Вследствие короткого замыкания. В чем заключается угроза КЗ? Как найти короткое замыкание по звуку и запаху

Однажды одной даме, не очень сведущей в электротехнике, монтер сообщил причину пропадания света в ее квартире. Это оказалось короткое замыкание, и женщина потребовала немедленно его удлинить. Над этой историей можно посмеяться, но лучше все же рассмотреть эту неприятность подробнее. Специалистам-электрикам и без этой статьи известно, что это за явление, чем оно грозит и как рассчитать ток короткого замыкания. Изложенная ниже информация адресована людям, не имеющим технического образования, но, как и все прочие, не застрахованным от неприятностей, связанных с эксплуатацией техники, машин, производственного оборудования и самых обычных бытовых приборов. Каждому человеку важно знать, что такое короткое замыкание, каковы его причины, возможные последствия и методы его предотвращения. Не обойтись в этом описании и без знакомства с азами электротехнической науки. Не знающий их читатель может заскучать и не дочитать статью до конца.

Две простых, но важных формулы

Понять причину, по которой возникает ток короткого замыкания, невозможно без усвоения еще одной нехитрой формулы. Мощность, потребляемая нагрузкой, равна (без учета реактивных составляющих, но о них позже) произведению тока на напряжение.

P - мощность, Ватт или Вольт-Ампер;

U - напряжение, Вольт;

I - ток, Ампер.

Мощность бесконечной не бывает, она всегда чем-то ограничена, поэтому при ее фиксированной величине при увеличении тока напряжение уменьшается. Зависимость этих двух параметров рабочей цепи, выраженная графически, называется вольт-амперной характеристикой.

И еще одна формула, необходимая для того, чтобы произвести расчет токов короткого замыкания, это закон Джоуля-Ленца. Она дает представление о том, сколько тепла выделяется при сопротивлении нагрузке, и очень проста. Проводник будет греться с интенсивностью, пропорциональной величинам напряжения и квадрата тока. И, конечно же, формула не обходится без времени, чем дольше раскаляется сопротивление, тем больше оно выделит тепла.

Что происходит в цепи при коротком замыкании

Итак, читатель может считать, что освоил все главные физические закономерности для того, чтобы разобраться в том, какой может быть величина (ладно, пусть будет сила) тока короткого замыкания. Но сначала следует определиться с вопросом о том, что, собственно, это такое. КЗ (короткое замыкание) - это ситуация, при которой сопротивление нагрузки близко к нулю. Смотрим на формулу закона Ома. Если рассматривать его вариант для участка цепи, несложно понять, что ток будет стремиться к бесконечности. В полном варианте он будет ограничен сопротивлением источника ЭДС. В любом случае ток короткого замыкания очень велик, а по закону Джоуля-Ленца, чем он больше, тем сильнее греется проводник, по которому он идет. Причем зависимость не прямая, а квадратичная, то есть, если I увеличится стократно, то тепла выделится в десять тысяч раз больше. В этом и состоит опасность явления, приводящего порой к пожарам.

Провода накаляются докрасна (или добела), они передают эту энергию стенам, потолкам и другим предметам, которых касаются, и поджигают их. Если фаза в каком-то приборе касается нулевого проводника, возникает ток короткого замыкания источника, замкнутого на самого себя. Горючее основание электропроводки - страшный сон инспекторов пожарной охраны и причина многих штрафов, налагаемых на безответственных собственников зданий и помещений. И всему виной, конечно же, не законы Джоуля-Ленца и Ома, а пересохшая от старости изоляция, неаккуратно или безграмотно произведенный монтаж, повреждения механического характера или перегрузка проводки.

Однако и ток короткого замыкания, каким бы он ни был большим, также не бесконечен. На размеры бед, которые он может натворить, влияет продолжительность нагрева и параметры схемы электроснабжения.

Цепи переменного тока

Рассмотренные выше ситуации имели общий характер или касались цепей постоянного тока. В большинстве случаев электроснабжение и жилых, и промышленных объектов производится от сети переменного напряжения 220 или 380 Вольт. Неприятности с проводкой, рассчитанной на постоянный ток, чаще всего случаются в автомобилях.

Между этими двумя основными типами электропитания есть разница, и существенная. Дело в том, что прохождению переменного тока препятствуют дополнительные составляющие сопротивления, называемые реактивными и обусловленные волновой природой возникающих в них явлений. На переменный ток реагируют индуктивности и емкости. Ток короткого замыкания трансформатора ограничивается не только активным (или омическим, то есть таким, которое можно измерить карманным приборчиком-тестером) сопротивлением, но и его индуктивной составляющей. Второй тип нагрузки - емкостный. Относительно вектора активного тока векторы реактивных составляющих отклонены. Индуктивный ток отстает, а емкостный опережает его на 90 градусов.

Примером разницы поведения нагрузки, обладающей реактивной составляющей, может служить обычный динамик. Его некоторые любители громкой музыки перегружают до тех пор, пока диффузор магнитное поле не выбивает вперед. Катушка слетает с сердечника и тут же сгорает, потому что индуктивная составляющая ее напряжения уменьшается.

Виды КЗ

Ток короткого замыкания может возникать в разных цепях, подключенных к различным источникам постоянного или переменного тока. Проще всего дело обстоит с обычным плюсом, который вдруг соединился с минусом, минуя полезную нагрузку.

А вот с переменным током вариантов больше. Однофазный ток короткого замыкания возникает при соединении фазы с нейтралью или ее заземлении. В трехфазной сети может возникнуть нежелательный контакт между двумя фазами. Напряжение в 380 или более (при передаче энергии на большие расстояния по ЛЭП) вольт также может вызвать неприятные последствия, в том числе и дуговую вспышку в момент коммутации. Замкнуть может и все три (или четыре, вместе с нейтралью) провода одновременно, и ток трехфазного короткого замыкания будет течь по ним до тех пор, пока не сработает защитная автоматика.

