Open Library - otevřená knihovna vzdělávacích informací. Zkrat Zkratový proud

Pro zajištění bezpečnosti při provozu domácích elektrických spotřebičů je nutné správně vypočítat průřez napájecího kabelu a elektroinstalace. Protože nesprávně zvolený průřez kabelu může vést k požáru vedení v důsledku zkratu. Hrozí tím požár v budově. To platí i pro volbu kabelu pro připojení elektromotorů.

Aktuální výpočet

Aktuální hodnota se počítá podle výkonu a je nezbytná ve fázi návrhu (plánování) domu - bytu, domu.

• Hodnota této veličiny závisí na výběr napájecího kabelu (drátu), jehož prostřednictvím lze k síti připojit zařízení pro spotřebu energie.
• Znalost napětí elektrické sítě a plného zatížení elektrických spotřebičů pomocí vzorce vypočítat proud, který bude muset projít vodičem(drátový kabel). Plocha průřezu jader se volí na základě jeho velikosti.

Pokud jsou elektrické spotřebiče v bytě nebo domě známy, je nutné provést jednoduché výpočty pro správnou instalaci napájecího obvodu.

Podobné výpočty se provádějí pro účely výroby: stanovení požadované průřezové plochy žil kabelu při připojení průmyslových zařízení (různé průmyslové elektromotory a mechanismy).

Napětí jednofázové sítě 220V

Síla proudu I (v ampérech, A) se vypočítá pomocí vzorce:

I=P/U,

kde P je elektrické plné zatížení (musí být uvedeno v technickém listu zařízení), W (watt);

U – napětí elektrické sítě, V (volty).

Níže uvedená tabulka ukazuje hodnoty zátěže typických domácích elektrospotřebičů a jejich odběr proudu (pro napětí 220 V).

Obrázek ukazuje schéma napájecího zařízení bytu s jednofázovým připojením k síti 220 V.

Jak je patrné z obrázku, různí spotřebitelé elektřiny jsou připojeni přes odpovídající stroje k elektroměru a poté k obecnému stroji, který musí být navržen pro zatížení zařízení, kterými bude byt vybaven. Drát, který dodává energii, musí také uspokojit zatížení spotřebitelů energie.

Níže je tabulka pro skryté zapojení pro schéma zapojení jednofázového bytu pro výběr vodičů při napětí 220 V

Jak je vidět z tabulky, průřez žil závisí kromě zatížení na materiálu, ze kterého je drát vyroben.

Napětí třífázové sítě 380V

U třífázového napájení se proudová síla I (v ampérech, A) vypočítá podle vzorce:

I = P/1,73 U,

kde P je spotřeba energie, W;

U - síťové napětí, V,

protože napětí v třífázovém napájecím obvodu je 380 V, vzorec bude mít tvar:

I = P/657,4.

Pokud je do domu přiveden třífázový zdroj s napětím 380 V, bude schéma zapojení vypadat následovně.

Průřez žil v napájecím kabelu při různém zatížení s třífázovým obvodem s napětím 380 V pro skryté vedení je uveden v tabulce.

Pro výpočet proudu v napájecích obvodech zátěže charakterizované vysokým jalovým zdánlivým výkonem, který je typický pro použití napájecího zdroje v průmyslu:

• Elektrické motory;
• Tlumivky pro osvětlovací zařízení;
• svařovací transformátory;
• indukční pece.

Tento jev je třeba vzít v úvahu při provádění výpočtů. U výkonných zařízení a zařízení je podíl jalového zatížení vyšší, a proto se pro taková zařízení ve výpočtech bere účiník rovný 0,8.

Kdysi paní, nepříliš znalé elektrotechniky, sdělil instalatér důvod ztráty světla v jejím bytě. Ukázalo se, že šlo o zkrat a žena požadovala okamžité prodloužení. Tomuto příběhu se můžete smát, ale je lepší zvážit tento problém podrobněji. Elektrotechnickí specialisté, i bez tohoto článku, vědí, jaký je tento jev, co ohrožuje a jak vypočítat zkratový proud. Níže uvedené informace jsou určeny lidem, kteří nemají technické vzdělání, ale stejně jako všichni ostatní nejsou imunní vůči potížím spojeným s provozem zařízení, strojů, výrobních zařízení a nejběžnějších domácích spotřebičů. Je důležité, aby každý člověk věděl, co je zkrat, jaké jsou jeho příčiny, možné následky a způsoby, jak mu předcházet. Tento popis nelze dokončit bez seznámení se základy elektrotechnické vědy. Čtenář, který je nezná, se může nudit a článek nedočte do konce.

