Struja kratkog spoja i njegov izračun. Struja kratkog spoja

Jednom dama, koja nije bila jako poznavateljica elektrotehnike, instalater je objasnio razlog gubitka svjetla u svom stanu. Pokazalo se da je to kratki spoj i žena je zahtijevala da se odmah produži. Ovoj se priči može nasmijati, ali bolje je razmotriti ovu neugodnost. Električari i bez ovog članka znaju što je ta pojava, što prijeti i kako izračunati struju kratkog spoja. Sljedeće informacije namijenjene su osobama koje nemaju tehničko obrazovanje, ali, kao i svi ostali, nisu osigurane od problema vezanih uz rad strojeva, strojeva, proizvodne opreme i najčešćih kućanskih aparata. Važno je da svaka osoba zna što je kratki spoj, koji su njegovi uzroci, moguće posljedice i metode njegove prevencije. Ne upravljati u ovom opisu bez poznavanja osnova elektrotehnike. Ne znajući da njihov čitatelj može biti dosadno i ne dovršiti čitanje članka do kraja.

Popularna izjava Ohmskog zakona

Bez obzira na prirodu struje električni krug to se događa samo ako postoji potencijalna razlika (ili napon, ona je ista). Priroda ovog fenomena može se objasniti primjerom vodopada: ako postoji razlika u razinama, voda teče u određenom smjeru, a kada nije, miruje. Čak i učenici znaju Ohmov zakon, prema kojem je struja veća, što je napon veći, a niži, veći je otpor uključen u opterećenje:

I = U / R,

gdje je:

Ja je veličina struje, koja se ponekad naziva "amperaža", iako to nije vrlo kompetentan prijevod s njemačkog jezika. Mjereno u amperima (A).

Zapravo, snaga (tj. Uzrok ubrzanja) nema struju per se, što je upravo ono što se pojavljuje tijekom kratkog spoja. Ovaj izraz je već postao uobičajen i često se koristi, iako nastavnici na nekim sveučilištima, čujući iz usta učenika, riječi "trenutna snaga" odmah stavljaju "nije dovoljno". - Ali što je s vatrom i dimom koji dolaze iz ožičenja tijekom kratkog spoja? - tvrdoglavi protivnik će pitati, - Nije li to moć? «Postoji odgovor na tu primjedbu. Činjenica je da nema idealnih vodiča, a zbog toga je i njihovo grijanje. Ako pretpostavimo da je R = 0, onda se toplina ne bi dodijelila, kao što je vidljivo iz niže opisanog Joule-Lenzovog zakona.

U je ista potencijalna razlika, koja se naziva i napon. Mjereno u Voltima (imamo B, u inozemstvu V). Također se naziva elektromotorna sila (EMF).

R je električni otpor, tj. Sposobnost materijala da spriječi prolaz struje. U dielektricima (izolatorima) ona je velika, iako ne beskonačna, u vodičima je mala. Mjeri se u ohmima, ali se procjenjuje kao specifična vrijednost. Podrazumijeva se da što je žica deblja, to bolje provodi struju, a što je dulje, to je gore. Stoga se otpornost mjeri u ohmima pomnoženim kvadratnim milimetrom i dijeli se s metrom. Osim toga, na njegovu vrijednost utječe temperatura, što je viša, veći je otpor. Na primjer, zlatni dirigent duljine 1 metar i presjek od 1 kvadrata. mm na 20 stupnjeva Celzija ima ukupni otpor od 0,024 Ohm.

Tu je i Ohmova zakonska formula za cijeli sklop, u nju je unesen unutarnji (unutarnji) otpor izvora napona (EMF).

Dvije jednostavne ali važne formule

Razumijevanje razloga nastanka kratkog spoja je nemoguće bez ovladavanja drugom jednostavnom formulom. Snaga koju troši opterećenje jednaka je (bez uzimanja u obzir reaktivnih komponenti, ali o njima kasnije) do proizvoda struje i napona.

P = U x I,

gdje je:

P - snaga, Watt ili Volt-amper;

U - napon, Volt;

Ja - struja, Ampere.

