Режим короткого замыкания — Википедия
Режи́м коро́ткого замыка́ния в электротехнике, электронике, при теоретическом анализе электрических цепей — состояние пары некоторых узлов электрической цепи (2 вывода, обычно в качестве закорачиваемого участка цепи рассматриваются двухполюсники), при котором его выводы (зажимы, контакты) присоединены к двум узлам другой цепи с модулем полного входного сопротивления пренебрежимо малым по сравнению с модулем полного выходного сопротивления закорачиваемой цепи (при этом говорят, что пара узлов цепи (источник, выход) замкнута, закорочена, соединена накоротко, соединена коротким соединением).
Таким образом, условие короткого замыкания можно записать:
- ∣Zi∣≪∣Zo∣{\displaystyle \mid Z_{i}\mid \ll \mid Z_{o}\mid }
где ∣Zi∣{\displaystyle \mid Z_{i}\mid } — модуль входного импеданса закорачивающей цепи, ∣Zo∣{\displaystyle \mid Z_{o}\mid } — модуль выходного импеданса закорачиваемой цепи.
Часто вместо термина
Различают КЗ для постоянного и переменного токов. Например, подсоединение конденсатора с достаточно большой ёмкостью к паре узлов цепи, между которыми присутствует напряжение с достаточно высокой частотой, когда модуль реактивного сопротивления конденсатора пренебрежимо мал по сравнению с модулем выходного импеданса закорачиваемой цепи, называют КЗ по переменному току.
Изучение режима короткого замыкания применяется в анализе электрических цепей. При этом рассматривается поведение математической модели электрической цепи при «виртуальном» коротком замыкании (см., например, внутреннее сопротивление).
Режим короткого замыкания может быть как полезным, так и вредным или даже опасным в том или ином техническом устройстве.
Полезные применения[править | править код]
Часто в системах промышленной автоматики информация об измеряемых параметрах передается в аналоговом виде передачей токового сигнала. При этом измерительные и промежуточные преобразователи сигналов по типу выходного сигнала являются источником тока, в идеале с бесконечным внутренним выходным сопротивлением. При этом наиболее благоприятный случай, с точки зрения точности передачи информации, когда источник сигнала нагружен на потребитель с нулевым внутренним входным сопротивлением, — то есть, источник сигнала работает в режиме КЗ. (См. подробнее Токовая петля).
Электродинамические датчики, например, индукционные виброметры, сейсмоприёмники также очень часто работают в режиме короткого замыкания, эта мера позволяет дополнительно демпфировать механические колебания подвижной системы датчика из-за возникновения вязких электродинамических сил.
Часто режим короткого замыкания применяется в соединении усилительных каскадов в электронике. Каскодный усилитель представляет собой соединение двух активных компонентов, модуль выходного импеданса для малого сигнала первого каскада в этой схеме многократно превышает модуль входного импеданса второго каскада, то есть, выход первого каскада работает в режиме короткого замыкания.
Цепи питания электронных устройств тоже почти всегда работают в режиме короткого замыкания для переменного тока. Их линии питания обычно шунтируются блокировочными конденсаторами для исключения вредного самовозбуждения усилительных каскадов, помех и сбоев кодов в цифровых устройствах.
Опасность короткого замыкания[править | править код]
Если источник напряжения с малым внутренним сопротивлением закоротить, то в цепи потечёт ток равный отношению ЭДС источника к сумме внутреннего сопротивления источника и сопротивления закорачивающей цепи. При большой мощности источника ток достигнет очень большой величины, который может повредить источник, потребитель, соединительные провода. Перегрев соединительных проводов может привести к пожару. Поэтому при питании устройств от мощных источников почти всегда вводят защиту от КЗ в потребителе, которое может внезапно возникнуть от аварий устройств, ошибок людей, ударов молний. Простейшая защита от разрушительных последствий КЗ — плавкий предохранитель. Также применяются различные автоматы защиты сети, их преимущество — многократное восстановление цепи после актов срабатывания при защите, в отличие от однократно используемого плавкого предохранителя или его вставки.
Очень опасно КЗ мощных электрохимических источников электричества, — особо аккумуляторов. Так, например, длительное закорачивание свинцового аккумулятора приводит к вскипанию его электролита с разбрызгиванием капель серной кислоты, ещё опаснее закорачивание литиевых аккумуляторов, ведущее к его перегреву и возможному взрыву корпуса и возгоранию металлического лития.
При закорачивании обмоток статора мощного электрического генератора в нём развиваются огромные электродинамические силы, зачастую приводящие к его разрушению.
