Расчет зануления на отключающую способность

Зануление

Зануление предназначено для защиты человека от поражения электрическим током при аварийной ситуации - пробое фазы на корпус. Методические указания могут быть использованы при выполнении расчетно-графических заданий по курсу «Безопас­ность жизнедеятельности» и расчетной части «Охрана труда» в дипломных проектах.

Зануление - это преднамеренное электрическое соединение металлических нетоковедущих частей электроустановки с глухо- заземленной нейтральной точкой источника тока в трехфазных сетях, выводом обмотки источника в однофазных сетях и средней точкой источника энергии в сетях постоянного тока. Зануление является наиболее распространенным средством защиты от по­ражения током в электроустановках с напряжением до 1 кВ в аварийных режимах. В дальнейшем будут рассматриваться толь­ко трехфазные четырехпроводные сети (рис. 1).

Проводник, соединяющий металлические части электроуста­новок с глухозаземленной нейтральной точкой источника тока, называется нулевым защитным проводником (НЗП). Его следует отличать от нулевого рабочего проводника (НРП).

Рис. 1. Принципиальная схема зануления (а), схема замещения (б):

А₃ - защитное устройство; I_h - ток, протекающий через тело человека; I_к - ток

короткого замыкания,Ů_a, Ů_b, Ů_c - комплекс напряжения фазы А, В, С, R₀ -

сопротивление глухого заземления нейтрали; R_h - сопротивление тела челове­ка; Z_Ф - комплекс сопротивления фазы; Z_H - комплекс сопротивления НЗП; Z_T- комплекс сопротивления вторичной обмотки трансформатора

Принцип действия зануления - превращение замыкания на корпус в однофазное короткое замыкание, т.е. возникает корот­кое замыкание между нулевым и фазным проводниками.

Путь, по которому протекает ток короткого замыкания, назы­вается петлей фаза-нуль. Сопротивление петли фаза-нуль мало,

в результате чего ток короткого замыкания достигает больших значений, что приводит к надежному автоматическому срабаты­ванию защиты и отключению поврежденной установки от сети.

В качестве отключающих устройств используются плавкие предохранители или автоматические выключатели.

Кроме того, зануленные корпуса электроустановок заземлены через нулевой защитный проводник, а это приводит к существен­ному снижению их напряжения относительно земли в аварийном режиме до момента отключения электроустановок от сети. Таким образом, зануление осуществляет два защитных действия. При этом автоматическое избирательное отключение поврежденной установки - наиболее важное для обеспечения безопасности.

Расчет зануления на отключающую способность

Для надежного отключения установлены требования к уст­ройству зануления, к его электрическим характеристикам и пре­жде всего к проводимости петли фаза-нуль, которые учитывают­ся при проектировании системы зануления. Если в результате расчета оказывается, что при замыкании фазы на корпус электро­установки не обеспечивается ее надежное отключение от сети, то следует внести изменения в схему или конструкцию элементов системы зануления и повторить расчет.

Изменения вносятся в следующем приоритетном порядке:

- применяется автоматический выключатель с электромаг­нитным расцепителем;

- увеличивается сечение нулевого защитного проводника;

- увеличивается сечение фазных проводов;

- изменяется материал проводников;

- разделяются потребители энергии.

При замыкании фазы сети на зануленный корпус электро­приемника образуется цепь тока короткого замыкания, которая состоит из фазной обмотки источника питания (трансформатора), фазного проводника сети, корпуса электроустановки, нулевого защитного проводника (рис. 1). Контур тока I_h не учитывается, так как I_h<<I_k.

Для надежного автоматического отключения электроустанов­ки в случае замыкания фазы на ее зануленный корпус необходи­мо выполнить условие:

I_k ≥ kI_н , (1)

где I_к — ток короткого замыкания фазы на корпус электроустанов­ки, А; I_н - номинальный ток отключающего устройства (указан в паспорте, выбит на корпусе, приводится в таблицах), А; k - ко­эффициент кратности тока короткого замыкания.

Рекомендуется при отсутствии заводских данных для автома­тических выключателей с электромагнитным расщепителем вы­бирать k = 1,25 ... 1,4, причем k = 1,4 при I_н ≤ 100 Аиk=1,25 при I_н > 100 А, для плавких предохранителей k = 3.