Но и это еще не все. В роторах и статорах электрических машин (двигателей и генераторов) и трансформаторах порой случается такое неприятное явление, как межвитковое замыкание, при котором соседние петли провода образуют своеобразное кольцо. Этот замкнутый контур обладает крайне низким сопротивлением в сети переменного тока. Сила тока короткого замыкания в витках растет, это становится причиной нагрева всей машины. Собственно, если такая беда произошла, не следует ждать, пока оплавится вся изоляция и электромотор задымится. Обмотки машины нужно перематывать, для этого необходимо специальное оборудование. Это же касается и тех случаев, когда из-за «межвиткового» возник ток короткого замыкания трансформатора. Чем меньше обгорит изоляция, тем проще и дешевле будет перемотка.

Расчет величины тока при коротком замыкании

Каким бы ни было катастрофичным то или иное явление, для инженерной и прикладной науки важна его количественная оценка. Формула тока короткого замыкания очень похожа на закон Ома, просто к ней требуются некоторые пояснения. Итак:

I к.з.=Uph / (Zn + Zt),

I к.з. - величина тока короткого замыкания, А;

Uph - фазное напряжение, В;

Zn - полное (включая реактивную составляющую) сопротивление короткозамкнутой петли;

Zt - полное (включая реактивную составляющую) сопротивление трансформатора питания (силового), Ом.

Полные сопротивления определяются как гипотенуза прямоугольного треугольника, катеты которого представляют собой величины активного и реактивного (индуктивного) сопротивления. Это очень просто, нужно пользоваться теоремой Пифагора.

Несколько чаще, чем формула тока короткого замыкания, на практике используются экспериментально выведенные кривые. Они представляют собой зависимости величины I к.з. от длины проводника, сечения провода и мощности силового трансформатора. Графики представляют собой совокупность нисходящих по экспоненте линий, из которых остается лишь выбрать подходящую. Метод дает приблизительные результаты, но его точность вполне отвечает практическим потребностям инженеров по энергоснабжению.

Как проходит процесс

Кажется, что все происходит мгновенно. Что-то загудело, свет померк и тут же погас. На самом деле, как любое физическое явление, процесс можно мысленно растянуть, замедлить, проанализировать и разбить на фазы. До наступления аварийного момента цепь характеризуется установившимся значением тока, находящимся в пределах номинального режима. Внезапно полное сопротивление резко уменьшается до величины, близкой к нулю. Индуктивные составляющие (электродвигатели, дроссели и трансформаторы) нагрузки при этом как бы замедляют процесс роста тока. Таким образом, в первые микросекунды (до 0,01 сек) сила тока короткого замыкания источника напряжения остается практически неизменной и даже несколько снижается за счет начала переходного процесса. ЭДС его при этом постепенно достигает нулевого значения, затем проходит через него и устанавливается в каком-то стабилизированном значении, обеспечивающем протекание большого I к.з. Сам ток в момент переходного процесса представляет собой сумму из периодической и апериодической составляющих. Форма графика процесса анализируется, в результате чего можно определить постоянную величину времени, зависящую от угла наклона касательной к кривой разгона в точке ее перегиба (первой производной) и времени запаздывания, определяемого величиной реактивной (индуктивной) составляющей суммарного сопротивления.

Ударный ток КЗ

В технической литературе часто встречается термин «ударный ток короткого замыкания». Не следует пугаться этого понятия, оно вовсе не такое страшное и к поражению электричеством прямого отношения не имеет. Понятие это означает максимальное значение I к.з. в цепи переменного тока, достигающее своей величины обычно через полпериода после того, как возникла аварийная ситуация. При частоте 50 Гц период составляет 0,2 секунды, а его половина - соответственно 0,1 сек. В этот момент взаимодействие проводников, расположенных вблизи друг относительно друга, достигает наибольшей интенсивности. Ударный ток короткого замыкания определяется по формуле, которую в этой статье, предназначенной не для специалистов и даже не для студентов, приводить не имеет смысла. Она доступна в специальной литературе и учебниках. Само по себе это математическое выражение не представляет особой сложности, но требует довольно объемных комментариев, углубляющих читателя в теорию электроцепей.

Полезное КЗ

Казалось бы, очевидный факт состоит в том, что короткое замыкание - явление крайне скверное, неприятное и нежелательное. Оно может привести в лучшем случае к обесточиванию объекта, отключению аварийной защитной аппаратуры, а в худшем - к выгоранию проводки и даже пожару. Следовательно, все силы нужно сосредоточить на том, чтобы избежать этой напасти. Однако расчет токов короткого замыкания имеет вполне реальный и практический смысл. Изобретено немало технических средств, работающих в режиме высоких токовых значений. Примером может служить обычный сварочный аппарат, особенно дуговой, замыкающий в момент эксплуатации практически накоротко электрод с заземлением. Другой вопрос состоит в том, что режимы эти носят кратковременный характер, а мощность трансформатора позволяет выдерживать эти перегрузки. При сварке в точке касания окончания электрода проходят огромные токи (они измеряются в десятках ампер), в результате чего выделяется достаточно тепла для местного расплавления металла и создания прочного шва.

Методы защиты

В первые же годы бурного развития электротехники, когда человечество еще отважно экспериментировало, внедряя гальванические приборы, изобретало различные виды генераторов, двигателей и освещения, возникла проблема защиты этих устройств от перегрузок и токов короткого замыкания. Самое простое ее решение состояло в последовательной с нагрузкой установке плавких элементов, которые разрушались под воздействием резистивного тепла, в случае если ток превышал установленное значение. Такие предохранители служат людям и сегодня, их главные достоинства состоят в простоте, надежности и дешевизне. Но есть у них и недостатки. Сама простота «пробки» (так назвали держатели плавких ставок за их специфическую форму) провоцирует пользователей после ее перегорания не мудрствовать лукаво, а заменять вышедшие из строя элементы первыми попавшимися под руку проволочками, скрепками, а то и гвоздями. Стоит ли упоминать о том, что такая защита от токов короткого замыкания не выполняет своей благородной функции?

