Zkratový proud a jeho výpočet. Šokový zkratový proud

Jednou dáma, která není příliš informovaná v elektrotechnickém průmyslu, uvedla instalační firma důvod, proč ve svém bytu ztrácela světlo. Toto se ukázalo jako zkrat a žena požadovala, aby byla okamžitě prodloužena. V tomto příběhu se člověk může smát, ale je lepší lépe uvažovat o této obtížnosti podrobněji. Elektrikáři a bez tohoto článku vědí, co je tento jev, co hrozí a jak vypočítat zkratový proud. Následující informace jsou určeny lidem, kteří nemají technické vzdělání, ale stejně jako všichni ostatní nejsou pojištěni z problémů spojených s provozem strojů, strojů, výrobních zařízení a nejběžnějších domácích spotřebičů. Je důležité, aby každá osoba věděla, jaký je zkrat, jaké jsou její příčiny, možné důsledky a metody prevence. Nepokládejte se v tomto popisu bez znalosti základů elektrotechniky. Nevědí, že jejich čtenář se může nudit a nedokončí čtení článku až do konce.

Populární prohlášení o Ohmově zákonu

Bez ohledu na povahu proudu elektrický obvod dochází pouze v případě, že existuje potenciální rozdíl (nebo napětí, je to stejné). Povahu tohoto jevu lze vysvětlit příkladem vodopádu: pokud je rozdíl v hladinách, voda proudí určitým směrem, a pokud ne, zůstává klidná. Dokonce i školáci vědí Ohmův zákon, podle něhož proud je větší, čím vyšší je napětí, tím nižší je odpor, který je vyšší v zatížení:

I = U / R,

kde:

Já je velikost proudu, který se někdy nazývá "proudem", ačkoli to není příliš kompetentní překlad z německého jazyka. Měří se v ampérech (A).

Ve skutečnosti, síla (to je příčina zrychlení) nemá proud sám o sobě, což je přesně to, co se objeví během zkratu. Tento termín se již stal obvyklým a často se používá, ačkoli učitelé na některých univerzitách slyšeli z úst studenta slova "současná síla" okamžitě "nestačí". "Ale co oheň a kouř pocházejí z kabeláže během zkratu? - tvrdošíjný oponent se zeptá: - Není to moc? "Na tuto poznámku je odpověď. Faktem je, že neexistují ideální vodiče a jejich topení je kvůli této skutečnosti. Pokud předpokládáme, že R = 0, teplo by nebylo přiděleno, jak vyplývá z níže uvedeného zákona Joule-Lenz.

U je stejný potenciální rozdíl, nazývaný také napětí. Měříme ve voltech (máme B, V zahraničí V). Také se nazývá elektromotorická síla (EMF).

R je elektrický odpor, tj. Schopnost materiálu zabránit průchodu proudu. V dielektrikách (izolátory) je v průřezech velký, i když ne nekonečný, je malý. Měří se v ohmech, ale je odhadnuto jako specifická hodnota. Je samozřejmé, že čím silnější je ten drát, tím lepší je proud a čím déle to je, tím horší. Proto je odpor měřen v ohmech vynásobeném čtvercovým milimetrem a dělený metrem. Navíc je jeho hodnota ovlivněna teplotou, tím vyšší je, tím větší je odpor. Například zlatý vodič o délce 1 metr a průřez 1 čtverec. mm při 20 ° C má celkový odpor 0,024 Ohm.

Existuje také Ohmův zákonový vzorec pro celý obvod, do něj vstupuje vnitřní (vnitřní) odpor zdroje napětí (EMF).

Dvě jednoduché, ale důležité vzorce

Chápání důvodu, proč vzniká zkratový proud, je nemožné, aniž bychom zvládli jiný jednoduchý vzorec. Výkon spotřebovaný zátěží je stejný (bez zohlednění reaktivních složek, ale o nich později) na proud a napětí.

P = U x I,

kde:

P - výkon, Watt nebo Volt-Ampere;

U - napětí, Volt;

I - proud, Ampere.

