7.3. Защита электрических сетей.

Основными причинами аварийных режимов электроустановок являются короткие замыкания и перегрузки.

Короткое замыкание – это соединение (замыкание) между проводниками фаз, проводниками фаз и землёй (или нейтральным проводом), а также между различными витками одной фазы обмотки трансформатора или двигателя.

Перегрузка – наиболее частое нарушение нормального режима работы электрических сетей – обуславливается обычно нарушениями правил эксплуатации и неправильным выбором сечений проводов электрических линий. Она приводит к преждевременному износу (старению) изоляции и нередко – к её полному разрушению и возникновению короткого замыкания (КЗ).

Согласно ПУЭ электрические сети напряжением до 1000В, сооружаемые как внутри, так и вне зданий, должны иметь защиту от токов короткого замыкания с минимальным временем отключения и отвечающую по возможности требованиям селективности. Для защиты сетей напряжением до 1000В можно применять предохранители с плавкими вставками и различного типа автоматические выключатели.

Ток плавкой вставки предохранителя, служащего для защиты сети от токов короткого замыкания (ТКЗ), следует выбирать таким образом, чтобы соблюдалось соотношение:

(1)

где I_п.вст – ток плавкой вставки; I_доп – допустимый ток для данного сечения провода.

Для установки автоматического выключателя, имеющего регулируемую или нерегулируемую обратно зависимую от тока характеристику, соотношение принимает вид:

(2)

Выбор плавких вставок предохранителей.

Различают плавкие вставки двух типов: 1) с малой теплоёмкостью (быстродействующие), к ним относятся плавкие вставки, изготовляемые из медной проволоки; 2) с большей теплоёмкостью (инертные), изготовляемые из металла с большим удельным сопротивлением, например из свинца и его сплавов.

Инертные предохранители можно применять в тех случаях, когда сети питают электроприёмники, имеющие пусковые токи или кратковременные перегрузки. В этом случае недлительные по времени пусковые токи не могут перегреть провода сети, однако если плавкая вставка не имеет инерции, то под действием пускового тока она сгорит и тем самым прервёт цепь.

Выбор предохранителей с плавкими вставками производят следующим образом.

1. Для сетей, питающих электроприёмники без пусковых токов:

а) определяют расчётный ток I_расч;

б) по расчётному току выбирают ближайшую стандартную плавкую вставку по условию I_п.вст  I_расч.

При необходимости защиты провода от перегрузок по расчётному току выбирают ток плавкой вставки; сечение провода подбирают по условию I_доп1,25I_п.вст;

в) проверяют, защищает ли выбранная плавкая вставка сечение токоведущей жилы провода от действия ТКЗ, по соотношению (1).

2. Для сетей,питающих электроприёмники с пусковыми токами (асинхронный короткозамкнутый двигатель и т.п.);

а) определяют расчётный ток I_расч;

б) по расчётному току подбирают ближайшую стандартную плавкую вставку в соответствии с соотношением:

(3)

Под I_max подразумевают: 1) для ответвления к одиночному электроприёмнику пусковой ток (I_max=I_пуск) или наибольший ток нагрузки; 2) для цепей, питающих групповую нагрузку (n приёмников):

где m – коэффициент одновременности (если неизвестен, то принимается равным единице); I_p(n-1) – сумма рабочих (расчётных) токов электроприёмников, за исключением электроприёмника, обладающего максимальным пусковым током; I_пуск,max – ток электроприёмника, обладающего максимальным пусковым током.

 - коэффициент (больше единицы), зависящий от типа электродвигателя.

Для асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором обычно принимают =2,5. Для асинхронных электродвигателей с тяжёлыми условиями пуска =1,62,0.

в) Проверяют, защищает ли выбранная плавкая вставка сечение проводов от действия токов короткого замыкания. Проверку производят по неравенству (1). Если неравенство не соблюдено, нужно увеличить сечение до необходимого значения, при этом ток плавкой вставки сохраняется прежним.

г) Защита от перегрузок осуществляется так же, как и для электроприёмников без пусковых токов.

Пример выбора плавких вставок предохранителей и сечения проводов и кабелей по условиям нагрева.