На промышленных предприятиях для обесточивания перегруженных цепей автоматические выключатели начали использовать раньше, чем в квартирных щитках, но в последние десятилетия «пробки» были в основном заменены ими. «Автоматы» намного удобнее, их можно не менять, а включить, устранив причину КЗ и дождавшись, когда тепловые элементы остынут. Контакты у них иногда подгорают, в этом случае их лучше заменить и не пытаться почистить или починить. Более сложные дифференциальные автоматы при высокой стоимости не служат дольше обычных, но функционально их нагрузка шире, они отключают напряжение в случае минимальной утечки тока «на сторону», например при поражении человека током.

В обыденной же жизни экспериментировать с коротким замыканием не рекомендуется.

Основная причина возникновения короткого замыкания – нарушение изоляции оборудования электроустановок, в том числе кабельных и воздушных линий электропередач. Приведем несколько примеров возникновения КЗ по причине нарушения изоляции.

При проведении земляных работ был поврежден высоковольтных кабель, что привело к возникновению междуфазного короткого замыкания. В данном случае повреждение изоляции произошло в результате механического воздействия на кабельную линию.

В открытом распределительном устройстве подстанции возникло однофазное замыкание на землю в результате пробоя опорного изолятора по причине старения его изоляционного покрытия.

Еще один достаточно распространенный пример – падение ветки или дерева на провода воздушной линии электропередач, что приводит к схлестыванию или обрыву проводов.

Способы защиты оборудования от коротких замыканий в электроустановках

Как и упоминалось выше, короткие замыкания сопровождаются значительным увеличением тока, что приводит к повреждению электрооборудования. Следовательно, защита оборудования электроустановок от данного аварийного режима – основная задача энергетики.

Для защиты от короткого замыкания, как аварийного режима работы оборудования, в электроустановках распределительных подстанций используют различные защитные устройства.

Основная цель всех устройств релейной защиты – это отключение выключателя (или нескольких), которые питаютучасток сети, на котором возникло короткое замыкание.

В электроустановках напряжением 6-35кВ для защиты линий электропередач от коротких замыканий используют максимально-токовую защиту (МТЗ). Для защиты линий напряжением 110 кВ от коротких замыканий используется дифференциально-фазная защита, как основная защита линий. Кроме того, для защиты ЛЭП 110 кВ в качестве резервных защит используются дистанционная защита и земляная защита (ТЗНП).

3Передача электроэнергии

Передача электроэнергии от электростанции к потребителям - одна из важнейших задач энергетики. Электроэнергия передаётся преимущественно по воздушным линиям электропередачи (ЛЭП) переменного тока, хотя наблюдается тенденция ко всё более широкому применению кабельных линий и линий постоянного тока. Необходимость П. э. на расстояние обусловлена тем, что электроэнергия вырабатывается крупными электростанциями с мощными агрегатами, а потребляется сравнительно маломощными электроприёмниками, распределёнными на значительной территории.. От эффективности П. э. на расстояние зависит работа единых электроэнергетических систем , охватывающих обширные территории.

Одной из основных характеристик электропередачи является её пропускная способность, то есть та наибольшая мощность, которую можно передать по ЛЭП с учётом ограничивающих факторов: предельной мощности по условиям устойчивости, потерь на корону, нагрева проводников и т.д. Мощность, передаваемая по ЛЭП переменного тока, связана с её протяжённостью и напряжениями зависимостью

где U 1 и U 2 - напряжения в начале и в конце ЛЭП, Z c - волновое сопротивление ЛЭП, a - коэффициент изменения фазы, характеризующий поворот вектора напряжения вдоль линии на единицу её длины (обусловленный волновым характером распространения электромагнитного поля), l - протяжённость ЛЭП, d - угол между векторами напряжения в начале и в конце линии, характеризующий режим электропередачи и её устойчивость. Предельная передаваемая мощность достигается при d = 90°, когда sind = 1. Для воздушных ЛЭП переменного тока можно приближённо считать, что максимальная передаваемая мощность примерно пропорциональна квадрату напряжения, а стоимость сооружения ЛЭП пропорциональна напряжению. Поэтому в развитии электропередач наблюдается тенденция к увеличению напряжения как к главному средству повышения пропускной способности ЛЭП.

В электропередачах постоянного тока отсутствуют многие факторы, свойственные электропередачам переменного тока и ограничивающие их пропускную способность. Предельная мощность, передаваемая по ЛЭП постоянного тока, имеет большие значения, чем у аналогичных ЛЭП переменного тока:

где Е в - напряжение на выходе выпрямителя, R å - суммарное активное сопротивление электропередачи, в которое, кроме сопротивления проводов ЛЭП, входят сопротивления выпрямителя и инвертора. Ограниченность применения электропередач постоянного тока связана главным образом с техническими трудностями создания эффективных недорогих устройств для преобразования переменного тока в постоянный (в начале линии) и постоянного тока в переменный (в конце линии). Электропередачи постоянного тока перспективны для объединения крупных удалённых друг от друга энергосистем. В этом случае отпадает необходимость в обеспечении устойчивости работы этих систем.

Качество электроэнергии определяется надёжной и устойчивой работой электропередачи, что обеспечивается, в частности, применением компенсирующих устройств и систем автоматического регулирования и управления (см. Автоматическое регулирование возбуждения , Автоматическое регулирование напряжения , Автоматическое регулирование частоты ).

В результате проведения научно-исследовательской работы были разработаны:

схемы электропередачи постоянного тока, позволяющие наиболее рационально использовать особенности конструкции воздушных линий трехфазного переменного тока, предназначенные для передачи электрической энергии по трем проводам;

методика расчета рабочего напряжения постоянного тока для воздушных линий электропередач, сооруженных на основе типовых конструкций опор трехфазного переменного тока классов напряжений 500-750кВ;

методика расчета пропускной способности воздушных линий трехфазного переменного тока с рабочим напряжением 500-750кВ после их перевода на постоянный ток по предложенным автором схемам;

методика расчета надежности воздушных линий трехфазного переменного тока с рабочим напряжением 500-750кВ после их перевода на постоянный ток по предложенным автором схемам.

