Чим перевантаження відрізняється від короткого замикання
У повсякденній мові, у різній науково-популярній літературі та на сайтах електротехнічної тематики згадка про потужнісне перевантаження практично так само часто зустрічається, як і про коротке замикання. Для багатьох людей, не обізнаних у нюансах, може здатися, що ці явища мало не синонімічні, оскільки завжди вживаються парою. Разом з тим, інші, більш обізнані читачі чудово розуміють, наскільки великою є між ними різниця. Сьогоднішню статтю ми вирішили присвятити тому, щоб пояснити читачам з першої групи, чому ці два поняття-супутника насправді мають між собою досить мало спільного.
Розібратися у зазначеному питанні й назавжди запам'ятати природу обох явищ простіше простого. Візьмемо сам термін «коротке замикання»: він недвозначно натякає на те, що між якимись елементами стався контакт – замикання, причому шлях струму очевидно був коротший, ніж слід. Звичайна мережа (побутова двофазна) формується з великої кількості дротів та кабелів, кожен з яких складається з двох силових жил – фази та нуля. За нормальних умов маршрут струму є таким: він проходить фазним провідником, потім перетворюється на корисну роботу (у лампочці, електродвигуні, радіо та ін.), й відводиться нульовим провідником. Якщо ж цей шлях скоротити, замкнути, у обхід пристрою-споживача, настане аварійна ситуація. Коротке замикання можливе не тільки між фазою та нулем, якщо будова електричної мережі складніша: воно також може трапитися між двома фазами у трифазній мережі, між фазою та захисним дротом, а у мережах з глухозаземленою нейтраллю – навіть між фазою та самою землею. Відмітна особливість КЗ полягає у тому, що воно зазвичай настає різко, без «набору сили». Щойно дроти, які не повинні контактувати, стикнуться, трапиться замикання.
У свою чергу, потужнісне перевантаження має зовсім інше наповнення. Тут на перший план виходить не контакт між дротами як такий, а те, які сили струмів утворюються у системі. Наприклад, усі ми знаємо, що до однієї розетки не варто послідовно підключати декілька подовжувачів та мережевих фільтрів. Заборона пов'язана з тим, що при такому способі комутації споживачів електроенергії відразу кілька потужних приладів будуть підживлені від однієї електроточки. Це означає, що струми у ній будуть зростати, погрожуючи перегрівом проводки, її псуванням, а потім – загорянням й тим самим коротким замиканням. У даному контексті важливо розуміти, що жодного прямого зв'язку між КЗ та перевантаженням немає: замикання не є обов'язковим наслідком перевантаження, а перевантаження не завжди передує КЗ.
Режими роботи електромереж
Політика розподілу електроенергії на усіх рівнях ієрархії від трансформаторної підстанції до самої останньої лампочки у світильнику підпорядковується загальному правилу – максимально можливої рівномірності. Це побічно передбачає, що жодна мережа не призначена для тривалої роботи на технологічній межі своїх можливостей. Таким чином, ріднить перевантаження та КЗ саме той факт, що вони є найпростішими випадками, які провокують вихід матеріалу провідника на прикордонні для себе показання.
Коротке замикання може стати наслідком:
- погіршення властивостей або пошкодження ізоляції;
- виникнення контакту між двома струмопровідними провідниками через наявність інших провідних об'єктів;
- поломок, що призводять до фізичного руйнування електричного обладнання та оголення струмопровідних частин;
- аварійних режимів роботи та стрибків вольтажу, які провокують пошкодження оболонок та вихід дротів з ладу;
- некоректного підключення провідників працівником при ремонті або обслуговуванні.
Розглянемо перераховані причини більш детально.
