Защита от короткого замыкания

Содержание:

1. Физические свойства данного явления
2. Разновидности коротких замыканий
3. Выбор сечения проводов и кабелей
4. Электротехнические средства защиты
5. Видео

В электротехнике нередко возникают различные аварийные ситуации, из которых наибольшую опасность представляет короткое замыкание. В таких случаях источники напряжения начинают работать в особом режиме, вызывающем разрушения всех составляющих электрической цепи, расположенных на данном участке. Основном причиной этого явления считается прямое замыкание между собой выходных клемм генератора или аккумуляторной батареи. Вся мощь источника тока сосредотачивается в одном месте, сжигая оборудования и травмируя находящихся рядом людей.

Поэтому при работе с электрическими сетями большое значение приобретает надежная защита от короткого замыкания, осуществляемая разными способами. Ее основная функция заключается в предотвращении опасных ситуаций и локализации возможных негативных последствий.

Физические свойства данного явления

Опасность короткого замыкания напрямую связана с физическими законами, объясняющими природу этого явления. В первую очередь, это закон Ома, согласно которого ток в электрической цепи находится в прямой пропорции с напряжением и в обратной пропорции – с сопротивлением (I = U/R). То есть, при малом сопротивлении ток будет высокий, а при большом он пропорционально снижается. Кроме того, при росте напряжения одновременно возрастает и сила тока.

Сопротивление при коротком замыкании представляет собой сумму сопротивлений проводов и контактов вместе с внутренним сопротивлением источника питания. Как правило, в бытовых условиях их значения чрезвычайно малы и составляют всего лишь несколько долей Ом. Проводка домашней сети рассчитана на 16-40 ампер, тогда как в момент короткого замыкания ток может доходить до сотен, и даже тысяч ампер.

Явление КЗ тесным образом связано еще и с законом Джоуля-Ленца. Он касается количества теплоты, выделяемой на данном участке за единицу времени. Ее значение определяется квадратом силы тока умноженном на сопротивление этого участка цепи. Это означает рост выделяемого тепла проводником при повышении его сопротивления. Каждый проводник обладает собственным сопротивлением, но греются они все без исключения, но выделяют при этом разное количество тепла.

Во избежание перегрева, сечение каждого из них подбирается под определенную силу тока. В противном случае слишком тонкие проводники под высокими нагрузками становятся горячими, а провода с большим сечением практически не греются, поскольку успевают отдать тепло с большой площади в окружающую среду. Все эти физические законы и явления обязательно учитываются, когда оборудуется защита от токов короткого замыкания.

Виды коротких замыканий

Данное явление нередко наблюдается под действием природных электрических аномалий. Как правило, это мощные грозовые разряды, сопровождаемые молниями. Их основным источником служит статическое электричество с огромным потенциалом, с различными знаками и величинами, накопленное облаками в процессе перемещения силой ветра с одного места на другое на большие расстояния.

Влажные пары, находящиеся в облаке, поднимаются на высоту, охлаждаются естественным путем. Образующийся конденсат проливается на землю в виде дождя. Из-за низкого сопротивления влажной среды воздушная прослойка подвергается пробою, по которому и проходит высокий электрический ток, представляющий собой молнию.

Для прохождения электрического разряда требуется два отдельных объекта с разными значениями потенциалов. Чаще всего, это два облака, идущие на сближение, или сама грозовая туча и поверхность земли. В первом случае опасность грозит в основном летательным аппаратам, а во втором под действие разряда могут попасть любое устройство или объект, в том числе и воздушные ЛЭП. Защита обеспечивается путем установки молниеотводов, нейтрализующих грозовые разряды.

В других случаях коротким замыканиям подвергаются цепи постоянного тока. У всех аккумуляторов или выпрямителей на выходе установлены контакты с положительным и отрицательным потенциалом. В обычных условиях они поддерживают рабочий режим схемы, обеспечивая нормальную работу потребителей.

Все процессы определяются математическим выражением закона Ома для полной цепи. Происходит равномерное распределение нагрузки в обоих контурах – внутреннем и внешнем.

При возникновении аварийной ситуации, между плюсовой и минусовой клеммами возникает непредвиденный контакт в виде короткой цепи, в которой чрезвычайно низкое электрическое сопротивление. Внешний контур выключается из работы, и циркуляция тока происходит лишь по внутреннему контуру с маленьким сопротивлением. ЭДС, при этом, остается неизменной, что приводит к резкому росту силы тока. Все это сопровождается большим тепловыделением и нарушениями целостности цепи.

Процессы в цепях переменного тока также попадают под действие закона Ома. В отличие от предыдущего варианта, эти схемы могут быть одно- или трехфазными, подключаться к заземляющему контуру. Короткие замыкания в таких цепях возникают в самых разнообразных формах: «фаза-земля», «фаза-фаза», «фаза-фаза-земля», «фаза-фаза-фаза», «фаза-фаза-фаза-земля».

В воздушных ЛЭП применяются изолированная и глухозаземленная схемы подключения нейтрали. В каждой из них ток короткого замыкания будет прокладывать собственный путь, который обязательно учитывается при создании защитной системы.

Иногда замыкания могут возникнуть внутри самой нагрузки, например, в электродвигателях. При одной фазе возможен пробой изоляции корпуса или нулевого проводника. У трехфазных потребителей возможны замыкания между фазами и другие аналогичные сочетания. В любом случае все это приводит к аварийному режиму с тяжелыми последствиями. Предотвратить подобные ситуации помогает автомат снимающий опасное напряжение с участка цепи и подключенного оборудования.

Правильный выбор сечения проводов и кабелей

Основным мероприятием по защите от коротких замыканий является выбор подходящего сечения для кабелей и проводников. Следует учитывать и условия будущей эксплуатации, а также оборудование, которое планируется к подключению.

Способность проводников к работе в условиях продолжительных нагрузок целиком зависит от площади сечения жил, измеряемой в мм². Существуют специальные таблицы, облегчающие выбор, в которых подробно расписаны показатели проводников, в соответствии с нагрузкой, учитывая электрические параметры сети.