Первоочередной задачей при расчете зануления является оп­ределение номинального тока I_н, протекающего по одной из фаз, для которой рассчитывается зануление. При этом следует разли­чать трехфазную (асинхронные двигали, электрическое тепловое оборудование, холодильные камеры) и однофазную силовую на­грузку. Известной величиной является мощность Р (кВт). Расчет­ная формула для трехфазной нагрузки имеет вид

где Р - мощность единичного оборудования; U_л - линейное на­пряжение сети; - коэффициент мощности, 𝜂 - коэффициент полезного действия.

Эта же фаза используется и для однофазной нагрузки (холо­дильники, электрические чайники, кухонные комбайны и др.). В этом случае известной величиной также является мощность Р, тогда для однофазных двигателей

где U_ф — фазное напряжение.

Для тепловой нагрузки (электроплиток, чайников и т.д.)

Необходимо отметить, что КПД для каждого вида оборудова­ния следует выбирать в соответствии с рекомендациями в специ­альной литературе.

Для световой нагрузки (лампы накаливания):

Для люминесцентных ламп при наличии дросселей:

где 𝜂_c- КПД светильника.

При определении общей нагрузки фазы I_н все номинальные токи потребителей должны суммироваться:

I_н=ΣI_н.пот.

Кроме того, значение I_н выбираем таким, чтобы автоматический выключатель не отключал установку при протекании рабочих токов. Особенно это важно для асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором при прямом пуске. Например, для электродвигателей:

- запускаемых под нагрузкой

I_н = I_н.дв. (5...6);

- запускаемых без нагрузки

I_н = I_н.дв. (4... 5),

где I_н.дв. - номинальный ток двигателя.

Увеличение номинального тока объясняется тем, что прямой пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором осу­ществляется в соответствии с механической характеристикой на рис. 2 от точки (п = О, М_п) через точку А с координатами (п_к, М_к) до точки (п_н, М_н), так как М = I, тоI'_к >> I_н.дв., что и учитывается коэффициентами в вышеприведенных формулах.

Рис. 2. Механическая характеристика асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

На рис. 2 n_o - синхронная скорость; n_н - номинальная скорость; п_к - промежуточная скорость двигателя, соответствующая крити­ческой точке А, MH, МП, Мк - соответственно номинальный, пусковой и критический моменты асинхронного двигателя.

Ток короткого замыкания в соответствии с рис. 3,а определя­ется формулой

I_к = U_a/(Z_T/3 + Z_Ф + Z_H + jXп), (2)

где Х_п - внешнее индуктивное сопротивление взаимной индук­ции между фазным и защитным проводниками.

Для определения комплекса полного сопротивления петли фаза-нуль Z_П рассмотрим линию питания от электроприемника до трансформатора (рис. 3,б), которая может быть выполнена с по­мощью различных видов электропроводок.

Рис. 3. Схема замыкания на отключающую способность

Отметим, что

Z_Ф= Rф+jXф, Z_н= R_H+jX_H

где Rф, R_H - соответственно активные сопротивления фазы и НЗП; Х_ф, Х_н - внутренние индуктивные сопротивления фазы и НЗП.

В общем случае полное сопротивление петли фаза-нуль (рис. 3,6), определяется формулой

Z_п= Z_ф + Z_Н +jX_п = R_ф +jX_ф+R_Н +jX_H +jX_п. (3)

Модуль полного сопротивления фазы-нуль определяется вы­ражением

Тогда расчетная формула тока короткого замыкания имеет вид

где: U_a =Uф ,U ф - фазное напряжение сети; Z_T - модуль сопро­тивления обмотки трансформатора. Неточность этой формулы (5 %) ужесточает требования к безопасности. Таким образом, ес­ли защита будет выбрана по расчетному току короткого замыка­ния, то при реальном токе она сработает еще быстрее.

Определим величины, входящие в формулу (4). Для питания промышленных предприятий и общественных зданий применя­ются масляные трехфазные трансформаторы различной мощно­сти. Приближенные полные сопротивления трансформаторов и схемы соединения их обмоток приводятся в табл. 1.

