Otwarta Biblioteka – otwarta biblioteka informacji edukacyjnych. Zwarcie Prąd zwarciowy

Aby zapewnić bezpieczeństwo podczas obsługi domowych urządzeń elektrycznych, konieczne jest prawidłowe obliczenie przekroju kabla zasilającego i okablowania. Ponieważ nieprawidłowo dobrany przekrój kabla może doprowadzić do pożaru w okablowaniu z powodu zwarcia. Grozi to pożarem budynku. Dotyczy to również wyboru kabla do podłączenia silników elektrycznych.

Bieżące obliczenia

Wartość prądu obliczana jest na podstawie mocy i jest niezbędna na etapie projektowania (planowania) domu - mieszkania, domu.

• Wartość tej wielkości zależy od dobór kabla zasilającego (drutu), za pośrednictwem którego urządzenia pobierające energię można podłączyć do sieci.
• Znając napięcie sieci elektrycznej i pełne obciążenie urządzeń elektrycznych, korzystając ze wzoru obliczyć prąd, który należy przepuścić przez przewodnik(przewód). Pole przekroju rdzeni dobiera się na podstawie jego wielkości.

Jeśli znane są odbiorniki energii elektrycznej w mieszkaniu lub domu, konieczne jest wykonanie prostych obliczeń, aby poprawnie zainstalować obwód zasilający.

Podobne obliczenia przeprowadza się do celów produkcyjnych: określenie wymaganego pola przekroju poprzecznego żył kabla przy podłączaniu urządzeń przemysłowych (różne przemysłowe silniki elektryczne i mechanizmy).

Napięcie sieci jednofazowej 220 V

Natężenie prądu I (w amperach, A) oblicza się za pomocą wzoru:

I=P/U,

gdzie P to pełne obciążenie elektryczne (należy podać w karcie technicznej urządzenia), W (wat);

U – napięcie sieci elektrycznej, V (wolty).

Poniższa tabela pokazuje wartości obciążenia typowych urządzeń elektrycznych gospodarstwa domowego i ich pobór prądu (dla napięcia 220 V).

Rysunek pokazuje schemat urządzenia zasilającego mieszkanie przy podłączeniu jednofazowym do sieci 220 V.

Jak widać na rysunku, różni odbiorcy energii elektrycznej są podłączani za pomocą odpowiednich maszyn do licznika elektrycznego, a następnie do ogólnej maszyny, która musi być zaprojektowana dla obciążenia urządzeń, w które mieszkanie będzie wyposażone. Przewód zasilający musi również spełniać wymagania odbiorców energii.

Poniżej jest tabela ukrytego okablowania dla schematu podłączenia mieszkania jednofazowego do wybierania przewodów o napięciu 220 V

Jak widać z tabeli, przekrój rdzeni zależy oprócz obciążenia od materiału, z którego wykonany jest drut.

Napięcie sieci trójfazowej 380 V

W przypadku zasilania trójfazowego natężenie prądu I (w amperach, A) oblicza się według wzoru:

I = P /1,73 U,

gdzie P to zużycie energii, W;

U - napięcie sieciowe, V,

ponieważ napięcie w trójfazowym obwodzie zasilania wynosi 380 V, wzór będzie miał postać:

Ja = P /657,4.

Jeśli do domu zostanie dostarczony trójfazowy zasilacz o napięciu 380 V, schemat połączeń będzie wyglądał następująco.

Przekrój żył w kablu zasilającym przy różnych obciążeniach z obwodem trójfazowym o napięciu 380 V dla okablowania ukrytego przedstawiono w tabeli.

Aby obliczyć prąd w obwodach zasilających obciążenie charakteryzujące się dużą mocą bierną pozorną, typową dla zastosowań zasilaczy w przemyśle:

• silniki elektryczne;
• dławiki do urządzeń oświetleniowych;
• transformatory spawalnicze;
• piece indukcyjne.

Zjawisko to należy uwzględnić przy wykonywaniu obliczeń. W wydajnych urządzeniach i sprzęcie udział obciążenia biernego jest wyższy, dlatego dla takich urządzeń w obliczeniach przyjmuje się współczynnik mocy równy 0,8.

