Меню

Как измерить ток короткого замыкания в цепи



Что такое ток короткого замыкания?

Ток короткого замыкания (short-circuit current) — это сверхток в электрической цепи при коротком замыкании (определение согласно ГОСТ 30331.1-2013). В некоторой нормативной документации используется сокращение «ток КЗ».

Харечко Ю.В. конкретизировал понятие «ток короткого замыкания» следующим образом [2]:

« Ток короткого замыкания представляет собой одну из разновидностей сверхтока. В отличие от тока перегрузки ток короткого замыкания обычно возникает в условиях повреждений, когда повреждается изоляция каких-либо проводящих частей, находящихся под разными электрическими потенциалами, и между ними возникает электрический контакт с пренебрежимо малым полным сопротивлением. В условиях повреждений также возможно замыкание частей, находящихся под напряжением, на открытые и сторонние проводящие части, которые в электроустановках зданий с типами заземления системы TN-S, TN-C-S и TN-C имеют электрическую связь с заземленной нейтралью источника питания. »

« Токи замыкания на землю в системах TN, протекающие по фазным проводникам и защитным или PEN-проводникам, будут сопоставимы с токами однофазных коротких замыканий, которые протекают по фазным проводникам и нейтральным или PEN-проводникам. »

Ток короткого замыкания может также возникнуть в нормальных условиях, когда отсутствуют повреждения, из-за ошибочного соединения проводящих частей с разными электрическими потенциалами, допущенного при монтаже и эксплуатации электроустановки здания. Если ошибочно выполнено электрическое соединение, например, фазного и нейтрального проводников какой-то электрической цепи, то при ее включении по обоим проводникам будет протекать ток однофазного короткого замыкания.

Особенности.

В своей книге [2] Харечко Ю.В. также отразил некоторые особенности, которые касаются понятия «ток короткого замыкания»:

« Величина тока короткого замыкания может многократно (на несколько порядков) превышать значение тока перегрузки и тем более значение номинального тока. Даже кратковременное его воздействие на какие-либо элементы электроустановки зданий может вызвать их механическое повреждение, перегрев, возгорание и, как следствие, явиться причиной пожара в здании. Поэтому электрооборудование в электроустановках зданий, прежде всего – проводники электрических цепей, должно быть надежно защищено от токов короткого замыкания с помощью устройств защиты от сверхтока – автоматических выключателей и плавких предохранителей. »

« Токи короткого замыкания определяют при проектировании электроустановок зданий и учитывают при выборе характеристик электрооборудования. Максимальные токи короткого замыкания всегда соотносят с предельными сверхтоками, которые способны отключить коммутационные устройства и устройства защиты от сверхтока, а также могут пропустить через себя некоторые виды электрооборудования. Минимальные токи короткого замыкания используют для проверки способности устройств защиты от сверхтока выполнить их отключение в течение нормируемого или предпочтительного промежутка времени. »

О методике расчета токов короткого замыкания.

Методики расчета токов короткого замыкания изложены в ГОСТ 28249-93, в стандартах и технических отчетах комплекса МЭК 60909. ГОСТ 28249-93 распространяется на трехфазные электроустановки переменного тока напряжением до 1 кВ, присоединенные к энергосистеме или к автономным источникам электрической энергии. Стандарт устанавливает общую методику расчета токов симметричных и несимметричных коротких замыканий в начальный и произвольный моменты времени с учетом параметров синхронных и асинхронных машин, трансформаторов, реакторов, кабельных и воздушных линий электропередачи, а также шинопроводов.

Комплекс МЭК 60909 применяют для расчета токов короткого замыкания в низковольтных и высоковольтных электроустановках переменного тока частотой 50 или 60 Гц. Однако, как указано в стандарте МЭК 60909-0, электрические системы с напряжением 550 кВ и более, имеющие протяженные линии электропередачи, требуют специального рассмотрения.

Источник

Измеряем ток КЗ в квартире и на даче

Сегодняшняя статья — продолжение моей статьи, которая вышла в журнале № 6 за прошлый год под интригующим названием «Ток короткого замыкания: размер имеет значение». Продолжаю рассказывать про ток КЗ. На этот раз про то, как можно измерить этот важный параметр электросети 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.

Атрибуты электрика

При эксплуатации электросети важно мониторить параметры ее качества, основной их которых — напряжение. Об этом я писал в одном из прошлых номеров журнала. 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 все 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 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.

Плохую службу может сослужить тот факт, что ток КЗ является величиной непостоянной, зависящей от многих факторов. Например, ток КЗ в отдельно взятой розетке может меняться от событий, которые практически не поддаются фиксации:

  • замена питающего трансформатора на ТП;
  • замена любого участка электрической сети, в том числе высоковольтного;
  • изменение состояния защитного и коммутационного оборудования (рубильники, автоматические выключатели);
  • увеличение или уменьшение напряжения в точке КЗ, которое может происходить по нескольким причинам;
  • ухудшение или улучшение контакта (изменение переходного сопротивления) в любой точке сети — от клемм трансформатора до клемм нашей розетки;
  • ухудшение контакта (вплоть до полного обрыва) нейтрального проводника.