Таблица 1

Приближенные значения расчетных полных сопротивлений z_T, Ом, обмоток масляных трехфазных трансформаторов

Мощ­ность транс фор­матора, кВ·А	Номиналь­ное напря­жение обмоток высшего напряже­ния, кВ	Zт, при схеме соединения обмоток Ом	Мощ­ность транс­фор­матора, кВ·А	Номиналь­ное напря­жение обмоток высшего напряже­ния, кВ	Zт при схеме соединения обмоток, Ом
У/Ун	Д/Ун и У/ZH	У/Ун	Д/Ун и У/ZH
	6- 10	3,110	0,906		6-10	0,195	0,056
	6-10	1,949	0,562		20-35	0,191	-
	6-10	1,237	0,360		6-10	0,129	0,042
	20-35	1,136	0,407		20-35	0,121	-
	6-10	0,799	0,226		6-10	0,081	0,027
	20-35	0,764	0,327		20-35	0,077	0,032

]

Окончание табл.1

Мощ­ность транс фор­матора, кВ·А	Номиналь­ное напря­жение обмоток высшего напряже­ния, кВ	Zт, при схеме соединения обмоток Ом	Мощ­ность транс­фор­матора, кВ·А	Номиналь­ное напря­жение обмоток высшего напряже­ния, кВ	Zт при схеме соединения обмоток, Ом
У/Ун	Д/Ун и У/ZH	У/Ун	Д/Ун и У/ZH
	6-10	0,487	0,141		6-10	0,054	0,017
	20-35	0,478	0,203		20-35	0,051	0,020
	6-10	0,312	0,090
	20-35	0,305	0,130

Неизвестными величинами в формуле (4) являются R_ф, R_H, Хф, X_H, Х_п. При использовании медных и алюминиевых проводников

, (5)

Коэффициент 1,2 учитывает возрастание сопротивления при из­менении температуры проводника от 20 до 70 ^oС.

В формуле (5) , - удельное электрическое сопротивление фазного и нулевого проводников (для меди 0,018 Ом·мм²/м, для алюминия 0,035 Ом·мм²/м); L_ф - длина фазного и нулевого проводников; S_Ф,Sн - площади сечения фазного и нулевого про­водников, мм².

Для определения внутренних индиктивных сопротивлений пользуются следующим выражением:

Х_ф = Х_НЗП = 0,0156L/1000, (6)

где L - длина проводки, м; 0,0156 - внутреннее индуктивное со­противление, Ом/км; значения Х_ф ; Х_НЗП для медных и алюминие­вых проводников малы (0,0156 Ом/км), поэтому ими можно пре­небречь.

Внешнее индуктивное сопротивление для линии длиной в 1 км определяется формулой

(7)

где 0,1256 - внешнее индуктивное сопротивление; D - расстоя­ние между проводами, см; d - диаметр проводника, см.

При малых значениях D, соизмеримых с d, т.е. когда фазный проводник и НЗП расположены близко друг к другу, значением Х_п можно пренебречь.

В соответствии с Правилами устройств электроустановок в зависимости от режимов работы электроприемников (кратковре­менного, повторно-кратковременного или длительного) приво­дятся рекомендации по выбору расчетного тока для проверки се­чений проводов на период ликвидации аварийного режима. До­пускаемая перегрузка проводов (кабелей) зависит от способа прокладки (в земле, воздухе, в трубах). Учитываются поправоч­ные коэффициенты на токи при расчетной температуре среды.

В большинстве случаев выбор сечения проводников прово­дится для длительного режима работы электроустановок. Дли­тельно допустимый ток, определяющий сечение проводника (ка­беля), в основном зависит от применяемой изоляции и материа­лов, из которых изготавливаются проводники (медь, алюминий, сплавы). В табл. 2 приводятся сечения проводов, применяемых в наиболее распространенных случаях. Более подробные данные - в справочной литературе (ПУЭ). Сечения проводов выбираются по номинальному расчетному току I_н. В таблице выбирается ближайшее большее значение тока.

При выборе сечения нулевого защитного проводника следует учитывать, что его проводимость должна быть не менее 50 % проводимости фазного проводника, т.е.

R_н ≤2R_ф. (8)

Для больших токов в нулевом защитном проводнике приме­няются стальные проводники круглого или квадратного сечения. Расчетные формулы имеют вид

R_н =R₁L_н10^-3

Xн=X1L_н10^-3 (9)

где R1, Х1- активное и внутреннее индуктивное сопротивление 1км проводника (табл.2), Ом/км.

Таблица 2