Выполнен расчет критической длины линии, начиная с которой электропередача постоянного тока по разработанным автором схемам будет экономически более выгодной, чем электропередача переменного тока с напряжением 500, 750кВ.

На основе результатов научного исследования сформулированы рекомендации:

по выбору типа подвесных тарельчатых изоляторов, входящих в состав изолирующих подвесок воздушных линий электропередач постоянного тока;

по расчету длины пути утечки изолирующих подвесок воздушных линий электропередач постоянного тока;

по выбору трехпроводной схемы электропередачи, применительно к воздушным линиям постоянного тока, выполненных на основе унифицированных конструкций опор трехфазного переменного тока;

по применению унифицированных конструкций опор трехфазного переменного тока на воздушных линиях постоянного тока;

по определению рабочего напряжения постоянного тока, применительно к воздушным линиям электропередач постоянного тока, выполненных на основе унифицированных конструкций опор трехфазного переменного тока;

по расчету пропускной способности трехпроводной линии электропередачи постоянного тока.

Результаты выполненных расчетов показывают, что пропускную способность существующих ЛЭП трехфазного переменного тока можно существенно повысить путем их перевода на постоянный электрический ток с использованием тех же самых опор, гирлянд изоляторов и проводов. Увеличение передаваемой мощности в этом случае может составить от 50% до 245% для ВЛ 500кВ и от 70% до 410% для ВЛ 750кВ, в зависимости от марки и сечения применяемых проводов и величины установленной пропускной способности ВЛ на переменном токе. Перевод существующих линий трехфазного переменного тока на постоянный ток по предложенным схемам позволит, также, существенно улучшить их показатели надежности. При этом, использование разработанных схем позволит повысить надежность в 5-30 раз, в зависимости от класса напряжения ВЛ. В случае нового проектирования ВЛ постоянного тока по вышеназванным схемам, их показатели надежности будут эквивалентными.

В целом, возможность перевода существующих ВЛ трехфазного переменного тока является вполне осуществимой. Такое техническое решение может быть актуальным для повышения пропускной способности находящихся в эксплуатации ВЛ при сохранении их конфигурации, а так же позволит расширить сферу применения электропередач постоянного тока. Не исключается возможность сооружения новых линий электропередач постоянного тока с применением унифицированных конструкций опор трехфазного переменного тока

4 Реактивная мощность – составляющая полной мощности, которая в зависимости от параметров, схемы и режима работы электрической сети вызывает дополнительные потери активной электрической энергии и ухудшение показателей качества электрической энергии.

Реактивная электрическая энергия – вызванная электромагнитной несбалансированностью электроустановок технологически вредная циркуляция электрической энергии между источниками электроснабжения и приемниками переменного электрического тока.

Основными потребителями реактивной мощности в электрических системах являются трансформаторы, воздушные электрические линии, асинхронные двигатели, вентильные преобразователи, индукционные электропечи, сварочные агрегаты и другие нагрузки.

Реактивная мощность может генерироваться не только генераторами, но и компенсирующими устройствами-конденсаторами, синхронными компенсаторами или статистическими источниками реактивной мощности (ИРМ), которые можно установить на подстанциях электрической сети.

Для нормализации потоков реактивной мощности, при решении задач компенсации реактивной мощности собственными силами и усилиями потребителей для продвижения процесса решения проблем реактивной мощности и задач по оптимизации ее потоков, нормализации уровней напряжения, снижения потерь активной мощности в распределительных электрических сетях и повышения надежности электроснабжения потребителей должно быть произведено обследование объектов филиала ОАО «МРСК Северного Кавказа» – «Ставропольэнерго» на предмет состояния источников реактивной мощности, состояния средств учета реактивной энергии и мощности для функции контроля баланса реактивной энергии и мощности.

В «Ставропольэнерго» 866 банок компенсирующих устройств (БСК) располагаемой мощностью 38,66 МВар (фактическая загрузка в максимум по реактивной мощности - 25,4 МВар). На балансе потребителей установленная мощность 25,746 МВар (фактическая загрузка в максимум по реактивной мощности - 18,98 МВар)

Совместно с ОАО «Ставропольэнергосбыт» проведены обследования характера нагрузки потребителей с повышенным потреблением реактивной мощности (tg ? > 0,4). После издания «Порядка расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств потребителей электрической энергии», в соответствии с Постановлением Правительства РФ № 530, работа с потребителями будет организована в полном объеме. Условия работы с потребителями в соответствии с новым «Порядком…» включены в текст перезаключаемых в настоящее время договоров электроснабжения.

При обращении потребителей об осуществлении присоединения к электрическим сетям «Ставропольэнерго» или об увеличении присоединенной мощности 150 кВт и выше, осуществляется внесение в договора на присоединение потребителей к электрической сети требований по необходимости компенсации реактивной мощности, в размере, обеспечивающем соблюдение устанавливаемых предельных значений коэффициентов реактивной мощности.

Организовано подписание дополнительных соглашений к договорам на оказания услуг по передаче электрической энергии с ОАО «Ставропольэнергосбыт», ОАО «Пятигорские электрические сети», ООО «РН-энерго», КТ ЗАО «РЦЭР и К», ОАО «Невинномысский Азот», гарантирующими поставщиками условий по поддержанию Потребителями с присоединенной мощностью 150 кВт и более коэффициентов реактивной мощности, устанавливаемых федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по выработке государственной политики в сфере топливно-энергетического комплекса и требований по обеспечению учета реактивной энергии.

В ближайшие годы ожидается ввод новых промышленных мощностей, что определит рост потребления до 3 и более % в год. Это выдвигает задачу по балансу реактивной мощности в одно из приоритетных направлений, которому будет уделяться повышенное внимание.