Все проводники выбираются с некоторым запасом, поэтому в большинстве домашних сетей на освещение используются проводники 1,5 мм

2, а для розеточной группы – 2,5 мм². При необходимости выполняются индивидуальные расчеты электропроводки, исключающие перегрев и другие негативные последствия.

Следует учитывать и материал проводников. Например, сопротивление алюминия примерно в 1,8 раза превышает этот показатель у меди. То есть, при одинаковой силе тока и сечении, алюминиевая жила нагреется в 2 раза быстрее. Поэтому в современных схемах проводки используется кабельно-проводниковая продукция только с медными жилами. Алюминиевые провода используются лишь в электроустановках высокой мощности и для передачи электроэнергии по ЛЭП.

Электротехнические средства защиты

Защитить электрическую цепь от КЗ помогают различные типы предохранителей. Наиболее простыми считаются плавкие предохранители одноразового действия, различающиеся по внешнему виду. Они выступают в качестве наиболее слабого звена и в случае аварии срабатывают, разрывая цепь и защищая вверенный участок. Жертвуя собой, эти компоненты предотвращают разрушение и выход из строя других, более важных приборов от действия высоких температур, образовавшихся из-за резкого увеличения силы тока.

Плавкие предохранители для защиты от короткого замыкания выпускаются в широком ассортименте и могут работать с напряжением 600-35000В и силой тока от нескольких миллиампер до 1 тысячи ампер. Конструкция у всех одинаковая, состоит из плавкой вставки, контакта, дугогасящей среды или устройства для гашения дуги. Все элементы размещаются в общем корпусе.

Срабатывание предохранителя происходит следующим образом. Вначале вставка нагревается до температуры плавления, после чего она расплавляется и испаряется. Одновременно возникает электрическая дуга, которая быстро гасится в изоляционном промежутке. После этого цепь в электроустановках оказывается полностью разорванной.

Обеспечить нормальную защиту можно лишь соблюдая определенные условия:

• Времятоковая характеристика предохранителя должна быть ниже этого показателя на защищаемом участке.
• Срабатывание происходит за минимальный промежуток времени.
• Защитный элемент должен обладать высокой отключающей способностью.
• Простая конструкция, позволяющая быстро заменить сгоревшую плавкую вставку.

Кроме одноразовых, существует автоматический предохранитель, проводящий ток в нормальном состоянии, и отключающий его в случае отклонений от нормы. Он устанавливается в начале линии и обеспечивает защиту электрооборудования от перегрузок, коротких замыканий и пониженного напряжения. Основным плюсом этих устройств считается их многоразовое использование в течение продолжительного времени.

Более серьезная защита от короткого замыкания, получившая широкое распространение, представлена автоматическим выключателем он же автомат. Все компоненты устройства помещены в корпус из диэлектрического материала. Для включения и выключения прибора предусмотрен выключатель-рычажок. Подключение проводов осуществляется через винтовые клеммы. Автомат коммутирует электрическую цепь с помощью подвижного и неподвижного контактов.

К подвижному контакту подводится пружина, обеспечивающая быстрое расцепление. Сами контакты разъединяются за счет действия электромагнитного или теплового расцепителя. Первое устройство срабатывает практически мгновенно, сердечник втягивается, когда ток превышает заданное значение. Тепловой расцепитель является биметаллической пластиной, нагревающейся под действием тока. Далее, она сгибается и производит разъединение контактов. Величина тока срабатывания устанавливается с помощью регулировочного винта.

Виды защит от токов КЗ

Электричество, стоящее на службе Человечества уже более ста лет, остается физической сущностью непредсказуемой и опасной – как для технических устройств, использующих его для своей работы, так и для человека, их обслуживающих. Поэтому обязательным элементом систем электрического снабжения, вне зависимости от номинала напряжения и силы тока, являются защитные устройства различного назначения и принципа действия.

Какими бывают защитные устройства

Классификация устройств, которые делают безопасными электрические сети, довольно сложна. По той причине, что одно и то же устройство применяется в различных областях и с разными целями. А алгоритм их работы нередко состоит из нескольких этапов, каждый из которых может быть использован для защиты как единственный метод. Основными критериями классификации являются:

• По сфере применения – для защиты людей или технических устройств.
• По способу реакции – пассивные и активные.

В подавляющем большинстве случаев принцип их работы основан на физическом проявлении действия электрического тока – нагреве или притягивании металлических деталей в поле действия магнитного поля, им порожденного.

Пассивные устройства защиты

В первую очередь, это заземление и зануление. По своей физической сущности они похожи, но по назначению различаются. Защитное действие заземления основано на двух явлениях:

1. Ток короткого замыкания, возникающий между фазной линией и нулевым проводником (или между фазами) при малом сопротивлении среды, имеет свойство лавинообразного нарастания силы. Это приводит к возникновению электрической дуги и мгновенному разогреву проводников, участвующих в процессе, что используется для работы активных систем защиты – плавких предохранителей и автоматических выключателей.
2. Ток всегда идет по пути наименьшего сопротивления. Если корпус электроприбора заземлить, то в случае аварии – частичном пробое фазы на него, человек не получит электрической травмы.

Стоит строго различать техническую нейтраль и заземляющий проводник. Первая является общей точкой трех обмоток силового трансформатора, соединенных звездой. Во время работы электроустановки по ней течет ток.

Ее используют для защиты потребителей трехфазного тока (электродвигателей) в случае межфазного или однофазного короткого замыкания на землю. Второй не имеет мест физического подключения к линиям электропередач и применяется для защиты людей от поражения электрическим током. В статье «Земля в электротехнике» подробно расписаны отличия этих двух понятий.

Свойство тока двигаться по пути наименьшего сопротивления используется и в том случае, когда требуется защита от атмосферного электричества. Для этого на крыше здания или рядом с ним устанавливают вертикальный штырь (громоотвод), который напрямую соединяют с физической землей.

