короткое замыкание что это для детей
Что такое короткое замыкание и почему оно происходит?
Каждый раз, когда вы вставляете вилку электроприбора в розетку, вы замыкаете электрическую сеть, и по ней начинает течь электрический ток.
Сила тока в этой цепи равна
то есть она прямо пропорциональна напряжению в сети, и обратно пропорциональна сопротивлению, которое создает электроприбор (закон Ома).
А что произойдет, если цепь замкнется не так, как предусмотрено конструкцией цепи и электроприбора, а напрямую, минуя электроприбор?
Схематически это выглядит так:
В этом случае сопротивление сети сильно падает, и в результате сила тока в цепи резко возрастает. А, как известно, количество теплоты, выделяемое на участке цепи, пропорционально квадрату силы тока на этом участке (закон Джоуля-Ленца). Так, если при коротком замыкании ток увеличится в 20 раз, то количество тепла, выделяющееся при этом, возрастет примерно в 400 раз! Вот почему короткое замыкание может вызвать расплавление проводов, воспламенение изоляции и, в конечном итоге, может привести к возгоранию горючих предметов вокруг места короткого замыкания, и к пожару.
Короткое замыкание возникает и в том случае, если сопротивление нагрузки становится меньше внутреннего сопротивления источника питания.
Из-за чего может возникнуть короткое замыкание? Чаще всего его причиной является нарушение изоляции проводов (из-за их износа, неправильной эксплутации и т.п.). Также причиной короткого замыкания могут быть механические повреждения в электрической цепи или в электроприборе, а также перегрузки сети.
Как можно предотвратить короткое замыкание?
Для этого в цепях устанавливают специальные предохранители.
Самые простые предохранители делают из легкоплавкого материала. В случае сильного увеличения силы тока этот материал плавится или сгорает и размыкает цепь задолго до того, как цепи произойдут более серьезные последствия. Пожертвовавшего собой маленького героя заменяют новым.
Автоматические предохранители устроены так, что в случае появления высокого тока короткого замыкания мгновенно срабатывает электромагнитный расцепитель, который разъединяет электрическую цепь без ущерба для себя. Для того, чтобы после устранения короткого замыкания снова включить электричество, нужно просто нажать на белую кнопку (красная служит для выключения) или перекинуть вверх опустившийся при срабатывании предохранителя рычажок.
Что такое короткое замыкание: определение, объяснение для «чайников»
Мы часто слышим «Произошло короткое замыкание», «В цепи коротнуло». Сразу понятно, что случилось что-то незапланированное и нехорошее. Но почему замыкание именно короткое, а не длинное? Покончим с неопределенностью и разберемся, что именно происходит при коротком замыкании в электрической цепи.
Что такое короткое замыкание (КЗ)
Электрический скат плавает в океане и не устраивает КЗ, вполне обходясь без знания закона Ома. Нам же для понимания природы и причин короткого замыкания этот закон просто необходим. Так что, если вы еще не успели, читаем про закон Ома, силу тока, напряжение, сопротивление и прочие прекрасные физические понятия.
Теперь, когда вы все это знаете, можно привести определение короткого замыкания из физики и электротехники:
Короткое замыкание – это соединение двух точек электрической цепи с различными потенциалами, не предусмотренное нормальным режимом работы цепи и приводящее к критичному росту силы тока в месте соединения.
КЗ приводит к образованию разрушительных токов, превышающих допустимые величины, выходу приборов из строя и повреждениям проводки. Почему это происходит? Детально разберем, что творится в цепи при коротком замыкании.
Возьмем самую простую цепь. В ней есть источник тока, сопротивление и провода. Причем, сопротивлением проводов можно пренебречь. Такой схемы вполне достаточно для понимания сути КЗ.
Простейшая электрическая цепь
В замкнутой цепи действует закон Ома: сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению. Иначе говоря, чем меньше сопротивление, тем больше сила тока.
Точнее, для нашей цепи закон Ома запишется в следующем виде:
Здесь r – внутреннее сопротивление источника тока, а греческая буква эпсилон обозначает ЭДС источника.