Dawno, dawno temu pewna pani, niezbyt orientująca się w elektrotechnice, została poinformowana przez instalatora o przyczynie utraty światła w jej mieszkaniu. Okazało się, że było to zwarcie i kobieta zażądała jego natychmiastowego przedłużenia. Możesz śmiać się z tej historii, ale lepiej rozważyć ten problem bardziej szczegółowo. Specjaliści elektrycy nawet bez tego artykułu wiedzą, czym jest to zjawisko, czym grozi i jak obliczyć prąd zwarciowy. Informacje przedstawione poniżej adresowane są do osób, które nie posiadają wykształcenia technicznego, ale jak wszyscy nie są odporni na kłopoty związane z eksploatacją urządzeń, maszyn, urządzeń produkcyjnych i najczęściej spotykanych sprzętów AGD. Ważne jest, aby każdy człowiek wiedział, czym jest zwarcie, jakie są jego przyczyny, możliwe skutki i metody zapobiegania mu. Tego opisu nie da się uzupełnić bez zapoznania się z podstawami elektrotechniki. Czytelnik, który ich nie zna, może się znudzić i nie przeczytać artykułu do końca.

Popularna prezentacja prawa Ohma

Bez względu na charakter prądu w obwodzie elektrycznym, występuje on tylko wtedy, gdy istnieje różnica potencjałów (lub napięcie, to to samo). Naturę tego zjawiska można wyjaśnić na przykładzie wodospadu: jeśli jest różnica poziomów, woda płynie w jakimś kierunku, a jeśli nie, to stoi w miejscu. Nawet uczniowie znają prawo Ohma, zgodnie z którym im wyższe napięcie, tym wyższy prąd, a im niższy, tym większy opór zawarty w obciążeniu:

I to wielkość prądu, czasami nazywana „siłą prądu”, chociaż nie jest to całkowicie poprawne tłumaczenie z języka niemieckiego. Mierzone w amperach (A).

W rzeczywistości sam prąd nie ma żadnej siły (czyli przyczyny przyspieszenia), co właśnie objawia się podczas zwarcia. Termin ten stał się już znany i jest często używany, chociaż nauczyciele niektórych uczelni, słysząc z ust studenta słowa „aktualna siła”, od razu oceniają go jako „porażkę”. „A co z ogniem i dymem wydobywającym się z przewodów podczas zwarcia? - uparty przeciwnik zapyta: „Czy to nie jest siła?” Istnieje odpowiedź na tę uwagę. Faktem jest, że idealne przewodniki nie istnieją i ich nagrzewanie wynika właśnie z tego faktu. Jeśli założymy, że R=0, to nie nastąpi wydzielanie ciepła, jak wynika z prawa Joule'a-Lenza podanego poniżej.

U to ta sama różnica potencjałów, zwana także napięciem. Mierzy się go w woltach (w naszym kraju V, za granicą V). Nazywa się ją również siłą elektromotoryczną (EMF).

R to opór elektryczny, czyli zdolność materiału do zapobiegania przepływowi prądu. Dla dielektryków (izolatorów) jest duży, choć nie nieskończony, dla przewodników jest mały. Mierzone w omach, ale oceniane jako konkretna wartość. Wiadomo, że im grubszy drut, tym lepiej przewodzi prąd, a im dłuższy, tym gorzej. Dlatego rezystywność mierzy się w omach pomnożonych przez milimetr kwadratowy i podzielonych przez metr. Ponadto na jego wartość wpływa temperatura; im wyższa, tym większy opór. Na przykład złoty przewodnik o długości 1 metra i przekroju 1 metra kwadratowego. mm w temperaturze 20 stopni Celsjusza ma całkowitą rezystancję 0,024 oma.

Istnieje również wzór na prawo Ohma dla pełnego obwodu, do którego wprowadza się wewnętrzną (własną) rezystancję źródła napięcia (EMF).

