Проверка элементов цеховой сети

Методика расчета.Аппараты защиты проверяют:

1) на надежность срабатывания, согласно условиям

I⁽¹⁾_к ≥3 I_вс ( для предохранителей);

I⁽¹⁾_к ≥3 I_н.р (для автоматов с комбинированным расцепителем);

I⁽¹⁾_к ≥1,4 I_о (( для автоматов только с максимальным расцепителем I_н.р≤ 100 А;

I⁽¹⁾_к ≥1,25 I_о (( для автоматов только с максимальным расцепителем I_н.р>100 А,

где I⁽¹⁾_к‒ 1- фазный ток КЗ, кА;

I_вс‒ номинальный ток плавкой вставки предохранителя, кА;

I_н.р‒ номинальный ток расцепителя автомата, кА;

I_о‒ ток отсечки автомата, кА;

2) на отключающую способность, согласно условиям

I_откл ≥ √2 I⁽³⁾_∞

где I_откл‒ ток автомата по каталогу, кА;

I⁽³⁾_∞ ‒ 3- фазный ток КЗ в установившемся режиме, кА;

3) на отстройку от пусковых токов

I_о= I_у(КЗ)≥ I_п ( для электродвигателя);

I_о= I_у(КЗ)≥ I_пик, ( для распределительного устройства с группой ЭД ),

где I_у(КЗ)‒ ток уставки автомата в зоне КЗ;

I_п‒ пусковой ток электродвигателя, кА,

Основные понятия аппаратов защиты до 1 кВ

Расцепитель чувствительный элемент, встроенный в автомат, при срабатывании воздействующий на механизм отключения.

Расцепитель максимального тока (электромагнитный или полупроводниковый) - устройство мгновенного срабатывания при токе КЗ.

Тепловой расцепитель (биметаллический или полупроводниковый) - устройство, срабатывающее с выдержкой времени при переrрузке.

Расцепитель минимального напряжения - устройство, срабатывающее при недопустимом снижении напряжения в цепи (до 0,3 ... 0,5 от U_ном).

Независимый расцепитель - устройство дистанционного отключения автомата или по сигналам внешних защит.

Максимальный и тепловой расцепители устанавливаются во всех фазах автомата, остальные по одному на автомат.

Ток срабатывания расцепителя (ток трогания) - наименьший ток, вызывающий отключение автомата.

Уставка тока расцепителя - настройка его на заданный ток срабатывания.

Ток отсечки– уставка тока максимального расцепителя на мгновенное срабатывание.

Номинальный ток расцепителя - это наибольший длительный ток расцепителя, не вызывающий отключения и перегрева.

Отключающая способность - наибольший ток КЗ, nри котором отключение nроизойдет без nовреждения.

Проводки (кабели) nроверяют:

1) на соответствие выбранному аппарату защиты, согласно условию

I_доп≥ К_зщ I_у(п) (для автоматов и тепловых реле);

I_доп≥ К_зщ I_вс (для предохранителей),

где I_доп - доnустимый ток nроводника по каталогу, А;

I_у(п) - ток уставки автомата в зоне перегрузки, А;

К_зщ- кратность (коэффициент) защиты (табл. П.10.1 );

2) на термическую стойкость, согласно условию

S_кл≥ S_кл.тс ,

где S_кл - фактическое сечение кабельной линии, мм² ;

S_кл.тс‒ термически стойкое сечение кабельной линии, мм² .

Шиноnроводы nроверяют:

3) на динамическую стойкость , согласно условию

σ_ш.доп≥ σ_ш.

где σ_ш..доп - доnустимое механическое наnряжение в шиноnроводе, Н/см² ;

σ_ш.- фактическое механическое напряжение в шиноnроводе, Н/см²;

4) на термическую стойкость, согласно условию

S_ш≥ S_ш.тс,

где S_ш - фактическое сечение шипоnровода, мм² ;

S_ш.тс- термически стойкое сечение шиноnровода, мм² .

Действие токов КЗ бывает динамическим и термическим .

Динамическое. При nрохождении тока в проводниках возникает механическая сила, которая стремится их сблизить (одинаковое направление тока) или оттолкнуть (противоположное направление тока).

Максимальное усиление на шину оnределяется по формуле

F⁽³⁾_м= 0,176 ℓ/α (i²_у),

где F⁽³⁾_м- максимальное усилие, Н;

ℓ - длина nролета между соседними опорами , см;

α - расстояние между осями шин , см;

i_у - ударный ток КЗ, трехфазный, кА .