Что понимают под силой тока короткого замыкания? Если сопротивления R в нашей цепи не будет, или оно будет очень маленьким, то сила тока увеличится, и в цепи потечет ток короткого замыкания:
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Виды коротких замыканий и их причины
В быту короткие замыкания бывают:
Например, утром в воскресенье ваш сосед за стенкой соединяет фазу и ноль в розетке, включив в нее перфоратор. Это значит, что цепь замыкается, и ток идет через нагрузку, то есть через включенный в розетку прибор.
Если же сосед соединит провода фазы и нуля в розетке без подключения нагрузки, то в цепи возникнет КЗ, но вы сможете поспать подольше.
Тем, кто не знает, для лучшего понимания полезно будет почитать, что такое фаза и ноль в электричестве.
Короткое замыкание называют коротким, так как ток при таком замыкании цепи как бы идет по короткому пути, минуя нагрузку. Контролируемое или длинное замыкание – это обычное, привычное всем включение приборов в розетку.
Защита от короткого замыкания
Сначала о том, какие последствия может вызвать КЗ:
Как видите, короткое замыкание – враг и вредитель, с которым нужно бороться. Какие есть способы защиты от короткого замыкания?
Почти все они основаны на том, чтобы быстро разомкнуть цепь при обнаружении КЗ. Это можно сделать с помощью разных аппаратов защиты от короткого замыкания.
Почти во всех современных электроприборах есть плавкие предохранители. Большой ток просто расплавляет предохранитель, и цепь разрывается.
В квартирах используются автоматы защиты от короткого замыкания. Это автоматические выключатели, рассчитанные на определенный рабочий ток. При повышении силы тока автомат срабатывает, разрывая цепь.
Для защиты промышленных электродвигателей от коротких замыканий используются специальные реле.
Автомат защиты от КЗ
Теперь вы можете легко дать определение короткому замыканию, заодно знаете про закон Ома, а также фазу и ноль в электричестве. Желаем всем не устраивать коротких замыканий! А если у вас в голове «замкнуло» и совершенно нет сил на какую-то работу, наш студенческий сервис всегда поможет с ней справиться.
А напоследок видео о том, как НЕ НУЖНО обращаться с электрическим током.
Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.
Короткое замыкание
Что такое короткое замыкание
Короткое замыкание (КЗ, англ. short curcuit) — незапланированное соединение точек цепи с различными потенциалами друг с другом или с другими электрическими цепями через пренебрежимо малое сопротивление. При этом образуется сверхток, значения которого на порядки превышают предусмотренные нормальными условиями работы.
Определение КЗ из «Элементарного учебника физики» Ландсберга
В результате короткого замыкания выходит из строя электрооборудование, происходят возгорания. О самых разрушительных последствиях коротких замыканий мы регулярно узнаем из новостных рубрик «Чрезвычайные происшествия». Что же именно происходит при КЗ? В результате чего они появляются? Какими могут быть последствия? Давайте рассмотрим подробнее эти и другие вопросы в приведенной ниже статье.
Как образуется короткое замыкание
Как мы помним из учебника физики за 8 класс, закон Ома для участка цепи определяется по формуле:
I — сила тока в цепи, А
R — сопротивление, Ом
Давайте рассмотрим вот такую схему
Если мы подключим настольную лампу EL к источнику тока Bat и замкнем ключ SA, то вольфрамовая нить лампы начнет разогреваться под тепловым воздействием тока. В этом случае значительная часть электрической энергии преобразуется в световую и тепловую.
А теперь покончим с лирическими отступлениями и замкнем два провода, которые идут на лампочку, через толстый провод AВ
Что будет дальше, если мы замкнем контакты ключа SA?
