Определение границ действия защиты от однофазных КЗ в сети с асинхронными двигателями
В [1] предписывается ряд мер для повышения электро- и взрывобезопасности электроустановок напряжением до 1000 В. В соответствии с [1, §7.3.140] требуется проверка полного сопротивления цепи фаза-нуль для всех электроприемников, расположенных во взрывоопасных зонах В-I и В-II, и выборочно (но не менее 10 % от общего количества) для электроприемников, расположенных во взрывоопасных зонах классов В-Iа, В-Iб, В-Iг и В-IIа и имеющих наибольшее сопротивление фаза-нуль.
В настоящее время в литературе отсутствуют сведения о границах действия защиты от однофазных КЗ в зависимости от мощности электродвигателя (или одного электроприемника), а приводятся лишь таблицы, линейки и т. п. для определения границ действия защиты в зависимости от сечения проводов и кабелей. Таблицы 7…10 дают возможность определить границы действия защиты для всей шкалы мощностей асинхронных электродвигателей серий 4А, ВА02, АИР при защите линий к электродвигателям автоматическими выключателями с комбинированным расцепителем.
Таблица 8
Предельные длины линий к электродвигателям
с короткозамкнутым ротором для проверки кратности тока
однофазного КЗ по отношению к номинальному току
расцепления автомата
| Номинальная мощность электро-двигателя, кВт | Критическая длина линии, м | |||
| Алюминиевый кабель | Медный кабель | |||
Невзрыво-опасная зона  = 3 Iнр | Взрывоопасная зона В-Iб, В-Iг, = 6 Iнр | Взрывоопасная зона В-II,В-IIа, = 6 Iнр | Взрывоопасная зона = 6 Iнр | |
| 0,37 0,75 1,1 1,5 2,2 3,0 4,0 5,5 7,5 18,5 | -- -- | -- -- |
Остальные условия аналогичны приведенным для таблицы 8.
Таблица 10 рассчитана для трансформаторов мощностью 1000 кВ·А со схемами соединений «треугольник-звезда» и «звезда-звезда».
Правила пользования таблицами
1. Определяется суммарное расстояние от источника питания до электродвигателя по трассе токопровода независимо от того, подключен ли электродвигатель непосредственно к распределительному щиту источника питания или питается через промежуточные силовые пункты, ШСУ, распределительные или магистральные шинопроводы.
2. В зависимости от зоны, в которой установлен электродвигатель, и его номинальной мощности по таблице находится критическое расстояние, в пределах которого соблюдаются требования [1] в отношении кратности тока однофазного КЗ. Это расстояние сравнивается с суммарным расстоянием от источника питания до электродвигателя.
Если длина трассы токопровода меньше или равна критическому расстоянию, то проведенный расчет тока однофазного КЗ для данного электродвигателя производить не следует, а если больше, то необходим проверочный расчет с учетом конкретных параметров питающей сети.
3. Если проверочный расчет показал, что кратность тока однофазного КЗ недостаточна, необходимо принимать специальные меры, к которым относятся:
3.1. Увелечение сечения питающего кабеля.
3.2. Проектирование специальной защиты от однофазных замыканий.
Таблица 10 дает возможность определить границы действия защиты для асинхронных двигателей серий 4А, 4АН при защите линий к электродвигателям автоматическими выключателями с электромагнитным расцепителями.
Таблицы рассчитаны по формуле:
, (49)
где L – предельная длина линии, м; Zцу – полное удельное сопротивление цепи фаза-нуль, Ом/км; 
– минимальный ток однофазного КЗ, А.
Расчет таблиц проводился для следующих условий:
1. Источником питания является трансформатор мощностью 1600 кВ·А со схемой соединения «треугольник-звезда».
2. Уставки автоматов принимались в соответствии с каталожными данными электродвигателей серий 4А, В, АИР, ВА02.
3. Кабели приняты четырехжильные с пластмассовой или резиновой изоляцией. Сечение кабелей соответствует номинальному току двигателей при ПВ 100 % для одиночной прокладки кабелей по [1, табл. 1.3.6, 1.3.7]. Согласно номенклатуре на кабельную продукцию кабели с сечением фазной жилы 70 мм2 и выше имеют сечение нулевой жилы менее 50 % сечения фазной жилы. Это дает некоторый запас при определении границ действия защиты в случае применения кабелей с жилами равного сечения.
4. Сопротивления кабелей принимались по Приложениям.
5. Переходное сопротивление контактов – 0,02 Ом.
Условные обозначения:
I(1)к – ток однофазного замыкания на землю; Iнр – номинальный ток комбинированного распределителя автомата; Iн – уставка на ток мгновенного срабатывания электромагнитного расцепителя.
Таблица 9
Предельные длины линий к электродвигателям с короткозамкнутым ротором для проверки кратности тока однофазного КЗ
по отношению к номинальному току расцепления автомата
| Номинальная мощность электродвигателя, кВт | Критическая длина линии, м | |||
| Алюминиевый кабель | Медный кабель | |||
| Невзрыво-опасная зона I(1)к = 3 Iнр | Взрывоопасная зона В-Iб, В-Iг I (1)к = 6 Iнр | Взрывоопасная зона В-II,В-IIа I(1)к = 6 Iнр | Взрывоопасная зона В-I, В-Iа I (1)к = 6 Iнр | |
| 0,37 0,75 1,1 1,5 2,2 3,0 4,0 5,5 7,5 18,5 | -- -- | -- -- |
Таблицы 8, 9, 10 могут быть распространены и на случаи, когда питающие трансформаторы имеют мощность более 1600 кВ·А, с любой схемой соединения обмоток, а также когда трансформаторы мощностью 250 кВ·А и выше имеют схему соединения обмоток «треугольник-звезда».
