Co to jest zwarcie: prosta definicja, rodzaje i przyczyny zwarcia

Często podczas omawiania jakichkolwiek tematów związanych z elektrycznością, zwarcie (SC) nazywane jest przyczyną awarii sprzętu lub pożaru. Ze szkolnych lekcji fizyki ludzie wiedzą, że jest to kłopotliwe, ale wielu nawet nie zdaje sobie sprawy z jej zalet. Dowiedziawszy się, czym jest KZ i rozumiejąc naturę jego wyglądu, można zrozumieć, kiedy staje się destrukcyjny, aw jakich przypadkach pomaga.

Definicja fizyczna

W podręcznikach fizyki zwarcie jest zwykle nazywane wystąpieniem połączenia elektrycznego między dwoma punktami w obwodzie elektrycznym obwody, które mają różne wartości potencjału w przypadkach nieprzewidzianych konstrukcją urządzenia i prowadzących do naruszeń w jego Praca.

Aby zrozumieć tę definicję, należy zrozumieć, czym jest potencjał. Ale bardziej poprawne byłoby powiedzenie „potencjał elektrostatyczny”, ponieważ może być biologiczny, chemiczny i matematyczny. Ładunek to wielkość fizyczna, która określa właściwość ciał lub cząstek do interakcji w polu elektromagnetycznym. Pojęcie ładunku elektrycznego jest pierwotne w elektrodynamice, na jego podstawie tworzone są definicje innych procesów i zjawisk fizycznych, w tym potencjału.

Potencjał odnosi się do energii posiadanej przez ładunek umieszczony w polu elektrycznym. Jednostką jego miary jest wolt, który jest równy stosunkowi dżula do kulomba. Oznacza to, że potencjał elektryczny charakteryzuje się stosunkiem energii interakcji ładunku z otaczającym go polem do wartości jego wielkości.

Praca, którą wykonuje elektryczność lub energia, jest określona przez różnicę potencjałów (napięcie). Im jest ona wyższa, tym więcej pracy musi wykonać siła elektryczna, aby przenieść ładunek z jednego punktu do drugiego. Ruch wymaga energii, podczas gdy moc jest uwalniana podczas ruchu. Jeśli ruch ładunku odbywa się w sposób uporządkowany, powstaje prąd.

W tym przypadku praca jest uważana za użyteczną, gdy energia potencjalna z różnych końców obwodu elektrycznego pokonuje pewien opór. Ale jeśli nie istnieje, to z jednej części obwodu prąd popłynie bez strat do drugiej, podczas gdy moc odpowiadająca sile prądu zostanie uwolniona.

Aby wyjaśnić w prosty sposób, co to jest zwarcie, możesz w następujący sposób: jeśli w przewodzie z prądem, który jest pod napięciem, rezystancja zmniejszy się do nieznacznej wartości, wtedy cała energia zacznie się uwalniać w miejscu połączenia elektrycznego dwóch wartości potencjały. Powstawanie tej mocy nazywamy wystąpieniem zwarcia lub awarii.

Rodzaje zjawisk

Proces pojawienia się zwarcia implikuje utworzenie kontaktu elektrycznego między dwoma potencjałami. W zależności od obszaru zamknięcie może być punktowe i solidne. Jeśli występuje w instalacjach elektrycznych, to dzieli się na zakręt do zakrętu lub kadłub. Pierwszy typ jest typowy dla wirnika lub stojana. W takim przypadku awaria może nastąpić przez ziemię lub powietrze. W zależności od rodzaju okablowania i liczby zamkniętych faz zjawisko dzieli się na następujące typy:

• trójfazowy - wszystkie przewody fazowe są podłączone do jednego punktu;
• dwufazowy - styk elektryczny występuje między dwoma przewodami o różnych potencjałach;
• jednofazowy - zamknięcie fazy do przewodu neutralnego lub pętli uziemienia.

Prąd zwarcia

Aby zrozumieć definicję zwarcia, należy pamiętać o podstawowej zasadzie w elektryczności - prawie Ohma. Jego sformułowanie jest następujące: prąd w odcinku obwodu jest wprost proporcjonalny do różnicy potencjałów i odwrotnie proporcjonalny do rezystancji elektrycznej tego odcinka. Wzór może to wyrazić jako I = U / R, gdzie:

• I - aktualna siła, A;
• U to wartość napięcia, V;
• R - rezystancja (impedancja), Ohm.