Síla nekonečného se nestane, je vždy něco omezeného, ​​takže když jeho pevná hodnota se zvyšujícím se proudovým napětím klesá. Závislost těchto dvou parametrů pracovního obvodu, graficky vyjádřená, se nazývá charakteristika proudového napětí.

A další vzorec potřebný k výpočtu zkratových proudů je zákon Joule-Lenz. To dává představu o tom, kolik tepla je uvolněno, když je odolné proti zatížení, a je velmi jednoduché. Vodič se zahřeje s intenzitou úměrnou napětí a čtverci proudu. A samozřejmě, vzorec se bez časů nedaří, čím déle je odpor vytápěn, tím více tepla se uvolní.

Co se děje v obvodu během zkratu?

Takže čtenář může předpokládat, že zvládl všechny hlavní fyzikální zákony, aby pochopil, jaká velikost zkratového proudu může být (dobře, nech to být). Ale nejprve je třeba se rozhodnout, co vlastně je. Zkrat (zkrat) je situace, kdy je zatěžovací odpor téměř nulový. Podíváme se na formula Ohmova zákona. Pokud budeme zvažovat jeho možnost pro část okruhu, je snadné pochopit, že proud bude mít tendenci k nekonečnu. V plné verzi bude omezena odporem zdroje EMF. V každém případě je zkratový proud velmi vysoký a podle zákona Joule-Lenze, čím více je, tím více se ohřívá vodič, podél kterého jde. Závislost navíc není přímá, ale kvadratická, to znamená, že pokud se zvýší stokrát, teplo se uvolní desetkrát více. To je nebezpečí tohoto jevu, které někdy vede k požárům.

Vodiče se ohřívají červeně horkým (nebo bílým), přenášejí tuto energii na stěny, stropy a jiné předměty, které se dotýkají, a zapálí je. Pokud se fáze některého zařízení dotkne neutrálního vodiče, vznikne zkratový proud zdroje, který je sám uzavřen. Palivová základna elektroinstalace je noční můrou pro požární inspektory a příčinou mnoha pokut uložených nezodpovědným majitelům budov a prostor. A důvodem nejsou samozřejmě zákony Joule-Lenz a Om, ale izolace, která se vysušila ze stáří, nepřesná nebo negramotná instalace, mechanické poškození nebo přetížení kabeláže.

Nicméně zkratový proud, bez ohledu na to, jak velký, je také nekonečný. Velikost problémů, které může způsobit potíže, ovlivňuje dobu vytápění a parametry napájecího obvodu.

Střídavé obvody

Výše uvedené situace měly obecný charakter nebo souvisely s jednosměrnými obvody. Ve většině případů je napájení obytných i průmyslových zařízení vyráběno ze sítí střídavého napětí 220 nebo 380 V. Problémy se zapojení stejnosměrný proud nejčastěji se vyskytují ve vozidlech.

Existuje rozdíl mezi těmito dvěma základními typy napájení a významný. Faktem je, že průchod střídavého proudu brání další složky odporu, nazývané reaktivní a v důsledku vlnové povahy jevů, které v nich vznikají. Indukčnosti a kapacity reagují na střídavý proud. Zkratový proud transformátoru je omezen nejen aktivním (nebo ohmickým, tj. Měřitelným testem kapesního přístroje), ale také jeho indukční složkou. Druhý typ zatížení je kapacitní. Ve vztahu k aktivnímu vektoru proudu jsou vektory reaktivních složek odmítnuty. Indukční proud zaostává za sebou a kapacitní proud je dopředu o 90 stupňů.

Příklad rozdílu v chování zátěže s reaktivní složkou může sloužit jako normální reproduktor. Její někteří milovníci hlasitého přetížení hudby dokud difuzér nezaklopí magnetické pole dopředu. Cívka letí z jádra a okamžitě hoří, protože indukční složka jeho napětí klesá.

Druhy KZ

Krátký proud může nastat v různých obvodech připojených k různým zdrojům přímého nebo střídavého proudu. Nejjednodušší věc je s obvyklým plusem, který se náhle spojil s mínusem a obcházel užitečné zatížení.