Компенса́ция реакти́вной мо́щности - целенаправленное воздействие на баланс реактивной мощности в узле электроэнергетической системы с целью регулирования напряжения, а в распределительных сетях и с целью снижения потерь электроэнергии . Осуществляется с использованием компенсирующих устройств. Для поддержания требуемых уровней напряжения в узлах электрической сети потребление реактивной мощности должно обеспечиваться требуемой генерируемой мощностью с учетом необходимого резерва. Генерируемая реактивная мощность складывается из реактивной мощности, вырабатываемой генераторами электростанций и реактивной мощности компенсирующих устройств, размещенных в электрической сети и в электроустановках потребителей электрической энергии.

Компенсация реактивной мощности особенно актуальна для промышленных предприятий, основными электроприёмниками которых являются асинхронные двигатели, в результате чего коэффициент мощности без принятия мер по компенсации составляет 0,7- 0,75. Мероприятия по компенсации реактивной мощности на предприятии позволяют:

уменьшить нагрузку на трансформаторы, увеличить срок их службы,

уменьшить нагрузку на провода, кабели, использовать их меньшего сечения,

улучшить качество электроэнергии у электроприемников (за счёт уменьшения искажения формы напряжения),

уменьшить нагрузку на коммутационную аппаратуру за счет снижения токов в цепях,

избежать штрафов за снижение качества электроэнергии пониженным коэффициентом мощности,

снизить расходы на электроэнергию.

Потребителями реактивной мощности, необходимой для создания магнитных полей, являются как отдельные звенья электропередачи (трансформаторы, линии, реакторы), так и такие электроприёмники, преобразующие электроэнергию в другой вид энергии, которые по принципу своего действия используют магнитное поле (асинхронные двигатели, индукционные печи и т.п.). До 80-85% всей реактивной мощности, связанной с образованием магнитных полей, потребляют асинхронные двигатели и трансформаторы. Относительно небольшая часть в общем балансе реактивной мощности приходится на долю прочих её потребителей, например на индукционные печи, сварочные трансформаторы, преобразовательные установки, люминисцентное освещение и т.п.

Полная мощность, выдаваемая генераторами в сеть :

(1)

где P и Q - активная и реактивная мощности приемников с учетом потери мощности в сетях;

cosφ - результирующий коэффициент мощности приемников электроэнергии.

Генераторы рассчитываются для работы с их номинальным коэффициентом мощности, равным 0,8-0,85, при котором они способны выдавать номинальную активную мощность . Снижение cosφ у потребителей ниже определенного значения может привести к тому, что cosφ генераторов окажется ниже номинального и выдаваемая ими активная мощность при той же полной мощности будет меньше номинальной. Таким образом, при низких коэффициентах мощности у потребителей для обеспечения передачи им заданной активной мощности приходится вкладывать дополнительные затраты в сооружение более мощных электростанций, увеличивать пропускную мощность сетей и трансформаторов и вследствие этого нести дополнительные эксплуатационные расходы.

Так как в современные электрические системы входит большое количество трансформаторов и протяженных воздушных линий, то реактивное сопротивление передающего устройства получается весьма значительным, а это вызывает немалые потери напряжения и реактивной мощности. Передача реактивной мощности по сети приводит к дополнительным потерям напряжения, из выражения :

(2)

видно, что передаваемая по сети реактивная мощность Q и реактивное сопротивление сети Х существенно влияют на уровень напряжения у потребителей.

Размер передаваемой реактивной мощности влияет также на потери активной мощности и энергии в электропередаче, что следует из формулы:

(3)

Величиной, характеризующей передаваемую реактивную мощность, является коэффициент мощности
. Подставляя в формулу потерь значение полной мощности, выраженной через cosφ, получаем:

(4)

Отсюда видно, что зависимость мощности конденсаторных батарей обратно пропорциональна квадрату напряжения сети, поэтому невозможно плавно регулировать реактивную мощность, а следовательно, и напряжение установки. Таким образом, сos (φ) уменьшается, когда потребление реактивной мощности нагрузкой увеличивается. Необходимо стремиться к повышению сos (φ), т.к. низкий сos (φ) несет следующие проблемы:

Похожая статья: Компенсация возмущений и помех при управлении линейным объектом по выходу

Высокие потери мощности в электрических линиях (протекание тока реактивной мощности);

Большие перепады напряжения в электрических линиях;

Необходимость увеличения габаритной мощности генераторов, сечения кабелей, мощности силовых трансформаторов.

Из всего выше приведенного, понятно, что компенсация реактивной мощности необходима. Что легко можно достичь применением активных компенсирующих установок. Основными источниками реактивной мощности, устанавливаемыми на месте потребления, являются синхронные компенсаторы и статические конденсаторы. Наиболее широко используют статические конденсаторы на напряжении до 1000 В и 6-10 кВ. Синхронные конденсаторы устанавливаются на напряжении 6-10 кВ районных подстанций.

Рис.1 Схемы электропередачи

а-без компенсации; б - с компенсацией.

Все эти устройства являются потребителями опережающей (емкостной) реактивной мощности или, что то же самое, - источниками отстающей реактивной мощности, выдаваемой ими в сеть. Сказанное иллюстрируется схемой на рис. 1. Так, на схеме рис. 1 а изо-бражена передача электроэнергии от электростанции А к потребительской подстанции Б. Передаваемая мощность составляет P + jQ. При установке у потребителя статических кон-денсаторов мощностью Q К (рис. 1 б) мощность, передаваемая по сети, будет Р + j(Q - Q К)

Мы видим, что реактивная мощность, передаваемая от электростанции, уменьшилась или, как говорят, стала скомпенсированной на величину мощности, вырабатываемой конденсаторной батареей. Эту мощность потребитель получает теперь в значительной части непосредственно от компенсирующей установки. При компенсации реактивной мощности уменьшаются и потери напряжения в электропередачах. Если до компенсации мы имели потерю напряжения в районной сети

(5)

то при наличии компенсации она будет снижена до величины

(6)

где R и Х - сопротивления сети.