- Электротехника и электроника: Учебник для сред. проф. образования / Б. И. Петленко, Ю. М. Иньков, * Крашенинников А. В. и др.; Под ред. Б. И. Петленко. — М.: Издательский центр «Академия», 2003. — 320 с. ISBN 5-7695-1114-1
- Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. Издание 9-е переработанное и дополненное. Москва, «Высшая школа», 1996
Содержание:
Довольно часто в электрических сетях, при возникновении определенных условий, может наступить режим короткого замыкания. В таких случаях происходит контакт двух точек с различными потенциалами. Данное явление представляет собой серьезную опасность как для людей, так и для объектов, где это случилось. Значительный ущерб может быть нанесен и трансформаторам, особенно тем, которые используются в системах передачи электроэнергии на большие расстояния. Поэтому в электротехнике большое внимание уделяется профилактическим и защитным мероприятиям, позволяющим избежать негативных последствий данного явления. Что такое короткое замыканиеКоротким замыканием называется такое состояние электрической сети, при котором возникает контакт между какими-либо точками цепи с разными значениями потенциалов. Зона контакта отличается низким сопротивлением, поэтому в таком месте резко возрастает сила тока, многократно превышая допустимые значения. Таким образом, при замыкании источника напряжения с незначительным внутренним сопротивлением, в цепи начнет протекать ток, представляющий собой отношение ЭДС этого источника и суммы, которая включает в себя внутреннее сопротивление источника и сопротивление замкнутой цепи. Когда источник тока обладает большой мощностью, сила тока значительно возрастает. Высокий потенциал наносит повреждения всем элементам цепи, в том числе, соединительным проводам и потребителям. Как правило, они быстро перегреваются и становятся причиной возгорания.
В связи с этим, схема использования мощных источников питания предполагает включение в цепь защиту потребителей от коротких замыканий, возникающих под действием различных факторов. Простейшими средствами защиты от разрушений служат плавкие предохранители. Чаще всего используются автоматические защитные устройства, способные многократно восстанавливать работоспособность цепи после срабатывания, в то время как предохранители могут быть использованы лишь один раз. Особую опасность замыкание представляет для аккумуляторных батарей. Пребывание в таком состоянии в течение длительного времени вызывает закипание электролита и его разбрызгивание. Литиевые АКБ в таких случаях перегреваются, их корпус взрывается, а сам литий начинает гореть. Виды коротких замыканийВсе электрические замыкания можно условно разделить на несколько разновидностей.
Подобная классификация определяется ГОСТом 52735-2007 и представлена следующими видами:
Причины возникновения КЗВо многих случаях замыкание в цепи носит случайный характер. Однако, существуют специфические причины, которые прямо или косвенно влияют на возникновение режима короткого замыкания.
Среди них наибольшее распространение получили следующие:
Короткие замыкания и трансформаторные устройстваСущественное негативное влияние замыкания в цепях оказывают практически на все виды трансформаторов. В подобных случаях возникает режим короткого замыкания, при котором токопровод с нулевым сопротивлением замыкает на выводах вторичную обмотку. В условиях эксплуатации это приводит к возникновению аварийного режима из-за резкого роста вторичного и первичного тока, сравнительно с номиналом. С целью предотвращения негативных последствий в цепях, использующих трансформаторные устройства предусматривается защита, обеспечивающая автоматическое отключение прибора.
В специальных лабораториях проводят испытания трансформаторов на их устойчивость к таким воздействиям. Для этого зажимы на вторичной обмотке коротко замыкаются, а на первичную обмотку подается напряжение Uк, при котором ее ток будет оставаться на уровне номинала. Напряжение короткого замыкания uк является основной характеристикой трансформатора, выражается в процентах и вычисляется по формуле: uк = (Uк х 100)/U1ном. Величина U1ном представляет собой показатель номинального первичного напряжения. При коротком замыкании значение Uк является очень маленькой величиной, в связи с этим потери холостого хода в несколько сотен раз меньше, чем в условиях действия номинального напряжения. Сильный нагрев обмоток приводит к росту их активного сопротивления и дальнейшим потерям мощности трансформатора. Они известны также, как потери короткого замыкания или электрические потери. В режиме КЗ будут изменяться и внешние характеристики трансформатора в соответствии с подключенной нагрузкой. Так, индуктивная нагрузка вызывает снижение напряжения на вторичной обмотке с одновременным увеличением тока. Емкостные нагрузки, как показывает график, наоборот, приводят к росту напряжения при увеличении нагрузочного тока. Чисто активная нагрузка будет удерживать характеристики тока и напряжения в более жестких рамках. |
Режим короткого замыкания — Википедия
Режи́м коро́ткого замыка́ния в электротехнике, электронике, при теоретическом анализе электрических цепей — состояние пары некоторых узлов электрической цепи (2 вывода, обычно в качестве закорачиваемого участка цепи рассматриваются двухполюсники), при котором его выводы (зажимы, контакты) присоединены к двум узлам другой цепи с модулем полного входного сопротивления пренебрежимо малым по сравнению с модулем полного выходного сопротивления закорачиваемой цепи (при этом говорят, что пара узлов цепи (источник, выход) замкнута, закорочена, соединена накоротко, соединена коротким соединением).
