Сегодняшняя статья — продолжение моей статьи, которая вышла в журнале № 6 за прошлый год под интригующим названием «Ток короткого замыкания: размер имеет значение». Продолжаю рассказывать про ток КЗ. На этот раз про то, как можно измерить этот важный параметр электросети при помощи измерительных приборов. Я проведу натурный эксперимент по измерению тока КЗ у себя в квартире и на даче. Расскажу не только про способы с применением профессиональной техники стоимостью десятки тысяч рублей, но и как это сделать при помощи обычного любительского мультиметра.
При эксплуатации электросети важно мониторить параметры ее качества, основной их которых — напряжение. Об этом я писал в одном из прошлых номеров журнала. Как известно, чтобы узнать напряжение, нужен вольтметр. Но и без него можно легко узнать, что с напряжением что-то не так — например, по тусклому свечению лампочек (в случае низкого напряжения) либо по перегоранию электроприборов при повышенном напряжении.
С током короткого замыкания не все так просто — его значение может «гулять», и это не будет особо заметно. А проявится это в самый неподходящий момент — например, когда при замыкании электропроводки не сработает автоматический выключатель. Поэтому рекомендуется проверять ток КЗ периодически — перед проектированием электрощита, после ввода электропроводки в эксплуатацию, а затем — раз в год.
В любом измерении тока КЗ нужно понимать, что измеренный или расчетный ток КЗ относится только к конкретной точке электросети, применительно к которой производится измерение и расчет. Невозможно предугадать, в каком месте состоится замыкание, поэтому обычно измерения проводят в двух местах — в электрощите и самой удаленной от него точке.
Плохую службу может сослужить тот факт, что ток КЗ является величиной непостоянной, зависящей от многих факторов. Например, ток КЗ в отдельно взятой розетке может меняться от событий, которые практически не поддаются фиксации:
- замена питающего трансформатора на ТП;
- замена любого участка электрической сети, в том числе высоковольтного;
- изменение состояния защитного и коммутационного оборудования (рубильники, автоматические выключатели);
- увеличение или уменьшение напряжения в точке КЗ, которое может происходить по нескольким причинам;
- ухудшение или улучшение контакта (изменение переходного сопротивления) в любой точке сети — от клемм трансформатора до клемм нашей розетки;
- ухудшение контакта (вплоть до полного обрыва) нейтрального проводника.
Косвенно о низком токе КЗ можно сказать и без приборов, опираясь на такие факты:
- удаленность от трансформаторной подстанции;
- низкая мощность трансформатора;
- нестабильность напряжения в зависимости от времени суток или при включении мощных электроприборов.
Чем плох и хорош низкий и высокий ток КЗ, я подробно рассмотрел в первой части статьи.
Зачем нужно знать ток КЗ?
Ток КЗ — это максимально возможный ток в определенной точке сети. Этот параметр определяет качество электропроводки в целом. Зная значение ожидаемого тока короткого замыкания, можно:
- оценить способность установленных автоматических выключателей обеспечить защиту при коротком замыкании;
- оценить селективность разных уровней защиты;
- проверить сопротивление заземляющего устройства (качество контура системы заземления).
Подробнее вопросы селективности и выбора автоматических выключателей будут рассмотрены в следующей статье.
Как измеряется ток КЗ при помощи приборов
Есть старый, «дедовский» способ измерения тока КЗ — с использованием понижающего трансформатора, амперметра и вольтметра. Далее нужен расчет по формулам.
Есть и другой, экстремальный способ — подключают амперметр и вручную создают короткое замыкание, замыкая цепь. Это не наш метод — мало того, что он неточен, но при таком «измерении» электросеть подвергается экстремальной нагрузке. К тому же не факт, что защита выбрана правильно, поэтому можно просто-напросто сжечь электропроводку.
Я в школьные годы решил как-то проверить «ток в розетке» этим методом и воткнул свой новенький тестер в режиме амперметра в розетку. Результат — в доме выбило «пробки», в тестере сгорел шунт, а я получил бесценный опыт.
Сейчас большинство приборов вычисляют полное сопротивление петли «фаза-ноль», а затем автоматически пересчитывают полученное значение в ток КЗ. Делать это возможно методом падения напряжения, подключая к точке измерения нагрузку (резистор) известного сопротивления. Номинал резистора обычно равен 10 Ом, время измерения — 30 мс (полтора периода напряжения). Такое измерение не перегружает сеть и в то же время обеспечивает максимальную точность, не вызывая срабатывания автоматических выключателей — тепловой расцепитель за такое время не успеет сработать, а электромагнитному не хватит величины испытательного тока.
