Сегодняшняя статья – продолжение моей статьи под интригующим названием «Ток короткого замыкания: размер имеет значение». На этот раз расскажу про то, как можно измерить ток КЗ 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.
Содержание статьи:
Что влияет на значение тока короткого замыкания
При эксплуатации электросети важно мониторить параметры её качества, основной их которых – напряжение. Об этом я писал в одной из прошлых статей. 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 всё 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 (рассчитывать и/или измерять) 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 послужить 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 и т.д.);
- 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 питающего 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 (ссылку давал в начале).
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 ТЛ-4М в режиме амперметра (∼3А) 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. Делается это 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.
Имеется апериодическая составляющая тока КЗ, которая сильно зависит от реактивных свойств линии электропередачи. Но её расчет и измерение крайне сложен. И невозможен способами, изложенными в статье.
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 выходе которого 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:Iкз=Uхх/Ri (0)
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 типа обрыва нуля.
Теперь дело за малым – определить внутреннее сопротивление источника (сопротивление петли «фаза-ноль») Ri. Это можно сделать тремя способами, про которые я сейчас расскажу.
1. 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:
Ri=(Uхх-Uн)/Iн (1)
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.
2. Расчет петли «фаза-ноль» через сопротивление нагрузки
Вторую формулу можно получить, составив уравнение пропорциональности между сопротивлениями Ri и Rн, и напряжениями на них. Получаем:
Ri=(Uхх-Uн)·Rн/Uн (2)
Чтобы использовать формулу (2), нужно предварительно измерить сопротивление нагрузки при помощи омметра. Поскольку мы условились, что реактивную составляющую мы не учитываем, для чистоты эксперимента 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.
3. Расчет петли «фаза-ноль» через мощность нагрузки
Третий способ – самый простой, но его можно применить только тогда, когда мы точно знаем мощность нагрузки.
Составляющие закона Ома зависят от номинальной мощности нагрузки Рном, поэтому путем нехитрых манипуляций получаем следующую формулу:
Ri=(Uном(Uхх-Uн))/Pном (3)
Чтобы проводить расчеты по формуле (3), нужно знать номинальное напряжение Uном (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:
Далее, используя формулы (1), (2) и (3), я рассчитал сопротивление петли фаза-ноль Ri в трех вариантах. Соответствующие токи Iкз посчитаны по формуле (0):
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 неповеренных 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 16А. Обладая характеристикой отключения «С», они с некоторой вероятностью отключат свою линию при токе КЗ от 80 до 159 А, а при сверхтоке 160 А и более вероятность отключения равна 100%. Поэтому ток КЗ 166 А можно считать в данном случае достаточным.
Как определить, при каких токах конкретный автомат может отключиться, а при каких должен, а писал не раз, например, тут.
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 вполне приемлемые результаты (176 и 189 А).
Измерение тока КЗ в дачном домике
Не смотря 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:
Расчеты:
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 время-токовой 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 всё – измерения, расчеты и выводы я сделал. В следующей части раскроем более глобальный аспект данной темы – обеспечение селективности защиты в электрических цепях.
Скачать
Эту статью можно почитать в бумажно-журнальном варианте:
• Измерение и расчет тока короткого замыкания / Статья \"Измеряем ток КЗ в квартире и на даче\", опубликованная в журнале \"Электротехнический рынок\" №2, 2021 г., pdf, 1.31 MB, скачан: 1199 раз./
Также она опубликована на электротехническом портале Элек.ру.
А обсудить её можно тут, на блоге СамЭлектрик.ру, в комментариях. Буду рад всем замечаниям и вопросам!
Супер практические формулы! Надо у себя померить ток КЗ.
Спасибо, лайк! 😃
Спасибо! Если что не понятно, спрашивайте, вместе обсудим!
Не путайте КЗ как явление (со взрывам, искрами и пожаром) и ток КЗ как важный параметр электросети (со значением в амперах, которое можно измерить или рассчитать).
Скорее всего реальный ток будет намного меньше, чем указано в таблицах. Он слишком зависим от того, как происходит КЗ! Например, отвёрткой под напряжением случайно замкнёте, либо сверло в кабель попадёт и т.д. В цепи появится несколько дополнительных переходных сопротивлений плюс сталь, а не медь, плюс сопротивление будет расти при увеличении температуры проводников, окислении горячих контактов и т.д. В статье такая ситуация отмечена, но решение с заменой автоматов не единственное. Предлагаю обратить внимание на реле тока, а также на возможность работы устройств дифференциального тока в режиме реле тока или вместе с реле тока.
