3.2 Зануление

3.2.1 Назначение, принцип действия и область применения. Зануление – преднамеренное электрическое соединение металлических нетоковедущих частей электроустановки, которые могут оказаться под напряжением, с глухозаземленной нейтральной точкой обмотки источника тока в трехфазных сетях; с глухозаземленным выводом обмотки источника тока в однофазных сетях и с глухозаземленной средней точкой обмотки источника энергии в сетях постоянного тока (рисунок 3.3).

а) б)

а – общая схема работы зануления; б – однофазная упрощенная схема замещения

Рисунок 3.3 – Схемы работы зануления

Проводник, соединяющий зануляемые части с глухозаземленной нейтральной точкой обмотки трансформатора, называется нулевым защитным проводником (НЗП). Нулевой защитный проводник следует отличать от нулевого рабочего проводника, который предназначен для питания током электроприемников. Область применения НЗП такая же, как и для заземления.

При замыкании фазы на корпус установки в цепи фаза – нуль появляется ток короткого замыкания I_к (см. рисунок 3.3), который обеспечивает срабатывание защиты и тем самым автоматически отключает поврежденную установку от питающей сети. Такой защитой являются плавкие предохранители, автоматы максимального тока и так далее. Кроме того, зануление снижает напряжение на корпусе установки относительно земли в аварийный период (как при защитном заземлении).

Применение защитного заземления в сетях с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В не обеспечивает защиту, т. к. при однофазном коротком замыкании корпус оборудования будет находиться под опасным напряжением (110 В) несмотря на то, что он заземлен. Токовая защита при этом не срабатывает из-за малого значения тока [8] п. 2.2.1.1.

3.2.2 Расчет зануления. Расчет зануления сводится к расчету: на отключающую способность, сопротивления заземления нейтрали (безопасности прикосновения к корпусу при замыкании фазы на землю) и сопротивления повторного заземления нулевого защитного проводника (безопасность прикосновения к корпусу при замыкании фазы на корпус).

3.2.2.1 Расчет на отключающую способность. для надежного и быстрого отключения необходимо, чтобы ток короткого замыкания I_к превосходил номинальный ток срабатывания защиты:

I_к  кI_ном ,

где к – коэффициент кратности номинального тока;

I_ном – номинальный ток плавкой вставки или ток вставки автомата, А.

Коэффициент к нормируется с учетом заводской токовременной характеристики отключающего аппарата. Время срабатывания плавких вставок предохранителей и тепловых расцепителей автоматов обратно пропорционально току.

Автоматический выключатель с электромагнитным расцепителем обеспечивает отсечку мгновенного действия за 0,01 с.

В соответствии с ПУЭ коэффициент К должен быть равен в помещениях с нормальными условиями не менее 3 – при защите предохранителями или автоматами, имеющими тепловой расцепитель с обратной зависимой от тока характеристикой; не менее 1,4 – для автоматов с номинальным током до 100 А с электромагнитным расцепителем; 1,2 – для прочих автоматов; во взрывоопасных помещениях – не менее 4 – при защите предохранителями и не менее 6 – при защите автоматами с обратной зависимой от тока характеристикой, а при защите автоматами с электромагнитным расцепителем – 1,4.

Сила тока короткого замыкания I_к (см. рисунок 3.3) зависит от фазного напряжения сети U_ф и сопротивлений цепи; от полных сопротивлений трансформатора Z_т , фазного проводника Z_ф , нулевого защитного проводника Z_н.з., внешнего индуктивного сопротивления петли (контура) фазный проводник – нулевой защитный проводник (петли фаза–нуль) Х_п , а также от активных сопротивлений заземленной нейтрали обмоток источника (трансформатора) r_o и повторного заземления нулевого защитного проводника r_п.