При этом ток КЗ измеряется во всех вариантах, где он может возникнуть: «фаза-нейтраль», «фаза-защитное заземление», «фаза-фаза».
Чтобы правильно провести измерения тока КЗ при помощи приборов, нужно обладать достаточной квалификацией и внимательно изучить инструкцию к прибору. Например, необходимо учитывать сопротивление измерительных проводов. Важен и тот факт, что полученное значение тока КЗ нужно пересчитать под реальное напряжение в сети.
Измерение тока КЗ. Выводим формулы
Итак, самый распространенный метод измерения тока КЗ — метод падения напряжения, который мы сейчас и проверим на практике. Этот метод — косвенный, то есть итоговое значение получается путем измерения некоторых параметров с дальнейшими расчетами по формулам. Эти формулы мы сейчас и получим. Конечно, не без помощи нашего немецкого коллеги, о котором мы знаем из уроков физики.
Для начала несколько пояснений. Предлагаю условиться, что розетка — это источник напряжения, обладающий внутренним сопротивлением Ri. Это сопротивление фактически является сопротивлением цепи «фаза-ноль». Также для простоты изложения условимся не учитывать реактивную составляющую, т. е. принимаем cos φ=1. Таким образом, получаем такую схему, к которой можем применить закон Ома для полной цепи:
Иными словами, получаем резистивный делитель напряжения: напряжение на его выходе всегда ниже, чем на входе. Сопротивление Ri «олицетворяет» собой все сопротивления, которые встречаются на пути электроэнергии, — от сопротивления обмоток трансформатора на подстанции (ТП) до переходного сопротивления клемм розетки, через которые подключается нагрузка с сопротивлением Rн.
Напряжение Uхх — это напряжение холостого хода, которое будет действовать на вторичной обмотке трансформатора, когда нагрузка не подключена. Uн — напряжение на нагрузке, которое всегда меньше Uхх. В расчетах будет фигурировать и номинальное напряжение Uном, которое обычно бывает равным 220 или 230 В.
Наша задача — рассчитать ток короткого замыкания Iкз, который равен току, протекающему через внутреннее сопротивление источника питания Ri, при напряжении холостого хода Uхх и нулевом сопротивлении нагрузки (Rн=0, Uн=0). Таким образом наша основная формула будет иметь такой вид:
Напряжение холостого хода легко узнать — оно измеряется вольтметром, когда вся нагрузка на данной линии отключена.
Напряжение холостого хода Uхх — это наибольшее значение напряжения, которое в принципе может быть в розетке. Конечно, за исключением аварийных режимов.
Теперь дело за малым — определить внутреннее сопротивление источника (сопротивление петли «фаза-ноль») Ri. Это можно сделать тремя способами, про которые я сейчас расскажу.
Расчет петли «фаза-ноль» через ток нагрузки
Сопротивление Ri теоретически не зависит от приложенного к нему напряжения. Поэтому мы можем измерить ток нагрузки Iн и напряжение на Ri не в момент короткого замыкания, а при подключении нагрузки с ненулевым сопротивлением. А затем применить закон Ома:
Ток нагрузки можно измерить двумя способами — при помощи амперметра (прямого включения или через трансформатор тока) и применяя токоизмерительные клещи. Амперметр дает более точное измерение, клещи — более оперативное. Я использовал клещи, но можно применить и амперметр, встроенный в мультиметр.
Расчет петли «фаза-ноль» через сопротивление нагрузки
Вторую формулу можно получить, составив уравнение пропорциональности между сопротивлениями Ri и Rн и напряжениями на них.
Получаем:
Чтобы использовать формулу (2), нужно предварительно измерить сопротивление нагрузки при помощи омметра. Поскольку мы условились, что реактивную составляющую мы не учитываем, нагрузка обязательно должна быть активной. Я использовал масляные обогреватели — их сопротивление чисто активное, и не зависит от напряжения и наличия питания. Как вариант, в качестве нагрузочного сопротивления можно использовать утюг или электрочайник.
Расчет петли «фаза-ноль» через мощность нагрузки
Составляющие закона Ома зависят от номинальной мощности нагрузки Рном, поэтому путем нехитрых манипуляций получаем следующую формулу:
Чтобы проводить расчеты по формуле (3), нужно знать номинальное напряжение (обычно 220 или 230 В) и мощность нагрузки. Обычно их приводит производитель. Вот фото шильдика нагревателя с Uном=230 В и Рном=1500 Вт:
Забегая вперед, скажу, что этот способ — наименее точный, поскольку производитель может писать любые данные, преследуя маркетинговые или другие цели.