Так как мощность отдельных конденсаторов сравнительно невелика, то обычно их соединяют параллельно в батареи, размещаемые в комплектных шкафах. Часто применяют установки, состоящие из нескольких групп или секций батарей конденсаторов, что делает возможным ступенчатое регулирование мощности конденсаторов, а стало быть, и напряжения установки.

Батарея конденсаторов должна быть снабжена разрядным сопротивлением, наглухо присоединенным к ее зажимам. Разрядным сопротивлением для конденсаторных установок напряжением 6-10 кВ служат трансформаторы напряжения ТН, а для конденсаторных батарей напряжением до 380 В - лампы накаливания. Необходимость в разрядных сопротивлениях диктуется тем, что при отключении конденсаторов от сети в них остается электрический заряд и сохраняется напряжение, близкое по величине к напряжению сети. Будучи же замкнутыми (после отключения) на разрядное сопротивление, конденсаторы быстро теряют свой электрический заряд, спадает до нуля и напряжение, что обеспечивает безопасность обслуживания установки. От других компенсирующих устройств конденсаторные установки выгодно отличаются простотой устройства и обслуживания, отсутствием вращающихся частей и малыми потерями активной мощности.

Рис 2 Схема включения конденсаторной батареи.

При выборе мощности компенсирующих устройств надо стремиться к правильному распределению источников реактивной мощности и к наиболее экономичной загрузке сетей. Различают:

а) мгновенный коэффициент мощности, подсчитываемый по формуле.

(7)

исходя из одновременных показаний ваттметра (Р), вольтметра (U} и амперметра (I) для данного момента времени или из показаний фазометра,

б) средний коэффициент мощности, представляющий собой среднее арифметическое значение мгновенных коэффициентов мощности за равные промежутки времени, определяемый по формуле:

где n - число промежутков времени;
в) средневзвешенный коэффициент мощности, определяемый по показаниям счетчиков активной Wa и реактивной Wr энергии за определенный промежуток времени (сутки, месяц, год) с помощью формулы:
(9)
Выбор типа, мощности, места установки и режима работы компенсирующих устройств должен обеспечивать наибольшую экономичность при соблюдении:
а) допустимых режимов напряжения в питающей и распределительных сетях;
б) допустимых токовых нагрузок во всех элементах сети;
в) режимов работы источников реактивной мощности в допустимых пределах;
г) необходимого резерва реактивной мощности.
Критерием экономичности является минимум приведенных затрат, при определении которых следует учитывать:
а) затраты на установку компенсирующих устройств и дополнительного оборудования к ним;
б) снижение стоимости оборудования трансформаторных подстанций и сооружения распределительной и питающей сети, а также потерь электроэнергии в них и
в) снижение установленной мощности электростанций, обусловленное уменьшением потерь активной мощности.
Из всего вышесказанного, можно сделать вывод, что компенсация реактивной мощности в районных сетях с помощью конденсаторных батарей позволит увеличить пропускную способность линии, без изменения электротехнического оборудования. Кроме того, это целесообразно с экономической точки зрения.

5 Строго говоря, методы выбора сечений по допустимой потере напряжения, разработаны для проводников, выполненнных из цветного металла в сети нап-ряжением до 35 кВ включительно. Методы разработаны исходя из допущений принятых в сетях такого напряжения.

В основу методов определения сечения по допустимой потере напряжения положено то обстоятельство, что величина реактивного сопротивления проводни-ков x 0 практически не зависит от сечения провода F :

· для воздушных ЛЭП x 0 = 0,36 - 0,46 Ом/км;

· для кабельных ЛЭП напряжением 6 – 10 кВ x 0 = 0,06 - 0,09 Ом/км;

· для кабельных ЛЭП напряжением 35 кВ x 0 = 0,11 - 0,13 Ом/км.

Величина допустимой потери напряжения в ЛЭП рассчитывается по мощностям и сопротивлениям участков по формуле:

и складывается из двух составляющих – потери напряжения в активных сопротивлениях и потери напряжения в реактивных сопротивлениях .

Учитывая обстоятельство, что x 0 практически не зависит от сечения провода, величину можно вычислить до расчета сечения проводника, задавшись средним значением реактивного сопротивленияx 0ср в указанных диапазонах его изменения:

По заданной величине допустимой напряжения в ЛЭП рассчитывают долю потери напряжения в активных сопротивлениях:

В выражении для расчета потери напряжения в активных сопротивлениях

от сечения зависит параметр ,

где удельная проводимость материала провода.

Если ЛЭП состоит только из одного участка, то величину сечения можно определить из выражения для :

При большем количестве участков ЛЭП, для расчета сечений проводников нужны дополнительные условия. Их три:

· постоянство сечений на всех участках F=const ;

· минимальный расход проводникового материала min ;

· минимальные потери активной мощности min .

Одной из главных причин возникновения пожара является короткое замыкание. Это словосочетание постоянно на слуху, но что же оно означает?

Это соединение провода заземления или нулевого с фазовым либо двух фазовых проводов. Получается взаимодействие двух проводников с отличающимися потенциалами. Коротким контакт называется, потому что он произошел без электроприбора.

При соединении таких проводов происходит маленький взрыв. Объясняется это резким скачком силы тока, достигающей неприемлемого значения. Такое стремительное увеличение силы тока приводит к перегреву проводов и получению электрической дуги между ними, температура которой достигает 5000 градусов С.

Особо зрелищным получается замыкание фазных проводов в трехфазной электросети. Если человек замкнет фазы отверткой, его может отшвырнуть на несколько метров, он может получить серьезные увечья, ожоги. Отвертка при этом просто испарится. В бытовых условиях большого взрыва может и не быть, но оплавление провода и изоляции гарантировано, а это уже прямой путь к возгоранию предметов, которые окажутся поблизости.

