Ток короткого замыкания

Ток короткого замыкания

При определенных условиях возникают аварии, повреждающие силовые цепи и подключенное оборудование, опасные для человека. Изучив ток короткого замыкания (КЗ), можно предотвратить появление и развитие негативных ситуаций. На практике пригодятся эффективные меры профилактики и защиты.

Общие сведения

Все существующие материалы в электротехнике разделяют на 2 больших класса: проводники и диэлектрики. Первые способны пропускать через себя электрический ток. В качестве примера проводников можно привести металлы, а непроводников — пластмассы, резину. С физической точки зрения, способность пропускать электроток зависит от свойств материалов.

Как оказалось, в процессе переноса зарядов участвуют электроны. Природа так устроена, что все тела состоят из атомов и молекул. Они связаны между собой электромагнитными силами. Основу вещества составляет ядро, включающее в себя нейтрон и протон — положительно заряженную частицу. Вокруг центра по орбитали вращается электрон — отрицательный элемент. В нормальном состоянии количество и тех и других совпадает, поэтому тело электрически нейтральное.

Если на вещество действует сторонняя сила, электроны могут разорвать свою связь с атомом и стать свободными. При этом в структуре материала могут уже быть свободные частицы. Возникают они из-за примесей или различных дефектов кристаллической решётки. В состоянии покоя свободные частицы могут хаотично двигаться по структуре.

Но стоит только к телу приложить электромагнитную силу, их движение становится упорядоченным. Возникает явление, называемое электрическим током. Характеризуется он силой. Это величина, показывающая, какое количество зарядов может протечь через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Чтобы возникла сила тока, нужно выполнение трёх условий:

• существование свободных носителей заряда;
• создание электромагнитного поля;
• замкнутость цепи.

Количественно определить силу тока можно с помощью закона Ома: I = U/R. Проведя ряд экспериментов, учёный открыл правило, согласно которому значение тока пропорционально работе, выполняемой для переноса заряда из одной точки в другую и обратно пропорционально сопротивлению материала.

Последняя величина довольно важная характеристика. По своему смыслу сопротивление — параметр обратный проводимости, то есть определяет тип материала.

В чем опасность?

Последствия короткого замыкания могут быть следующими:

1. Падает уровень напряжения в электро цепи. Это может привести к выходу из строя и обгоранию электрического прибора или сбоям в функционировании устройства.
2. Повреждения механического и термического типа: обрыв цепи, повреждение проводки или отдельных проводов, розеток и выключателей.
3. В зависимости от мощности короткого замыкания возможно возгорание проводки и расположенных рядом с ней материалов и предметов.
4. Деструктивное электромагнитное воздействие на телефонную линию связи, компьютер, телевизор и другие электроприборы.
5. Опасность для жизни. Если в момент возникновения замыкания человек находится рядом с источником КЗ, то он может получить ожоги.
6. Нарушается функционирование электропоставляющих систем.
7. В зависимости от параметров КЗ возможны сбои в работе подземных коммуникаций при электромагнитном воздействии.

Многих людей интересует вопрос о том, как посчитать, чему равна сила тока при коротком замыкании. Для этого необходимо воспользоваться законом Ома: сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению на ее концах и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.

Вычисление КЗ осуществляется по формуле: I= U/R (I — сила тока, U — напряжение, R — сопротивление).

В чем заключается опасность

Представьте ситуацию: на земле лежит оборванный провод и как может показаться на первый взгляд не представляет никаких признаков угрозы, а ведь он может быть под напряжением.

Напомню, земля — хороший проводник электричества. Когда человек оказывается в непосредственной близости с проводом, он незаметно попадает под действие шагового напряжения. Опасность заключается в том, что между ног образуется разность потенциалов.

Попадая под воздействие электрического тока, человек пытается сделать шире шаг, а в этот момент разница потенциалов становится выше. В итоге непроизвольные судорожные сокращения мышц приводят к падению человека на землю.

При падении происходит увеличение расстояния между точками касания земли, что в свою очередь представляет повышенною опасность.

Когда мы говорим про оборванный провод, касающийся земли своим оголенным концом, то и не задумываемся какую опасность он может представлять. Чем выше напряжение поврежденной линии, тем более опасна зона действия этого напряжения.

Целые воздушные линии или кабельные системы не представляют опасности, но при аварийной ситуации природного или технического характера они представляют большую угрозу.

Например попадание молнии в молниеотвод, опору электропередач или просто в дерево, вызывает растекание электрического тока через проводники на землю. В этом месте и образуется опасная зона шагового напряжения.

Правило выживания гласит:

Во время грозы и молнии нужно подальше находиться от высоких деревьев, зданий и строений.

