Zwarcie (elektrotechnika)

Zwarcie spowodowane przez gałęzie drzew w czasie burzy

Zwarcie (potocznie: spięcie) – nagłe zmniejszenie rezystancji obwodu elektrycznego do bardzo małej wartości, powstające najczęściej wskutek połączenia się przewodów obwodu lub uszkodzenia izolacji elektrycznej w wyniku jej przebicia. Prąd zwarciowy jest wielokrotnie większy od prądu roboczego i może spowodować zniszczenie przewodów elektrycznych, urządzeń i odbiorników elektrycznych lub pożar. Do ochrony przed skutkami zwarcia służą zabezpieczenia elektryczne.

Stan zwarcia źródła w obwodzie elektrycznym

Układ zwarty

Ma miejsce gdy zaciski źródła są zwarte, czyli rezystancja obciążeniowa jest równa $R_{o}=0.$ W tym stanie przez źródło płynie tak zwany prąd zwarcia:

$I_{zw}={\frac {E}{R_{W}}},$

gdzie:

$I_{zw}$ – natężenie prądu zwarcia,

$E$ – siła elektromotoryczna źródła napięcia,

$R_{W}$ – opór wewnętrzny źródła napięcia.

Jest to zazwyczaj największy prąd dla danego źródła napięcia. Napięcie na zaciskach jest równe 0, ponieważ zaciski A i B są ze sobą połączone i nie ma różnicy potencjałów między nimi.

Parametry prądu zwarciowego

Prąd zwarciowy jest zmienny w czasie, dlatego definiuje się jego parametry charakterystyczne. Wyróżnia się takie wartości jak:

• $I_{k}''$ – początkowy prąd zwarciowy;
• $I_{k}$ – ustalony prąd zwarciowy;
• $i_{p}$ – prąd zwarciowy udarowy;
• $i_{D.C}$ – składowa aperiodyczna prądu zwarcia;
• $I_{B}$ – prąd wyłączeniowy niesymetryczny;
• $I_{Th}$ – zastępczy prąd zwarciowy cieplny;
• $S_{k}''$ – moc zwarciowa;

Klasyfikacja zwarć

Zwarcia można klasyfikować według różnych kryteriów, np. liczby zwartych punktów, liczby zwartych faz systemu 3-fazowego, położenia zwarcia względem konkretnego elementu systemu, istnienia w zwarciu (lub nie) małej impedancji, istnienia w trakcie zwarcia połączenia z ziemią (lub nie) itd. Najczęściej wyróżnia się następujące rodzaje zwarć:

• pojedyncze i wielokrotne
• symetryczne i niesymetryczne
• jednoczesne i niejednoczesne
• trwałe i przemijające
• bezimpedancyjne (metaliczne lub bezpośrednie) oraz przez impedancje
• doziemne i bez udziału ziemi
• małoprądowe i wielkoprądowe
• pobliskie i odległe.

Przyczyny zwarć

Przyczyny powstawania zwarć mogą być różne. Można je podzielić na elektryczne i nieelektryczne. Do przyczyn elektrycznych można zaliczyć:

• przepięcia atmosferyczne
• przepięcia łączeniowe
• pomyłki łączeniowe
• długotrwałe przeciążenia ruchowe (maszyn, kabli i przewodów izolowanych) powodujące przegrzewanie izolacji i jej przebicie.

Do przyczyn nieelektrycznych można zaliczyć:

• zawilgocenie izolacji
• zniszczenie izolatorów
• zbliżenia przewodów linii napowietrznej wskutek ich kołysania wywołanego wiatrem lub nagłym odpadnięciem szadzi,
• uszkodzenia mechaniczne (słupów, izolatorów, przewodów, kabli) wywołane pracami ziemnymi lub klęskami żywiołowymi (powódź, pożar),
• wady fabryczne
• działanie zwierząt (duże ptaki lub gryzonie) bądź ludzi (celowe zarzucanie drutów zwierających przewody linii napowietrznych, niszczenie izolatorów, uszkadzanie kabli w celu pozyskania metali kolorowych),
• niefachowe obchodzenie się z urządzeniami elektrycznymi.

Skutki zwarć

Prądy zwarciowe mogą osiągać natężenie rzędu kilkunastu lub nawet kilkudziesięciu kiloamperów. Mimo krótkiego czasu trwania zwarć mogą powodować nagrzewanie się urządzeń, co z kolei może prowadzić do uszkodzenia izolacji oraz stopienia przewodów. Duże natężenie prądu powoduje również powstawanie dużych sił elektrodynamicznych, które mogą doprowadzić do mechanicznego uszkodzenia urządzeń elektrycznych. Ponadto zwarcia powodują zakłócenia w pracy innych odbiorników. Co więcej, zwarcia mogą również mieć negatywny wpływ na generatory, gdyż mogą spowodować wypadnięcie z synchronizmu. W sieciach z izolowanym punktem neutralnym zwarcia jednofazowe nie powodują przepływu prądu o dużym natężeniu. Jednak mogą spowodować przepięcia, które mogą spowodować uszkodzenie izolacji urządzeń.

Zobacz też

• ciężkie zwarcie
• obliczenia zwarciowe

Bibliografia

• PiotrP. Kacejko PiotrP., Zwarcia w systemach elektroenergetycznych, JanJ. Machowski, RyszardR. Kowalik, wyd. 2, Warszawa: WNT, 2009, ISBN 978-83-204-3583-2, OCLC 751402667 .brak strony (książka)