Частным видом пассивной защиты можно считать работу балластного трансформатора, обеспечивающего стабильность питающего напряжения. Сглаживание происходит за счет того, что возникающий в его сердечнике магнитный поток имеет противоположное породившему его току направление.

Физическая защита кабеля, проложенного в земле, также относится к пассивной. Хотя она и не связана с прямым действием электрического тока. Она заключается в устройстве оболочки из металла – она может быть как его конструктивной частью, тогда он называется «бронированным».

Активные устройства защиты

Наиболее разнообразные по принципу работы и назначению виды защиты.

Стабилизаторы

Защита от перепадов напряжения является залогом безаварийной работы многих электроприборов. В цепях переменного тока стабилизаторы делают на основе автотрансформаторов, которые в чистом виде являются пассивными. Для их активизации в схему включается устройство, сравнивающее входное и выходное напряжение. По способу реакции на отклонение от заданных параметров они бывают двух типов:

1. Релейные, в которых группа силовых реле обеспечивает переключение точки съема напряжения с обмотки автотрансформатора.
2. Серверные – бегунок на автотрансформаторе вращается электромотором специального назначения (сельсин-датчик). Чем больше разница между напряжениями на входе и выходе, тем на больший угол он поворачивается.

Больше узнать о стабилизаторах можно узнать тут.

Предохранители, термореле и автоматические выключатели

Наиболее простым способом защита от перегрузки осуществляется так называемыми плавкими предохранителями. Основой их конструкции является металлический проводник, сечение и длина которого позволяют выдерживать ему токи определенной величины. При их лавинообразном нарастании в случае короткого замыкания металл нагревается и плавится, разрывая цепь.

Недостатком предохранителей является их одноразовость, а также неизбирательность действия: они могут или не успеть отключить потребителя или сделать это слишком рано. Последний случай характерен для запуска асинхронных электродвигателей, обмотки которых соединены треугольником. Он сопровождается трехкратным увеличением силы тока в цепи.

Электрическая перегрузка может быть вызвана излишним физическим сопротивлением работе электродвигателя. Для ее предотвращения используются термореле. Это устройство состоит из отрезка нихромовой проволоки, играющей роль нагревательного элемента, и биметаллического размыкателя, вокруг которого она обвита.

Чрезмерная нагрузка на валу провоцирует увеличение силы тока в обмотках. Это, в свою очередь, ведет к нагреванию чувствительного элемента реле, деформации контактов размыкателя и отключению потребителя от сети. Такие защитные устройства не рассчитаны на мгновенное отключение в случае аварии. В этом их главный недостаток.

Автоматические выключатели – это комплексные устройства, реагирующие на два проявления действия электрического тока – притягивание проводников и нагрев. В их конструкции есть соленоид – катушка с подвижным сердечником, и биметаллический контакт.

Первый срабатывает при превышении тока сверх номинального, возникающего чаще всего при коротком замыкании. Однако, если потребляемый электроустановкой ток выше указанного на корпусе автоматического выключателя, то он будет отключать сеть и при обычных условиях. Достоинство этого прибора в их универсальности и возможности мгновенного отключения потребителей.

Дифференциальные измерители

Это такие аппараты защиты, действие которых основано на определении дисбаланса между фазной линией и технической нейтралью – общей точке трех фазных обмоток, включенных по схеме «звезда». Они могут использоваться как для защиты электроустановок, так и людей. Их называют УЗО – устройство защитного отключения.

В основе их конструкции лежит дифференциальный трансформатор. Он состоит из ферритового кольца и одной обмотки на нем, которая и играет роль индикатора дисбаланса. В однофазной бытовой сети через ферритовое кольцо пропущены фазный проводник и нейтраль. Направления токов в них противоположны и уравновешивают друг друга, поэтому во вторичной обмотке ток не течет.

Если человек касается токоведущей части и электричество уходит через него в землю, то в нейтральном проводнике движение электронов прекращается, баланс нарушается и во вторичной обмотке возникает ток. Он усиливается и приводит к движению сердечника соленоида, который размыкает контакты.  Подробнее об устройстве и принципе работы УЗО читайте здесь.

Защита генераторов и других промышленных электроустановок осуществляется трехфазными УЗО. Принцип их работы тот же, что и однофазного. Однако они способны реагировать не только на замыкание фазы на землю, но также на обрыв одной из них или замыкание между ними.

Отличие дифференциальных автоматов от выключателей в том, что они срабатывают мгновенно, без временной задержки. Поэтому на их корпусе нет буквенных маркировок: A, B, C или D. Только номинал срабатывания, величина которого в тысячи раз меньше, чем у автоматического выключателя.

Для сравнения: автоматический выключатель С32 срабатывает при пятикратном превышении рабочего тока – 160 ампер. УЗО, для которого ток в 32 ампера может быть номинальным, срабатывает при возникновении дисбаланса между фазами, исчисляемому в миллиамперах (стандартными являются значения от 10 до 300 мА).

В последнее время электротехническая промышленность стала выпускать защитные устройства, в которых объединены УЗО и АВ. Их называют «автоматические выключатели дифференциального тока» и обозначают как АВДТ. Они защищают от комплекса аварийных ситуаций: всех видов коротких замыканий, а также физической перегрузки, сопровождающейся нагревом проводников.

Их применение существенно упрощает проведение электромонтажных работ и позволяет одновременно защитить как электроустановку, так и людей, ее обслуживающих. Чтобы научиться отличать АВДТ от УЗО, ознакомьтесь с этой статьей.

Включение устройств защиты в схемы питания электроустановок является обязательным условием их безаварийной эксплуатации. Оно регламентируется своеобразной библией электрика – Правилами устройства электроустановок (ПУЭ). А также другими документами. Такими, как Правила технической эксплуатации электроустановок (ПУЭ) и Межотраслевые правила охраны труда при эксплуатации электроустановок (МПОТ).