Важно помнить, что при обрыве линии электропередачи (ЛЭП) из-за короткого замыкания, может случиться реальный взрыв с электромагнитным ударом. Поэтому ни в коем случае нельзя подходить к месту обрыва линии.

Причины возникновения короткого замыкания известны: старая или поврежденная электропроводка, монтаж, выполненный с нарушениями (это свойственно любителям, плохо разбирающимся в электрике), изоляция с дефектами, электроприборы, не отвечающие условиям электробезопасности (опять же старые или испорченные), ослабление мест соединения проводов, случайные обрывы линии.

Со всеми перечисленными причинами можно успешно бороться, если соблюдать некоторые правила:

1. Не использовать старые провода с несоответствующей изоляцией.

2. Быть внимательным при проведении электромонтажных работ. Не сверлить, не штробить, не резать стены в тех местах, где проложен силовой кабель.

3. Снимать изоляцию при монтаже крайне аккуратно, не резать провод ножом вдоль жил.

4. Следить за тем, чтобы сеть была отключена при работах с ней. На щитке нужно вывешивать табличку «идут работы, электричество не включать» или оставить дежурить человека.

5. Устанавливать защитные устройства отключения - автоматические выключатели , устройства защитного отключения, дифавтоматы.

6. Регулярно следить за состоянием электрических точек - розеток и выключателей. При необходимости сразу же их заменять.

7. Не эксплуатировать поврежденные электроприборы, от которых летят искры, за исключением некоторых инструментов, например, в которых есть угольные щетки - они при работе немного искрят (такое бывает в дрели, электролобзике и других инструментах).

8. При монтаже проводки не вести провода одним большим пучком, лучше пустить их параллельно рядом или использовать специальные короба.

Выполнение этих несложных правил позволит существенно сократить риск возникновения короткого замыкания и пожара. И важно помнить, что работу с электричеством лучше доверить профессиональному электрику. Тогда и жить будет спокойней и безопасней!

Короткое замыкание может возникнуть в любом доме, и от этого никто не застрахован.

Данный процесс является аварийным режимом работы источником электричества.

Понять, что в доме произошло замыкание можно по такому простому признаку - все приборы и свет отключились.

В таком случае, необходимо проверить пробки или автопредохранитель.

Если вы увидели, что пробка перегорела или сработал автопредохранитель, то будьте уверенны, произошла перегрузка, неполадки с заземлением или короткое замыкание.

Как устранить данные проблемы и выявить, из-за чего в доме нет света, мы и поговорим далее.

Виды короткого замыкания

Тут все просто. Существует всего два вида:

cимметричное;
yесимметричное короткое замыкание.

При симметричном замыкании все три фазы электроприбора находятся в одинаковом положении (сопротивление всех фаз равно).

При несимметричном - все фазы не равны друг другу.

Узнать вероятность возникновения того или иного вида замыкания можно глядя на таблицу ниже.

Причины короткого замыкания

Замыкание может произойти:

вследствие природных аномалий;
в цепях постоянного тока;
в схемах переменного тока.

Разберем подробнее каждый из видов.

Причины короткого замыкания из-за природных аномалий

К таким аномалиям относят молнии. Они особо опасны, как для жизни человека, так и для вашего дома.

Источником образования молнии является высокое статическое , которое накопилось в облаках при их движении.

Охлаждение естественным путем при подъеме на большую высоту способствуют конденсации пара и влаги, образуя дождь.

Влага имеет низкое сопротивление к электричеству. Таким образом, создает пробой в воздухе, по которому проходит ток, в виде молнии.

Разряд молнии способен привести к замыканию и другим печальным последствиям.

Причина короткого замыкания может быть в цепи постоянного тока

Источник напряжения создает разницу отрицательных и положительных потенциалов. Эти в свою очередь, обеспечивают правильную работу схемы.

Нагрузка электричества на прибор распределяется равномерно, но в аварийном режиме между клеммами может возникнуть закоротка, которая имеет низкое сопротивление.

Короткое замыкание исключает равномерное протекание тока и выводит схему из работы.

Таким образом, выходит что, величина электричества не изменилась, а значение тока возросло. Соответственно ваш прибор перегорел.

Причины короткого замыкания могут быть в цепях переменного тока

В цепях переменного тока все действует аналогичным образом, как и в цепях постоянного. Следует выделить некоторые особенности, которые влияют на похождение тока:

схемы с 1 и 3 фазным сетей различных конфигураций;
наличие или отсутствие контура заземления.

Говоря на простом языке, причинами короткого замыкания в доме и электропроводке могут стать следующие ситуации:

мы взялись и начали сверлить стену или вбивать гвоздь. Попадаете в провод, что приводит к короткому замыканию;
перенапряжение (использование множества бытовых приборов одновременно);
подплавление изоляции, вызванное плохим контактом в розетках, вилках и т.д.;
при затоплении соседями, влага попадает в распределительные коробки, что приводит к разрушению изоляционного слоя и замыканию контактов;
наличие грызунов;
старая проводка.

Причиной замыкания может стать все что угодно, поэтому стоит уделить особое внимание данному вопросу, чтобы избежать таких последствий как поломка, возгорание или даже смерть.

Как найти короткое замыкание в проводке

Как правило, поиск замыкания происходит уже после того, как выбило пробки или автоматический выключатель.

Тут есть несколько вариантов:

внешний осмотр;
использование специальных приборов;
исключением;
по звуку;
по запаху.

Внешний осмотр при коротком замыкании

Если вы обнаружили, что повреждена изоляция или соприкосновение двух оголенных жил - можете считать, что причина найдена.

Обычно, такие повреждения можно найти в , выключателях или розетках, где соединяются провода.

Заметили обгорелую оболочку - это и есть неисправность.

Как найти короткое замыкания, используя приборы

Использовать для этого лучше мегаомметр или мультимерт. Они быстро проверят сопротивление в цепи.

Подключите один провод прибора к фазе, а другой к заземлению (к нулю).

Если прибор показывает ноль - проводка в норме. Все, что выше нуля свидетельствует о соприкосновении контактов.

