Чем перегрузка отличается от короткого замыкания
В разговорной речи, в различной научно-популярной литературе и на сайтах электротехнической тематики упоминание о мощностной перегрузке практически так же часто встречается, как и о коротком замыкании. Для многих людей, не сведущих в нюансах, может показаться, что эти явления чуть ли не синонимичны, раз всегда употребляются парой. Вместе с тем, другие, более осведомлённые читатели прекрасно понимают, сколь велика между ними разница. Сегодняшнюю статью мы решили посвятить тому, чтобы объяснить читателям из первой группы, почему эти два понятия-спутника на самом деле имеют между собой довольно мало общего.
Разобраться в указанном вопросе и навсегда запомнить природу обоих явлений проще простого. Возьмём сам термин «короткое замыкание»: он недвусмысленно намекает на то, что между какими-то элементами произошёл контакт – замыкание, причём путь тока очевидно был короче, чем следовало. Обычная сеть (бытовая двухфазная) складывается из большого количества проводов и кабелей, каждый из которых состоит из двух силовых жил – фазы и нуля. При нормальных условиях путь следования тока таков: он проходит по фазному проводнику, затем превращается в полезную работу (в лампочке, электродвигателе, радио и пр.), и отводится по нулевому проводнику. Если же этот путь сократить, замкнуть накоротко, в обход устройства-потребителя, наступит аварийная ситуация. Короткое замыкание возможно не только между фазой и нулём, если устройство электрической сети сложнее: оно также может случиться между двумя фазами в трёхфазной сети, между фазой и защитным проводом, а в сетях с глухозаземлённой нейтралью – даже между фазой и самой землёй. Отличительная особенность КЗ состоит в том, что оно обычно наступает резко, без «набора силы». Как только провода, которые не должны контактировать, соприкоснутся, случится замыкание.
В свою очередь, мощностная перегрузка имеет совершенно другое наполнение. Здесь на первый план выходит не контакт между проводами как таковой, а то, какие силы токов образуются в системе. К примеру, все мы знаем, что в одну розетку не стоит последовательно подключать несколько удлинителей и сетевых фильтров. Запрет связан с тем, что при таком способе коммутации потребителей электроэнергии сразу несколько мощных приборов будут запитаны от одной электроточки. Это означает, что токи в ней будут расти, угрожая перегревом проводки, её порчей, а затем – возгоранием и всё тем же коротким замыканием. В данном контексте важно понимать, что никакой прямой связи между КЗ и перегрузкой нет: замыкание не является обязательным последствием перегруза, а перегруз не всегда предшествует КЗ.
Режимы работы электросетей
Политика распределения электроэнергии на всех уровнях иерархии от трансформаторной подстанции до самой последней лампочки в светильнике подчиняется общему правилу – максимально возможной равномерности. Это косвенно подразумевает, что ни одна сеть не предназначена для длительной работы на технологическом пределе своих возможностей. Таким образом, роднит перегрузку и КЗ именно тот факт, что они являются самыми простыми случаями, провоцирующими выход материала проводника на пограничные для себя показания.
Короткое замыкание может стать следствием:
- ухудшения свойств или повреждения изоляции;
- возникновения контакта между двумя токопроводящими проводниками из-за наличия других проводящих объектов;
- поломок, приводящих к физическому разрушению электрического оборудования и обнажению токопроводящих частей;
- аварийных режимов работы и скачков вольтажа, провоцирующих повреждения оболочек и выход проводов из строя;
- некорректного подключения проводников работником при ремонте или обслуживании.
Рассмотрим перечисленные причины более детально.