Таким образом, условие короткого замыкания можно записать:
- ∣Zi∣≪∣Zo∣{\displaystyle \mid Z_{i}\mid \ll \mid Z_{o}\mid }
где ∣Zi∣{\displaystyle \mid Z_{i}\mid } — модуль входного импеданса закорачивающей цепи, ∣Zo∣{\displaystyle \mid Z_{o}\mid } — модуль выходного импеданса закорачиваемой цепи.
Часто вместо термина Режим короткого замыкания используются аббревиатуры: Режим КЗ или просто КЗ. Среди электриков и электронщиков также распространены жаргонизмы «коротец», «коротыш» и «кэзэшка»[источник не указан 1310 дней].
Различают КЗ для постоянного и переменного токов. Например, подсоединение конденсатора с достаточно большой ёмкостью к паре узлов цепи, между которыми присутствует напряжение с достаточно высокой частотой, когда модуль реактивного сопротивления конденсатора пренебрежимо мал по сравнению с модулем выходного импеданса закорачиваемой цепи, называют КЗ по переменному току.
Изучение режима короткого замыкания применяется в анализе электрических цепей. При этом рассматривается поведение математической модели электрической цепи при «виртуальном» коротком замыкании (см., например, внутреннее сопротивление).
Применение
Режим короткого замыкания может быть как полезным, так и вредным или даже опасным в том или ином техническом устройстве.
Полезные применения
Часто в системах промышленной автоматики информация об измеряемых параметрах передается в аналоговом виде передачей токового сигнала. При этом измерительные и промежуточные преобразователи сигналов по типу выходного сигнала являются источником тока, в идеале с бесконечным внутренним выходным сопротивлением. При этом наиболее благоприятный случай, с точки зрения точности передачи информации, когда источник сигнала нагружен на потребитель с нулевым внутренним входным сопротивлением, — то есть, источник сигнала работает в режиме КЗ. (См. подробнее Токовая петля).
Электродинамические датчики, например, индукционные виброметры, сейсмоприёмники также очень часто работают в режиме короткого замыкания, эта мера позволяет дополнительно демпфировать механические колебания подвижной системы датчика из-за возникновения вязких электродинамических сил.
Часто режим короткого замыкания применяется в соединении усилительных каскадов в электронике. Каскодный усилитель представляет собой соединение двух активных компонентов, модуль выходного импеданса для малого сигнала первого каскада в этой схеме многократно превышает модуль входного импеданса второго каскада, то есть, выход первого каскада работает в режиме короткого замыкания.
Цепи питания электронных устройств тоже почти всегда работают в режиме короткого замыкания для переменного тока. Их линии питания обычно шунтируются блокировочными конденсаторами для исключения вредного самовозбуждения усилительных каскадов, помех и сбоев кодов в цифровых устройствах.
Опасность короткого замыкания
Если источник напряжения с малым внутренним сопротивлением закоротить, то в цепи потечёт ток равный отношению ЭДС источника к сумме внутреннего сопротивления источника и сопротивления закорачивающей цепи. При большой мощности источника ток достигнет очень большой величины, который может повредить источник, потребитель, соединительные провода. Перегрев соединительных проводов может привести к пожару. Поэтому при питании устройств от мощных источников почти всегда вводят защиту от КЗ в потребителе, которое может внезапно возникнуть от аварий устройств, ошибок людей, ударов молний. Простейшая защита от разрушительных последствий КЗ — плавкий предохранитель. Также применяются различные автоматы защиты сети, их преимущество — многократное восстановление цепи после актов срабатывания при защите, в отличие от однократно используемого плавкого предохранителя или его вставки.
Очень опасно КЗ мощных электрохимических источников электричества, — особо аккумуляторов. Так, например, длительное закорачивание свинцового аккумулятора приводит к вскипанию его электролита с разбрызгиванием капель серной кислоты, ещё опаснее закорачивание литиевых аккумуляторов, ведущее к его перегреву и возможному взрыву корпуса и возгоранию металлического лития.
При закорачивании обмоток статора мощного электрического генератора в нём развиваются огромные электродинамические силы, зачастую приводящие к его разрушению.