Dwie proste, ale ważne formuły

Nie da się zrozumieć przyczyny występowania prądu zwarciowego bez opanowania innej prostej formuły. Moc pobierana przez obciążenie jest równa (bez uwzględnienia elementów biernych, ale o tym później) iloczynowi prądu i napięcia.

P - moc, wat lub woltamper;

U - napięcie, wolt;

Ja - prąd, amper.

Moc nigdy nie jest nieskończona, zawsze jest przez coś ograniczona, dlatego przy stałej wartości, wraz ze wzrostem prądu, napięcie maleje. Zależność tych dwóch parametrów obwodu roboczego, wyrażona graficznie, nazywana jest charakterystyką prądowo-napięciową.

Jeszcze jednym wzorem niezbędnym do obliczenia prądów zwarciowych jest prawo Joule'a-Lenza. Daje wyobrażenie o tym, ile ciepła wytwarza się podczas stawiania oporu obciążeniu, i jest bardzo prosty. Przewodnik nagrzewa się z intensywnością proporcjonalną do napięcia i kwadratu prądu. I oczywiście formuła nie jest kompletna bez czasu; im dłużej opór się nagrzewa, tym więcej ciepła wydzieli.

Co dzieje się w obwodzie podczas zwarcia

Czytelnik może więc uznać, że opanował wszystkie główne prawa fizyczne, aby zrozumieć, jaka może być wielkość (no dobra, niech będzie siła) prądu zwarciowego. Ale najpierw musisz zdecydować, co to właściwie jest. KZ (zwarcie) to sytuacja, w której rezystancja obciążenia jest bliska zeru. Spójrzmy na wzór prawa Ohma. Jeśli rozważymy jego wersję dla odcinka obwodu, łatwo zrozumieć, że prąd będzie dążył do nieskończoności. W pełnej wersji będzie on ograniczony rezystancją źródła pola elektromagnetycznego. W każdym razie prąd zwarciowy jest bardzo duży i zgodnie z prawem Joule'a-Lenza im jest większy, tym bardziej nagrzewa się przewodnik, przez który przepływa. Co więcej, zależność nie jest bezpośrednia, ale kwadratowa, to znaczy, jeśli zwiększę stokrotnie, wówczas uwolnione zostanie dziesięć tysięcy razy więcej ciepła. Na tym polega niebezpieczeństwo zjawiska, które czasami prowadzi do pożarów.

Przewody stają się gorące do czerwoności (lub do białości) i przekazują tę energię ścianom, sufitom i innym obiektom, których dotykają, podpalając je. Jeśli faza w jakimś urządzeniu dotknie przewodu neutralnego, nastąpi prąd zwarciowy ze źródła, które jest zamknięte dla siebie. Palne podłoże instalacji elektrycznej to zmora inspektorów przeciwpożarowych i powód wielu kar nakładanych na nieodpowiedzialnych właścicieli budynków i lokali. A winą nie są oczywiście prawa Joule'a-Lenza i Ohma, ale izolacja wyschnięta ze starości, nieostrożna lub niepiśmienna instalacja, uszkodzenia mechaniczne lub przeciążenie okablowania.

Jednak prąd zwarciowy, niezależnie od tego, jak duży może być, również nie jest nieskończony. Na ilość kłopotów, jakie może powodować, wpływa czas trwania nagrzewania oraz parametry obwodu zasilającego.

Obwody prądu przemiennego

Omówione powyżej sytuacje miały charakter ogólny lub dotyczyły obwodów prądu stałego. W większości przypadków zasilanie obiektów mieszkalnych i przemysłowych odbywa się z sieci napięcia przemiennego o napięciu 220 lub 380 woltów. Problemy z okablowaniem DC najczęściej występują w samochodach.

Istnieje różnica między tymi dwoma głównymi rodzajami zasilania i jest znacząca. Faktem jest, że przepływowi prądu przemiennego zapobiegają dodatkowe składowe rezystancji, zwane reaktywnymi i spowodowane falową naturą zachodzących w nich zjawisk. Indukcyjności i pojemności reagują na prąd przemienny. Prąd zwarciowy transformatora jest ograniczony nie tylko przez rezystancję czynną (lub omową, czyli taką, którą można zmierzyć testerem kieszonkowym), ale także przez jej składową indukcyjną. Drugi rodzaj obciążenia ma charakter pojemnościowy. W stosunku do wektora prądu czynnego wektory składowych biernych są odchylone. Prąd indukcyjny pozostaje w tyle, a prąd pojemnościowy wyprzedza go o 90 stopni.