В результате ток пойдет по укороченному пути, минуя нагрузку. Короткий путь в данном случае и есть провод AB. Сопротивление провода АВ близко к нулю. В результате наша схема преобразуется в делитель тока. Согласно правилу делителя тока, если нагрузки соединены параллельно, то через нагрузку с меньшим сопротивлением побежит большая сила тока, а через нагрузку с большим значением сопротивления — меньшая сила тока. Так как провод АВ обладает почти нулевым сопротивлением, то через него потечет большая сила тока, согласно опять же закону Ома:
Как я уже сказал, в режиме КЗ сила тока достигает критических значений, превышающих допустимые для данной цепи.
Закон Джоуля-Ленца
Согласно закону Джоуля-Ленца, тепловое действие тока прямо пропорционально квадрату силы тока на данном участке электрической цепи
I — сила тока в этой цепи, А
Rн — сопротивление нагрузки, Ом
Это означает, что на проводе AB будет выделяться бешеное количество теплоты. Провод резко нагреется от температуры, а потом и сгорит. Все зависит от мощности источника питания.
То есть, если ток при коротком замыкании возрастет в 20 раз, то количество выделяющейся при этом теплоты — примерно в 400 раз! Вот почему бывшая еще мгновение назад мирной электроэнергия превращается в настоящее стихийное бедствие: горит проводка, расплавленный металл проводов поджигает находящиеся рядом предметы, возникают пожары.
Существуют еще запланированные и контролируемые КЗ, а также специальное замыкающее оборудование. Например, сварочные аппараты работают как раз на контролируемом КЗ, где требуется большая сила тока для плавки металла.
Основные причины короткого замыкания
Все многообразие причин возникновения коротких замыканий можно свести к следующим:
Нарушение изоляции вызывается как естественным износом, так и внешним вмешательством. Естественное старение элементов электросети ускоряется за счет длительного теплового воздействия тока (тепловое старение изоляции), агрессивных химических сред.
Внешние воздействия могут быть вызваны грызунами, насекомыми и другими животными. Сюда же относится и человеческий фактор. Это может быть «кривой» электромонтаж, либо несоблюдение техники электробезопасности.
Намного чаще короткое замыкание вызывается перегрузкой сети из-за подключения большого количества потребителей тока. Так, если совокупная мощность одновременно включенных в бытовую сеть электроприборов превышает допустимую нагрузку на проводку, с большой вероятностью произойдет короткое замыкание, так как сила тока в такой цепи начинает превышать допустимое значение. Такое явление можно часто наблюдать в домах со старой проводкой, где провода чаще всего алюминиевые и не рассчитаны на современные мощные электроприборы.
Ток короткого замыкания
Сверхток, образующийся в результате КЗ, называется током короткого замыкания. Как только произошло короткое замыкание в цепи, ток короткого замыкания достигает максимальных значений. После того, как провода начнут греться и плавиться, ток короткого замыкания идет на спад, так как сопротивление проводов в при нагреве возрастает.
Для источников ЭДС ток короткого замыкания может быть вычислен по формуле
Iкз — это ток короткого замыкания, А
E — ЭДС источника питания, В
Rвнутр. — внутреннее сопротивление источника ЭДС, Ом
Более подробно про ЭДС и внутреннее сопротивление читайте здесь.
Ниже на рисунке как раз изображен такой источник ЭДС в виде автомобильного аккумулятора с замкнутыми клеммами
Внутреннее сопротивление автомобильного аккумулятора может достигать значений в доли Ома. Теперь представьте, какой ток короткого замыкания будет течь через проводник, если закоротить им клеммы аккумулятора. Внутреннее сопротивление аккумулятора зависит от многих факторов. Возьмем среднее значение Rвнутр = 0,1 Ом. Тогда ток короткого замыкания будет равен Iкз =E/Rвнутр. = 12/0,1=120 Ампер. Это очень большое значение.
Виды коротких замыканий
В цепи постоянного тока
В цепи переменного тока
Трехфазное замыкание
Это когда три фазных провода коротнули между собой.
Трехфазное на землю
Здесь все три фазы соединены между собой, да еще и замкнуты на землю
Двухфазное
В этом случае любые две фазы замкнуты между собой
Двухфазное на землю
Любые две фазы замкнуты между собой, да еще и замкнуты на землю
Однофазное на землю
Однофазное на ноль
Эти две ситуации чаще всего бывают в ваших квартирах и домах, так как к простым потребителям идет два провода: фаза и ноль.