Поскольку r_o и r_п , как правило, велики по сравнению с другими сопротивлениями цепи, можно не принимать во внимание параллельную ветвь, образованную ими. Тогда расчетная схема упростится (см. рисунок 3.3, б), а выражение для тока короткого замыкания I_к , А, в комплексной форме будет

или

где U_ф – фазное напряжение сети, В;

Z_Т – комплекс полного сопротивления обмоток трехфазного источника тока (трансформатора) (таблица 3.5), Ом;

Z_Ф  – комплекс полного сопротивления фазного привода, Z_Ф = R_ф+jX_ф;

Z_Н.З. – комплекс полного сопротивления нулевого защитного проводника, Z_Н.З.= R_Н.З.+ jX_Н.З;

R_ф и R_Н.З. – активное сопротивление фазного и нулевого защитного проводников, Ом;

X_ф и X_Н.З – внутренние индивидуальные сопротивления фазного и нулевого защитного проводников, Ом;

Z_П – комплекс полного сопротивления петли фаза–нуль, Z_П = Z_Ф+ Z_Н.З.+ jX_П;

j – множитель мнимой части комплексного числа, j= .

При расчете зануления допустимо применять приближенную формулу для вычисления действительного значения (модуля) тока короткого замыкания I_к , А, в которой модули сопротивлений трансформатора и петли фаза–нуль Z_т и Z_п , Ом, складываются арифметически:

.

Некоторая неточность (около 5 %) этой формулы ужесточает требования безопасности и поэтому считается допустимой.

Полное сопротивление петли фаза-нуль в действительной форме (модуль) равно:

Задача расчета – подобрать сечение нулевых защитных проводов таким образом, чтобы удовлетворялось неравенство

Здесь неизвестными являются лишь сопротивления нулевого защитного проводника R_н.з. и Х_н.з., которые могут быть определены соответствующими вычислениями по этой же формуле. Однако эти вычисления обычно не производятся, поскольку сечения нулевого защитного проводника и его материал принимаются заранее из условия, чтобы полная проводимость нулевого защитного проводника была не менее 50 % полной проводимости фазного провода. Таким образом, расчет зануления на отключающую способность является проверочным расчетом правильности выбора проводимости петли фаза–нуль.

В качестве нулевых защитных проводников ПУЭ рекомендуют применять неизолированные или изолированные проводники, а также различные неметаллические конструкции зданий, подкрановые пути, стальные трубы электропроводок, трубопроводы и т. п. Рекомендуется использовать нулевые рабочие провода, которые должны обладать достаточной проводимостью (R_н.з.  2R_ф) и не должны иметь предохранителей и выключателей.

Значение Z_т зависит от мощности трансформатора, напряжения и схемы соединения трансформатора. При расчетах зануления Z_т берется из таблицы 3.5.

Таблица 3.5 – Полное сопротивление трансформаторов с различным напряжением 400/230 В

Схема соединения обмоток	Полное сопротивление Zт при мощности трансформатора Р, кВА
	25	40	100	400	1000
	0,9	0,56	0,23	0,06	0,03
	3,11	1,95	0,78	0,20	0,08

Значения R_н.з. и R_ф для цветных металлов (медь, алюминий) определяют по известным данным: сечению S, мм², длине , м, и материалу.

Поэтому искомое сопротивление

,

где – удельное сопротивление проводника: для меди = 0,018, для алюминия = 0,028 Оммм²/м.

Для фазных проводников сечение и материал проводников определяются при расчете электрической сети в зависимости от мощности потребителей энергии, их размещения и т. п. Сечение нулевого защитного проводника S_н.з., мм², принимается из условия, что R_н.з.  2R_ф.

Если нулевой защитный проводник стальной, то его активное сопротивление R_н.з зависит от плотности тока и определяется с помощью таблицы 3.2.

Для этого необходимо задаться профилем и сечением проводника, а также знать его длину и ожидаемое значение тока короткого замыкания (КЗ) I_к , который будет проходить по этому проводнику в аварийный период. Сечение проводника задается из расчета, чтобы плотность тока КЗ в нем была в пределах примерно 0,5– 2,0 А/мм².

Значения Х_н.з. и Х_ф для медных и алюминиевых проводников сравнительно малы (около 0,016 Ом/км), поэтому ими можно пренебречь. Для стальных проводников внутренние индуктивные сопротивления оказываются достаточно большими и их определяют с помощью таблицы 3.6. В этом случае также необходимо знать профиль и сечение проводника, его длину и ожидаемое значение тока I_к .

Фазный и нулевой провода образуют двухпроводную линию, которая представляет собой как бы один большой виток, взаимоиндукция которого зависит от расстояния между проводами линии Д, м; длины линии l, м; диаметра проводов d, м; индуктивности линии и других параметров.