а‒ на ребро; б‒ плашмя

Рис.12.1. Установка шин на опорах

Примечание. При отсутствии данных l nринимается равным кратному числу от 1,5 м, т. е.

1,5- 3-4,5-6 м .

Величина а принимается равной 100, 150, 200 мм.

Наибольший изгибающий момент (М_макс, Н ·см) определяется следующим образом:

М_макс = 0, 125F⁽³⁾_мℓ (при одном или двух пролетах),

М_макс = 0, 1F⁽³⁾_мℓ (nри трех и более nролетах).

Наnряжение (σ, Н/см² ) в материале шин от изгиба оnределяется по формуле

σ = М_макс/ W,

где W- момент сопротивления сечения, см3 :

где W- момент сопротивления сечения, см3 :

bh2

W = bh²/6- nри расnоложении шин широкими сторонами друг к другу (на ребро);

W = b² h/6- nри расnоложении шин плашмя;

W = 0,1 d - для круглых шин с диаметром d, см.

Шины будут работать надежно, если выnолнено условие

σ_доп≥ σ_ш.

Для сравнения с расчетным значением nринимают

σ_доп = 14 ·1 03 Н/см² - для меди;

σ_доп = 7 ·1 03 Н/см² - для алюминия;

σ_доп = 16 ·1 03 Н/ см² - для стали.

Если nри расчете оказалось, что σ_доп≥ σ_доп, то для выполнения условия необходимо увеличить расстояние между шинами (а) или уменьшить nролет между оnорами- изоляторами.

Примечание. На динамическую стойкость nроверяют шины, опорные и проходные изоляторы,трансформаторы тока.

Термическое. Ток КЗ вызывает дополнительный нагрев токоведущих частей и аnnаратов.

Повышение темnературы сверх доnустимой снижает nрочность изоляции, так как время действия тока КЗ до срабатывания защиты невелико (доли секунды - секунды), то согласно ПУЭ доnускается кратковременное увеличение температуры токоведущих частей (табл. П. 10.2).

Минимальное термически стойкое сечение определяется по формуле

S_тс= α I⁽³⁾_∞ √t_пр,

где α‒ термических коэффициент:

α = 6‒ для меди; 11 для алюминия; 15 для стали;

I⁽³⁾_∞‒ установившийся 3-х фазный ток короткого замыкания, кА;

t_пр‒ приведенное время действия тока КЗ, с ( см. табл.П.10.3).

Время действия тока КЗ t_д имеет две составляющих: время срабатывания защиты t_з и время отключения выключателя t_о :

t_д= t_з+ t_о,

Должно быть выполнено условие термической стойкости

S_ш≥ S_ш.тс,

Примечаиие. Отсчет ступеней распределения ведется от источника.

Если условие не вьшолняется, то следует уменьшить t_д (быстродействие защиты).

Проверка по потере напряжения производится для характерной линии электроснабжения.

Характерной линией является та, у которой K_п,I_пL - наибольшая величина,

где K_п- кратность пускового тока (для линии с ЭД) или тока перегрузки (для линии без ЭД);

l_ном - номинальный ток потребителя, А;

L - расстояние от начала линии до потребителя, м .

Принимается при отсутствии данных:

K_п = 6 ... 6,5 для СД и АД с КЗ - ротором;

K_п = 2 ... 3 для АД с Ф- ротором и МПТ.

Примечание. Обычно это линия с наиболее мощным ЭД ил и наиболее удаленным потребителем.

Для выполнения проверки составляется расчетная схема. В зависимости от способа задания нагрузки применяется один из трех вариантов:

а) по токам участков

∆U= √3∙10²l l (R₀ соsφ+ Х₀ sinφ)/ U_ном

б) по токам ответвлений

∆U= √3∙10² i L(R₀ соsφ+ Х₀ sinφ)/ U_ном

в) по мощности отключения

∆U=10⁵ (Р R₀ +Q Х₀)/ U_ном,

где∆U - потеря напряжения,%;

U_ном .- номинальное напряжение, В ;

1- ток участка, А;

i- ток ответвления, А;

l- длина участка, км;

L - расстояние от начала ответвления;

Р - активная мощность ответвления, кВт;

Q- реактивная мощность ответвления, квар;

R₀, Х₀ - удельные активное и индуктивное сопротивления , Ом/км.

Данную формулу следует применять для всех участков с различным сечением, а затем сложить результаты.