См. также
Литература
- Электротехника и электроника: Учебник для сред. проф. образования / Б. И. Петленко, Ю. М. Иньков, * Крашенинников А. В. и др.; Под ред. Б. И. Петленко. — М.: Издательский центр «Академия», 2003. — 320 с. ISBN 5-7695-1114-1
- Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. Издание 9-е переработанное и дополненное. Москва, «Высшая школа», 1996
§ 8.4. Режим короткого замыкания трансформатора
В режиме короткого замыкания сопротивление внешней цепи равно нулю, т. е. вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко. Этот режим следует рассматривать как аварийный. При нем во вторичной обмотке трансформатора протекает ток, во много раз превышающий номинальный. Такой ток безусловно опасен для трансформатора и допустим только на очень короткое время.
Так
как при режиме короткого замыкания
можно получить ряд данных
для характеристики работы
трансформатора и о
пределитьпотери
короткого замыкания, равные
электрическим потерям в
обмотках, этот режим создают искусственно
при проведении опыта
короткого замыкания. Для этого
к первичной обмотке подводят пониженное
напряжение UK.З., при
котором
токи в обмотках I1 и I2 имеют
номинальные значения.
Э
то
пониженное напряжение,выраженное
в процентах от номинального,
называется напряжением короткого
замыкания:
Напряжение короткого замыкания является очень важным параметром трансформатора и обычно указывается на его щитке-паспорте. Для силовых трансформаторов оно составляет от 5,5 до 10,5%, причем чем больше мощность трансформатора, тем выше значение u KЗ
Величиной напряжения короткого замыкания определяется и кратность тока короткого замыкания
На рис. 8.10 дана векторная диаграмма для режима короткого замыкания. Эта диаграмма строится так же, как и векторная диаграмма работы трансформатора под нагрузкой. Векторы E1 и E2‘ отстают от вектора магнитного потока Ф на 900. Вектор тока I2
равен
ему по величине, что видно из следующего.
Если пренебречь
током Iо,
то В
приведенном трансформаторе 
, тогда
Вектор
падения напряжения I2‘ r2‘ на активном
сопротивлении г2‘
совпадает по фазе с вектором тока I2‘,
а вектор падения напряжения
jI2‘x2‘ на
реактивном сопротивлении x2‘ сдвинут по фазе на
900 относительно вектора тока I2‘,
он откладывается от конца вектора
I2‘r2‘. Вектор
напряжения короткого замыкания U1К.З определится
в результате сложения векторов I1r1 и jI1x1. Для этого
отложим
вверх составляющую напряжения – E1 геометрически сложим
с ней векторы I1r1 и jI1x1.
Этому режиму соответствует упрощенная
схема замещения,
приведенная на рис. 8.11,
так как при коротком замыкании
трансформатор может
быть представлен в виде
цепи, состоящей из последовательно
соединенных активных и индуктивных
сопротивлений
первичной и вторичной
обмоток. Из векторной диаграммы для
режима
короткого
замыкания получают
треугольник короткого замыкания ОВГ (рис.
8.12). Для этого векторы
напряжения и э. д. с. вторичной обмотки
поворачивают на 180°
так, чтобы вектор E2‘ совпал
по направлению с вектором —E1. При этом
векторы токов первичной и вторичной
обмоток I2‘
и I1 также совпадают.Складывая между собой векторы активного падения напряжения I1r1 и I2‘ r2‘ и индуктивные падения напряжения jI1x1 и jI2‘x2‘ получаем треугольник короткого замыкания, в котором
Рис. 8.12. Треугольник короткого замыкания
Сопротивления 
и
xК,З=x1+ x2‘ называются
активным
и индуктивным сопротивлениями короткого
замыкания или параметрами
короткого замыкания.
Активная UK,3.а и реактивная Uк.з.х составляющие напряжения короткого замыкания UK.3 также выражаются в процентах от номинального напряжения:
Если
в трехфазном трансформаторе токи и
напряжения в фазах отличаются
друг от друга, то ток короткого замыкания
определяют из отношений:
Мощность короткого замыкания определяется как алгебраическая сумма показаний двух ваттметров:
По данным опыта короткого замыкания находят полное сопротивление короткого замыкания трансформатора
Активное и реактивное сопротивления короткого замыкания определяются по формулам:
Коэффициент мощности при коротком замыкании
Опыт короткого замыкания позволяет определить потери в меди. Так как напряжение, приложенное к трансформатору, незначительно и магнитный поток мал, потерями в стали можно пренебречь. Тогда показания ваттметра в опыте короткого замыкания соответствуют потерям мощности в меди.