Защита от короткого замыкания и что такое КЗ: виды и последствия

Одним из самых опасных моментов для работы электрических сетей является процесс короткого замыкания. Он связан с высокими токовыми перегрузками, выбросом большого количества тепловой энергии и, как следствие, нарушением надёжности электроснабжения потребителей и подключенного к источнику энергии оборудования. В этом режиме неизбежно отключение повреждённого участка от сети, значит, перебои в электроснабжении при устранении аварии.

Что собой представляет КЗ

Что такое короткое замыкание

Короткое замыкание (сокращённо КЗ) – это аварийный режим электрической цепи, который представляет собой соединение двух точек этой цепи с разницей потенциалов. Так как это аварийный режим работы, то он не предусматривается конструкцией устройства или линией электроснабжения, находящейся под напряжением. Возникновение процесса КЗ связано с резким увеличением силы тока, до максимально возможного значения, при этом масштабы повышения характеризуются мощностью источника питания. Также увеличение тока в режиме замыкания сопровождается снижением величины напряжения, так как происходит падение напряжения.

Важно! Увеличение силы тока вызывает повышенный резкий перегрев проводников. Соответственно, для надёжности электроснабжения в случае возникновения короткого замыкания любая (без исключения) цепь должна иметь надёжные инструменты и быстро реагирующую аппаратуру для аварийного отключения потенциально опасного участка от источника напряжения.

Почему короткое замыкание так называется

Почему короткое замыкание так называется? Этот процесс выхода устройства или электрической цепи из нормального режима работы получил своё название, благодаря низкому сопротивлению между точками соприкосновения цепи с разным потенциалом. Так как доказано, что электроны двигаются по самому короткому пути с минимальным электрическим сопротивлением, то во время соединения двух проводников в точке КЗ их путь будет кротчайшим, поэтому этот процесс получил соответствующее название.

Причины возникновения короткого замыкания

Несмотря на то, что этот нежелательный аварийный процесс считается случайным, на его создание могут влиять следующие причины, связанные с некачественным монтажом или неправильной эксплуатацией электрического оборудования (цепей). Вот основные причины появления короткого замыкания:

1. Снижение качества изоляции токоведущих проводников. Это одна из самых распространенных причин перехода сети в режим КЗ, который возникает вследствие пересыхания, механического повреждения или разрушения изоляции между проводниками с разным потенциалом. Чаще всего все перечисленные причины снижения сопротивления изоляции и её разрушения связаны с воздействием на неё вредных факторов, на которые она не рассчитана. Например, при длительном воздействии солнечных лучей на изоляцию, которая боится ультрафиолетового излучения, происходят пересыхание, потрескивание и, как следствие, короткое замыкание.

Нужно отметить! У любой изоляции есть свой срок использования, старение её приводит к аварийным режимам.

2. Изменение физических параметров электрической сети, например, перенапряжение. Такое явление возможно во время грозы, а именно попадания молнии в проводник с током.
3. Неправильная коммутация, ошибки монтажа или укладки кабеля, с несоответствием техническим условиям, заявленным заводом производителем.

Любой электромонтажник или электромонтер не застрахован от ошибочных, неправильных действий при монтаже электропроводки или при выполнении оперативных переключений. В низковольтных цепях такие ошибки менее опасны, чем в высоковольтных цепях с мощными источниками энергии, например, на высоковольтных силовых подстанциях электроснабжения. Даже с современными элементами и устройствами защиты от превышения нагрузок процесс КЗ в силовых высоковольтных цепях опасен не только для оборудования, но и для обслуживающего персонала, из-за появления мощной электрической дуги.

4. Длительная эксплуатация электрического оборудования и линий в режиме перегрузок или в условиях с завышенными температурами окружающей среды. Это приводит к перегреву изоляции между обмотками электрооборудования, значит, происходит снижение сопротивления изоляции, которое в какой-то момент достигает критического значения.

Выполнение монтажа качественными материалами, правильная организация работ в электроустановках, а также своевременное обслуживание, с заменой повреждённых участков линии, снизят риск появления короткого замыкания.

Виды коротких замыканий

Рассматривая трёхфазные электрические сети и аварийные режимы в них, можно выделить следующие возможные виды короткого замыкания:

1. трёхфазное – три фазных провода замыкаются между собой;
2. однофазное – электрическое соединение фазного провода с земляным, нейтральным или токопроводящим элементом, которые присоединены к земле;
3. двухфазное – замыкание двухфазных проводов с разным потенциалом между собой;
4. двухфазное замыкание на землю – это два любых фазных провода с током замыкаются между собой и прикасаются к земле или заземлению.

Замыкание внутри электрических устройств и оборудования – это процесс, идентичный КЗ, но происходит он из-за ухудшения изоляции внутри электрических машин и чаще всего требует замены статорной или роторной обмотки. Внутри электрических машин короткое замыкание может быть двух типов:

1. межвитковое, снижающее сопротивление обмоток до критического значения;
2. замыкание обмотки на корпус, который изготовлен из токопроводящего материала.

Виды КЗ

Как предотвратить КЗ, защита от него

Так как КЗ – это аварийный режим, то существуют способы защиты от этого опасного процесса и его предотвращения:

• Быстродействующая электромагнитная или электронная защита от мгновенного увеличения тока в нагрузке или линии, которая максимально быстро отключит аварийный участок цепи от напряжения. Для этого используются автоматические выключатели, предохранители, дифференциальные автоматы. В домашних условиях для защиты от КЗ достаточно установить на группу приборов правильно рассчитанный автоматический выключатель (АВ).
• Для высоковольтных линий и силовых цепей подстанций используются масляные (вакуумные и другие) аппараты коммутации с настроенной и проверенной защитой от резкого увеличения тока на отходящих линиях.

Способ предотвращения короткого замыкания в тот момент, когда этот процесс уже произошел, простой: он заключается в немедленном автоматическом отключении участка цепи от напряжения. В принципе, любой автоматический выключатель имеет внутри конструкции электромагнитный разцепитель, который при превышении номинального тока разрывает цепь нагрузки достаточно эффективно и быстро.