Zatem im wyższa wartość impedancji, tym niższy będzie prąd. Na przykład, gdy linia elektryczna o napięciu 220 woltów zostanie zmostkowana z rezystancją 1 kΩ, wówczas przez element przepływa prąd równy I = 220/1000 = 0,220 A.

Jeśli rezystor ma odpowiednią moc, nic się nie stanie, spadnie na nim pewna ilość napięcia, ale obwód będzie nadal działał. Ale jeśli zamiast rezystora użyje się przewodnika o nieskończenie małej rezystancji wewnętrznej, to siła prąd zacznie szybko rosnąć, aż wypali się zamknięte części i zerwą kontakt elektryczny. Prąd, przy którym styk jest zerwany, nazywany jest awarią.

Nawiasem mówiąc, właśnie dlatego zwarcie ma swoją nazwę, ponieważ prąd ma tendencję do podążania w kierunku z najmniejszym oporem dla jego przepływu. Ta kolejka okazuje się najkrótsza na jego drodze.

Przy dokładnym obliczaniu przebicia stosuje się wzór uwzględniający rezystancję wewnętrzną źródła zasilania: Ikz = E / (R + r). W tym przypadku pojawiająca się moc cieplna zostanie określona za pomocą wyrażenia P = E2 * R / (R + r).

Obliczenie prądu zwarciowego jest ważne, ponieważ jest wykorzystywane przy doborze urządzeń elektrycznych, zabezpieczeń, automatyki i ograniczników prądu. Zjawisko przebicia występuje najczęściej z powodu pojawienia się przejściowych rezystancji, przez które zaczyna płynąć prąd. Należą do nich łuki elektryczne, ciała obce w miejscu uszkodzenia izolacji, wsporników i ich uziemienia, a także kontakt z ziemią lub między przewodami fazowymi. Aby jednak uprościć obliczenia, opory te są brane pod uwagę jako równe zeru i nie są brane pod uwagę.

Powody pojawienia się

Kiedy powstaje kontakt między dwoma strumieniami ładunków, powstaje ogromna siła prądu, która charakteryzuje się zwarciem. Ponieważ ten gwałtowny wzrost energii następuje z powodu pojawienia się impulsu porażenia elektrycznego, to zgodnie z prawem Joule-Lenza uzyskana moc ma wysoki stopień wydzielania ciepła.

Powodem tego zjawiska jest naruszenie właściwości izolacyjnych przewodników. Może się to zdarzyć z powodu naturalnego zużycia lub awarii w działaniu sprzętu elektrycznego. W praktyce oznacza to bezpośredni kontakt między przewodem neutralnym i fazowym.

Ale przewody nie muszą się stykać. Chwilowy wzrost natężenia prądu występuje również wtedy, gdy między nimi pojawi się ciało przewodzące lub medium o znikomej rezystancji, na przykład przedmiot przewodzący, woda lub wilgotne powietrze. Ta sytuacja nazywa się awarią. Można wyróżnić następujące przyczyny wystąpienia zwarcia:

1. Przepięcie. Gdy fizyczne parametry linii elektroenergetycznej zostaną przekroczone, gdy przez przewodnik przepływa duży prąd, jego rezystancja okazuje się dla niego duża, dlatego następuje intensywne wydzielanie ciepła. Przewodnik nagrzewa się oddając ciepło do warstwy izolacyjnej, która pęka i zapada się. Pojawienie się wysokiego napięcia może być spowodowane zarówno zjawiskami naturalnymi (uderzenie pioruna), jak i błędami w działaniu urządzeń elektrycznych lub źródeł energii.
2. Naturalne starzenie się izolacji. Każda izolacja ma swój własny zasób, który zmniejsza się w agresywnym środowisku, na przykład przy spadkach temperatury.
3. Uszkodzenia mechaniczne: przetarcia, uszkodzenia podczas prac budowlanych, wynik działania gryzoni.
4. Błąd instalacji. Nieostrożne obchodzenie się z częściami sprzętu pod napięciem, naruszenia w układaniu kabli (zginanie pod ostrym kątem, krzyżowanie przewodów).
5. Nieprawidłowe okablowanie sprzętu elektrycznego lub kabli. Występuje z powodu ludzkich działań. Może to być spowodowane nieudanymi naprawami, błędem w podłączeniu przewodów lub linii energetycznych, użyciem zepsutych urządzeń.

Konsekwencje i ochrona

Największą uciążliwością, jaka może powstać podczas zwarcia, jest wystąpienie pożaru. Powstały nadmiar ciepła powoduje zapłon izolacji i pobliskich substancji palnych. Ponadto podczas awarii powstaje łuk elektryczny, który jest otwartym źródłem ognia. W ten sposób może zapalić pobliskie przedmioty.