Режим короткого замыкания
В процессе эксплуатации трансформатора в аварийных условиях самопроизвольно возникает режим короткого замыкания (замыкание вторичной обмотки трансформатора накоротко), в результате чего весьма значительные токи могут вывести его из строя.
Опыт короткого замыканиятрансформатора проводится в процессе исследований трансформатора для определения электрических потерь мощности в проводах обмоток при замкнутой накоротко вторичной обмотке трансформатора. При этом напряжение на вторичной обмотке равно нулю (U2= 0).
a)б)
Рис. 3
При проведении опыта короткого замыкания трансформатора к первичной обмотке трансформатора подводится напряжение U1, сниженное (в зависимости от типа и мощности трансформатора) в 1020 раз по сравнению с номинальным значением напряженияU1НОМ. Величина этого напряженияU1=U1к.звыбирается так, чтобы при проведении опыта по первичной обмотке протекал номинальный токI1НОМ. При этом условии во вторичной накоротко замкнутой обмотке будет также протекать номинальный токI2НОМ.
Так как при опыте короткого замыкания напряжение, подводимое к первичной обмотке, мало и равно U1к.з =E2 = 4,44n2 fФm, то магнитный поток трансформатора, а следовательно, и магнитная индукция будут также малы. Это означает, что магнитные потери мощности в магнитопроводе, которые пропорциональны квадрату магнитной индукцииВm2, при опыте короткого замыкания ничтожно малы и ими можно пренебречь, т.е.PМ= 0.
Таким образом, можно считать, что при опыте короткого замыкания вся мощность Pк.з,потребляемая трансформатором, идет на нагрев обмоток трансформатора, т.е. равна электрическим потерям в проводах обмоток:
Рк = Рэ + Рм R1I 21ном + R2I2 2ном = I 21ном(R1 + R‘2) = I 21номRК.З,
где RК.З=R1+R‘2.
Т
Рис. 4
ак как опыт короткого замыкания проводится при номинальном значении тока, то эта мощность равна электрическим потерям мощности при номинальной нагрузкеPк.з=Pэ. Следовательно, зная напряжение, ток и
активную мощность при опыте короткого
замыкания (ZПР=0), можно
определить параметры упрощенной схемы
замещения трансформатора (рис. 4) при
коротком замыкании:ZК.З=U1К.З/I1НОМ,
иХК.З=Х1+Х’2=
.
Характеристики трансформатора
К нагрузочным характеристикам трансформатора относятся зависимости напряжения на вторичной обмотке U2, коэффициента мощности сos1и коэффициента полезного действияот тока нагрузкиI2потребителя электроэнергии при сos 2= const. Характер этих зависимостей представлен на рис. 5.
Зависимость U2(I2), вольт-амперная характеристика вторичной обмотки, являетсявнешней характеристикойтрансформатора. Из уравнения электрического равновесия для вторичной обмотки получим выражение для напряжения
.
Из полученного выражения следует, что изменение тока нагрузки трансформатора приводит к изменению напряжения на зажимах его вторичной обмотки.
Внешняя характеристика трансформатора при различном характере нагрузки различна. Анализ зависимостей на рис. 5, апоказывает, что при индуктивном характере нагрузки трансформатора, напряжение на его вторичной обмотке с ростом тока нагрузки уменьшается (кривая 3). При чисто активной нагрузке внешняя характеристика трансформатора будет более жесткой (кривая 2). При емкостном характере нагрузки с увеличением тока нагрузки происходит возрастание напряжения на зажимах вторичной нагрузки трансформатора (кривая 1).
a)б)
Рис. 5. Нагрузочные характеристики трансформатора
Рабочие характеристики трансформатора приведены на рис. 5, б. Характер изменения коэффициента мощности показывает его возрастание при увеличении тока нагрузки от некоторого значения сos0, которому равен коэффициент мощности в режиме холостого хода. При отсутствии нагрузки во вторичной цепи трансформатор потребляет активную мощность, равную мощности холостого хода:
Рх.х = U1номI0 сos0.
Так как мощность, ток и напряжение в режиме холостого хода не равны нулю, то не может быть равным нулю и сos0 приI2= 0.