Важно! Защита от КЗ должна быть надёжной и быстродействующей, это два основных правила безопасной эксплуатации электрических цепей.

Виды предохранителей и автоматических выключателей

Так как предохранители и автоматические выключатели – это самые распространённые элементы защиты участков цепей от коротких замыканий, то стоит рассмотреть основные виды этой токоограничивающей аппаратуры.

Предохранители делятся на три основные группы, которые отличаются по типу срабатывания:

• с плавкой вставкой;
• электромеханические с повторным взводом путём нажатия кнопки;
• электронные (редко применяемые в быту).

Автоматические выключатели делятся по количеству полюсов:

• однополюсные;
• двухполюсные;
• трёхполюсные.

Подбор данной аппаратуры для отключения напряжения вследствие короткого замыкания связан с величиной напряжения сети, номинальной силой тока и порога срабатывания защиты. В зависимости от назначения электроустановки, конструктивных особенностей, а также местных условий работы, проектировщики выбирают необходимую и максимально эффективную систему защиты от КЗ.

Автоматический выключатель считается более надёжным и быстродействующим элементом защиты от короткого замыкания, нежели предохранитель, даже если автомат включить повторно на цепь с коротким замыканием – это не так опасно для человека, нежели установка предохранителя под нагрузкой и напряжением.

Что такое УЗО

Появившиеся недавно на рынке защитного оборудования системы УЗО (внешне похожи на автоматические выключатели) – это надёжные устройства для защиты от токовой утечки из-за появления повреждений изоляции, которые выявляются за счёт токового перекоса цепи. Данная система отлично справляется с защитой от попадания человека под напряжение, но никак не от короткого замыкания. Таким образом, установка УЗО повышает безопасность участка цепи и обслуживаемого оборудования, но это не значит, что в этой цепи не требуется установка автоматических выключателей с токовым разцепителем.

Внимание! Существует ошибочное мнение, что устройство защитного отключения (УЗО) защитит цепь от короткого замыкания. УЗО выполняет защитную функцию при попадании человека под опасное напряжение сети (потенциал), а также реагирует на ухудшение сопротивления изоляции, которое в дальнейшем может привести к замыканию на землю или на нулевой проводник.

Последствия короткого замыкания

Согласно закону Ома, при снижении сопротивления в цепи, которое характерно при КЗ, происходит пропорциональное многократное увеличение силы тока. При этом увеличение тока сопровождается значительным выделением тепла, согласно закону Джоуля Ленца, что приводит к возгоранию, пожару, нагреву и расплавлению изоляции на проводах с током.

Что такое КЗ и его последствия, часто видят и знают пожарные службы, которым приходится устранять возгорания, а также электромонтёры с опытом работы в электроустановках. Короткое замыкание у одного из потребителей способно нарушить электроснабжение и привести к отключению целого участка энергосистемы, поэтому установка, обслуживание, а также проверка срабатывания токоограничивающей защиты являются очень важными и актуальными.

Чем опасно КЗ и его последствия

Преднамеренное использование

Короткое замыкание лишь в некоторых случаях оправдывает себя, а именно:

• Для обесточивания участка цепи, на которой человек попал под воздействие опасного напряжения. Если индивид попадает под опасный потенциал, а в цепи нет УЗО, и автоматический выключатель находится далеко от места происшествия, то для спасения человека выполняется искусственное КЗ, отключающее линию;
• При отключении цепей высоковольтных участков от источника напряжения с помощью короткозамыкателей. Короткозамыкатель – это коммутационный аппарат, имеющий мощную контактную часть, которая конструктивно рассчитана и предназначена для создания искусственного короткого замыкания в сетях электроснабжения;
• В сварочных аппаратах. Конструкция этих устройств рассчитана на технологическое создание электрической дуги. За счёт низкого напряжения (практически безопасного) и электрического соединения с землёй через сварочный электрод, который плавится, выполняется сваривание металлических поверхностей.

Преднамеренное короткое замыкание с помощью короткозамыкателя

Электрическая энергия и возникающее в сетях короткое замыкание – это опасный процесс, который может привести к ужасным последствиям с человеческими жертвами. Однако, если правильно рассчитать и установить токоограничивающие аппараты, а также своевременно проверять их работоспособность, то его можно контролировать. Быстрое реагирование качественной защитной аппаратуры на режим КЗ предотвратит крупные аварии.

Видео

Розетка с защитой от КЗ для ремонта приборов на 220 В

Это невероятно полезное приспособление, которое защитит ваш дом от короткого замыкания при проверке каких-либо тестируемых приборов. Бывают случаи, когда необходимо проверить электроприбор на отсутствие КЗ, к примеру, после ремонта. И чтобы не подвергать свою сеть опасности, подстраховаться и избежать неприятных последствий, как раз и поможет это очень простое устройство.

Понадобится

• Розетка накладная.
  
• Выключатель клавишный, накладной.
  
• Лампочка накаливания 40 — 100 Вт с патроном.
  
• Провод двухжильный в двойной изоляции 1 метр.
  
• Вилка разборная.
  
• Саморезы.
  

Все детали будут крепиться к деревянному квадрату из ДСП или другого материала.

Патрон для лампочки лучше использовать настенный, но если у вас такого нет делаем скобу для обхвата из тонкой жести.

И вываливаем квадратик из толстой древесины.

Будет крепится так.

Сборка розетки с защитой от короткого замыкания

Схема всей установки.

Как видите, все элементы соединены последовательно.
Первым делом собираем вилку, подключая к ней провод.

Так как розетка и выключатель настенные, круглым напильником сбоку сделаем пропилы для провода. Это можно сделать острым ножом.

Приворачиваем деревянный квадратик к основанию саморезами. Подберите такие, чтобы они не прошли насквозь.

Приворачиваем патрон с лампой скобой к деревянному квадратику.

Разбираем розетку и выключатель. Приворачиваем саморезами к основанию.

Подключаем провода к патрону.