Косвенно о низком токе КЗ можно сказать и без приборов, опираясь на такие факты:

  • удаленность от трансформаторной подстанции;
  • низкая мощность трансформатора;
  • нестабильность напряжения в зависимости от времени суток или при включении мощных электроприборов.

Чем плох и хорош низкий и высокий ток КЗ, я подробно рассмотрел в первой части статьи.

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:

  • оценить способность установленных автоматических выключателей обеспечить защиту при коротком замыкании;
  • оценить селективность разных уровней защиты;
  • проверить сопротивление заземляющего устройства (качество контура системы заземления).

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 в режиме амперметра 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. Делать это возможно 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 закона Ома для полной цепи

Иными словами, получаем резистивный делитель напряжения: напряжение на его выходе 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.
Наша задача — рассчитать ток короткого замыкания Iкз, который равен току, протекающему через внутреннее сопротивление источника питания Ri, при напряжении холостого хода Uхх и нулевом сопротивлении нагрузки (Rн=0, Uн=0). Таким образом наша основная формула будет иметь такой вид:

Читайте также:  Правило буравчика если ток направлен от нас

Основная формула

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.

Теперь дело за малым — определить внутреннее сопротивление источника (сопротивление петли «фаза-ноль») Ri. Это можно сделать тремя способами, про которые я сейчас расскажу.

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:

Применение закона Ома на практике

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.

Расчет петли «фаза-ноль» через сопротивление нагрузки

Вторую формулу можно получить, составив уравнение пропорциональности между сопротивлениями Ri и Rн и напряжениями на них.

Формула 2

Чтобы использовать формулу (2), нужно предварительно измерить сопротивление нагрузки при помощи омметра. Поскольку мы условились, что реактивную составляющую мы не учитываем, 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.

Расчет петли «фаза-ноль» через мощность нагрузки

Составляющие закона Ома зависят от номинальной мощности нагрузки Рном, поэтому путем нехитрых манипуляций получаем следующую формулу:

Формула 3

Чтобы проводить расчеты по формуле (3), нужно знать номинальное напряжение (обычно 220 или 230 В) и мощность нагрузки. Обычно их приводит производитель. Вот фото шильдика нагревателя с Uном=230 В и Рном=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:

Uхх, В Uн, В Rн, Ом Iн, A Uном, В Рном, Вт
232 224 39 6,1 230 1500

Далее, используя формулы (1), (2) и (3), я рассчитал сопротивление петли «фаза-ноль» Ri в трех вариантах. Соответствующие токи Iкз посчитаны по формуле (0):

Формула Ri, Ом Iкз, А
(1) 1,31 176,90
(2) 1,39 166,56
(3) 1,23 189,13

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 непроверенных 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 16 А. Обладая характеристикой отключения «С», они с некоторой вероятностью отключат свою линию при токе КЗ от 80 до 159 А, а при сверхтоке более 160 А вероятность отключения равна 100 %. Поэтому ток КЗ 166 А можно считать в данном случае достаточным.

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 абсолютно приемлемые результаты (176 и 189 А).

Измерение тока КЗ в дачном домике

Несмотря 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:

Uхх, В Uн, В Rн, Ом Iн, A Uном, В Рном, Вт
213 186 16,5 11,6 230 3500
Формула Ri, Ом Iкз, А
(1) 2,33 91,51
(2) 2,40 88,93
(3) 1,77 120,05

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 времятоковой 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 все — измерения, расчеты и выводы я сделал. В следующей части раскроем более глобальный аспект данной темы — обеспечение селективности защиты в электрических цепях.

Источник

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:

  • B при 3…5 кратном превышении номинального тока;
  • С при 5…10 кратном превышении номинального тока;
  • D при 10…20 кратном превышении номинального тока.

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.

Источник

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.

  • Замена питающего трансформатора на ТП;
  • Замена любого участка электрической сети, в том числе высоковольтного;
  • Изменение состояния защитного и коммутационного оборудования (рубильники, автоматические выключатели и т.д.);
  • Увеличение или уменьшение напряжения в точке КЗ, которое может происходить по нескольким причинам;
  • Ухудшение или улучшение контакта (изменение переходного сопротивления) в любой точке сети – от клемм питающего трансформатора до клемм нашей розетки;
  • Ухудшение контакта (вплоть до полного обрыва) нейтрального проводника.