Несколько другой характер имеет зависимость коэффициента полезного действия от тока нагрузки. Как известно, представляет собой отношение полезной мощности к мощности, потребляемой трансформатором из сети, и рассчитывается на практике по формуле
,
где =I2/I2ном— отношение тока нагрузки к номинальному значению тока (коэффициент нагрузки трансформатора). КПД трансформатора зависит от величины нагрузкии ее характера (сos2 ). При отсутствии нагрузки, когда мощность не потребляется, КПД оказывается равным нулю. Из формулы видно, что при малых значениях нагрузки, когда электрическими потерями мощности вследствие небольшого значения тока нагрузки можно пренебречь и когда потери мощности в магнитопроводеРм оказываются соизмеримыми с полезной мощностьюР2, значение КПД трансформатора оказывается небольшим. С увеличением тока нагрузки КПД растет.
Полагая, что =U2/U2номучитывает влияние изменения напряжения при изменении нагрузки;S2=U2I2, получаем следующую зависимость:
= S сos2 /(S сos2 +Рх.х + 2Рк.з).
Потери мощности в магнитопроводе
трансформатора не зависят от нагрузки,
в то время как с увеличением нагрузки
электрические потери мощности в обмотках
растут пропорционально квадрату тока.
С учетом этого анализ приведенной
формулы показывает, что КПД трансформатора
имеет максимальное значение при нагрузке,
для которой магнитные потери равны
электрическим: Рх.х=2Рк.з.Отсюда значение коэффициента нагрузки,
соответствующее максимальному КПД,=
.
При дальнейшем возрастании нагрузки
трансформатора потерями в магнитопроводе
можно пренебречь вследствие их
относительно небольшого значения по
сравнению с довольно большими
электрическими потерями мощности в
обмотках трансформатора. Анализ
показывает, что при этих условиях КПД
трансформатора с увеличением тока
нагрузки сверх номинального, хотя и
незначительно, будет снижаться.
КПД современных трансформаторов весьма высок. С увеличением номинальной мощности трансформатора КПД растет, причем, для мощных трансформаторов он достигает значений порядка 98‑99 %. Большинство трансформаторов имеют максимальный КПД при нагрузке 50‑70 % от номинальной, что соответствует наиболее часто встречающейся средней нагрузке при их эксплуатации.
Содержание:
Всем известно, что при подключении вторичной трансформаторной обмотки к нагрузке, она принимает на себя и сопротивление этой нагрузки. Ток, установившийся во вторичной цепи, находится в пропорциональной зависимости от подключенной нагрузки. Если же имеет место большое количество потребителей, то в результате повышения нагрузки возрастает вероятность нарушения изоляционного слоя соединительных проводников. В случае их возможного соприкосновения возникает режим короткого замыкания трансформатора. Провода, расположенные перед приемником электроэнергии, замыкаются вместе со вторичной обмоткой. Энергия из первичной обмотки будет продолжать свое движение во вторичную обмотку и далее – во вторичную цепь. Эта цепочка, образовавшаяся в результате короткого замыкания будет включать в себя лишь обмотку и частично – соединительные провода. Виды КЗ у трансформаторовПри возникновении короткого замыкания, трансформатор вплотную подходит к предельному рабочему режиму. В этом случае на первичную обмотку поступает какое-то напряжение, а вторичная оказывается замкнутой. Короткое замыкание трансформатора может быть аварийным или испытательным. В первом случае опасная ситуация возникает в режиме эксплуатации устройства, при подключении его к номинальному первичному напряжению. В обмотках появляется ток короткого замыкания, многократно превышающий номинал, и прибор выходит из строя. Как правило, основные детали сгорают, и вся схема просто разваливается на части.
Избежать подобных негативных последствий возможно с помощью защитной аппаратуры – автоматов, предохранителей, реле и т.д. Она производит отключение в максимально короткие сроки со стороны первичной обмотки и тем самым сохраняет устройство от разрушения. В испытательном режиме, известном в качестве опыта короткого замыкания, подобная ситуация создается искусственным путем. С этой целью на первичную обмотку подается пониженное напряжение. При этом, токи в каждой обмотке не выходят за пределы номинала. Данный опыт позволяет точно установить наиболее важные параметры и характеристики трансформаторного устройства. Каждое из коротких замыканий следует рассмотреть более подробно, с точки зрения его физического воздействия на трансформатор. Физические процессы при аварийном замыканииС технической точки зрения любой трансформатор должен обязательно разрушиться в результате замыкания и действия высоких токов. Основной причиной выступает незначительное сопротивление проводов и обмоток, которое многократно превышается сопротивлением подключенной нагрузки. Следует учитывать и резкое повышение температуры в обмотках, достигающей 500-600 градусов в течение 1-2 секунд. Этого вполне достаточно, чтобы они полностью сгорели. Нельзя забывать о механических усилиях, возникающих между обмотками во время работы, и стремящихся сдвинуть их в осевом и радиальном направлениях. Эти усилия существенно увеличиваются при возрастании силы тока, что теоретически должно привести к мгновенному разрушению трансформатора. Тем не менее, на практике все происходит по-другому.
