Co to jest zwarcie, przeciążenie i przepięcie?

Nie są to synonimy, choć wszyscy jakoś się rozumieją

W elektrotechnice jest sporo pozornie podobnych terminów takich jak: przepięcie, przebicie, zwarcie, przeciążenie, lub przetężenie. Świadcząc usługi jako pogotowie elektryczne zajmuje się usuwaniem awarii elektrycznych. Spotykam się z często z używaniem tych terminów zamiennie. Jest to błędem ponieważ mają one odmienne znaczenia, opisują konkretną sytuację. W poniższym artykule postaram się wyjaśnić co oznaczają te terminy i jakie są między nimi różnice, kiedy powstają oraz jakie są ich związki przyczynowo-skutkowe. Część błędów wynika z tego, że różne terminy mogą opisywać konkretny czas tego samego wydarzenia, co może nie pozwalać rozpoznać prawidłowego kontekstu w jakim się ich używa. Można by spotkać taką wypowiedź: uszkodzenie obwodu nastąpiło ponieważ wystąpiło przetężenie w postaci zwarcia, spowodowane przebiciem, będącego skutkiem przepięcia. Może to brzmieć jak bełkot i mało kto używa wypowiedzi tak nasyconych specjalistycznymi terminami. Jednak samo zdanie może być prawdziwe, w pełni sensowne. Zauważyłem, że częstość niewłaściwego stosowanie tych terminów jest tak duża, że ich niewłaściwe użycie nie powoduje wprowadzania w błąd, kogoś obeznanego z elektryką, ponieważ są one odbierane jako konieczne do weryfikacji, na których nie można polegać. Elektrycy z założenia opierają swoje działania na procedurach i szybko weryfikują zastaną sytuację, niekoniecznie czując się zobligowanymi do wytykania komuś drobnych pomyłek językowych. Więc terminy używane są jak synonimy, a z pewnością nimi nie są, jednak wszyscy jakoś się rozumieją.

Jaka jest różnica między zwarciem a przeciążeniem?

O przetężeniach mówimy jeśli w obwodzie płynie prąd o wartości wyższej niż wartość dopuszczalna dla tego obwodu. Jeżeli ten prąd jest wielokrotnie większy mówimy o zwarciu. Zwarcia ze względu na swoją intensywność trwają krótko, zwykle ułamki sekund. Do zwarcia dochodzi jeśli przewód fazowy zostanie zwarty z uziemieniem lub przewodem innej fazy lub przewodem neutralnym. Towarzyszy temu duży przepływ prądu o natężeniu setek, a nawet tysięcy amperów. Innym rodzajem przetężenia obok zwarcia jest przeciążenie. Przewód elektryczny o danym przekroju czynnym i izolacji może przewodzić długotrwale określoną wartość prądu. Przeciążenie jest stanem, w którym obwód wyposażony w prawidłowe zabezpieczenia powinien się rozłączyć. Czasami jednak nie dzieje się tak ponieważ dokonano przeróbki instalacji, zamontowano nieodpowiednie aparaty lub przedłużono obwód, źle dobierając przekrój przewodów. Przedłużyć obwód można za pomocą przedłużacza, które produkowane są zwykle na prąd 10 i 16 amperów. Jeżeli zamontujemy przedłużacz o prądzie nominalnym 10A i będzie on zasilał np. piekarnik elektryczny to będzie ten przedłużacz poddawany przeciążeniom. Ponieważ gniazdka elektryczne w mieszkaniu są zwykle zabezpieczone bezpiecznikami o wartości 16A natomiast piekarnik może pobierać 13-14A to żadne zabezpieczenie nie zadziała do chwili kiedy izolacja przedłużacza lub wtyczki ulegnie tak poważnym uszkodzeniom, że dojdzie np. do spięcia lub przerwy w obwodzie.

Co to jest przepięcie? Co je powoduje? Jakie są skutki?

Przepięcie to sytuacja, w której w obwodzie lub urządzeniu występuje napięcie wyższe od nominalnego. Takie, którego wartość może spowodować uszkodzenie instalacji i elektrycznych urządzeń. Zjawisko może powstać w sieci dystrybucyjnej, np. w czasie załączania nieobciążonej sieci, gwałtownych zmian obciążenia. Źródłem powstania przepięcia może być również wyładowanie atmosferyczne. Kolejnym najczęściej występującym źródłem przepięcia w instalacji jest uszkodzony przewód neutralny i wystąpienie napięcia międzyfazowego na odbiornikach jednofazowych. Przepięcia występują również z powodu instalacji PV, których inwertery są nieprawidłowo ustawione, podając napięcie o wartości powyżej 253V. Zjawisko przepięcia może trwać ułamek sekundy ale być wystarczające silne aby zniszczyć całą podłączoną elektronikę. Może być również niewielkie ale trwać znaczny czas i spowodować spalenie się odbiorników rezystancyjnych, takich jak grzejniki. W czasie przepięcia grzejnik będzie wydzielał moc, która jest ilorazem kwadratu napięcia i rezystancji grzałki. Dla grzejnika jednofazowego o mocy 1kW wzrost napięcia do 400V spowoduje, że grzałka wydzieli moc 3kW ciepła i szybko nastąpi jej przepalenie lub zwarcie do obudowy.

Czy przebicie może być skutkiem przepięcia lub zwarcia?

Przepięcia powodują dwa zagrożenia. Pierwszym jest wzrost mocy cieplnej wydzielanej przez urządzenia, drugim możliwość przebicia, to jest sytuacji, w której izolator przestaje izolować miejsca o różnym potencjale i następuje przepływ prądu. Przepływ ten może być intensywny, gwałtowny i prowadzić do zwarcia lub pogorszyć własności izolatora. Pogorszenie własności izolatora zwiększa prądy upływu mimo że napięcie sieci powróci do nominalnego. Przebicie może wystąpić jeśli rezystancja izolacji zmniejszy się, np. wskutek zamoknięcia lub wskutek wzrostu napięcie elektrycznego. Wzrost napięcia sprawia, że izolatory tracą swoje własności. Materiałem z którego wykonana jest izolacja instalacji w domu są tworzywa sztuczne. Tworzywa sztuczne to mieszaniny łańcuchów polimerowych zbudowanych z węgla i wodoru. Ich rozpad skutkuje powstaniem niezwiązanego węgla, który jest dobrym przewodnikiem. Zwarcie może być skutkiem przepięcia lub przebicia.

Terminy w elektrotechnice raz jeszcze, podsumowanie

Podsumowując, jeżeli w obwodzie płynie zbyt duży prąd względem nominalnego, to mówimy o przetężeniu. Jeśli natężenie prądu jest dziesiątki lub więcej razy większe od nominalnego i gwałtowne to mamy do czynienia ze zwarciem, a jeśli trwa długo i jest tylko o część lub kilkukrotnie większe od nominalnego to jest to przeciążenie. Z przepięciem mamy do czynienia jeśli w obwodzie występuje napięcie większe od nominalnego. Może mieć wartość od kilkudziesięciu do kilku tysięcy voltów. Natomiast przebicie jest zdarzeniem, które ma miejsce kiedy przez izolacje przepływa znaczny prąd.

• przetężenie (związane z natężeniem)
  • przeciążenie
  • zwarcie (spięcie)
    • do obudowy
    • doziemne
    • międzyprzewodowe
    • międzyzwojowe
• przepięcie (związane z napięciem)
  • atmosferyczne (zewnętrzne)
  • źródło: systemowe (wewnętrzne)
  • impulsowe
  • długotrwałe
• przebicie (związane z izolacją)