Должно быть выполнено условие ∆U≤ 10% от U_ном

Пример.

Дано:

Линия электроснабжения ( рис.11.1) пример в параграфе 11 по токам КЗ ( пример в параграфе 10).

Требуется проверить:

‒ АЗ по токам КЗ;

‒ проводники по токам КЗ

‒ линию электроснабжения по потери наппряжени.

Решение:

1. Согласно условиям по токам КЗ АЗ проверяются:

• на надежность срабатывания:

SF: I⁽¹⁾_к1 ≥ 3 I_н.р; 2,9 > 3 · 0,63 кА;

SFl: I⁽¹⁾_к2 ≥ 3 I_(SF1); 2,2 > 3 · 0,4 кА;

SF: I⁽¹⁾_к3 ≥ 3 I_(SF)1Ш ~ 31н.p(SF); 1,7 > 3 · 0,08 кА.

Надежность срабатывания автоматов обеспечена;

• на отключающую способность:

1SF: I_{откл(1 SF)}≥ √2 I⁽³⁾_К1∞ ;2,5 > 1,41 · 5,6 кА;

SF1: I_{откл( SF1)}≥ √2 I⁽³⁾_К2∞; 25 > 1,41 . 3,6 кА;

SF: I_откл(SF)≥ √2 I⁽³⁾_К3∞; 25 > 1,41 · 2,8 кА.

Автомат nри КЗ отключается не разрушаясь;

• на отстройку от nусковых токов. Учтено nри выборе К₀ для I_у(КЗ) каждого автомата:

I_у(КЗ)≥ I_п (для ЭД);

I_у(КЗ)≥ I_пик (для РУ).

2. Согласно условиям nроводники проверяются :

• на термическую стойкость:

2 КЛ (ШНН-ШМА): S_кл1≥ S_кл1.тс,

S_ш≥ S_ш.тс,

S_кл1 = α I⁽³⁾_∞ √t_пр ; 3 х 95 > 74,1 мм ;

S_кл2тс = α I⁽³⁾_кл2∞ √t_пр(1) = 11 ·3,6·√3,5 =74,1 мм2 .

По таблице 1.1 0.3 lnp(l) = 3,5 с.

КЛ (ШМА-Н) : S_кл2 ≥ S_кл2.тс; 50 > 40,2 мм2 ;

S_кл2тс = α I⁽³_кл3⁾_∞ √t_пр(11) = 11· 2,8 ·N = 40,2 мм2•

По табл. П.12.3 t_пр(11) = 1, 7 с.

По термической стойкости кабельные линии удовлетворяют;

• на соответствие выбранному аппарату защиты:

учтено при выборе сечения проводника

I_доп≥ К_зщ I_у(п) ,

3. Согласно условиям шинапровод проверяется:

• на динамическую стойкость:

σ_ш.доп≥ σ_ш.

Для алюминиевых шин σ_доп. = 7 · 103 Wсм²

σ_ш. =М_макс/W= 5150/5,3 =972 Wсм²·

М _макс = 0 125F⁽³⁾_мℓ.=0,125·137 3·3·102 =5 150 Нсм

так как L_ш = 2 м, то достаточно иметь один пролет ℓ = 3 м.

F⁽³⁾_м= 0,176 ℓ/а (i²_у(к2))=0,176∙3∙10²/10(5,1²) =137,3 Н,

Принимается установка шин «Плашмя» а = 100 мм (рис.12.2 ):

W = bh ²/6 =5·10^-1·(80·10^-1)²/6=5,3см³ .

(7 · 10³) σ_ш > σ_ш (0,972 · 10³)

Шинапровод динамически устойчив;

• на термическую стойкость:

S_ш≥ _Sш.тс

S_ш= bh=5∙80 =400 мм²

S_тс= α I⁽³⁾_∞ √t_пр=11∙3,6∙√3,5=74,1 мм²

(400 мм²) S_ш > S_ш.тс (74,1 мм2).

Шинапровод термически устойчив, следовательно, он выдержит кратковременно нагрев при КЗ до 200 °С.

4. По потере напряжения линия ЭСН должна удовлетворять условию

8. ∆U = l0% U_ном.

Составляется расчетная схема для потерь напряжения (рис.12.2) и наносятся необходимые данные.

Рис. 12..2.Установка шин на опорах

Рис.12.3. Расчетная схема ∆U

Так как токи участков известны, то наиболее целесообразно выбрать вариант расчета ∆U по токам участков.