Для полной надежности все провода пропаяны. То есть: зачищаем, сгибаем колечко, пропаиваем паяльником с припоем и флюсом.

Провод питания фиксируем капроновыми стяжками.

Схема собрана, установка готова к проверке.

Для пробы в розетку вставляем зарядник от сотового телефона. Нажимаем выключатель — лампа не светит. Значит короткого замыкания нет.

Затем берем нагрузку помощнее: блок питания от компьютера. Включаем. Лампа накаливания в начале вспыхивает, а затем гаснет. Это нормально, так как в блоке имеются мощные конденсаторы, которые в начале заражаются.

Имитируем КЗ — вставляем в розетку пинцет. Включаем, лампа светит.

Вот такой замечательный и очень нужный прибор.

Такая установка подходит не только для маломощных приборов, но и для мощных. Конечно стиральная машинка или электрическая плитка не заработают, но по яркости свечения можно понять, что КЗ отсутствует.
Лично я, почти всю свою жизнь пользуюсь подобным девайсом, проверяя на ней все вновь собранные поделки.

Смотрите видео

Защита от короткого замыкания | Все своими руками

Опубликовал admin | Дата 4 февраля, 2017

Современные мощные переключательные транзисторы имеют очень маленькие сопротивления сток-исток в открытом состоянии, это обеспечивает малое падение напряжения при прохождении через эту структуру больших токов. Это обстоятельство позволяет использовать такие транзисторы в электронных предохранителях.

Например, транзистор IRL2505 имеет сопротивление сток-исток, при напряжении исток-затвор 10В, всего 0,008 Ом. При токе 10А на кристалле такого транзистора будет выделяться мощность P=I² •R; P = 10 • 10 • 0,008 = 0,8Вт. Это говорит о том, что при данном токе транзистор можно устанавливать без применения радиатора. Хотя я всегда стараюсь ставить хотя бы небольшие теплоотводы. Это во многих случаях позволяет защитить транзистор от теплового пробоя при внештатных ситуациях. Этот транзистор применен в схеме защиты описанной в статье «Защита для зарядных устройств автоаккумуляторов». При необходимости можно применить радиоэлементы для поверхностного монтажа и сделать устройство виде небольшого модуля. Схема устройства представлена на рисунке 1. Она рассчитывалась на ток до 4А.

Схема электронного предохранителя

В данной схеме в качестве ключа использован полевой транзистор с р каналом IRF4905, имеющий сопротивление в открытом состоянии 0,02 Ом, при напряжении на затворе = 10В.

В принципе этой величиной ограничивается и минимальное напряжение питания данной схемы. При токе стока, равном 10А, на нем будет выделяться мощность 2 Вт, что повлечет за собой необходимость установки небольшого теплоотвода. Максимальное напряжение затвор-исток у этого транзистора равно 20В, поэтому для предотвращения пробоя структуры затвор-исток, в схему введен стабилитрон VD1, в качестве которого можно применить любой стабилитрон с напряжение стабилизации 12 вольт. Если напряжение на входе схемы будет менее 20В, то стабилитрон из схемы можно удалить. В случае установки стабилитрона, возможно, потребуется коррекция величины резистора R8. R8 = (Uпит — Uст)/Iст; Где Uпит – напряжение на входе схемы, Uст – напряжение стабилизации стабилитрона, Iст – ток стабилитрона. Например, Uпит = 35В, Uст = 12В, Iст = 0,005А. R8 = (35-12)/0,005 = 4600 Ом.

Преобразователь ток — напряжения

В качестве датчика тока в схеме применен резистор R2, чтобы уменьшить мощность, выделяющуюся на этом резисторе, его номинал выбран всего в одну сотую Ома. При использовании SMD элементов его можно составить из 10 резисторов по 0,1 Ом типоразмера 1206, имеющих мощность 0,25Вт. Применение датчика тока с таким малым сопротивление повлекло за собой применение усилителя сигнала с этого датчика. В качестве усилителя применен ОУ DA1.1 микросхемы LM358N.

Коэффициент усиления этого усилителя равен (R3 + R4)/R1 = 100. Таким образом, с датчиком тока, имеющим сопротивление 0,01 Ом, коэффициент преобразования данного преобразователя ток – напряжения равен единице, т.е. одному амперу тока нагрузки равно напряжение величиной 1В на выходе 7 DA1.1. Корректировать Кус можно резистором R3. При указанных номиналах резисторов R5 и R6, максимальный ток защиты можно установить в пределах… . Сейчас посчитаем. R5 + R6 = 1 + 10 = 11кОм. Найдем ток, протекающий через этот делитель: I = U/R = 5А/11000Ом = 0,00045А. Отсюда, максимальное напряжение, которое можно выставить на выводе 2 DA1, будет равно U = I x R = 0,00045А x 10000Ом = 4,5 B. Таким образом, максимальный ток защиты будет равен примерно 4,5А.

Компаратор напряжения

На втором ОУ, входящем в состав данной МС, собран компаратор напряжения. На инвертирующий вход этого компаратора подано регулируемое резистором R6 опорное напряжение со стабилизатора DA2. На неинвертирующий вход 3 DA1.2 подается усиленное напряжение с датчика тока. Нагрузкой компаратора служит последовательная цепь, светодиод оптрона и гасящий регулировочный резистор R7. Резистором R7 выставляют ток, проходящий через эту цепь, порядка 15 мА.

Работа схемы

Работает схема следующим образом. Например, при токе нагрузки в 3А, на датчике тока выделится напряжение 0,01 х 3 = 0,03В. На выходе усилителя DA1.1 будет напряжение, равное 0,03В х 100 = 3В. Если в данном случае на входе 2 DA1.2 присутствует опорное напряжение выставленное резистором R6, меньше трех вольт, то на выходе компаратора 1 появится напряжение близкое к напряжению питания ОУ, т.е. пять вольт. В результате засветятся светодиод оптрона. Откроется тиристор оптрона и зашунтирует затвор полевого транзистора с его истоком. Транзистор закроется и отключит нагрузку. Вернуть схему в исходное состояние можно кнопкой SB1 или выключением и повторным включением БП.