Ale s možností střídavého proudu víc. Jednofázový zkratový proud nastává, když je fáze připojena k neutrálu nebo k uzemnění. V třífázové síti může dojít k nežádoucímu kontaktu mezi dvěma fázemi. Napětí 380 nebo více (při přenosu energie na dlouhé vzdálenosti přes napájecí vedení) může volt také způsobit nepříjemné následky, včetně záblesku oblouku v době přepnutí. Všechny tři (nebo čtyři, společně s neutrálním) vodičem mohou být současně zkratovány a třífázový zkratový proud bude protékat, dokud nebude aktivován automatický ochranný systém.

Ale to není všechno. U rotorů a statorů elektrických strojů (motorů a generátorů) a transformátorů se někdy vyskytuje takový nepříjemný jev jako obratový obvod, ve kterém sousední drátěné smyčky tvoří určitý prstenec. Tato uzavřená smyčka má v AC síti extrémně nízký odpor. Zkratový proud ve svitcích se zvyšuje, což způsobuje ohřev celého stroje. Ve skutečnosti, pokud k takovému neštěstí došlo, neměli byste čekat, než se roztaví veškerá izolace a elektromotor začne kouřit. Vinuti stroje musí být navinut, proto potřebujete speciální zařízení. Totéž platí pro ty případy, kdy vznikl zkratový proud transformátoru v důsledku "obratu". Čím méně spaluje izolace, tím jednodušší a levnější bude zpětné převíjení.

Výpočet velikosti proudu během zkratu

Bez ohledu na to, jak katastrofální je tento nebo ten jev, pro inženýrství a aplikovaná věda jeho kvantitativní posouzení je důležité. Zkratový proudový vzorec je velmi podobný zákonu Ohmův, vyžaduje jen nějaké vysvětlení. Takže:

I krátký řez = Uph / (Zn + Zt),

kde:

I k.z. - velikost zkratového proudu A;

Uf - fázové napětí, V;

Zn je celková (včetně reaktivní složky) odpor zkratované smyčky;

Zt je celkový odpor (včetně reaktivní složky) výkonového transformátoru (výkon), Ohm.

Impedance jsou definovány jako hypotenze pravého trojúhelníku, jehož nohy jsou aktivní a reaktivní (indukční) rezistence. Je to velmi jednoduché, musíte použít Pythagorovu větu.

O něco častěji než ve formulaci zkratového proudu se v praxi používají experimentálně odvozené křivky. Jsou to závislosti hodnoty I k.z. na délce vodiče, drátu a výkonového transformátoru. Grafy jsou sada sestupných exponenciálních linií, z čehož zůstává pouze výběr vhodného. Metoda dává přibližné výsledky, ale jejich přesnost plně vyhovuje praktickým potřebám inženýrů napájení.

Jak probíhá proces

Zdá se, že se všechno stane okamžitě. Něco bzučelo, světlo zmizelo a okamžitě vyšlo ven. Ve skutečnosti, jako každý fyzický jev, proces může být mentálně roztažen, zpomalován, analyzován a rozdělen na fáze. Před nástupem nouzového momentu je obvod charakterizován hodnotou proudu v ustáleném stavu, která je v mezích jmenovitého režimu. Náhle se celkový odpor prudce snižuje na hodnotu blízkou nule. Indukční součásti (elektromotory, tlumivky a transformátory), jako by zpomalily proces současného růstu. Takže v prvních mikrosekundách (až 0,01 s) zůstává síla zkratového proudu zdroje napětí téměř nezměněna a dokonce poněkud klesá kvůli zahájení přechodného procesu. Zároveň jeho emf postupně dosáhne nulové hodnoty, pak projde skrze ni a nastaví se na nějakou stabilizovanou hodnotu, která zajistí tok velkého I k.s. Současný proud v době přechodového procesu je součtem periodických a neperiodických složek. Forma grafu procesu je analyzována a výsledkem je, že je možné určit konstantní časové období v závislosti na úhlu sklonu tangenty k akcelerační křivce v jeho inflexním bodu (první derivát) a na čas zpoždění určený hodnotou reaktivní (indukční) složky celkového odporu.