Живя в сельском доме, не стал менять пробковые предохранители на автоматические выключатели, с появлением их в свободной продаже на любые амперажи. Исходил, из всей полезной мощности электроприборов, выбрав сечение медной вставки провода в пробках. Медный провод, в отличие от теплового реле в автомате, сгорает мгновенно при кз. Мощность любого электронагревателя к примеру, определяется по величине активного сопротивления, в холодном виде разумеется, по формуле U*/R . Это, когда никакой информации не имеется, а расчёты надо делать, как в приводимых случаях. А статья, конечно написана обстоятельно. Очень полезна и для желающих и для освежения памяти то же.
Алексей спасибо, рад, что Вам статья понравилась.
Замечание по медным проводам в предохранителях. Я не уверен, что провод сгорает “мгновенно” при расчетном токе. Думаю, лучше поставить плавкие вставки, которые продаются. Там калиброванный ток и известные характеристики, и стоят они копейки.
В деятельности энергетики.. повсеместно, это (ф-0) не выполняется в целях извлечения прибыли от уменьшения затрат как и повышение напряжения с 220 до 230-240v при огромном парке оборудования работающего на 220v .. это капитализм, кучки деловых.
Кстати, таким же образом можно измерить не только сопротивление петли фаза-ноль, но и сопротивление заземления. При случае проведу измерение и выложу результаты.
А что вы думаете на эту тему?
Способов измерения, в том числе сопротивления заземления очень много. Но также как с сопротивлением петли (ф-0) в аварийном режиме работает совсем другое сопротивление. Оно складывается из нескольких переходных сопротивлений и сопротивлений повреждённых частей электроприборов. В пределе (в идеальном случае) стремиться к тому, что можно измерить на холодном оборудовании при металлическом замыкании, но никогда таким не будет. Это серьёзная проблема, поскольку мы ожидаем действие устройств защиты, а они могут не сработать из-за недостаточно больших токов. Правда, в случае с заземлением помогает высокая чувствительность устройств дифференциального тока, но и она, к сожалению, не гарантирует, что человек не попадёт под напряжение. Небольшие токи (до 5…15 мА) устройства с номиналами (10 мА, 30 мА) не отключают, но будут весьма чувствительны при прикосновении.
Больно маленькие у вас значения. Я бы сказал, нереально маленькие.
Буду рад, если озвучите свои.
А также методику измерения или расчета.
Мне думается, что можно взять резистор известного сопротивления (Rн), подключить его в розетку и измерить ток I. И по формуле Ri=Uхх/I – Rн. Тот же способ с измерением тока нагрузки, только не нужно мерить напряжение Uн.
Неосмотрительно брать запас 10%, не зная ток срабатывания электромагнитного (мгновенного) расцепителя. Как правильно заметил Vladimir M, КЗ может возникнуть через переходное сопротивление. вследствие чего, ток КЗ уменьшится. В рекомендациях не учтено низкое напряжение питающей сети. При питании от маломощного ТП, его загрузки во время максимумов (когда все все включают) удаленности от него, напряжение может оказаться меньше 200В. Тогда ЭМ расцепитель будет вообще нечувствителен.
Автор, в расчетах масса ошибок.
Если мощность нагревателя 1500Вт, при напряжении 230 В протекает ток 1500/230=6,521А (вместо 6,1А). Соответственно, сопротивление нагревателя 230/6,521=35,27Ом (вместо 39Ом).
Сопротивление источника по первому выражению, (232-224)/6,521=1,226 Ом, (вместо176,9А)
Ток КЗ по первому выражению 232/1,226=189,2 А, (вместо166,56А)
Сопротивление источника по второму выражению равно (232-224)х35,27/224=1,26 Ом, (вместо1,39Ом)
Ток КЗ по второму выражению 232/1,26=184,1 А, (вместо166,56А)
Для расчета сопротивления источника, пользоваться третьим выражением Ri=(Uном(Uхх-Uн))/Pном нельзя по одной причине. Номинальная мощность 1500 Вт приведена к номинальному напряжению 230В. А замеры выполняются при фактическом напряжении, не равном 230В. Оно может быть какое угодно, от 180 до 250 Вольт! Отсюда появляется колоссальная погрешность. Причем, чем меньше будет напряжение. тем больше будет расчетный ток. Расчетами утруждать не буду.