Самая распространённая и понятная для большинства предпосылка к КЗ – проблемы с изоляцией. Начаться они могут как под активным воздействием агрессивных факторов среды, так и без них – просто под влиянием времени. Важно отметить, что в основе большинства ситуаций лежит именно нехватка изоляции там, где она должна быть. К таким местам относятся не только участки обычных проводов, но и изоляторы ЛЭП, корпуса выключателей,контактные элементы трансформаторов, обмотки электродвигателей, разные предохранители, даже просто чересчур ионизированный воздух. Разумеется, не только время является виновником порчи оболочек: к ней причастны и влажность, и влияние химических испарений, и оседание пыли, и грязь на контактных площадках. Как только появляется небольшой неизолированный токопроводящий участок, он сам себя начинает увеличивать – греется, чем добавляет нагара, обугливает близлежащие поверхности, испепеляет слой за слоем оболочки и изоляцию кабелей. Обычно такая ситуация не заявляет о себе периодическими неприятностями – этот «снежный ком» медленно и планомерно растёт, чтобы обрушиться, как лавина.
Замыкание из-за попадания посторонних вещей и объектов чаще всего происходит там, где нет никакого контроля за состоянием электрических цепей. Безусловно, задеть отвёрткой сразу два полюса можно и дома в розетке, но зачастую этого всё же удаётся избежать. А вот на улице слишком много факторов, за которыми уследить трудно. Потому, когда во время грозы линию электропроводки обрывает мокрое дерево, оно становится проводником, вызывающим то самое КЗ. Опоры и столбы замыкают цепи на землю, и за счёт погодных условий потенциал не уходит в глубь грунта, нивелируясь, а наоборот растекается по некоторой области.
Физическое разрушение электроинструмента или промышленного оборудования ведёт к аналогичным последствиям. Вращающиеся механизмы попросту разбивают изнутри корпус, провоцируя непосредственный контакт между жилами. Если в электродвигателе износились подшипники, ротор может сместиться и прикоснуться к статору, что по цепочке спровоцирует контакт с другими деталями изделия и замыкание. Токопроводящие части обнажаются и под действием неумышленного механического усилия – так часто происходит с проводами, питающими фонарные столбы на улицах. Они нередко проложены под проезжей частью, но недостаточно глубоко, из-за чего испытывают сильные вибрации, а при смене сезонов – ещё и смещение грунтов. В результате полимерные оболочки истончаются и рвутся, а при неудачном стечении обстоятельств два разнополюсных участка оказываются рядом.
Скачки вольтажа и, особенно, перегрузки, как было сказано ранее, сами по себе не являются однозначными причинами коротких замыканий. В данном контексте правильнее будет назвать их катализаторами, усугубляющими влияние других факторов и приближающими печальный результат. Даже без них авария всё равно бы произошла, просто зачастую заметно позже, что оставляло бы больше шансов на своевременное обнаружение поломки и её устранение.
Ключевой проблемой КЗ как одного из режимов работы электрической сети является то, что возникающие при этом токи не сопоставимы с работой проводников. Если на короткое замыкание вовремя не успеет отреагировать защитная автоматика, проводка попросту нагреется и выгорит. Переведя всё это в цифры, можно сказать что сила тока при КЗ увеличивается примерно в 20 раз от значения, считающегося нормальным для проводника, а количество тепла при этом возрастает в 400 раз по сравнению со штатным режимом функционирования проводки. Следует сказать, что короткое замыкание косвенно опасно даже для тех приборов и устройств, которые формально подключены к другой линии. Если вдруг случится так, что автоматический выключатель не успеет вовремя отреагировать на аварию, токи в данной подсети перераспределятся таким образом, что в других помещениях может произойти скачок напряжения, вызвав поломку подключённых к сети приборов.
Порой на этом фоне может показаться, что перегрузка – куда более безопасна, однако это не так. Вероятность того, что современная автоматика в квартире сумеет вовремя отреагировать на КЗ, составляет более 99,5%, а вот в случае с перегрузом возможны варианты. Если потребитель использует розетку с высоким номиналом (16 А или 25 А), деструктивные процессы в слишком тонких для данной ситуации проводах на какой-то период времени останутся вне поля зрения автоматики. И наоборот: если в доме установлена розетка номиналом не более 16 А, но к ней одновременно подключат свыше 3,5 кВт нагрузки, пойдёт планомерный нагрев электросистем. При этом важно вспомнить, что электрическая проводимость материалов растёт при увеличении температуры. То есть, чем больше будет нагрев, вызванный первоначальным превышением допустимого предела коммуникаций, тем скорее он будет прогрессировать.