В качестве примера рассмотрим принцип расчета токов однофазных КЗ в системе электроснабжения. Для решения задачи требуется иметь однолинейную схему сети 0,4 кВ. С помощью таблицы 8 по описанной выше методике определяют участки сети, для которых необходимо провести полные расчеты тока однофазного КЗ длиной выше критической.
Таблица 10
Предельные длины линий к электродвигателям с короткозамкнутым ротором для проверки кратности тока однофазного КЗ по отношению к номинальному току расцепителя автомата
| Мощность электродвигателя, кВт | Критическая длина линии, м. | ||
| Кабель с алюминиевыми жилами. Невзрывоопасная зона. | |||
| Iн = 12·Iнр | Iн = 5·Iнр | Iн = 10·Iнр | |
| = 1,4·Iн | |||
| 0,37 0,75 1,1 1,5 2,2 3,0 4,0 5,5 7,5 18,5 | 222/222 138/138 88/88 88/88 55/55 44/44 35/35 27/27 22/22 21/21 21/20 26/24 26/24 26/23 41/36 36/31 | 532/532 333/333 213/213 213/213 133/133 106/106 85/85 66/66 53/53 52/51 51/49 63/61 63/61 64/61 102/97 91/86 | 266/266 167/167 107/107 107/107 67/67 53/53 43/43 33/33 27/27 26/25 25/24 32/30 32/30 -- -- -- |
| = 1,2 Iн | |||
| 43/35 31/22 43/30 45/32 35/18 35/18 | 110/102 31/32 43/30 45/32 35/18 35/18 | -- -- -- -- -- -- |
Примечание. В числителе указаны значения предельных длин при использовании трансформатора со схемой Δ/Yо, в знаменателе – Y/Yо.
Пример 20. Допустим из анализа схемы электроснабжения получили, что суммарная критическая длина токопроводов по таблице 8 к электродвигателю 2М больше критической длины. Для этиго участка сети необходимо произвести расчет тока однофазного замыкания на землю. Рассмотрим проверку на примере.
В таблице 11 приведена расчетная схема и форма расчета сети электродвигателя 2М.
Трансформатор. Расчетное сопротивление трансформатора (Приложение 12): Zт/3 = 0,027 Ом.
Участок 2. Кабель ААШвУ 3х95 длиной 120 м, удельное сопротивление фазной жилы 0,408 Ом/км (Приложение 7). Удельное сопротивление алюминиевой оболочки 0,321 Ом/км (Приложение 7).
Сопротивление в расчете на 120 м: rф = 0,408·0,12 = 0,049 Ом, rн = = 0,321·0,12 = 0,039 Ом.
Участок 3. Кабель ААШвУ 3х95 + 1х35 длиной 150 м. Удельное сопротивление фазовой жилы – то же, что и для участка 1. Удельное сопротивление нулевой жилы и алюминиевой оболочки 0,253 Ом/км (Приложение 7). Сопротивление в расчете на 150 м.: rф = 0,408·0,15 = 0,061 Ом, rн = 0,253·0,15 = 0,038 Ом.
Переходное сопротивление контактов – 0,02 Ом.
Индуктивное сопротивление кабелей не учитываем.
Далее определяется значение суммарного сопротивления цепи и тока КЗ Iк = 940 А, что меньше допустимого – 1500 А.
Для выполнения требований [1] должно быть увеличено сечение кабеля или предусмотрена специальная защита от однофазного КЗ.
Таблица 11
Расчетная схема и форма расчета сети электродвигателя 2М
| N участка | Наименование и краткая характеристика участка линии, элемента | Длина участка, км | Сопротивление участка линии, Ом | Сопро-тивление трансфор-матора Zт/3, Ом | |||
| r | Х“/Х` | z | |||||
| Тр-тор 1000 кВА 10/0,4 кВ | 0,027 | ||||||
| Переходное сопротивление контактов | 0,02 | ||||||
| фаза | Алюм. жила кабеля 95 мм2 | 0,12 | 0,049 | ||||
| нуль | Алюм. оболочка кабеля | 0,039 | |||||
| фаза | Алюм. жила кабеля 95 мм2 | 0,15 | 0,061 | ||||
| нуль | Алюм. жила кабеля 35 мм2 + оболочка | 0,038 | |||||
| Итого | 0,207 | 0,207 | 0,027 | ||||
| Iк по условиям срабатывания защитного аппарата | Iк ≥ 6·Iн = 6·250 A = 1500 A | ||||||
| Расчет действительных значений Zн и Iк 940 А > 1500 А | Z = 0,207 Ом = Uф/(Zт/3 + Zн) = = 220/0,234 = 940 А | ||||||
| Расчет сопротивлений отдельно фазного и нулевого проводов (без учета Х) для определения относительной проводимости нулевого провода | Rф = 0,049 + 0,61 = 0,11Ом Rн = 0,039 + 0,038 = 0,077 Ом 0,11/0,077 = 1,43 < 2 |
В данном примере полная проводимость нулевого проводника удовлетворяет требованиям п. 1.7.79 [1].