Трансформаторные устройства оказываются способными выдержать токи коротких замыканий в течение малого временного промежутка, пока не сработает защита и они не будут отключены от сети. Было выявлено какое-то дополнительное сопротивление, ограничивающее высокие токи в обмотках. Оно образуется благодаря магнитным потокам рассеяния, отходящим от основного потока и замыкающимся вокруг витков соответствующей обмотки. Величина и разница этого рассеяния практически не поддается точному измерению, в основном, из-за различных путей, используемых для замыкания магнитных потоков. В связи с этим, его оценка производится по влиянию, оказываемому на ток и напряжение в обмотках. Была выявлена закономерность, в соответствии с которой при возрастании тока в обмотках, увеличиваются и магнитные потоки. В нормальном рабочем режиме они составляют незначительную часть основного потока, поскольку лишь частично связаны с витками. Основной же поток оказывает влияние на все без исключения витки обмоток. Таким образом, действие дополнительного сопротивления позволяет свести до минимума потери КЗ трансформатора. Все негативные параметры снижаются во много раз и не наносят вреда. То есть, прибор сам способен защититься от высоких токов, возникающих при замыканиях. Подобные ситуации возникают достаточно редко, но все равно к ним нужно готовиться заранее, своевременно осуществляя необходимые защитные мероприятия. Испытание трансформатора в режиме КЗДля проверки работоспособности трансформатора в особых условиях, создается режим холостого хода и короткого замыкания с подводом к обмоткам соответствующего напряжения. В этом случае одна из них оказывается коротко замкнутой, а к другой через клеммы подводится напряжение, чтобы получить номинальный ток. Напряжение, полученное в результате короткого замыкания, в среднем составляет от 5,5 до 10% от номинала и не зависит от того, какая из обмоток окажется замкнутой. Данный параметр играет важную роль в эксплуатации устройства, отображается в его техническом паспорте или наносится непосредственно на корпус.
Во время проведения испытания трансформатора в режиме короткого замыкания напряжение будет незначительным, поэтому магнитный поток в магнитопроводе тоже небольшой. В связи с этим, потери в стальных пластинках можно не учитывать, а сосредоточиться на потребляемой мощности, которая перекрывает тепловые потери в медных обмотках. В режиме замыкания вторичная обмотка соединяется с амперметром, а в первичную поступает пониженное напряжение, контролируемое с помощью вольтметра. Мощность, потребляемая из сети трансформаторным устройством, замеряется ваттметром. Основными целями исследований является определение следующих показателей:
Короткое замыкание трансформатора в условиях эксплуатацииРежим КЗ трансформатора может возникнуть практически в любой электроустановке, при наличии определенных негативных факторов. Это могут быть механические повреждения изоляции, электрический пробой из-за перенапряжения и т.д. Иногда серьезные ошибки допускаются обслуживающим персоналом. Под влиянием высоких токов температура обмотки резко повышается, и целостность изоляции находится под угрозой разрушения. Большой ток короткого замыкания, примерно в 20 раз превышающий номинальный, приводит к росту потерь в обмоточных проводах более чем в 400 раз. Огромная мощность, выделяемая в обмотках в короткий промежуток времени, приводит к их резкому нагреву, от чего изоляция разрушается и трансформатор выходит из строя.
В связи с этим, каждое устройство обеспечивается защитой с высоким быстродействием, выполняющей отключение при замыкании. До момента отключения, вторичная обмотка трансформатора, находящегося в аварийном режиме, просто не успевает разогреться до опасной температуры. Опасность КЗ состоит еще и в возможном механическом разрушении прибора. Дело в том, что провода, обтекаемые током, физически взаимодействуют между собой. Если токи в параллельных проводах протекают в одном и том же направлении, между ними возникает взаимное притяжение. Если же течение токов происходит в разных направлениях, провода будут отталкиваться друг от друга. В трансформаторах таких проводов очень много, и расположены они в витках параллельно между собой. Поэтому в них периодически возникают взаимные притяжения или отталкивания, а слишком большие механические силы рано или поздно приведут к деформации трансформаторных обмоток, резкому снижению их электрической прочности. В связи с этим, заранее принимаются меры по усилению конструкции. Это достигается путем неоднократной осевой запрессовки обмоток, предотвращением возможной усадки изоляции. При соблюдении всех технических условий, короткое замыкание не сможет нанести трансформатору серьезных повреждений. |
Режим короткого замыкания — WiKi
Режи́м коро́ткого замыка́ния в электротехнике, электронике, при теоретическом анализе электрических цепей — состояние пары некоторых узлов электрической цепи (2 вывода, обычно в качестве закорачиваемого участка цепи рассматриваются двухполюсники), при котором его выводы (зажимы, контакты) присоединены к двум узлам другой цепи с модулем полного входного сопротивления пренебрежимо малым по сравнению с модулем полного выходного сопротивления закорачиваемой цепи (при этом говорят, что пара узлов цепи (источник, выход) замкнута, закорочена, соединена накоротко, соединена коротким соединением).