В целом же, и общее старение изоляции во многих случаях объясняется неверным тепловым режимом: чересчур долгая эксплуатация приборов с высокими токами перегревает проводку и портит её оболочки. В обычные розетки без заземления, рассчитанные на 10 А при 220-250 В, нельзя подключать технику, которая мощнее, чем 2,5 кВт. А эту величину сегодня в одиночку не только исчерпает, но и превысит пылесос, утюг или электрочайник. Подключая их через удлинитель, который питает что-то ещё, человек собственными руками провоцирует аварийную ситуацию. В таких случаях первыми греются контакты в розетке – электроды вилки и зажимные лепестки электроточки. При определённых условиях это ведёт у ускоренному окислению металлов, повышению переходного сопротивления, а затем – к короткому замыканию или возгоранию.
Перегрузка во многом более коварна, чем КЗ. Она может проявляться постепенно, повреждая подключённые к сети устройства, и при этом долго не входить в максимальную стадию. Защититься от перегрузки не всегда удаётся столь же эффективно: для корректной работы автоматики необходимо верное совпадение всех компонент. К примеру, даже самый дорогой автоматический выключатель с тепловым расцепителем может опасно запаздывать, если к нему подходят провода, которые рассчитаны не на тот же ампержах, или если розетка имеет номинал, не соответствующий номиналу устройства защиты. При правильном проектировании силовых групп в доме для тех линий питания, к которым планируется подводить мощности до 2200-2500 Вт, устанавливают розетки номиналом 10 А, а защищают их автоматами на 16 А. Такие значения достаточны для работы всех видов осветительных приборов (бра, настенных светильников, люстр, настольных ламп, торшеров), мелкой бытовой техники, зарядных устройств, компьютеров. Если же подключаемая мощность будет превышать 3500-4000 Вт, необходимы розетки на 16-18 А, которые защитит автомат на 25 А.
Вместо заключения
Справедливо будет сказать, что одним из важнейших отличий между коротким замыканием и перегрузкой является сиюминутное влияние на сеть, а потому и последствия для неё. При возникновении токов КЗ с максимальной вероятностью подразумевается повреждение изоляции, порча определённого участка проводки – начиная всего от нескольких миллиметров вблизи очага замыкания и заканчивая десятками сантиметров в обе стороны от него. В свою очередь, перегрузка гораздо реже сопряжена с неверным контактом – а потому от неё не страдают оболочки провода.
С другой стороны, справедливо и обратное: сотрудники пожарной службы однозначно утверждают, что от короткого замыкания возникает меньше возгораний, чем от перегрузки. Стоит токам КЗ возникнуть в цепи, автоматика её сразу же обесточивает, почти не оставляя пламени шансов. За те миллисекунды, что требуются предохранителям на работу, успевает проскочить одна-две небольших искорки, редко ведущие к пожару. Зато перегрузка длится долго – она прогревает провода по всей длине, греет стены и электрофурнитуру, буквально готовит почву для того, чтобы всё загорелось от последующего выхода за допустимые температурные рамки.
Безусловно, как мощностной перегруз, так и КЗ – вещи весьма опасные, с которыми нежелательно сталкиваться никому. Но даже при этом люди сумели поставить их себе на службу. При помощи перегрузки часто тестируют различное оборудование, проверяя его безопасность, а управляемое короткое замыкание лежит в основе электросварки. Таким образом, при сохранении исходного принципа те же самые явления способны приносить человеку пользу, если обращаться с ними аккуратно, не теряя контроль над ситуацией.