Snaga beskonačnosti se ne događa, ona je uvijek nešto ograničena, pa kada se njena fiksna vrijednost s povećanjem struje smanjuje. Ovisnost ova dva parametra radnog kruga, izražena grafički, naziva se strujno-naponska karakteristika.

Još jedna formula potrebna za izračun struja kratkog spoja je Joule-Lenzov zakon. To daje predodžbu o tome koliko se topline oslobađa kada se opterećenje opire, i vrlo je jednostavno. Vodič će se grijati intenzitetom proporcionalnim naponu i kvadratu struje. I, naravno, formula ne radi bez vremena, što se otpor više zagrijava, to će više topline osloboditi.

Što se događa u krugu tijekom kratkog spoja

Dakle, čitatelj može pretpostaviti da je ovladao svim glavnim fizičkim zakonima kako bi razumio kakva je veličina struje kratkog spoja (u redu, neka bude). Ali najprije morate odlučiti o pitanju što, zapravo, jest. Kratki spoj (kratki spoj) je situacija u kojoj je otpor opterećenja blizu nule. Pogledamo formulu Ohmovog zakona. Ako razmotrimo njegovu opciju za dio kruga, lako je razumjeti da će struja težiti beskonačnosti. U punoj verziji, bit će ograničena otpornošću izvora EMF-a. U svakom slučaju, struja kratkog spoja je vrlo visoka, a prema Joule-Lenzovom zakonu, što je više, to se više zagrijava vodič. Štoviše, ovisnost nije izravna, nego kvadratna, to jest, ako povećam stostruko, tada će toplina biti oslobođena deset tisuća puta više. To je opasnost pojave, koja ponekad dovodi do požara.

Žice se zagrijavaju crveno vruće (ili bijele), prenose ovu energiju na zidove, stropove i druge predmete koje dodiruju, te ih zapale. Ako faza u nekom uređaju dotakne neutralni vodič, nastaje struja kratkog spoja izvora koja je zatvorena za sebe. Goriva baza električnih instalacija je noćna mora za vatrogasce i uzrok mnogih novčanih kazni izrečenih neodgovornim vlasnicima zgrada i prostorija. A razlog je, naravno, ne zakon Joule-Lenz i Om, već izolacija koja je presušila od starosti, netočna ili nepismena instalacija, mehanička oštećenja ili preopterećenje žica.

Međutim, struja kratkog spoja, bez obzira na veličinu, također nije beskonačna. Veličina poteškoća s kojima se može pokvariti, utječe na trajanje grijanja i parametre strujnog kruga napajanja.

Izmjenični strujni krugovi

Gore navedene situacije bile su opće prirode ili se odnosile na strujne krugove istosmjerne struje. U većini slučajeva, napajanje stambenih i industrijskih postrojenja proizvodi se iz mreže izmjeničnog napona od 220 ili 380 volti. Problemi s ožičenjem istosmjerna struja najčešće se pojavljuju u automobilima.

Postoji razlika između ove dvije osnovne vrste napajanja i značajne. Činjenica je da je prolaz izmjenične struje otežan dodatnim komponentama otpora, koje se nazivaju reaktivnim i zbog valne prirode pojava koje se pojavljuju u njima. Induktivnosti i kapaciteti reagiraju na izmjeničnu struju. Struja kratkog spoja transformatora je ograničena ne samo aktivnim (ili ohmskim, tj. Onim koji se može mjeriti ispitivačem džepnog uređaja), već i njegovom induktivnom komponentom. Druga vrsta opterećenja je kapacitivna. U odnosu na vektor aktivne struje, vektori reaktivnih komponenti su odbačeni. Induktivna struja zaostaje, a kapacitivna struja je naprijed za 90 stupnjeva.

Primjer razlike u ponašanju opterećenja s reaktivnom komponentom može poslužiti kao normalan zvučnik. Neki ljubitelji glasne glazbe preopterećuju sve dok difuzor ne izbije magnetsko polje naprijed. Zavojnica odlazi iz jezgre i odmah gori jer se induktivna komponenta napona smanjuje.

Vrste KZ

Struja kratkog spoja može se pojaviti u različitim krugovima spojenim na različite izvore izravne ili izmjenične struje. Najjednostavnija stvar je s uobičajenim plusom, koji se iznenada povezuje s minusom, zaobilazeći teret.