Теперь, рассчитав значение Ri наиболее удобным способом по формулам (1), (2) или (3), можно найти ток короткого замыкания по формуле (0) даже в домашних условиях. Чем мы наконец-то и займемся.
Измерение тока КЗ в квартире
Трансформаторная подстанция, которая питает мой дом, находится на расстоянии около 30 м до моего подъезда, плюс подъем на 5-й этаж и разводка по квартире. То есть длина питающей линии сравнительно невелика. Мощность трансформатора на ТП — 400 кВА.
Результаты измерений, в которых участвовал обогреватель с паспортной мощностью 1500 Вт, приведены в таблице:
| Uхх, В | Uн, В | Rн, Ом | Iн, A | Uном, В | Рном, Вт |
|---|---|---|---|---|---|
| 232 | 224 | 39 | 6,1 | 230 | 1500 |
Далее, используя формулы (1), (2) и (3), я рассчитал сопротивление петли «фаза-ноль» Ri в трех вариантах. Соответствующие токи Iкз посчитаны по формуле (0):
| Формула | Ri, Ом | Iкз, А |
|---|---|---|
| (1) | 1,31 | 176,90 |
| (2) | 1,39 | 166,56 |
| (3) | 1,23 | 189,13 |
Измерения я проводил в самой дальней от электрощита розетке, благо она сдвоенная, поэтому напряжение на нагрузке измерять было легко, без использования тройников и переносок. Как видно, три формулы дали три разных результата. Это нормально, поскольку методики измерения и погрешности разные. В бытовых условиях при использовании непроверенных средств измерений погрешность оценить проблематично. Но оценить значение тока КЗ можно вполне.
Из трех значений правильно выбрать наихудшее — наименьший ток КЗ составил 166 А. Этот расчет я делал исходя из измерения сопротивления нагрузки омметром. Считаю этот способ наиболее точным.
Что означает это значение? Это означает, что я правильно сделал, когда поменял все квартирные автоматы на 25 А, которые стояли от застройщика с 1979 года, на автоматы с номинальным током 16 А. Обладая характеристикой отключения «С», они с некоторой вероятностью отключат свою линию при токе КЗ от 80 до 159 А, а при сверхтоке более 160 А вероятность отключения равна 100 %. Поэтому ток КЗ 166 А можно считать в данном случае достаточным.
Откровенно говоря, я ожидал большего значения тока КЗ. Ведь по правилам (ПТЭЭП, п. 28.4) должен быть запас 10 %, а для моего автоматического выключателя это 176 А. Я подробно рассказывал об этом в предыдущей статье. Можно успокоиться тем, что другие методы измерения дали абсолютно приемлемые результаты (176 и 189 А).
Измерение тока КЗ в дачном домике
Несмотря на то, что недавно домик подключили от воздушной линии через новый провод СИП, я не питаю особых иллюзий — длина линии до квартального трансформатора — более 150 м, а его мощность — всего 63 кВА.
Для нагрузки я использовал два масляных обогревателя, включенных через переноску (длина 3 м, сечение провода 1,5 мм2) с тройной колодкой. Что получилось в этом случае:
| Uхх, В | Uн, В | Rн, Ом | Iн, A | Uном, В | Рном, Вт |
|---|---|---|---|---|---|
| 213 | 186 | 16,5 | 11,6 | 230 | 3500 |
Расчеты:
| Формула | Ri, Ом | Iкз, А |
|---|---|---|
| (1) | 2,33 | 91,51 |
| (2) | 2,40 | 88,93 |
| (3) | 1,77 | 120,05 |
Видим, что нужный (наименьший) результат опять получен методом измерения сопротивления нагрузки — 88 А. Много это или мало? В данном случае — очень мало, учитывая то, что у меня на даче установлены автоматические выключатели С16. Даже для третьего способа со значением тока КЗ 120 А данный автомат не даст гарантии срабатывания при КЗ (вероятность будет около 50 %).
А это не просто цифры — это вероятность возникновения пожара! Ведь выключение в случае КЗ будет только по тепловому расцепителю, а длиться это может несколько минут, согласно времятоковой характеристике.
Что ж, нужно заменить автоматические выключатели на другие — с номиналом 16 А и характеристикой отключения «В», которые при токе 80 А гарантированно отключат аварийную розетку. И запас в 10 % будет обеспечен!
На этом все — измерения, расчеты и выводы я сделал. В следующей части раскроем более глобальный аспект данной темы — обеспечение селективности защиты в электрических цепях.
Ознакомиться с полной версией статьи и обсудить тему можно будет на сайте www.samelectric.ru.