Задача 10. От трансформаторной подстанции с номинальным напряжением на низкой стороне 380/220В проложена электрическая сеть на строительную площадку (рис.3). Электродвигатели, указанные на схеме и в таблице 2 – короткозамкнутые, асинхронные, осветительная нагрузка – симметричная. Сеть предполагается выполнить:

1. от шин ТП до щитка РЩ-1 четырёхжильным кабелем с медными жилами, проложенным по стене.

2. от щитка РЩ-1 до щитка РЩ-2 медным изолированным проводом в газовых трубах;

3. все остальные сети – изолированным медным проводом на роликах по стенам (открытая проводка).

Нагрузка осветительной линии 1 составляет 20кВт, линии 2 – 30 кВт. Требуется подобрать плавкие вставки предохранителей и выбрать необходимые сечения проводов и кабелей. При расчёте необходимо учесть, что электродвигатель 1 может быть перегружен.

Таблица 2. Характеристики асинхронных короткозамкнутых электродвигателей.

Характеристики	Номер электродвигателя
Мощность Pн, кВт Кратность пускового тока К К.П.Д.  Коэффициент мощности Сos Коэффициент загрузки Кз	7,00 5,50 0,82 0,90 1,00	14,00 5,00 0,85 0,88 0,80	10,00 5,50 0,87 0,92 0,90

Рисунок 3.

РЕШЕНИЕ:

Электродвигатель 1. Находим номинальный ток двигателя:

Определяем ток плавкой вставки:

Принимаем стандартную плавкую вставку на ток I_п.вст=32А. (см. Приложение 3). Ввиду того что электродвигатель 1 подвержен перегрузкам, проводка к нему должна быть защищена от токов перегрузки. Тогда I_доп  1,25I_п.вст = 40А. По Приложению 1 выбираем сечение медного провода марки ПР: S=6мм², I_доп=41А.

Проверяем на наличие защиты от ТКЗ:

.

Электродвигатель 2. Находим номинальный ток двигателя и ток плавкой вставки:

С учётом коэффициента загрузки I_потр=0,8I_N=0,828,3=22,6А.

Ток ближайшей стандартной плавкой вставки I_п.вст.=60А.

По потребляемому току I_потр. (см. таблицу Приложения 1) определяем сечение медных изолированных проводов S=2,5мм². Для этого сечения I_доп=30А.

Проверяем выбранное сечение на защиту от токов короткого замыкания:

; .

Электродвигатель 3. Определяем номинальный ток, потребляемый ток и ток плавкой вставки:

Тогда I_п.вст.=60А.

Выбираем S=1,5мм², I_доп=23А.

Проверяем провод на защиту от ТКЗ: 60/23<3.

Осветительная линия 1. Находим значения следующих параметров.

I_п.вст.=35А;

S=4мм²; I_доп=41А.

Проверка на защиту от ТКЗ даёт значение 35/41<3.

Итак, выбираем для прокладки линейные провода сечением 4мм², а нейтральный провод сечением 2,5 мм².

Осветительная линия 2. Имеем следующие значения параметров:

I_п.вст.=60А;

S=6мм²; I_доп=50A.

Проверка на защиту от токов короткого замыкания даёт значение 60/50<3. Выбираем для прокладки линейный провод сечением 6мм², а нейтральный провод сечением 4мм².

Прокладка в газовых трубах между РЩ-1 и РЩ-2.

I_р=22,6+17+45=84,6 А; выбираем S=25мм² для которого I_доп=90А;

I_max=28,35+(17+45)=204А;

I_п.вст.204/2,5=81,5А;

Выбираем I_п.вст.=100A.

Проверка на защиту от токов короткого замыкания:

100/90<3.

Принимаем к прокладке линейные провода сечением 25мм², а нейтральный – 16мм².

Линия от ТП до РЩ-1.

I_p=(22,6+17+45+14,4+30)=129А;

I_max=(17+45+14,4+30)+528,3=247,9А;

Выбираем S=50мм² для которого I_доп=130А;

I_п.вст.247,9/2,5=99,2А;

Выбираем I_п.вст.=125А из условия селективности, т.к. плавкая вставка на 100А уже выбрана ниже по потоку энергии для защиты линии между РЩ-1 и РЩ-2.

Проверка на защиту от токов короткого замыкания: 125/130<3.

Выбираем четырёхжильный кабель марки СБ сечением (350+135)мм².