Ali s alternativnim trenutnim opcijama više. Jednofazna struja kratkog spoja nastaje kada je faza spojena na neutralnu ili uzemljenu. U trofaznoj mreži može doći do neželjenog kontakta između dvije faze. Napon od 380 ili više (pri prijenosu energije na velike udaljenosti preko vodova) volti također mogu uzrokovati neugodne posljedice, uključujući i luk u trenutku uključivanja. Sva tri (ili četiri, zajedno s neutralnim) žicama mogu se kratko spojiti, a trofazna struja kratkog spoja će teći kroz njih sve dok se ne aktivira sustav automatske zaštite.

Ali to nije sve. U rotorima i statorima električnih strojeva (motora i generatora) i transformatora, ponekad se takva neugodna pojava javlja kao isprepleteni krug, u kojem susjedne žičane petlje tvore neku vrstu prstena. Ova zatvorena petlja ima izuzetno mali otpor u AC mreži. Struja kratkog spoja u zavojnicama se povećava, što uzrokuje zagrijavanje cijelog stroja. Zapravo, ako se dogodi takva nesreća, ne treba čekati da se sva izolacija otopi i elektromotor počne pušiti. Namoti stroja moraju biti premotani, za to vam je potrebna posebna oprema. Isto vrijedi i za slučajeve u kojima je zbog "inter-turn" struje nastao kratki spoj na transformatoru. Što je manje izolacije, to je lakše i jeftinije premotati.

Izračunavanje veličine struje za vrijeme kratkog spoja

Bez obzira na to koliko je ovaj ili onaj fenomen katastrofalan, za inženjerstvo i primijenjena znanost njegova kvantitativna procjena je važna. Struja kratkog spoja vrlo je slična Ohmovom zakonu, samo zahtijeva neko objašnjenje. Dakle:

I prečica = Uph / (Zn + Zt),

gdje je:

I k.z. - jačina struje kratkog spoja, A;

Uph-fazni napon, V;

Zn je ukupni otpor (uključujući reaktivnu komponentu) otpora kratkospojne petlje;

Zt je ukupni (uključujući reaktivnu komponentu) otpor snage transformatora (snage), Ohm.

Impedancije se definiraju kao hipotenuza pravog trokuta, čiji su krakovi aktivni i reaktivni (induktivni) otpori. Vrlo je jednostavno, morate koristiti Pitagorin teorem.

Nešto češće od strujne formule kratkog spoja u praksi se koriste eksperimentalno izvedene krivulje. To su ovisnosti vrijednosti I k.z. na duljini vodiča, dio žice i snaga transformatora snage. Grafovi su skup silaznih eksponencijalnih linija, od kojih ostaje samo odabrati odgovarajuću. Metoda daje približne rezultate, ali njezina točnost u potpunosti zadovoljava praktične potrebe energetskih inženjera.

Kako napreduje proces

Čini se da se sve događa odmah. Nešto je zujalo, svjetlo je izblijedjelo i odmah se ugasilo. Zapravo, kao i svaki fizički fenomen, proces se može mentalno rastegnuti, usporiti, analizirati i podijeliti u faze. Prije početka trenutka u nuždi, krug je karakteriziran stalnom strujnom vrijednošću koja je unutar granica nominalnog načina rada. Odjednom se ukupni otpor naglo smanjuje na vrijednost blizu nule. Induktivne komponente (elektromotori, prigušnice i transformatori) se opterećuju, kao da usporavaju proces tekućeg rasta. Tako u prvim mikrosekundama (do 0,01 s) jakost struje kratkog spoja izvora napona ostaje gotovo nepromijenjena i čak se donekle smanjuje zbog početka prijelaznog procesa. Istodobno, njegova emf postupno doseže nultu vrijednost, zatim prolazi kroz nju i postavlja se na neku stabiliziranu vrijednost koja osigurava protok velikog I k.s. Sama struja u vrijeme tranzicijskog procesa je suma periodičnih i aperiodičnih komponenti. Analizira se oblik grafa procesa, zbog čega je moguće odrediti konstantnu količinu vremena ovisno o kutu nagiba tangente na krivulju ubrzanja na njenoj točki infleksije (prvi derivat) i vremenu kašnjenja koje je određeno vrijednošću reaktivne (induktivne) komponente ukupnog otpora.