Недостатком схемы является однополярное питание операционного усилителя, в связи с этим при малых значениях падения напряжения на датчике тока, возникает большая нелинейность коэффициента усиления ОУ DA1.1.

Скачать статью

Скачать “Электронный-предохранитель-на-MOSFET-транзисторе” Электронный-предохранитель-на-MOSFET-транзисторе.rar – Загружено 1 раз – 47 KB

Обсудить эту статью на — форуме «Радиоэлектроника, вопросы и ответы».

Просмотров:6 480

Защита от короткого замыкания

Практически каждый в своей жизни сталкивался с коротким замыканием. Но чаще всего оно происходило так: вспышка, хлопок и всё. Так происходило лишь потому, что была защита от короткого замыкания.

Устройство защиты от короткого замыкания

Устройство может быть электронным, электромеханическим или простым предохранителем. Электронные устройства в основном применяются в сложных электронных приборах, и мы рассматривать в рамках этой статьи их не будем. Остановимся на предохранителях и электромеханических устройствах. Для защиты бытовой электросети сначала применялись предохранители. Мы привыкли их видеть в виде «пробок» в электрощите.

Их было несколько типов, но вся защита сводилась к тому, что внутри этой «пробки» находился тонкий медный проводок, который перегорал, когда происходило короткое замыкание. Нужно было бежать в магазин, покупать предохранитель или хранить дома, возможно, не скоро потребующийся запас предохранителей. Это было неудобно. И на свет появились автоматические выключатели, которые сначала выглядели тоже как «пробки».

Это был простейший электромеханический автоматический выключатель. Выпускались они на разные токи, но максимальным значением было 16 ампер. Вскоре потребовались более высокие значения, да и технический прогресс позволил выпускать автоматы такими, какими мы сейчас их видим в большинстве электрических щитков наших домов.

Как же нас защищает автомат?

В нем стоит два типа защиты. Один тип основан на индукции, второй на нагреве. Короткое замыкание характеризуется большим током, который протекает по короткозамкнутой цепи. Автомат устроен таким образом, что ток протекает через биметаллическую пластину и катушку индуктивности. Так вот, когда большой ток протекает через автомат, в катушке возникает сильный магнитный поток, который приводит в движение механизм расцепителя автомата. Ну а биметаллическая пластина предназначена для протекания номинального тока. Когда ток протекает по проводам, он всегда вызывает нагрев. Но мы часто этого не замечаем, потому что тепло успевает рассеяться и нам кажется, что провода не нагреваются. Биметаллическая пластина состоит из двух металлов с разными свойствами. При нагреве эти оба металла деформируются (расширяются), но поскольку один металл расширяется сильнее, чем другой, пластина начинает изгибаться. Пластина подбирается таким образом, чтобы при превышении номинального значения автомата, за счет изгиба, она приводила в действие механизм расцепителя. Таким образом, получается, что одна защита (индуктивная) работает на токи короткого замыкания, а вторая на токи, длительно протекающие по кабелю. Поскольку токи короткого замыкания носят стремительный характер и протекают в сети короткий промежуток времени, биметаллическая пластина не успевает нагреться до такой степени, чтобы деформироваться и отключить автомат.

Схема защиты от короткого замыкания

По сути, ничего сложного в этой схеме нет. В цепь устанавливается автомат, который отключает либо фазный провод, либо сразу всю цепь. Но есть нюансы. Остановимся на них подробнее.

1. Нельзя ставить отдельные автоматы в цепь фазы и цепь нуля. По одной простой причине. Если вдруг при коротком замыкании отключится нулевой автомат, то вся электросеть будет под напряжением, потому что фазный автомат останется включенным.
2. Нельзя устанавливать провод меньшего сечения, чем позволяет автомат. Очень часто в квартирах со старой проводкой, чтобы увеличить мощность, ставят более мощные автоматы… Увы, это и является самой частой причиной коротких замыканий. Вот что происходит в таких случаях. Предположим, для наглядности, имеется провод, медный, сечением 1,5 кв.мм, который способен выдерживать ток до 16 А. На него ставится автомат 25А. К этой сети мы включаем нагрузку, скажем 4,5 кВт, по проводу потечет ток 20,5 ампер. Провод начнет сильно разогреваться, но автомат не отключит сеть. Как вы помните, у автомата два типа защиты. Защита от короткого замыкания еще не работает, потому что короткого замыкания нет, а защита по номинальному току сработает при значении, превышающем 25 ампер. Вот и получается, что провод сильно разогревается, начинает плавиться изоляция, но автомат не срабатывает. В конце концов, происходит пробой изоляции и появляется короткое замыкание и срабатывает, наконец-то автомат. Но что бы получаете? Линией больше пользоваться нельзя, ее необходимо заменить. Это несложно, если провода проложены открытым способом. Но если они скрыты в стене? Новый ремонт вам обеспечен.
3. Если алюминиевой проводке более 15, а медной более 25 лет, а вы собираетесь делать ремонт – однозначно меняйте на новую проводку. Несмотря на вложения это сэкономит вам деньги. Представьте, что вы уже сделали ремонт, а в какой-нибудь распаечной коробке оказался плохой контакт? Это если говорить о медном проводе (у которого, как правило, стареет только изоляция или места соединений со временем окисляются или ослабевают, затем начинают греться, что еще быстрее приводит к разрушению скрутки). Если же говорить об алюминиевом проводе, то все еще хуже. Алюминий очень пластичный металл. При колебаниях температур сжатие и расширение провода довольно значительны. И если в проводе была микротрещинка (заводской брак, технологический брак), то со временем она увеличивается, а когда она становится довольно большой, а значит провод в этом месте тоньше, то при протекании тока этот участок начинает разогреваться и остывать, что только ускоряет процесс. Поэтому, даже если вам кажется, что с проводкой все нормально: «Ведь работала же до этого!», — лучше, все таки поменять.
4. Распаечные коробки. Об этом есть статьи, но вкратце я здесь по ним пройдусь. НИКОГДА НЕ ДЕЛАЙТЕ СКРУТОК!!! Даже при условии, что вы хорошо их сделаете, это скрутка. Металл имеет свойство сжиматься и расширяться под воздействием температуры, и скрутка ослабевает. Старайтесь не использовать винтовые зажимы по той же причине. Винтовые зажимы можно использовать в открытой проводке. Тогда, по крайней мере, вы сможете периодически смотреть в коробки и проверять состояние проводки. Лучше всего подойдут для этой цели винтовые зажимы типа «СИЗ», или клеммные соединения типа «WAGO», для силовой проводки лучше всего подойдут винтовые зажимы типа «Орех» (у таких зажимов две пластины, которые стягиваются четырьмя винтами, посередине еще одна пластина, т.е. с помощью таких зажимов можно соединять медные и алюминиевые провода). Оставляйте запас зачищенного провода минимум 15 см. Это преследует две цели: если плохой контакт скрутки, провод успевает рассеивать тепло, ну и у вас есть возможность в случае чего переделать скрутку. Провода старайтесь располагать таким образом, чтобы между фазным и нулевым с заземляющим не было перехлестов. Провода могут перекрещиваться, но не лежать друг на друге. Старайтесь скрутки располагать таким образом, чтобы фазный провод был в одной стороне, а нулевой и заземляющий в другой.