Populární prezentace Ohmova zákona

Bez ohledu na to, jaká je povaha proudu v elektrickém obvodu, vyskytuje se pouze v případě, že existuje rozdíl potenciálů (nebo napětí, je to totéž). Povahu tohoto jevu lze vysvětlit na příkladu vodopádu: pokud je rozdíl hladin, voda teče nějakým směrem, a když ne, stojí. Dokonce i školáci znají Ohmův zákon, podle kterého čím vyšší napětí, tím vyšší proud a čím nižší, tím vyšší je odpor zahrnutý v zátěži:

I je velikost proudu, která se někdy nazývá „síla proudu“, i když to není zcela správný překlad z němčiny. Měřeno v ampérech (A).

Ve skutečnosti proud sám o sobě nemá žádnou sílu (tedy příčinu zrychlení), což je právě to, co se projevuje při zkratu. Tento termín se již stal známým a často se používá, ačkoli učitelé některých univerzit, když slyšeli slova „současná síla“ z úst studenta, okamžitě mu dali „selhání“. „A co oheň a kouř vycházející z elektroinstalace při zkratu? - vytrvalý protivník se zeptá: "Není to síla?" Na tuto poznámku existuje odpověď. Faktem je, že ideální vodiče neexistují a jejich zahřívání je způsobeno právě touto skutečností. Pokud předpokládáme, že R=0, pak by se neuvolnilo žádné teplo, jak je zřejmé z níže uvedeného Joule-Lenzova zákona.

U je stejný potenciálový rozdíl, nazývaný také napětí. Měří se ve Voltech (u nás V, v zahraničí V). Nazývá se také elektromotorická síla (EMF).

R je elektrický odpor, tedy schopnost materiálu bránit průchodu proudu. U dielektrik (izolantů) je velká, i když ne nekonečná, u vodičů je malá. Měřeno v Ohmech, ale vyhodnoceno jako konkrétní hodnota. Je samozřejmé, že čím je drát silnější, tím lépe vede proud a čím je delší, tím hůře. Proto se měrný odpor měří v ohmech násobených čtverečním milimetrem a děleným metrem. Jeho hodnota je navíc ovlivněna teplotou, čím vyšší je, tím větší je odpor. Například zlatý vodič o délce 1 metr a průřezu 1 metr čtvereční. mm při 20 stupních Celsia má celkový odpor 0,024 Ohm.

Existuje také vzorec pro Ohmův zákon pro úplný obvod; je do něj zaveden vnitřní (vlastní) odpor zdroje napětí (EMF).

Dva jednoduché, ale důležité vzorce

Není možné pochopit důvod, proč dochází ke zkratovému proudu, aniž bychom zvládli další jednoduchý vzorec. Výkon spotřebovaný zátěží se rovná (bez zohlednění jalových složek, ale o nich později) součinu proudu a napětí.

P - výkon, Watt nebo Volt-Ampér;

U - napětí, Volt;

I - proud, Ampere.

Výkon není nikdy nekonečný, vždy je něčím omezen, proto s jeho pevnou hodnotou, jak se proud zvyšuje, napětí klesá. Závislost těchto dvou parametrů pracovního obvodu, vyjádřená graficky, se nazývá charakteristika proud-napětí.

A ještě jeden vzorec nezbytný pro výpočet zkratových proudů je Joule-Lenzův zákon. Poskytuje představu o tom, kolik tepla vzniká při odporu zátěže, a je velmi jednoduché. Vodič se zahřeje s intenzitou úměrnou napětí a druhé mocnině proudu. A samozřejmě, že vzorec není kompletní bez času, čím déle se odpor zahřívá, tím více tepla uvolní.