Косвенно о низком токе КЗ можно сказать и без приборов, опираясь на такие факты:

  • Удаленность от трансформаторной подстанции;
  • Низкая мощность трансформатора;
  • Нестабильность напряжения в зависимости от времени суток или при включении мощных электроприборов.

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:

  • Оценить способность установленных автоматических выключателей обеспечить защиту при коротком замыкании;
  • Оценить селективность разных уровней защиты;
  • Проверить сопротивление заземляющего устройства (качество контура системы заземления).

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 закона Ома

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 .

Напряжение Uхх – это напряжение холостого хода, которое будет действовать на вторичной обмотке трансформатора, когда нагрузка не подключена. – напряжение на нагрузке, которое всегда меньше Uхх. В расчетах будет фигурировать и номинальное напряжение Uном, которое обычно бывает равным 220 или 230 В.

СамЭлектрик.ру в социальных сетях

Подписывайтесь! Там тоже интересно!

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:

Нагрузка мощностью 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

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

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: 52 раз./

А обсудить её можно тут, на блоге СамЭлектрик.ру, в комментариях. Буду рад всем замечаниям и вопросам!

Источник

Ток короткого замыкания — формула и методы расчета

Общие сведения

Все существующие материалы в электротехнике разделяют на 2 больших класса: проводники и диэлектрики. Первые способны пропускать через себя электрический ток. В качестве примера проводников можно привести металлы, а непроводников — пластмассы, резину. С физической точки зрения, способность пропускать электроток зависит от свойств материалов.

Как оказалось, в процессе переноса зарядов участвуют электроны. Природа так устроена, что все тела состоят из атомов и молекул. Они связаны между собой электромагнитными силами. Основу вещества составляет ядро, включающее в себя нейтрон и протон — положительно заряженную частицу. Вокруг центра по орбитали вращается электрон — отрицательный элемент. В нормальном состоянии количество и тех и других совпадает, поэтому тело электрически нейтральное.

Если на вещество действует сторонняя сила, электроны могут разорвать свою связь с атомом и стать свободными. При этом в структуре материала могут уже быть свободные частицы. Возникают они из-за примесей или различных дефектов кристаллической решётки. В состоянии покоя свободные частицы могут хаотично двигаться по структуре.

Но стоит только к телу приложить электромагнитную силу, их движение становится упорядоченным. Возникает явление, называемое электрическим током. Характеризуется он силой. Это величина, показывающая, какое количество зарядов может протечь через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Чтобы возникла сила тока, нужно выполнение трёх условий:

  • существование свободных носителей заряда;
  • создание электромагнитного поля;
  • замкнутость цепи.

Количественно определить силу тока можно с помощью закона Ома: I = U/R. Проведя ряд экспериментов, учёный открыл правило, согласно которому значение тока пропорционально работе, выполняемой для переноса заряда из одной точки в другую и обратно пропорционально сопротивлению материала.

Последняя величина довольно важная характеристика. По своему смыслу сопротивление — параметр обратный проводимости, то есть определяет тип материала.

Суть процесса

При включении любого электрического прибора в цепь происходит замыкание линии. По ней начинает проходить электроток. Он течёт от источника питания через нагрузку (потребителя) и возвращается. Сила тока определяется нагрузочным сопротивлением элементов, подключённых к цепи. Если R большое, величина силы тока небольшая. В ином случае она может достигать больших значений. Ситуация, при которой происходит электрическое соединение плюсового и минусового контакта электрической линии, называют коротким замыканием.

Например, можно представить простую цепь, состоящую из источника тока и лампы накаливания. Чтобы она засветилась, один из выводов источника (фаза) следует подключить к одному из электродов лампы, а другой — ко второму контакту осветительного устройства (нулевой). В замкнутой цепи появится ток, который, проходя по вольфрамовому проводнику лампы, приведёт к его разогреву с излучением света. Такая работа называется штатной или нормальной.

Но если по каким-то причинам возникнет дополнительный контакт между выводами источника питания, причём его сопротивление будет пренебрежительно мало, практически весь генерируемый ток устремится по нему. Произойдёт шунтирование фазы питания с нулём. В результате всё напряжение окажется приложенным к выводам генерирующего устройства. И сила тока, возникшая в цепи, будет определяться только внутренним сопротивлением источника питания.

Сила тока резко возрастёт. Учитывая закон Джоуля — Ленца, определяющий тепловое действие электротока, возрастёт нагрев электрической цепи. Если сила тока при КЗ вырастет в 2 раза, выделившееся тепло увеличится в 40 раз. Явление часто сопровождается расплавлением проводов и возгоранием. Вот поэтому так важно уметь выполнять расчёт токов короткого замыкания для 110 В, 220 В или 380 В. Это те напряжения, что используются в быту и промышленности, обеспечивающие работу электроприборов и установок.