   Это должно выглядеть примерно так

5. Не соединяйте непосредственно медный и алюминиевый провода. Либо используйте клеммники «WAGO», либо сжимы «Орех». Это особенно актуально касается проводов, предназначенных для подключения электрических плит. Обычно, когда делают ремонт и переносят розетку для плит, наращивают кабель. Очень часто это алюминиевые провода, которые наращивают медным.
6. Немного особенный. Не экономьте на выключателях, розетках (особенно для электрических плит). Дело в том, что в нынешнее время найти хорошие розетки для электрических плит найти довольно сложно (я говорю о маленьких городах), поэтому лучше всего либо пользоваться сжимами «Орех» У739М, либо найти хорошую розетку.
7. При затягивании клемм на розетках, делайте это покрепче, но не сорвите резьбу, если же это произошло, лучше поменяйте розетку сразу, не надейтесь на «авось».
8. При укладке новой электрической трассы пользуйтесь нормативами: 10-15 см от углов, потолка, стен (по полу), косяков, оконных рам, пола (по стене). Этим вы себя обезопасите при установке, к примеру, подвесных потолков или плинтусов, которые крепят с помощью дюбелей, для которых надо пробить отверстие. Если же провод находится в углу между полом и стеной, очень легко попасть в провод. Все провода должны располагаться строго горизонтально или вертикально. Так вам будет проще понять, где можно продолбить новую дырку, если вдруг потребуется повесить полку или картину или телевизор.
9. Не соединяйте шлейфом (от одной к другой) более 4 розеток. На кухне вообще не рекомендую соединять больше двух, особенно там, где планируется в одном месте пользование духовым шкафом, чайником, посудомоечной машиной и микроволновкой.
10. На духовой шкаф лучше всего прокладывать отдельную линию или подключать его к линии, от которой питается варочная поверхность (ибо очень часто они потребляют около 3 кВт.) Не каждая розетка способна выдержать такую нагрузку, да если еще к ней будет подключен еще один мощный потребитель (например, чайник), вы рискуете получить короткое замыкание из-за сильного нагрева соединения в розетке шлейфом.
11. Старайтесь не использовать удлинители для включения мощных электроприборов, как например масляные обогреватели, или используйте удлинители известных производителей, а не китайских «no name». Внимательно читайте, какую мощность способен запитать данный удлинитель, и не используйте его, если на нем стоит меньшая мощность, чем вам нужно запитать. При использовании удлинителя, старайтесь избегать скрученного в моток провода. Если провод просто лежит, то успевает рассеять тепло. Если же провод скрутить, то тепло не успевает рассеяться и провод начинает ощутимо нагреваться, что тоже может привести к короткому замыканию.
12. Не включайте в одну розетку (через тройник или удлинитель с несколькими розетками) сразу несколько сильных потребителей. На хорошую розетку допускается включить нагрузку 3,5 кВт, на не очень хорошую до 2 кВт. В домах с алюминиевой проводкой в любую розетку не более 2 кВт, а еще лучше на группу розеток, питающихся от одного автомата не включать более 2 кВт.
13. Прежде, чем ставить в каждую комнату по обогревателю, убедитесь, что комнаты запитаны от разных автоматов. Как говорится: «И палка иногда может выстрелить», — так же и с автоматами: «И автомат иногда может не сработать», — и последствия этого довольно жестоки. Поэтому обезопасьте себя и близких.
14. Внимательно обращайтесь с нагревательными приборами, следите, чтобы провод не попал на нагревательные элементы.

Автомат защиты от короткого замыкания

Почему я вынес это отдельным пунктом? Все просто. Именно автомат обеспечивает защиту от короткого замыкания. Если вы установите УЗО, то обязательно, следом нужно поставить автомат, или поставить сразу дифавтомат (это устройство два в одном: УЗО и автомат). Такое устройство отключает сеть и при коротком замыкании, и при превышении номинального значения тока, и при токе утечки, когда, к примеру, вы оказались под напряжением, и через вас стал протекать электрический ток. Напомню еще раз: УЗО НЕ ЗАЩИЩАЕТ ОТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ, УЗО защищает вас от поражения электрическим током. Конечно, может быть и такое, что УЗО отключит сеть при коротком замыкании, но оно для этого не предназначено. Срабатывание УЗО при коротком замыкании носит абсолютно случайный характер. И может сгореть вся проводка, может быть все в пламени, а УЗО не отключит сеть.

Используя все эти меры и рекомендации вы сведете к минимуму возможность возникновения короткого замыкания и проживете долгую и счастливую жизнь!