∆U_кл1= √3∙10² I₁ L_кл1(R₀₁ соsφ_к+ Х₀₁ sinφ_к)/ U_ном= (1,73∙10² /380)∙326,8∙5∙10^-3 (0,1∙0,94 + 0,08∙0,34) =0,1%

Или

∆U_кл1= √3∙10² I₁ L_ш(R_0ш соsφ_к+ Х_0ш sinφ_к)/ U_ном== (1,73∙10² /380)∙326,8∙2∙10^-3 (0,13∙0,94 + 0,1∙0,34) =0,05%

∆U_ш=∆ W L_ш=8,5∙10^-2∙2 =17∙ 10^-2 В.

∆U_кл2= √3∙10² I₂ L_кл2(R₀₂ соsφ_к+ Х₀₂ sinφ_к)/ U_ном== (1,73∙10² /380)∙59,2∙2∙10^-3 (0,63∙0,94 + 0,09∙0,34) =0,3 %.

∆U=∆U_кл1+∆U_ш+ ∆U_кл2= 0,1+ 0,05+

∆U< ∆U_доп, 0,45 % < 10 %,

что удовлетворяет силовые нагрузки.

Ответ: Выполненные проверки элементов электроснабжения показали их пригодность на всех режимах работы.

РАСЧЕТ ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Расчет заземляющих устройств. В электроустановках напряжением до 1000 В и выше должны быть заземлены корпуса электрооборудования и все металлические объекты, нормально не находящиеся под напряжением, но могущие оказаться под напряжением в случае пробоя изоляции фаз электрических сетей.

В качестве заземлителей должны быть в первую очередь использованы трубопроводы и оборудование, имеющие надежное соединение с землей (естественные заземлители). металлические конструкции, арматура железобетонных конструкций в случаях, допущенных ПУЭ,1.7.70. Использование естественных заземлителей дает значительную экономию средств. Если сопротивления естественных заземлителей R_е больше требующихся по нормам сопротивлений заземлителей R_з, то устраиваются искусственные заземлители R_и:

R_и = R_еR_з/(R_е - R_з) , Ом

Для электроустановок напряжением выше 1000 В с большими токами замыкания на землю сопротивление заземляющего устройства должно быть не более 0,5 Ом; для электроустановок напряжением выше 1000 В с малыми токами замыкания на землю сопротивление должно удовлетворять следующему условию

R_з U/ I_з,

где U - напряжение, принимаемое 250 В, если заземляющее устройство используют только для установок напряжением выше 1000 В, и 125 В, если заземляющее устройство одновременно используют и для установок до 1000 В; I_э ‒ расчетный ток замыкания на землю, А.

При этом сопротивление заземляющего устройства не должно превышать 10 Ом.

Для электроустановок напряжением до 1000 В с глухим заземлением нейтрали согласно ПУЭ, 1.7.60-1.7.64, сопротивление заземляющего устройства, к которому присоединены нейтрали генераторов и трансформаторов, должно быть не более 4 Ом.

Сопротивление защитного заземления определяется по формуле:

,

где R_з – общее сопротивление защитного заземления;

U_пр.доп – допустимое напряжение прикосновения (принимается по табл.П.10.1); k_пр. – коэффициент прикосновения ( k_пр.=1); I_з –ток однофазного замыкания на землю.

Расчетное значение тока однофазного замыкания на землю определяется по выражению

,

где U_л – линейное напряжение сети, кВ; l_k ,l_B – длина сети (кабельной и воздушной), км.

Сопротивление защитного заземления складывается из сопротивления центрального заземлителя на подстанции R_ц и сопротивления заземляющей сети R_зс:

, Ом,

, Ом,

где R_з.тр– сопротивление заземляющего троса, прокладываемого по опорам ВЛ параллельно фазным проводам от подстанции до корпуса сетевого устройства, к которому присоединяется кабель электроприемника;

R_з.жк - сопротивление заземляющей жилы кабеля от корпуса сетевого устройства до корпуса электроприемника.

Сопротивление центрального заземлителя на подстанции зависит от формы, схемы расположения элементов заземлителя и сопротивления растекания грунта.

На рис. 13.1 показаны схемы устройства заземлителей. В соответствии с приведенными схемами величина сопротивления растеканию отдельных элементов заземлителей определяется по следующим формулам.

Схема рис.13.1, а

,

где ρ – удельное сопротивление грунта.

Схема рис.13.1, б

,

где .