Przykładem różnicy w zachowaniu obciążenia ze składnikiem reaktywnym jest konwencjonalny głośnik. Niektórzy fani głośnej muzyki przeciążają go do momentu, w którym dyfuzor wypycha pole magnetyczne do przodu. Cewka odlatuje od rdzenia i natychmiast się przepala, ponieważ zmniejsza się składowa indukcyjna jej napięcia.

Rodzaje zwarć

Prąd zwarciowy może wystąpić w różnych obwodach podłączonych do różnych źródeł prądu stałego lub przemiennego. Najprostsza sytuacja ma miejsce ze zwykłym plusem, który nagle łączy się z minusem, omijając ładunek.

Ale w przypadku prądu przemiennego jest więcej opcji. Jednofazowy prąd zwarciowy występuje, gdy faza jest podłączona do przewodu neutralnego lub uziemiona. W sieci trójfazowej może wystąpić niepożądany kontakt pomiędzy dwiema fazami. Napięcie 380 lub więcej (przy przesyłaniu energii na duże odległości wzdłuż linii energetycznych) woltów może również powodować nieprzyjemne konsekwencje, w tym wyładowanie łukowe w momencie przełączania. Wszystkie trzy (lub cztery wraz z przewodem neutralnym) przewody mogą zostać zwarte jednocześnie i będzie przez nie płynął trójfazowy prąd zwarciowy do momentu zadziałania automatycznego urządzenia zabezpieczającego.

Ale to nie wszystko. W wirnikach i stojanach maszyn elektrycznych (silników i generatorów) oraz transformatorach czasami występuje tak nieprzyjemne zjawisko, jak zwarcie międzyzwojowe, w którym sąsiednie pętle drutu tworzą rodzaj pierścienia. Ta zamknięta pętla ma wyjątkowo niską rezystancję prądu przemiennego. Zwiększa się siła prądu zwarciowego w zwojach, co powoduje nagrzewanie się całej maszyny. Właściwie, jeśli zdarzy się taka katastrofa, nie należy czekać, aż cała izolacja stopi się, a silnik elektryczny zacznie dymić. Uzwojenia maszyny wymagają przewinięcia; wymaga to specjalnego sprzętu. To samo dotyczy przypadków, gdy z powodu „przerywającego” prądu zwarciowego transformatora powstał prąd zwarciowy. Im mniej izolacja się pali, tym łatwiejsze i tańsze będzie przewinięcie.

Obliczanie wartości prądu podczas zwarcia

Bez względu na to, jak katastrofalne może być to lub inne zjawisko, jego ocena ilościowa jest ważna dla inżynierii i nauk stosowanych. Wzór na prąd zwarciowy jest bardzo podobny do prawa Ohma, wymaga jedynie wyjaśnienia. Więc:

I zwarcie = Uph / (Zn + Zt),

Mam zwarcie - wartość prądu zwarcia, A;

Uph - napięcie fazowe, V;

Zn jest całkowitą rezystancją (łącznie ze składnikiem reaktywnym) zwartej pętli;

Zt to całkowita (łącznie ze składnikiem biernym) rezystancja transformatora zasilającego (zasilania), w omach.

Impedancje definiuje się jako przeciwprostokątną prostokątnego trójkąta, którego ramiona reprezentują wartości rezystancji czynnej i reaktywnej (indukcyjnej). To bardzo proste, wystarczy skorzystać z twierdzenia Pitagorasa.