Co se děje v obvodu při zkratu

Čtenář se tedy může domnívat, že zvládl všechny hlavní fyzikální zákony, aby pochopil, jaká může být velikost (dobře, budiž síla) zkratového proudu. Nejprve se ale musíte rozhodnout pro otázku, co to vlastně je. KZ (zkrat) je situace, kdy se zatěžovací odpor blíží nule. Podívejme se na vzorec Ohmova zákona. Pokud vezmeme v úvahu jeho verzi pro část obvodu, 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 velký a podle Joule-Lenzova zákona platí, že čím větší je, tím více se zahřívá vodič, kterým prochází. Závislost navíc není přímá, ale kvadratická, to znamená, že když stonásobně zvýším, tak se uvolní deset tisíckrát více tepla. To je nebezpečí jevu, který někdy vede k požárům.

Dráty se rozžhaví (nebo rozžhaví do běla) a přenesou tuto energii na stěny, stropy a další předměty, kterých se dotýkají, a zapálí je. Pokud se fáze v některém zařízení dotkne nulového vodiče, dojde ke zkratovému proudu ze zdroje, uzavřeného do sebe. Hořlavá báze elektroinstalace je noční můrou požárních inspektorů a důvodem mnoha pokut udělovaných nezodpovědným majitelům objektů a areálů. A na vině samozřejmě nejsou Joule-Lenzovy a Ohmovy zákony, ale vyschlá izolace stářím, neopatrnou nebo negramotnou instalací, mechanickým poškozením nebo přetížením elektroinstalace.

Zkratový proud, bez ohledu na to, jak velký může být, však také není nekonečný. Množství problémů, které může způsobit, je ovlivněno délkou ohřevu a parametry napájecího obvodu.

AC obvody

Výše uvedené situace byly obecné povahy nebo se týkaly stejnosměrných obvodů. Ve většině případů se napájení obytných i průmyslových zařízení provádí ze sítě střídavého napětí 220 nebo 380 voltů. Potíže se stejnosměrnou elektroinstalací se nejčastěji vyskytují v autech.

Mezi těmito dvěma hlavními typy napájení je rozdíl a jeden významný. Faktem je, že průchodu střídavého proudu brání další odporové složky, nazývané reaktivní a způsobené vlnovou povahou jevů, které se v nich vyskytují. Indukčnosti a kapacity reagují na střídavý proud. Zkratový proud transformátoru je omezen nejen aktivním (neboli ohmickým, tedy kapesním testerem měřitelným) odporem, ale také jeho indukční složkou. Druhý typ zátěže je kapacitní. Ve vztahu k aktivnímu vektoru proudu jsou vektory reaktivních složek vychýleny. Indukční proud zaostává a kapacitní proud ho vede o 90 stupňů.

Příkladem rozdílu v chování zátěže s reaktivní složkou je běžný reproduktor. Někteří fanoušci hlasité hudby jej přetěžují, dokud difuzér nevyrazí magnetické pole dopředu. Cívka odlétá od jádra a okamžitě shoří, protože se sníží indukční složka jejího napětí.

Typy zkratů

Zkratový proud se může objevit v různých obvodech připojených k různým zdrojům stejnosměrného nebo střídavého proudu. Nejjednodušší situace je s obvyklým plusem, které se náhle spojilo s mínusem a obcházelo užitečné zatížení.

Ale se střídavým proudem je více možností. Jednofázový zkratový proud nastane, když je fáze připojena k nule nebo uzemněna. V třífázové síti může dojít k nežádoucímu kontaktu mezi dvěma fázemi. Napětí 380 a více voltů (při přenosu energie na velké vzdálenosti podél elektrického vedení) voltů může také způsobit nepříjemné následky, včetně záblesku oblouku v době sepnutí. Všechny tři (nebo čtyři, spolu s nulovým vodičem) mohou být zkratovány současně a třífázový zkratový proud jimi bude protékat až do spuštění automatického ochranného zařízení.

Ale to není všechno. V rotorech a statorech elektrických strojů (motorů a generátorů) a transformátorů někdy dochází k tak nepříjemnému jevu, jako je mezizávitový zkrat, při kterém sousední drátěné smyčky tvoří jakýsi prsten. Tato uzavřená smyčka má extrémně nízký AC odpor. Síla zkratového proudu v závitech se zvyšuje, tím dochází k zahřívání celého stroje. Ve skutečnosti, pokud dojde k takové katastrofě, neměli byste čekat, až se všechna izolace roztaví a elektromotor začne kouřit. Vinutí stroje je třeba převinout, to vyžaduje speciální vybavení. Totéž platí pro případy, kdy vlivem „přerušovacího“ zkratového proudu transformátoru vznikl zkratový proud. Čím méně izolace hoří, tím jednodušší a levnější bude převíjení.