Стоит учесть, что мультиметр имеет маленькое сопротивление, поэтому определить короткое замыкание с его помощью не всегда возможно.

Как найти замыкание методом исключения

Тут все просто, но способ эффективен в случае вины электроприбора.

Когда у вас выбило выключатель, выключите всю технику от электричества.

Затем включите автомат и начинайте подключать каждый из приборов.

Как найти короткое замыкание по звуку и запаху

При замыкании контактов можно услышать потрескивание. Главное иметь хороший слух.

По запаху гари пластмассы и легкого дымка вы легко найдете .

Как устранить короткое замыкание

Ваши действия должны быть следующими:

удалите поврежденный участок и заново соедините контакты, при этом хорошо заизолировав;
что касается розеток и выключателей, то проще заменить на новые, чем восстановить контакты;
старую проводку рекомендуется заменить полностью (хоть и удовольствие не из дешевых, но жизнь дороже);
отремонтируйте бытовую технику или избавьтесь от нее вовсе.

Если вы не имеете опыта работы с электричеством, то лучше вызвать опытного электрика, который точно знает, что делать.

Профилактика и защита от короткого замыкания

Для того, чтобы замыканий в доме или квартире не возникало, рекомендуется осматривать провода раз в три месяца. Так вы можете предотвратить на корню последствия.

Если вы заметили пожелтевшую розетку и подплавления, тут же замените ее.

Установите автоматический выключатель. Это станет своеобразной защитой дома.

При рассчитывайте сечение кабеля правильно. Это спасет от перегрузок.

Не складывайте тесно кабеля при монтаже, так вы можете повредить защитные оболочки.

Перед сверлением или ремонтом отмечайте прохождение кабеля и проводки в стене.

Короткое замыкание представляет собой электрическое соединение различных фаз, которые являются нетипичными для нормального режима работы. Вследствие этого в проводнике резко увеличивается сила тока, что приводит к неблагоприятным последствиям. Рассмотрим, что такое короткое замыкание, классификацию явления, потенциальные угрозы и способы предотвращения КЗ.

КЗ делится в зависимости от фазы сети. В однофазной системе выделяют следующую классификацию:

фаза и ноль – наиболее распространенный тип в быту. Замыкание случается, если использовать электрические приборы, которые не рассчитаны на стандартную величину токов или если в розетке находится плохой контакт. В результате этого наблюдается перегрев, и изоляция проводов нарушается;
фаза и заземление – ситуация, в которой фазный провод начинает контактировать с заземленным корпусом другого оборудования.

КЗ может происходить в трехфазной системе:

однофазное – рассмотрено выше;
двухфазное – в процессе принимает участие две системы. Подобная ситуация часто случается с воздушными линиями электропередач. Чаще всего это происходит во время сильного ветра, когда линии проводов пересекаются между собой и образуют замыкание;
трехфазное и земля – одновременный контакт трех системы с землей;
трехфазное – одновременный контакт трех системы, спровоцированный соединением между собой токопроводящего предмета.

Основные причины, провоцирующие возникновение КЗ:

нарушение целостности изоляции, что может возникать вследствие износа электрооборудования, в связи с загрязнением поверхности приборов, а так же механическими повреждениями;
механическое нарушение целостности элементов сети (к примеру, обрыв линии передачи);
скачки напряжения – пробой изоляции проводника, что приводит к развитию утечки тока и созданию дугового кратковременного разряда;
удар молнии;
попадание животных и птиц на токоведущие части;
человеческий фактор – ошибки персонала при проведении работ по переключению;
преднамеренное КЗ с использованием короткозамыкателей – используются с целью экономии выключателей. Сегодня данная технология не применяется и является запрещенной.

Какие могут быть последствия?

Во время замыканий наблюдается резкое увеличение силы тока, что приводит к расплавлению металлов. «Брызги» могут разноситься во все стороны, приводя к воспламенению предметов вокруг и пожарам. Это особенно опасно для домашних условий, так как КЗ может стать причиной потери имущества и жилья. Последствиями на предприятиях является аварийная ситуация, повреждение техники и риск того, что могут пострадать люди.

Замыкание, в зависимости от места его образования, может привести к системой аварии, последствиями которой станет экономический и технический урон. Оборудование, которое находилось под действием усиленной силы тока, выходит из стоя или получает серьезные повреждения.

Еще одним последствием замыкания является ухудшение условий работы персонала и потребителей – резкое понижение давления приводит к остановке производственных мощностей и экономическому ущербу. Наибольший урон наносится тому месту, в котором непосредственно возникло замыкание.

Способы защиты

Наиболее надежным и действенным способом предотвращения КЗ является установка автоматических выключателей. Альтернативой служат плавкие предохранители. Автомат своевременно улавливает возникновение замыкания и отключает питание, благодаря чему возникновение аварийной ситуации является невозможным.

Прочие меры предосторожности:

регулярная ревизия электропроводных каналов – визуальное определение слабых мест кабеля, где изнашивается изоляция и своевременное устранение проблемы;
использование электрических реакторов, которые регулируют подачу тока;
использование специальных электроцепей, которые в случае необходимости отключают секционные выключатели;
использование понижающих трансформаторов, которые оснащены расщепляемой обмоткой низкого напряжения.

Совет: для домашнего использования рекомендуется устанавливать автоматические выключатели. Они рассчитаны на определенный ток, после превышения величины которого, разрывается цепь. Прочие меры в основном указаны для промышленного использования.

В чем заключается угроза КЗ?

Замыкание в первую очередь представляет угрозу здоровью и жизни человека. Это связано с пожарной опасностью: возгорание изоляции проводов, воспламенение окружающих предметов, способность изоляции распространять горение. Так же изменение силы тока может быть губительным для используемых устройств и приборов, приводя к катастрофическим последствиям. КЗ может стать причиной экономического убытка Поэтому важно использовать меры профилактики возникновения явления и прибегать к установке методов защиты.