В трехфазных сетях наиболее часто происходит однофазное замыкание на землю — 60-70% всех коротких замыканий. Двухфазные КЗ составляют 20-25%. Двойное замыкание фаз на землю происходит в электросетях с изолированной нейтралью и составляет 10-15% всех случаев. До 3-5% занимают трехфазные КЗ, при которых происходит нарушение изоляции между всеми тремя фазами.
В электрических двигателях короткое замыкание чаще всего возникает между обмотками двигателя и его корпусом.
Последствия короткого замыкания
Во время КЗ температура в зоне контакта возрастает до нескольких тысяч градусов. Помимо воспламенения изоляции, расплавления и механических повреждений выключателей и розеток и возгорания проводки, следствием замыкания может стать выход из строя компьютерного и телекоммуникационного оборудования и линий связи, которые находятся рядом, вследствие сильного электромагнитного воздействия.
Но падение напряжения и выход из строя оборудования — не самое опасное последствие. Нередко короткие замыкания становятся причиной разрушительных пожаров, зачастую с человеческими жертвами и огромными экономическими потерями.
Из-за удаленности и большого сопротивления до места замыкания защитное оборудование может не сработать. Бывают ситуации, когда ток недостаточен для срабатывания защиты и отключения напряжения, но в месте КЗ его вполне хватает для расплавления проводов и возникновения источников возгорания. Поэтому, токи коротких замыканий очень важны для расчетов аварийных режимов работы.
Меры, исключающие короткое замыкание
Еще на заре развития электротехники появились плавкие предохранители. Принцип действия подобной защиты очень прост: под влиянием теплового действия тока предохранитель разрушается, тем самым размыкая цепь. Предохранители наиболее часто используются в бытовых электросетях и бытовых электроприборах, электрическом оборудовании транспортных средств и промышленном электрооборудовании до 1000 В. Встречаются они и в цепях с высоковольтным оборудованием.
Вот такие предохранители используются в цепях с малыми токами
вот такие плавкие предохранители вы можете увидеть в автомобилях
А вот эти большие предохранители используются в промышленности, и они уже рассчитаны на очень большие значения токов
Более сложную конструкцию имеют автоматические выключатели, оснащенные электромагнитными и/или тепловыми датчиками. Ниже на фото однофазный автоматический выключатель, а справа — трехфазный
Их принцип действия основан на размыкании цепи при превышении допустимых значений силы тока.
В быту мы чаще всего сталкиваемся со следующими устройствами защиты электросети:
Все вышеперечисленное защитное оборудование относится к устройствам вторичной защиты, действующим по инерционному принципу. На вводе бытовых электросетей наиболее часто устанавливаются автоматические защитные устройства, действующие по адаптивному принципу. Такие устройства можно увидеть возле счетчиков электроэнергии квартир, коттеджей, офисов.
В высоковольтных сетях защита чаще обеспечивается:
Большинства коротких замыканий можно избежать, если устранить основные причины их возникновения: своевременно ремонтировать или заменять изношенное оборудование, исключить вредные воздействия человека. Не допускать неправильных действий при монтажных и ремонтных работах, соблюдать СНИПы и правила техники безопасности.
Что такое короткое замыкание?
Определение и особенности.
Короткое замыкание (short-circuit) — это случайный или преднамеренно созданный проводящий путь между двумя или более проводящими частями, вызывающий уменьшение разности электрических потенциалов между этими проводящими частями до нуля или значения, близкого к нулю (определение согласно ГОСТ 30331.1-2013 [1]).