Nieco częściej niż wzór na prąd zwarciowy w praktyce stosuje się krzywe wyprowadzone eksperymentalnie. Reprezentują one zależności wielkości I zwarcia. od długości przewodu, przekroju drutu i mocy transformatora mocy. Wykresy są zbiorem wykładniczo malejących linii, z których pozostaje tylko wybrać tę odpowiednią. Metoda zapewnia przybliżone wyniki, jednak jej dokładność jest dobrze dostosowana do praktycznych potrzeb energetyków.

Jak działa proces?

Wszystko wydaje się dziać natychmiast. Coś zabrzęczało, światło przygasło i zgasło. Tak naprawdę, jak każde zjawisko fizyczne, proces ten można mentalnie rozciągnąć, spowolnić, przeanalizować i podzielić na fazy. Przed wystąpieniem sytuacji awaryjnej obwód charakteryzuje się stałą wartością prądu mieszczącą się w trybie znamionowym. Nagle całkowity opór gwałtownie spada do wartości bliskiej zeru. Elementy indukcyjne (silniki elektryczne, dławiki i transformatory) obciążenia wydają się spowalniać proces narastania prądu. Zatem w pierwszych mikrosekundach (do 0,01 s) prąd zwarciowy źródła napięcia pozostaje praktycznie niezmieniony, a nawet nieznacznie maleje w związku z początkiem procesu nieustalonego. Jednocześnie jego pole elektromagnetyczne stopniowo osiąga wartość zerową, następnie przechodzi przez nią i ustala się na pewnej ustabilizowanej wartości, zapewniając wystąpienie dużego zwarcia I. Sam prąd w momencie procesu przejściowego jest sumą składników okresowych i aperiodycznych. Analizie poddano kształt wykresu procesu, w wyniku czego można wyznaczyć stałą wartość czasu zależną od kąta nachylenia stycznej do krzywej przyspieszenia w punkcie jej przegięcia (pierwsza pochodna) oraz czas opóźnienia, wyznaczony przez wartość składowej biernej (indukcyjnej) rezystancji całkowitej.

Prąd uderzeniowy zwarcia

W literaturze technicznej często używany jest termin „prąd udarowy zwarciowy”. Nie powinieneś bać się tej koncepcji; nie jest ona wcale taka straszna i nie ma bezpośredniego związku z porażeniem prądem. Pojęcie to oznacza maksymalną wartość I zwarcia. w obwodzie prądu przemiennego, osiągając zwykle swoją wartość po pół cyklu po wystąpieniu sytuacji awaryjnej. Przy częstotliwości 50 Hz okres wynosi odpowiednio 0,2 sekundy, a jego połowa 0,1 sekundy. W tym momencie oddziaływanie przewodników znajdujących się blisko siebie osiąga największe natężenie. Prąd udarowy zwarciowy wyznacza się wzorem, którego nie ma sensu przedstawiać w tym artykule, który nie jest przeznaczony dla specjalistów, a nawet studentów. Jest ona dostępna w literaturze specjalistycznej i podręcznikach. To wyrażenie matematyczne samo w sobie nie jest szczególnie trudne, wymaga jednak dość obszernych komentarzy, które pogłębią czytelnika w teorię obwodów elektrycznych.

Przydatne krótkie powiadomienie

Wydawać by się mogło, że oczywistym faktem jest to, że zwarcie jest zjawiskiem wyjątkowo złym, nieprzyjemnym i niepożądanym. Może to w najlepszym przypadku doprowadzić do zaciemnienia obiektu, wyłączenia awaryjnych urządzeń ochronnych, a w najgorszym do przepalenia okablowania, a nawet pożaru. Dlatego należy skoncentrować wszystkie wysiłki na uniknięciu tego nieszczęścia. Obliczanie prądów zwarciowych ma jednak bardzo realne i praktyczne znaczenie. Wynaleziono wiele środków technicznych działających w trybach wysokoprądowych. Przykładem jest spawarka konwencjonalna, zwłaszcza spawarka łukowa, która podczas pracy praktycznie zwiera elektrodę do masy. Inną kwestią jest to, że tryby te mają charakter krótkotrwały, a moc transformatora pozwala im wytrzymać te przeciążenia. Podczas spawania w miejscu styku końca elektrody przepływają ogromne prądy (mierzone w dziesiątkach amperów), w wyniku czego uwalniana jest wystarczająca ilość ciepła, aby lokalnie stopić metal i utworzyć mocny szew.