Таким образом, условие короткого замыкания можно записать:
- ∣Zi∣≪∣Zo∣{\displaystyle \mid Z_{i}\mid \ll \mid Z_{o}\mid }
где ∣Zi∣{\displaystyle \mid Z_{i}\mid } — модуль входного импеданса закорачивающей цепи, ∣Zo∣{\displaystyle \mid Z_{o}\mid } — модуль выходного импеданса закорачиваемой цепи.
Часто вместо термина Режим короткого замыкания используются аббревиатуры: Режим КЗ или просто КЗ. Среди электриков и электронщиков также распространены жаргонизмы «коротец», «коротыш» и «кэзэшка»[источник не указан 1725 дней].
Различают КЗ для постоянного и переменного токов. Например, подсоединение конденсатора с достаточно большой ёмкостью к паре узлов цепи, между которыми присутствует напряжение с достаточно высокой частотой, когда модуль реактивного сопротивления конденсатора пренебрежимо мал по сравнению с модулем выходного импеданса закорачиваемой цепи, называют КЗ по переменному току.
Изучение режима короткого замыкания применяется в анализе электрических цепей. При этом рассматривается поведение математической модели электрической цепи при «виртуальном» коротком замыкании (см., например, внутреннее сопротивление).
Режим короткого замыкания может быть как полезным, так и вредным или даже опасным в том или ином техническом устройстве.
Полезные применения
Часто в системах промышленной автоматики информация об измеряемых параметрах передается в аналоговом виде передачей токового сигнала. При этом измерительные и промежуточные преобразователи сигналов по типу выходного сигнала являются источником тока, в идеале с бесконечным внутренним выходным сопротивлением. При этом наиболее благоприятный случай, с точки зрения точности передачи информации, когда источник сигнала нагружен на потребитель с нулевым внутренним входным сопротивлением, — то есть, источник сигнала работает в режиме КЗ. (См. подробнее Токовая петля).
Электродинамические датчики, например, индукционные виброметры, сейсмоприёмники также очень часто работают в режиме короткого замыкания, эта мера позволяет дополнительно демпфировать механические колебания подвижной системы датчика из-за возникновения вязких электродинамических сил.
Часто режим короткого замыкания применяется в соединении усилительных каскадов в электронике. Каскодный усилитель представляет собой соединение двух активных компонентов, модуль выходного импеданса для малого сигнала первого каскада в этой схеме многократно превышает модуль входного импеданса второго каскада, то есть, выход первого каскада работает в режиме короткого замыкания.
Цепи питания электронных устройств тоже почти всегда работают в режиме короткого замыкания для переменного тока. Их линии питания обычно шунтируются блокировочными конденсаторами для исключения вредного самовозбуждения усилительных каскадов, помех и сбоев кодов в цифровых устройствах.
Опасность короткого замыкания
Если источник напряжения с малым внутренним сопротивлением закоротить, то в цепи потечёт ток равный отношению ЭДС источника к сумме внутреннего сопротивления источника и сопротивления закорачивающей цепи. При большой мощности источника ток достигнет очень большой величины, который может повредить источник, потребитель, соединительные провода. Перегрев соединительных проводов может привести к пожару. Поэтому при питании устройств от мощных источников почти всегда вводят защиту от КЗ в потребителе, которое может внезапно возникнуть от аварий устройств, ошибок людей, ударов молний. Простейшая защита от разрушительных последствий КЗ — плавкий предохранитель. Также применяются различные автоматы защиты сети, их преимущество — многократное восстановление цепи после актов срабатывания при защите, в отличие от однократно используемого плавкого предохранителя или его вставки.
Очень опасно КЗ мощных электрохимических источников электричества, — особо аккумуляторов. Так, например, длительное закорачивание свинцового аккумулятора приводит к вскипанию его электролита с разбрызгиванием капель серной кислоты, ещё опаснее закорачивание литиевых аккумуляторов, ведущее к его перегреву и возможному взрыву корпуса и возгоранию металлического лития.
При закорачивании обмоток статора мощного электрического генератора в нём развиваются огромные электродинамические силы, зачастую приводящие к его разрушению.