В сырую погоду вообще старайтесь не приближаться к открытым (неизолированным) электроприборам и технике. Помните, если одной ногой стоять на заземлителе, а второй на расстоянии шага от него, то к добру это не приведет. И учитывайте, что среднестатистическая длина шага мужчины, равна 0,81 м.

Тело человека включается в электрическую цепь, как нагрузка, и происходит вредное воздействие электрического тока на организм. Но если обувь человека сделана из не проводящих ток материалов, например в резиновых сапогах – вероятность получения травмы меньше.

Риском в данной ситуации может стать наличие алкоголя в крови и наличие открытых ран на ногах. Потому что данный факт влияет на проводимость человека. А так как кожа является защитным диэлектриком, то нарушение кожного покрова снимает вашу защиту.

Помимо проводимости, риском может стать температура окружающей среды. Ведь чем она выше, тем более опасно находиться в зоне риска.

Во всех ранее перечисленных случаях представлена опасность шагового напряжения для жизни человека, животных и особенно детей. Поэтому ограничьте игру ваших детей вблизи электроустановок.

Закон Ома для неоднородного участка

Простой закон Ома справедлив для так называемого однородного участка цепи — то есть участка, на котором нет источников тока. Сейчас мы получим более общие соотношения, из которых следует как закон Ома для однородного участка, так и полученный выше закон Ома для полной цепи.

Участок цепи называется неоднородным, если на нём имеется источник тока. Иными словами, неоднородный участок — это участок с ЭДС.

На рис. 3 и источник тока. ЭДС источника равна , его внутреннее сопротивление считаем равным нулю (усли внутреннее сопротивление источника равно , можно просто заменить резистор на резистор ).

Рис. 3. ЭДС «помогает» току:

Сила тока на участке равна , ток течёт от точки к точке . Этот ток не обязательно вызван одним лишь источником . Рассматриваемый участок, как правило, входит в состав некоторой цепи (не изображённой на рисунке), а в этой цепи могут присутствовать и другие источники тока. Поэтому ток является результатом совокупного действия всех источников, имеющихся в цепи.

Пусть потенциалы точек и равны соответственно и . Подчеркнём ещё раз, что речь идёт о потенциале стационарного электрического поля, порождённого действием всех источников цепи — не только источника, принадлежащего данному участку, но и, возможно, имеющихся вне этого участка.

Напряжение на нашем участке равно: . За время через участок проходит заряд , при этом стационарное электрическое поле совершает работу:

Кроме того, положительную работу совершает источник тока (ведь заряд прошёл сквозь него!):

Сила тока постоянна, поэтому суммарная работа по продвижению заряда , совершаемая на участке стационарным элетрическим полем и сторонними силами источника, целиком превращается в тепло: .

Подставляем сюда выражения для , и закон Джоуля–Ленца:

Сокращая на , получаем закон Ома для неоднородного участка цепи:

или, что то же самое:

Обратите внимание: перед стоит знак «плюс». Причину этого мы уже указывали — источник тока в данном случае совершает положительную работу, «протаскивая» внутри себя заряд от отрицательной клеммы к положительной. Попросту говоря, источник «помогает» току протекать от точки к точке .

Отметим два следствия выведенных формул (6) и (7) .

1. Если участок однородный, то . Тогда из формулы (6) получаем — закон Ома для однородного участка цепи.

2. Предположим, что источник тока обладает внутренним сопротивлением . Это, как мы уже упоминали, равносильно замене на :

Теперь замкнём наш участок, соединив точки и . Получим рассмотренную выше полную цепь. При этом окажется, что и предыдущая формула превратится в закон Ома для полной цепи:

Таким образом, закон Ома для однородного участка и закон Ома для полной цепи оба вытекают из закона Ома для неоднородного участка.

Может быть и другой случай подключения, когда источник «мешает» току идти по участку. Такая ситуация изображена на рис. 4 . Здесь ток, идущий от к , направлен против действия сторонних сил источника.

Рис. 4. ЭДС «мешает» току:

Как такое возможно? Очень просто: другие источники, имеющиеся в цепи вне рассматриваемого участка, «пересиливают» источник на участке и вынуждают ток течь против . Именно так происходит, когда вы ставите телефон на зарядку: подключённый к розетке адаптер вызывает движение зарядов против действия сторонних сил аккумулятора телефона, и аккумулятор тем самым заряжается!

Что изменится теперь в выводе наших формул? Только одно — работа сторонних сил станет отрицательной:

Тогда закон Ома для неоднородного участка примет вид:

где по-прежнему — напряжение на участке.

Давайте соберём вместе формулы (7) и (8) и запишем закон Ома для участка с ЭДС следующим образом:

Ток при этом течёт от точки к точке . Если направление тока совпадает с направлением сторонних сил, то перед ставится «плюс»; если же эти направления противоположны, то ставится «минус».