Šokový proudový zkrat

Termín "zkratový proud šoku" se často nachází v technické literatuře. Neměli byste se bát tohoto pojetí, není to vůbec tak strašné a nemá přímý vztah k porážce elektřinou. Koncept tohoto znamená maximální hodnotu I k. v obvodu střídavého proudu a dosahuje jeho hodnoty obvykle půl roku po vzniku nouzové situace. Při frekvenci 50 Hz je doba 0,2 sekundy a její polovina je 0,1 sekundy. V tomto okamžiku dosahuje vzájemné působení vodičů, které se nacházejí blízko sebe, největší intenzitou. Šokový proud zkratu je určen vzorem, který v tomto článku není určen pro odborníky a ani pro studenty, nemá smysl dát. Je k dispozici ve zvláštní literatuře a učebnicích. Samotný matematický výraz není zvlášť obtížný, ale vyžaduje spíše zdlouhavé komentáře, které prohloubí čtenáře do teorie elektrických obvodů.

Užitečný zkrat

Zdá se, že zřejmým faktem je, že zkrat je extrémně špatný, nepříjemný a nežádoucí jev. To může vést k tomu, že v nejlepším případě by došlo k odpojení objektu, vypnutí nouzového ochranného zařízení a v nejhorším případě k zapojení a dokonce k požáru. V důsledku toho se musí všechny síly soustředit na to, jak se vyhnout této pohromě. Nicméně výpočet zkratových proudů má velmi reálný a praktický význam. Vynaložil spoustu technických nástrojů pracujících v režimu vysokých proudových hodnot. Příkladem by mohl být konvenční svařovací stroj, obzvláště oblouk, který v době provozu zkratuje elektrodu s uzemněním. Dalším problémem je, že tyto režimy jsou krátkodobé a že výkon transformátoru může odolat tomuto přetížení. Při svařování v místě dotyku konce elektrody procházejí obrovskými proudy (měří se v desítkách ampérů), v důsledku čehož je uvolněno dostatečné množství tepla k místnímu tavení kovu a vytváření silného svaru.

Metody ochrany

V prvních letech rychlého vývoje elektrotechniky, kdy lidstvo stále experimentovalo, zavedlo zařízení pro galvanické pokovování, vymyslelo různé typy generátorů, motorů a osvětlení, vznikl problém ochrany těchto zařízení před přetíženími a zkratovými proudy. Nejjednodušším řešením bylo instalace tavitelných prvků do série se zatížením, které se skolabovalo pod vlivem odporového tepla, v případě, že proud překročil nastavenou hodnotu. Tyto pojistky jsou dnes lidé, jejich hlavními výhodami jsou jednoduchost, spolehlivost a nízké náklady. Ale mají nevýhody. Velmi jednoduchost "korku" (tzv. Tavitelných držáků sazeb pro jejich specifickou formu) vyvolává uživatele poté, co vypálil, neposlouchal filozoficky, ale nahradil neúspěšné prvky prvními dráty, svorkami papíru nebo dokonce nehty. Za zmínku stojí, že taková ochrana proti zkratovým proudům nesplňuje svou ušlechtilou funkci?

U průmyslových podniků se kvůli odpojení přetížených obvodů začaly používat automatické ističe dříve než v bytových panelech, avšak v posledních desetiletích byly dopravní zácpy do značné míry nahrazeny. "Automatické" je mnohem pohodlnější, nelze je měnit, ale zapnout, eliminovat příčinu zkratu a čekající na chlazení tepelných prvků. Někdy spálí kontakty, v tomto případě je lepší je nahradit a nesnažte se je vyčistit nebo opravit. Složitější diferenciální automaty při vysokých nákladech netrvají déle než obvykle, ale jejich funkčnost je širší, odpojují napětí v případě minimálního úniku proudu "na boku", například když je osoba zasažena proudem.

V každodenním životě se nedoporučuje experimentovat se zkratem.