Výpočet hodnoty proudu při zkratu

Bez ohledu na to, jak katastrofický může být ten či onen jev, jeho kvantitativní posouzení je důležité pro inženýrství a aplikovanou vědu. Vzorec zkratového proudu je velmi podobný Ohmovu zákonu, jen vyžaduje určité vysvětlení. Tak:

I zkrat = Uph / (Zn + Zt),

Zkratuji - hodnota zkratového proudu, A;

Uph - fázové napětí, V;

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

Zt je celkový (včetně jalové složky) odpor napájecího (výkonového) transformátoru, Ohm.

Impedance jsou definovány jako přepona pravoúhlého trojúhelníku, jehož ramena představují hodnoty aktivního a reaktivního (indukčního) odporu. Je to velmi jednoduché, stačí použít Pythagorovu větu.

Poněkud častěji než vzorec pro zkratový proud se v praxi používají experimentálně odvozené křivky. Představují závislosti velikosti I zkratu. na délce vodiče, průřezu vodiče a výkonu silového transformátoru. Grafy jsou sbírkou exponenciálně klesajících čar, ze kterých zbývá jen vybrat tu vhodnou. Metoda poskytuje přibližné výsledky, ale její přesnost dobře vyhovuje praktickým potřebám energetiků.

Jak proces funguje?

Zdá se, že se vše děje okamžitě. Něco zahučelo, světlo pohaslo a pak zhaslo. Ve skutečnosti, jako každý fyzický jev, může být proces mentálně protažen, zpomalen, analyzován a rozdělen do fází. Před vznikem nouzové situace je obvod charakterizován ustálenou hodnotou proudu, která je v rámci jmenovitého režimu. Najednou celkový odpor prudce klesne na hodnotu blízkou nule. Zdá se, že indukční součásti (elektromotory, tlumivky a transformátory) zátěže zpomalují proces růstu proudu. Zkratový proud zdroje napětí tak zůstává v prvních mikrosekundách (do 0,01 sec) prakticky neměnný a vlivem nástupu přechodového procesu dokonce mírně klesá. Přitom jeho EMF postupně dosáhne nulové hodnoty, pak jím projde a ustálí se na nějaké stabilizované hodnotě, která zajistí vznik velkého I zkratu. Samotný proud v okamžiku přechodového děje je součtem periodických a aperiodických složek. Je analyzován tvar procesního grafu, v důsledku čehož je možné určit konstantní hodnotu času v závislosti na úhlu sklonu tečny ke křivce zrychlení v místě jejího ohybu (první derivace) a doba zpoždění, určená hodnotou jalové (indukční) složky celkového odporu.

Zkratový rázový proud

V technické literatuře se často používá termín „zkratový rázový proud“. Tohoto konceptu se nemusíte bát, není vůbec děsivý a nemá přímý vztah k úrazu elektrickým proudem. Tento pojem znamená maximální hodnotu I zkratu. v obvodu střídavého proudu, obvykle dosahující své hodnoty půl cyklu po vzniku nouzové situace. Při frekvenci 50 Hz je perioda 0,2 sekundy a její polovina je 0,1 sekundy. V tomto okamžiku dosahuje interakce blízko sebe umístěných vodičů největší intenzity. Zkratový rázový proud je určen vzorcem, který nemá smysl uvádět v tomto článku, který není určen specialistům a dokonce ani studentům. Je k dispozici v odborné literatuře a učebnicích. Toto matematické vyjádření samo o sobě není nijak zvlášť obtížné, vyžaduje však poměrně obsáhlé komentáře, které čtenáře prohloubí do teorie elektrických obvodů.