Различают следующие виды КЗ:

  • однофазное — установление контакта между фазовой линией и нулевой;
  • двухфазное — замыкание фаз между собой или их общее соединение с землёй;
  • трёхфазное — наблюдается в сетях 380 вольт при соединении трёх фаз.

Следует отметить, что КЗ возникнет лишь в том случае, если соединение будет иметь наименьшее сопротивление на замкнутом участке цепи, чем предусмотренное нормальным режимом работы. Определяется же он согласно ГОСТ и правилами устройства электроустановок (ПУЭ).

Измерение тока КЗ

Расчёт КЗ необходим для правильного подбора устройств, способных защищать цепи от этого явления, поэтому крайне важно знать, до какой величины может подняться ток при замыкании в определённой точке. Выполнение работ предполагает определение сопротивления линии от места измерений до трансформаторной подстанции. Затем по результатам выполняется расчёт токов трёхфазного КЗ или однофазного, в зависимости от типа используемой электролинии.

При возникновении аварийной ситуации замыкания фазы на фазу или на корпус фактически появляется новая электрическая цепь — «петля» короткого замыкания. Есть несколько способов, с помощью которых можно определить величину сопротивления линии КЗ:

  • метод вычисления напряжения в обесточенной цепи;
  • способ определения падения разности потенциалов на нагрузочном импедансе;
  • измерение полного сопротивления цепи.

Посчитать импеданс петли можно, создав искусственное короткое замыкание. Для этого используют специальные приборы. Они позволяют сначала измерить напряжение без подключённой нагрузки, а затем при включении малоомного резистора (до 10 Ом) в течение короткого времени (порядка 10 миллисекунд).

Полное сопротивление линии состоит из активной и реактивной составляющей. Расчёт выполняют по формуле: Z = √ (R 2 + (Xl + Xc) 2 ). Чтобы рассчитать импеданс линии, состоящей из множества элементов, используют эквивалентную схему, состоящую из резисторов. Все данные трансформаторов, линий, различных электрических компонентов, необходимые для расчётов, приведены в справочных таблицах. Выполняя приведение, получают простую схему, состоящую из двух сопротивлений — активного и реактивного.

Выполнять можно расчёт токов КЗ в именованных единицах и относительных. Для нахождения номинальных параметров системы применяют стандартные формулы: Zn = U / P и I = P / √ (3 * U). Связь между единицами можно установить, выразив параметры через базисные значения. Z = Zn * (Un 2 /Sn). При упрощённых вычислениях принято делать расчёт токов КЗ в относительных единицах.

Явления при замыкании

Как оказалось, ток короткого замыкания непостоянен во времени. Существует 2 понятия, описывающие процесс становления ТКЗ: ударный ток и установившийся. Они определяют поведение протекания процесса. Ударный возникает в первый момент времени при замыкании проводников. Он представляет собой импульс с максимальной амплитудой. Затем сила тока спадает, её значение становится постоянным. При расчётах процесс представляют суммой двух коэффициентов: апериодическим и периодическим. То есть считают, что ток постоянен на всём протяжении времени.

Если рассмотреть эквивалентную схему, становится понятным, почему при КЗ происходит просадка напряжения в сети. Ток, проходя через все элементы, которые находятся между ним и источником, вызывает потери. В точке КЗ напряжение становится минимальным, а во всей сети резко уменьшается. Причём чем дальше находится генератор, тем снижение весомее.

Это явление опасно тем, что на шинах генераторного напряжения происходит перевозбуждение обмоток. В них возникает большой нагрев, что в итоге приводит к пробою. Причём он часто сопровождается появлением искры. Чем дальше возникает КЗ от электростанции, тем его значение меньше. Если в высоковольтных цепях происходит существенное выделение тепла и возникновение искр, ближе к потребителю обычно возникает только дуга или маленькая вспышка. С другой стороны, на этом явлении построена работа аналогового сварочного трансформатора.

Однако методика вычисления остаётся неизменной. Но вместе с этим, чтобы точно убедиться, насколько правильно выбран автоматический предохранитель от КЗ, выполняют измерение сопротивление петли фаза-ноль. Считается, что безопасность выполнима, если измерения удовлетворяют следующему неравенству: Z ≤ 2 * U 0 / 3 * Ia, где:

  • Z — измеренное значение петли в омах;
  • U0 — напряжение фазы в вольтах;
  • I0 — ток срабатывания автомата в соответствии с условиями, приведёнными в ГОСТ 50571 .16−99.

Вычисления можно выполнить и на так называемых онлайн-калькуляторах. Найти с их использованием ТКЗ не представляет трудностей даже человеку, слабо разбирающемуся в процессах, возникающих при замыкании.

Чтобы определить, чему он будет равен, нужно на сайте заполнить предлагающиеся графы и нажать кнопку «Расчёт». Через несколько секунд результат будет выведен на экран.

Источник