Найпоширеніша та найбільш зрозуміла для більшості передумова до КЗ – проблеми з ізоляцією. Початися вони можуть як під активним впливом агресивних чинників середовища, так і без них – просто під впливом часу. Важливо відзначити, що у основі більшості ситуацій лежить саме нестача ізоляції там, де вона повинна бути. До таких місць відносяться не тільки ділянки звичайних дротів, але й ізолятори ЛЕП, корпуси вимикачів, контактні елементи трансформаторів, обмотки електродвигунів, різні запобіжники, навіть просто надто іонізоване повітря. Звісно, не тільки час є винуватцем псування оболонок: до нього причетні й вологість, й вплив хімічних випарів, й осідання пилу, й бруд на контактних майданчиках. Як тільки з'являється невелика неізольована струмопровідна ділянка, вона сама себе починає збільшувати – гріється, чим додає нагару, обвуглює прилеглі поверхні, спопеляє шар за шаром оболонки та ізоляцію кабелів. Зазвичай така ситуація не заявляє про себе періодичними неприємностями – ця «снігова куля» повільно та планомірно росте, щоб обрушитися, як лавина.
Замикання через потрапляння сторонніх речей та об'єктів найчастіше відбувається там, де немає жодного контролю за станом електричних ланцюгів. Безумовно, зачепити викруткою відразу два полюси можна й вдома у розетці, але часто цього усе ж вдається уникнути. А ось на вулиці занадто багато факторів, за якими встежити важко. Тому, коли під час грози лінію електропроводки обриває мокре дерево, воно стає провідником, що викликає той самий КЗ. Опори та стовпи замикають ланцюги на землю, й за рахунок погодних умов потенціал не йде у глиб ґрунту, нівелюючись, а навпаки розтікається по певній області.
Фізичне руйнування електроінструменту або промислового обладнання призводить до аналогічних наслідків. Обертові механізми просто розбивають зсередини корпус, провокуючи безпосередній контакт між жилами. Якщо у електродвигуні зносилися підшипники, ротор може зміститися та доторкнутися до статора, що по ланцюжку спровокує контакт з іншими деталями виробу та замикання. Струмопровідні частини оголюються й під дією ненавмисного механічного зусилля – так часто відбувається з дротами, які живлять ліхтарні стовпи на вулицях. Вони нерідко прокладені під проїзною частиною, але недостатньо глибоко, через що відчувають сильні вібрації, а при зміні сезонів – ще й зсув ґрунтів. У результаті полімерні оболонки стоншуються та рвуться, а при невдалому збігу обставин дві різнополюсних ділянки опиняються поруч.
Скачки вольтажу і, особливо, перевантаження, як було сказано раніше, самі по собі не є однозначними причинами коротких замикань. У даному контексті правильніше буде назвати їх каталізаторами, які збільшують вплив інших факторів та наближають сумний результат. Навіть без них аварія усе одно б сталася, просто часто помітно пізніше, що давало б більше шансів на своєчасне виявлення поломки та її усунення.
Ключовою проблемою КЗ як одного з режимів роботи електричної мережі є те, що струми, які виникають при цьому, не можна порівняти з роботою провідників. Якщо на коротке замикання вчасно не встигне відреагувати захисна автоматика, проводка просто нагріється та вигорить. Переклавши усе це на цифри, можна сказати що сила струму при КЗ збільшується приблизно у 20 разів від значення, яке вважається нормальним для провідника, а кількість тепла при цьому зростає у 400 разів у порівнянні зі штатним режимом функціонування проводки. Слід сказати, що коротке замикання є побічно небезпечним навіть для тих приладів та пристроїв, які формально підключені до іншої лінії. Якщо раптом трапиться так, що автоматичний вимикач не встигне вчасно відреагувати на аварію, струми у даній підмережі перерозподіляться таким чином,що у інших приміщеннях може відбутися стрибок напруги, викликавши поломку підключених до мережі приладів.
Часом на цьому тлі може здатися, що перевантаження – куди більш безпечне, проте це не так. Імовірність того, що сучасна автоматика у квартирі зуміє вчасно відреагувати на КЗ, становить понад 99,5%, а от у випадку з перевантаженням можливі варіанти. Якщо споживач використовує розетку з високим номіналом (16 А або 25 А), деструктивні процеси у занадто тонких для даної ситуації дротах на якийсь період часу залишаться поза увагою автоматики. І навпаки: якщо у будинку встановлена розетка номіналом не більше 16 А, але до неї одночасно підключать понад 3,5 кВт навантаження, піде планомірний нагрів електросистем. При цьому важливо згадати, що електрична провідність матеріалів зростає при збільшенні температури. Тобто, чим більшим буде нагрів, викликаний початковим перевищенням допустимої межі комунікацій,тим швидше він буде прогресувати.