Jeśli dana osoba wpadnie w obszar zasięgu obwodu, następnie poddawany jest szokowi o dużym natężeniu. Prowadzi to do uwolnienia ciepła przez organizm i późniejszego spalania organizmu.

Mniej znaczące konsekwencje to występowanie dużego pola elektrycznego i wstrząsy elektromagnetyczne, które negatywnie wpływają na elementy elektroniczne i sprzęt radiowy, a także silniki elektryczne. Pojawienie się zwarcia prowadzi do nierównowagi faz w sieci elektroenergetycznej, co powoduje w niej skok napięcia, a to prowadzi do awarii zasilaczy podłączonych do niej urządzeń elektrycznych.

Aby zapobiec konsekwencjom w projektowaniu instalacji elektrycznych, stosuje się specjalne urządzenia i środki ochronne. Środki te obejmują:

• okresowe badania izolacji urządzeń i linii energetycznych;
• stosowanie sprzętu lub okablowania elektrycznego o podwyższonej klasie ochronności w miejscach potencjalnie niebezpiecznych lokalizacje, takie jak wysokiej jakości dielektryki lub dual ognioodporny izolacja;
• instalacja bezpieczników, które przepalają się, gdy prąd osiąga niebezpieczną wartość;
• zastosowanie ochrony odgromowej, wyłączników automatycznych i różnicowych, urządzeń kontrolujących napięcie.

Bardzo ważne jest, aby podczas budowy systemu przesyłowego używać odpowiednich materiałów i sprzętu ochronnego. W większym stopniu dotyczy to przekroju kabla przewodzącego, obliczania parametrów zastosowanych modułów ochronnych i właściwej konstrukcji obwodu uziemiającego.

Celowe użycie

Niezamierzone wystąpienie zwarcia niesie ze sobą niebezpieczeństwa i kłopoty, ale kontrolując je, możesz skorzystać. Dzięki temu pojawiło się spawanie łukiem elektrycznym. Jedno uzwojenie transformatora jest połączone ze spawanym przedmiotem, tworząc z nim stały kontakt, a drugie jest połączone z elektrodą. Kiedy dotyka części, następuje zwarcie z utworzeniem łuku i uwolnieniem ciepła. To właśnie ten łuk służy do topienia metali. Ale jeśli elektroda „przyklei się” do metalu, cała użyta moc zacznie być uwalniana na konwerterze, co doprowadzi do jego zamknięcia z kolei.

Innym zastosowaniem tego zjawiska są zwarcia - urządzenia wyposażone w wyłączniki. Jeśli zajdzie potrzeba szybkiego odłączenia linii energetycznej, zamyka się, na co reaguje urządzenie elektromechaniczne, wyłączając sekcję.

Wibrometry indukcyjne i odbiorniki sejsmiczne wykorzystują w swojej pracy SC, co pozwala na tłumienie drgań mechanicznych. Tryb awarii jest często używany podczas podłączania stopni wzmacniacza w elektronice, takich jak wzmacniacze kaskadowe. Obwody mocy płytek elektronicznych działają również w trybie zwarcia dla prądu przemiennego. Kondensatory blokujące obejście są zainstalowane na ich liniach zasilających. Zostały zaprojektowane w celu zmniejszenia samowzbudzenia stopni wzmacniających, zakłóceń i błędów kodu w urządzeniach cyfrowych.

Podsumowując, można zauważyć ważne aspekty procesów elektrycznych. Aby prąd powstał, musi pojawić się różnica potencjałów, a następnie ich fizyczne połączenie. Wtedy ładunek zacznie być przenoszony z jednego punktu do drugiego, napotykając na swojej drodze opór. Zostanie na nim uwolniona energia, która jest wykorzystywana do dowolnych procesów. Wytwarzana moc charakteryzuje się pracą użyteczną. Ale jeśli prąd nie napotyka na swojej drodze przeszkód, to gdy dwa potencjały są połączone, cała moc zostanie uwolniona na tej ścieżce. W efekcie jest zamieniany na energię cieplną, a częściowo na światło.

Na tym polega zasada występowania zwarcia, a także towarzyszących mu zjawisk - nadmiernego nagrzewania i błysku światła. W tym trybie prąd w obwodzie jest znacznie wyższy niż wartości nominalne (ze względu na brak rezystancji), co prowadzi do awarii źródła energii i jego odbiornik w obwodzie elektrycznym.