Схема рис.13.1, в

,

Схема рис.13.1, г

,

Схема рис.13.1, д

.

В случае выполнения заземлителя из равнобокой угловой стали в приведенные формулы вводится величина эквивалентного диаметра, равная (где – ширина стороны уголка).

Значение удельного сопротивления грунта может быть получено путем непосредственного измерения одним из известных в практике методов. Однако чаще используют среднее значение удельных сопротивлений, приведенных в табл.П.10.2, корректируя их величину повышающим коэффициентом k max приведены в табл. П.10.3

Для расчета заземляющего устройства составляется расчетная схема, на которой указывается:

1) место расположения и предполагаемая конструкция заземлителя (например, заземлитель из труб диаметром d, длиной l ТР выполнен по контуру или в ряд с расположением труб на глубине h от поверхности земли с расстоянием между трубами L ТР);

2) удельное сопротивление грунта в месте сооружения заземлителя;

3) максимально возможная длина соединительных проводов и заземляющих жил кабеля.

Необходимое количество элементов заземлителя:

,

где R_ЭЛ – сопротивление элементов заземлителя;

η_эк.зм – коэффициент экранирования, учитывающий взаимное влияние элементов заземлителя (принимается по табл. П.10.5).

а - труба, стержень, угловая сталь с выходом на поверхность земли; б – труба, стержень угловая сталь на глубине h от поверхности земли; в – протяженный заземлитель (полоса шириной b или труба диаметром d) на глубине h от поверхности земли; г – кольцевой заземлитель (полоса, труба, угловая сталь) на глубине h от поверхности земли; д – круглая пластина на поверхности земли

Рис.13.1. Схемы заземлителей

Длина полосы, соединяющей отдельные элементы заземлителя:

,

Общее сопротивление заземлителя с учетом коэффициентов экранирования:

,

где η_эк.п – коэффициент, учитывающий взаимное экранирование полосы и труб (принимается по табл.П.11.5); Rп – сопротивление растеканию полосы; η_эк.эл – коэффициент экранирования труб (для принятого количества труб).

В случае применения комбинированного заземляющего устройства в качестве местного заземлителя допускается дополнительно использовать самозаземление рабочих машин ( рис.13.1, д).

Пример. Выполнить расчет заземления (рис. 7.3).

Р е ш е н и е.

Сопротивление заземляющего провода на ЛЭП 6 кВ:

R_пр.1 = 1,8 1,24 = 2,232 Ом.

Сопротивление заземляющей жилы кабеля:

R_пр.2 = Ом.

Сопротивление центрального заземлителя на подстанции:

R^′₃ = R₃ = ∑ R_пр = 4 - (2,232 + 0,46) = 1,308 Ом.

Заземлитель выполнен электродами из стальных труб диаметром d_тр = 5,8 см, длиной l_тр = 300 см, соединенных между собой стальным прутом диаметром d_пр= 1 см; расстояние между трубами L_тр= 600 см.

Трубы и соединительный прут заглублены на h = 50 см от поверхности земли. Грунт имеет удельное сопротивление ρ = 0,4 10⁴ Ом см; повышающий коэффициент ψ_мах = 1,5.

Сопротивление растеканию тока с одного элемента:

R_эл = 0.366 (lg lg ) =

= 0.366 lg + lg = 13,4 Ом

где h′ = см.

Ориентировочно число труб:

m_эл. h_эк.эл = ≈ 10 труб.

По табл. П.11.5[6] для и расположению их по контурам ή_эк.эл = 0,68.

Количество труб с учетом коэффициента экранирования:

m_эл = труб,

где η_э = 0,65 по табл. П 11.5 для и расположению их по контурам.

Длина соединительного прута:

l_пр = 1,05 m_эл.L_тр = 1,05 15 6 = 95м.

Сопротивление растеканию соединительного прута:

R _пр = 0,366 lg lg = 1,28 Ом.

Сопротивление заземлителя с учетом коэффициентов экранирования:

R_з^”= = = 1,0 Ом.

где ή_эл.эк – принято по табл. П.10.5 для 15 труб.

Сопротивление защитного заземления наиболее удаленного приемника:

R _з = R _з^″+ ∑ R_пр + R_пр = 1,0 + 2,232 + 0,46 = 3,692 Ом < 4 Ом.

Напряжение прикосновения

U_пр = 1 3,692 0,99 = 3,65 В.

Расчетное напряжение прикосновения значительно меньше допустимого.