Užitečné krátké upozornění

Zdá se, že zřejmým faktem je, že zkrat je extrémně špatný, nepříjemný a nežádoucí jev. To může vést v nejlepším případě k výpadku zařízení, vypnutí nouzového ochranného zařízení a v nejhorším případě k vyhoření elektroinstalace a dokonce požáru. Veškeré úsilí se proto musí soustředit na to, abychom tomuto neštěstí zabránili. Výpočet zkratových proudů má však velmi reálný a praktický význam. Bylo vynalezeno mnoho technických prostředků, které pracují v režimech vysokého proudu. Příkladem je konvenční svařovací stroj, zejména obloukový svařovací stroj, který při provozu prakticky zkratuje elektrodu k uzemnění. Dalším problémem je, že tyto režimy jsou krátkodobé povahy a výkon transformátoru jim umožňuje odolat těmto přetížením. Při svařování procházejí v místě kontaktu konce elektrody obrovské proudy (měří se v desítkách ampérů), v důsledku čehož se uvolňuje dostatek tepla k lokálnímu roztavení kovu a vytvoření silného švu.

Metody ochrany

Hned v prvních letech překotného rozvoje elektrotechniky, kdy lidstvo ještě statečně experimentovalo, zavádělo galvanická zařízení, vynalézalo různé druhy generátorů, motorů a osvětlení, vyvstal problém ochránit tato zařízení před přetížením a zkratovými proudy. Nejjednodušším řešením bylo instalovat tavné prvky do série se zátěží, které byly zničeny vlivem odporového tepla, pokud proud překročil nastavenou hodnotu. Takové pojistky slouží lidem dodnes, jejich hlavními výhodami jsou jednoduchost, spolehlivost a nízká cena. Ale mají i nevýhody. Samotná jednoduchost „zástrčky“ (jak ji pro svůj specifický tvar nazývali držitelé tavných sazeb) provokuje uživatele po vyhoření nikoli k filozofování, ale k nahrazení neúspěšných prvků prvními dráty, kancelářskými sponkami nebo dokonce hřebíky, které přijít pod ruku. Stojí za zmínku, že taková ochrana proti zkratovým proudům neplní svou ušlechtilou funkci?

V průmyslových podnicích se automatické spínače začaly používat k odbuzení přetížených obvodů dříve než v bytových rozvaděčích, ale v posledních desetiletích jsou jimi z velké části nahrazovány „dopravní zácpy“. „Automatické stroje“ jsou mnohem pohodlnější, nemusíte je měnit, ale zapněte je po odstranění příčiny zkratu a počkejte, až se tepelné prvky ochladí. Jejich kontakty někdy vyhoří, v takovém případě je lepší je vyměnit a nepokoušet se je čistit nebo opravovat. Složitější diferenciální jističe za vysokou cenu nevydrží déle než klasické, ale jejich funkční zatížení je širší, vypínají napětí při minimálním úniku proudu „na stranu“, například při člověku je zabit elektrickým proudem.

V každodenním životě se nedoporučuje experimentovat se zkraty.

Zkrat.

Zkrat (zkrat) Tento režim provozu zdroje elektrické energie se nazývá, když jsou jeho svorky uzavřeny vodičem, jehož odpor lze považovat za nulový. Ke zkratu dochází, když jsou navzájem spojeny vodiče spojující zdroj elektrické energie s přijímačem, protože tyto vodiče mají obvykle malý odpor a lze je považovat za rovné nule. Ke zkratu může dojít i při poškození izolace vodiče.

Možné zkraty

Vzhledem k tomu, že vnitřní odpor zdroje r 0 je obvykle velmi malý a odpor ampérmetru je téměř roven 0, proud v obvodu se zvyšuje na velmi velké hodnoty.

Zkrat je nouzový režim, protože velký proud, který vzniká, může způsobit nepoužitelnost jak samotného zdroje, tak zařízení, zařízení a vodičů obsažených v obvodu. Pouze pro některé speciální typy generátorů, například svařování, zkrat. nepředstavuje nebezpečí a jedná se o normální provozní režim. To se provádí v případech, kdy je mimořádně důležité získat z generátoru co největší proud. Vysoký vnitřní odpor generátoru omezuje proud a nedosahuje hodnot pro generátor nebezpečných

Příklad:

Elektrický přijímač s odporem 109 Ohmů je zapojen do obvodu s napětím 220V. Elektrický odpor vodičů je 1 Ohm. Najděte sílu proudu v tomto obvodu v provozním režimu a v režimu zkratu.

Přečtěte si také