставки, предохранители, автоматические выключатели. Предохранители, когда через них протекает ток выше номинального, перегорают, тем самым разрывая цепь. После замены предохранителя, если вы не устранили межфазное замыкание, он будет перегорать вновь и вновь.

Для улучшения условий работы и эксплуатации, устранения необходимости замены плавких элементов используются автоматические выключатели. Они реагируют как на незначительное повышение тока сверх нормы (тепловой расцепитель), так и на резкое сильное повышение (электромагнитный расцепитель). При междуфазном замыкании или между фазой и землей автоматический выключатель разъединится. В таких случаях говорят «выбил автомат». Для возобновления подачи напряжения необходимо заново взвести рычаг автомата или перевключить кнопку (на АП-шках).

На видео наглядно показывается опасность межфазного короткого замыкания (под удар попал манекен, это были показательные выступления):

https://youtube.com/watch?v=HFhNHFDz2cc

Как автоматы спасают от короткого замыкания

Принцип их работы построен на тепловом и электромагнитном расцепителях. Тепловой сделан в виде биметаллической пластины, которая при перегрузках на линии деформируется и приводит в действие механизм расцепления.

Электромагнитный – построен на работе магнитного поля, возникающего при прохождении тока в разы превышающего номинальный и срабатывает за доли секунды. Таким образом мгновенный разрыв контактов спасает от серьезных последствий короткого замыкания. Выбирают автоматы по двум параметрам:

• Номинальному току, который безопасно пропускает тепловой расцепитель;
• Времятоковой характеристике – задержке перед срабатыванием.

Сделать это не сложно, и можно даже самостоятельно. Так например, многие интернет магазины предлагают хорошие каталоги с детальными характеристиками автоматических вылючателей.

Расчет номинала

Прежде необходимо рассчитать максимальную нагрузку на линии. Например, если нужно защитить розеточную группу с нагрузкой не более 3 кВт нужен номинал 16А. Расчет делается по простой формуле:

• для однофазной сети I = P/ U;
• для трехфазной I = P / (U×cosφ),

где I – сила тока (А), P – максимальная нагрузка (Вт), U – сетевое напряжение (В), cosφ – коэффициент мощности, по умолчанию равняется √3 или 1,7.

Расчет времятоковой характеристики

Характеристика расцепления выбирается исходя из набора потребителей. Например, все электрооборудование, работающее на электромоторах издает пусковые токи, в несколько раз превышающие номинальный. Чтобы расцепитель на них не реагировал, ему нужна небольшая задержка перед срабатыванием. Автоматические выключатели делятся на три типа:

• B – с наименьшей задержкой перед срабатыванием. Ставятся на линии без пусковых токов (освещение, нагревательные приборы и пр.);
• C – со средней задержкой, для розеток, куда время от времени могут подключаться потребители с электромоторами;
• D – с наибольшей задержкой, предназначены для линий с высокими пусковыми токами (водяные насосы, холодильники и пр.).

В быту часто ставят автомат по селективному методу, когда самый мощный стоит на вводе, чуть слабее – на розетках и еще слабее – на отдельных потребителях. В таком случае при возникновении КЗ первым сработает АВ наименьшего номинала на линии, а остальные сетевые ветки продолжат работать.

Например, если стоит хоть один автомат типа D, на вводе должен стоять такой же, не ниже, иначе при аварии вводной АВ сработает первым и вся сеть останется обесточенной. По такому же принципу ставят и УЗО.

Опасность КЗ и его последствия

Негативные последствия короткого замыкания во многом зависят от места расположения аварии и продолжительности воздействия высоких токов. В связи с этим данное явление характеризуется как местное или общее.

В первом случае последствия наступают более серьезные, вплоть до открытого возгорания проводов и дальнейшего распространения пожара. Помимо проводки, загораются расположенные рядом отделочные материалы и предметы мебели. Дополнительно, короткое замыкание вызывает следующие повреждения:

• Термические и механические воздействия полностью разрушают розетки и выключатели.
• Уровень сетевого напряжения существенно понижается, в результате чего электроприборы и оборудование могут выйти из строя. Это же подтверждает эксперимент с аккумуляторами.
• Компьютеры, средства телекоммуникации и другие чувствительные электронные приборы подвергаются разрушительному воздействию электромагнитных волн.
• Каждый человек, находящийся в непосредственной близости от места аварии, может получить ожоги, механические травмы и другие увечья, опасные для жизни и здоровья.
• При попадании влаги нередко замыкает скрытая проводка. В этом случае человек может получить удар током нечаянно коснувшись стены.