У цілому ж, й загальне старіння ізоляції у багатьох випадках пояснюється невірним тепловим режимом: надто довга експлуатація приладів з високими струмами перегріває проводку та псує її оболонки. До звичайних розеток без заземлення, розрахованих на 10 А при 220-250 В, не можна підключати техніку, потужнішу за 2,5 кВт. А цю величину сьогодні поодинці не тільки вичерпає, але й перевищить пилосос, праска або електрочайник. Підключаючи їх через подовжувач, який живить щось ще, людина власними руками провокує аварійну ситуацію. У таких випадках першими гріються контакти у розетці – електроди вилки та затискні пелюстки електроточки. За певних умов це призводить до прискореного окислення металів, підвищення перехідного опору, а потім – до ураження електричним струмом або займання.
Перевантаження багато у чому більш підступне, аніж КЗ. Воно може проявлятися поступово, пошкоджуючи підключені до мережі пристрої, й при цьому довго не входити у максимальну стадію. Захиститися від перевантаження не завжди вдається настільки ж ефективно: для коректної роботи автоматики є необхідним вірний збіг усіх компонент. Наприклад, навіть найдорожчий автоматичний вимикач з тепловим розчеплювачем може небезпечно запізнюватися, якщо до нього підходять дроти, що розраховані не на той самий ампержах, або якщо розетка має номінал, який не відповідає номіналу пристрою захисту. При правильному проектуванні силових груп у будинку для тих ліній живлення, до яких планується підводити потужності до 2200-2500 Вт, встановлюють розетки номіналом 10 А, а захищають їх автоматами на 16 А. Такі значення достатні для роботи усіх видів освітлювальних приладів (бра, настінних світильників, люстр, настільних ламп, торшерів), дрібної побутової техніки, зарядних пристроїв, комп'ютерів. Якщо ж підключувана потужність буде перевищувати 3500-4000 Вт, необхідні розетки на 16-18 А, які захистить автомат на 25 А.
Замість висновків
Справедливим буде сказати, що однією з найважливіших відмінностей між коротким замиканням та перевантаженням є миттєвий вплив на мережу, а тому й наслідки для неї. При виникненні струмів КЗ з максимальною вірогідністю передбачається ушкодження ізоляції, псування певної ділянки проводки – починаючи усього від декількох міліметрів поблизу вогнища замикання та закінчуючи десятками сантиметрів у обидва боки від нього. У свою чергу, перевантаження набагато рідше пов'язане з неправильним контактом – а тому від нього не страждають оболонки дроту.
З іншого боку, справедливим є й зворотне: співробітники пожежної служби однозначно стверджують, що від короткого замикання виникає менше загорянь, ніж від перевантаження. Варто струмам КЗ виникнути у ланцюзі, автоматика його відразу ж знеструмлює, майже не залишаючи полум'ю шансів. За ті мілісекунди, які потрібні запобіжникам на роботу, встигає проскочити одна-дві невеликі іскорки, що рідко призводять до пожежі. Зате перевантаження триває довго – воно прогріває дроти по усій довжині, гріє стіни та електрофурнітуру, буквально готує ґрунт для того, щоб усе загорілося від подальшого виходу за припустимі температурні рамки.
Безумовно, як потужнісне перевантаження, так і КЗ – речі вельми небезпечні, з якими небажано стикатися нікому. Але навіть при цьому люди зуміли поставити їх собі на службу. За допомогою перевантаження часто тестують різне обладнання, перевіряючи його безпеку, а кероване коротке замикання лежить у основі електрозварювання. Таким чином, при збереженні вихідного принципу ті ж самі явища здатні приносити людині користь, якщо поводитися з ними акуратно, не втрачаючи контролю над ситуацією.