Kratki spoj strujnog udara

Izraz "struja kratkog spoja u šoku" često se nalazi u tehničkoj literaturi. Ne treba se bojati tog pojma, to uopće nije tako strašno i nema izravne veze s porazom od električne energije. Pojam to znači maksimalnu vrijednost I k. u strujnom krugu izmjenične struje, dosegnuvši svoju vrijednost obično pola vremena nakon što se dogodila opasnost. Na frekvenciji od 50 Hz, razdoblje iznosi 0,2 sekunde, a njegova polovica iznosi 0,1 sekundi. U ovom trenutku, interakcija vodiča smještenih blizu jedna drugoj dostiže najveći intenzitet. Struja udara kratkog spoja određena je formulom, koja u ovom članku, namijenjena ne stručnjacima, pa čak ni studentima, nema smisla davati. Dostupan je u posebnoj literaturi i udžbenicima. Sam po sebi, ovaj matematički izraz nije osobito težak, ali zahtijeva prilično duge komentare koji produbljuju čitatelja u teoriju električnih krugova.

Korisni kratki spoj

Čini se da je očigledna činjenica da je kratki spoj izrazito loš, neugodan i nepoželjan fenomen. U najboljem slučaju, može dovesti do deaktiviranja objekta, isključivanja zaštitne opreme u slučaju nužde, au najgorem slučaju do ožičenja, pa čak i požara. Prema tome, sve se snage moraju usredotočiti na to kako izbjeći ovu pošast. Međutim, izračun struja kratkog spoja ima vrlo stvarno i praktično značenje. Izumio je mnogo tehničkih alata koji rade u modu visokih trenutnih vrijednosti. Primjer bi bio konvencionalni stroj za zavarivanje, posebno luk, koji u vrijeme rada kratko spaja elektrodu s uzemljenjem. Drugo pitanje je da su ovi načini kratkog vijeka, a snaga transformatora može izdržati ova preopterećenja. Kod zavarivanja, na mjestu tangencije, krajevi elektrode prolaze kroz velike struje (mjere se u desecima ampera), zbog čega se oslobađa dovoljno topline da se metal topi lokalno i stvori jak zavar.

Metode zaštite

U prvim godinama brzog razvoja elektrotehnike, kada je čovječanstvo još hrabro eksperimentiralo, uvodeći naprave za galvanizaciju, izmišljajući različite vrste generatora, motora i rasvjete, pojavio se problem zaštite tih uređaja od preopterećenja i struja kratkog spoja. Najjednostavnije rješenje bilo je ugraditi taljive elemente u seriji s opterećenjem, koje su uništene otpornom toplinom u slučaju da struja prelazi zadanu vrijednost. Ovi osigurači su danas ljudi, njihove glavne prednosti su jednostavnost, pouzdanost i niska cijena. Ali oni imaju nedostatke. Sama jednostavnost “pluta” (tzv. Nositelji tzv. Taljivih stopa za svoj specifični oblik) izaziva korisnike, nakon što je izgorjela, da ne lukavo filozofiraju, nego da zamijene propale elemente prvim žicama, spajalicama ili čak čavlima. Je li vrijedno spomenuti da takva zaštita od struja kratkog spoja ne ispunjava svoju plemenitu funkciju?

U industrijskim poduzećima, kako bi se isključili preopterećeni krugovi, automatski prekidači počeli su se koristiti ranije nego u stambenim pločama, no posljednjih desetljeća prometne gužve su u velikoj mjeri zamijenjene njima. "Automatski" je mnogo praktičniji, ne može se mijenjati i uključiti, eliminirajući uzrok kratkog spoja i čekajući da se toplinski elementi ohlade. Ponekad izgore kontakti, u ovom slučaju bolje ih je zamijeniti i ne pokušavati ih očistiti ili popraviti. Složeniji diferencijalni automati po visokoj cijeni ne traju dulje od uobičajenog, ali je njihova funkcionalnost šira, odvajaju napon u slučaju minimalne propuštanja struje "na strani", na primjer, kada je osoba pogođena strujom.

U svakodnevnom životu ne preporučuje se eksperimentiranje s kratkim spojem.