Metody ochrony

Już w pierwszych latach szybkiego rozwoju elektrotechniki, kiedy ludzkość wciąż odważnie eksperymentowała, wprowadzając urządzenia galwaniczne, wynajdując różnego rodzaju generatory, silniki i oświetlenie, pojawił się problem zabezpieczenia tych urządzeń przed przeciążeniami i prądami zwarciowymi. Najprostszym rozwiązaniem było zamontowanie szeregowo z obciążeniem elementów topikowych, które ulegały zniszczeniu pod wpływem ciepła oporowego, jeśli prąd przekroczył zadaną wartość. Takie bezpieczniki nadal służą ludziom, a ich głównymi zaletami są prostota, niezawodność i niski koszt. Ale mają też wady. Sama prostota „wtyczki” (jak ją nazywali posiadacze topikowych stopek ze względu na jej specyficzny kształt) prowokuje użytkowników po jej przepaleniu do nie filozofowania, ale do wymiany uszkodzonych elementów na pierwsze druty, spinacze, a nawet gwoździe, które przyjść do ręki. Czy warto wspomnieć, że taka ochrona przed prądami zwarciowymi nie spełnia swojej szlachetnej funkcji?

W przedsiębiorstwach przemysłowych zaczęto stosować automatyczne przełączniki do odłączania napięcia od przeciążonych obwodów wcześniej niż w rozdzielnicach mieszkalnych, ale w ostatnich dziesięcioleciach „korki” zostały przez nie w dużej mierze zastąpione. „Automatyki” są znacznie wygodniejsze; nie trzeba ich zmieniać, ale włącza się po wyeliminowaniu przyczyny zwarcia i poczekaniu, aż elementy termiczne ostygną. Ich styki czasami się przepalają, w takim przypadku lepiej je wymienić, a nie próbować ich czyścić ani naprawiać. Bardziej złożone wyłączniki różnicowe, przy wysokich kosztach, nie trwają dłużej niż konwencjonalne, ale ich obciążenie funkcjonalne jest szersze; wyłączają napięcie w przypadku minimalnego upływu prądu „na bok”, na przykład gdy osoba zostaje porażony prądem.

W życiu codziennym nie zaleca się eksperymentowania ze zwarciami.

Zwarcie.

Zwarcie (zwarcie) Ten tryb działania źródła energii elektrycznej nazywa się, gdy jego zaciski są zamknięte przewodnikiem, którego rezystancję można uznać za zerową. Zwarcie występuje, gdy przewody łączące źródło energii elektrycznej z odbiornikiem są ze sobą połączone, ponieważ przewody te zwykle mają niewielki opór i można je przyjąć jako równe zeru. Zwarcie może wystąpić również w przypadku uszkodzenia izolacji przewodu.

Możliwe zwarcia

Ze względu na to, że rezystancja wewnętrzna źródła r 0 jest zwykle bardzo mała, a rezystancja amperomierza jest prawie równa 0, prąd w obwodzie wzrasta do bardzo dużych wartości.

Zwarcie to tryb awaryjny, ponieważ powstający duży prąd może sprawić, że zarówno samo źródło, jak i urządzenia, urządzenia i przewody zawarte w obwodzie staną się bezużyteczne. Tylko w przypadku niektórych specjalnych typów generatorów, na przykład spawania, zwarcia. nie stwarza zagrożenia i jest normalnym trybem pracy. Odbywa się to w przypadkach, gdy niezwykle ważne jest uzyskanie z generatora jak największego prądu. Wysoka rezystancja wewnętrzna generatora ogranicza prąd, który nie osiąga wartości niebezpiecznych dla generatora

Przykład:

Odbiornik elektryczny o rezystancji 109 omów jest podłączony do obwodu o napięciu 220 V. Rezystancja elektryczna przewodów wynosi 1 om. Znajdź natężenie prądu w tym obwodzie w trybie pracy i w trybie zwarcia.

Przeczytaj także