Харечко Ю.В. в своей книге [2] дополняет:
« Короткое замыкание характеризуется током короткого замыкания, который может многократно превышать значение номинального тока электрической цепи и допустимые длительные токи ее проводников. Даже кратковременное воздействие тока короткого замыкания на элементы электроустановки здания может вызвать их возгорание и явиться причиной пожара в здании. Поэтому в электроустановках зданий всегда проводят мероприятия, направленные на снижение вероятности возникновения короткого замыкания, а также выполняют защиту от короткого замыкания с помощью устройств защиты от сверхтока – автоматических выключателей и плавких предохранителей. »
Причины возникновения короткого замыкания.
Харечко Ю.В. в своей книге [2] описывает причины возникновения короткого замыкания следующим образом:
« Короткое замыкание обычно возникает в условиях единичного или множественных повреждений изоляции каких-то проводящих частей, находящихся под разными электрическими потенциалами. Эти проводящие части замыкаются друг на друга, образуя между собой электрические контакты с ничтожно малыми переходными сопротивлениями. Такие короткие замыкания обычно возникают из-за случайных повреждений изоляции проводящих частей. »
« В электроустановках зданий могут происходить однофазные короткие замыкания, когда замыкаются фазный и нейтральный проводники, двух- и трехфазные короткие замыкания, когда замыкаются два или три фазных проводника. В условиях повреждений возможно также короткое замыкание на землю, когда части, находящиеся под напряжением, замыкаются на открытые и сторонние проводящие части, а также защитные проводники. Если подобное короткое замыкание на землю происходит в электроустановке здания, соответствующей типу заземления системы TN‑S, TN‑C или TN‑C‑S, ток замыкания на землю может быть равен току однофазного короткого замыкания. »
В качестве примера, на рисунке 1 показан путь протекания тока замыкания на землю Iз для распространенной системы TN-C-S, который возник при коротком замыкании между фазным и нейтральным проводниками в электроустановке здания. При этом, максимальное значение тока замыкания на землю в системе TN-C-S равно току однофазного короткого замыкания между фазным и нейтральным проводниками.
Короткое замыкание также может быть результатом действий, совершаемых персоналом при монтаже и эксплуатации электроустановки здания, когда по ошибке соединяют между собой проводящие части, которые в нормальных условиях находятся под разными электрическими потенциалами. Например, ошибочное электрическое соединение между собой фазного и нейтрального проводников или двух фазных проводников разных фаз какой-то электрической цепи переменного тока, полюсного и среднего проводников или двух полюсных проводников электрической цепи постоянного тока неминуемо приводит к короткому замыканию.
Частные виды коротких замыканий.
В стандарте МЭК 60909‑0 [3] также определены следующие термины, характеризующие частные виды короткого замыкания:
В электрических системах переменного тока первому термину соответствует термин «двухфазное короткое замыкание», посредством которого идентифицируют замыкание между двумя фазными проводниками разных фаз. Применительно к электрическим системам постоянного тока применяют термин «двухполюсное короткое замыкание», с помощью которого определяют замыкание между двумя полюсными проводниками. Аналогом второго термина является термин «короткое замыкание на землю».
Короткое замыкание с точки зрения физики
Электрические цепи всегда рассчитаны на определённую силу тока. Если по этой или иной причине сила тока в электрической цепи становится больше допустимой, то провода могут значительно нагреться, а покрывающая их изоляция — воспламениться.
Причиной значительного увеличения силы тока в электрических цепях может быть или одновременное включение мощных потребителей электрического тока, например, электрических плиток, или короткое замыкание.
« Коротким замыканием называют соединение концов участка электрической цепи проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением участка электрической цепи. »
Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
Короткое замыкание может возникнуть, например, при ремонте электропроводки под электрическим током или при случайном соприкосновении с открытыми контактами.
Электрическое сопротивление цепи при коротком замыкании незначительно, поэтому в электрической цепи возникает большая сила тока, провода при этом могут сильно накалиться и стать причиной пожара. Чтобы избежать этого, в электрические цепи включают предохранители.
Назначение предохранителей — сразу отключить линию, если сила тока вдруг окажется больше допустимой нормы. Они защищают электроприборы от выхода из строя при перегрузках в электрической цепи.
Предохранители устанавливают на входе электроприборов, радиоприборов и электроустановок.