При малых значениях Д, соизмеримых с диаметром проводов d, то есть когда фазный и нулевой проводники расположены в непосредственной близости один от другого, сопротивление Х_п незначительно (не более 0,1 Ом/км) и им можно пренебречь.

В практических расчетах обычно для воздушных линий принимают

Х_п = 0,6 Ом/км.

Таблица 3.6 – Активные r_ и внутренние индуктивные X_ сопротивления стальных проводников при переменном токе 50 Гц

Размер	Сечение, мм2	r	X	r	X	r	X	r	X
		при ожидаемой плотности тока в проводнике, А/мм2
		0,5		1,0		1,5		2,0
Полоса прямоугольного сечения
20х4	80	5,24	3,14	4,20	2,52	3,48	2,09	2,97	1,78
30х4	120	3,66	2,20	2,91	1,75	2,38	1,43	2,04	1,22
30х5	150	3,28	2,03	2,56	1,54	2,08	1,25	–	–
40х4	160	2,80	1,68	2,24	1,34	1,81	1,09	1,54	0,92
Полоса прямоугольного сечения
50х4	200	2,28	1,37	1,79	1,07	1,45	0,87	1,24	0,74
50х5	250	2,10	1,26	1,60	0,96	1,28	0,77	–	–
60х5	300	1,77	1,06	1,34	0,80	1,80	1,08	–	–
Проводник круглого сечения
5	19,63	17,0	10,2	14,4	8,65	12,4	7,54	10,7	6,4
6	28,27	13,7	8,20	11,2	6,70	9,4	5,65	8,0	4,8
8	50,27	9,60	5,75	7,5	4,5	6,4	3,84	5,3	3,2
10	78,54	7,20	4,32	5,4	3,24	4,2	2,52	–	–
12	113,1	5,60	3,36	4,0	2,40	–	–	–	–
14	150,9	4,36	2,73	3,2	1,92	–	–	–	–
16	201,1	3,72	2,30	2,7	1,10	–	–	–	–

3.2.3 Заземление нейтрали обмоток источника тока и повторные заземления нулевого защитного проводника. При отсутствии заземления нейтрали обмоток источника тока и замыкании фазы на землю токовая защита не срабатывает и между зануленным оборудованием и землей возникает напряжение, близкое по значению к фазному напряжению. Указанное положение очень опасно.

Повторное заземление нулевого защитного проводника снижает напряжение на зануленных корпусах в период замыкания фазы на корпус. При обрыве нулевого защитного проводника и замыкании фазы на корпус за местом обрыва повторное заземление нулевого защитного проводника значительно уменьшает опасность поражения током, но не устраняет ее полностью.

Повторное заземление осуществляется на концах воздушных линий к электроустановкам, которые подлежат занулению.

В качестве заземлителей для повторного заземления могут быть использованы естественные заземлители (подземные части опор, металлические конструкции и так далее) и, если естественные заземлители отсутствуют, искусственные заземлители.

В сетях, где применяются зануления, нельзя заземлять корпус приемника тока, не присоединив его к нулевому защитному проводнику. В случае замыкания фазы на заземленный, но не присоединенный к нулевому защитному проводнику корпус, между этим корпусом и землей возникает напряжение. при равенстве сопротивлений заземлителей нейтрали обмоток источника тока и корпуса оно равно: В. При этом защита из-за малого значения тока, как правило, не способна отключить установку от сети. Такое же напряжение возникает и между всеми корпусами, присоединенными к нулевому защитному проводнику, и землей.

Одновременно зануление и заземление одного и того же корпуса улучшает условия безопасности, так как создает дополнительное заземление нулевого защитного проводника.

3.2.4 Контроль исправности зануления. По окончании монтажных и ремонтных работ, а также в процессе эксплуатации системы зануления (не реже одного раза в 5 лет) измеряют сопротивление заземления нейтрали и повторного заземления нулевого проводника, проверяют состояние элементов заземляющих устройств, измеряют сопротивление петли фаза–нуль и так далее.

Сопротивление петли фаза–нуль проверяют для наиболее удаленных и наиболее мощных приемников. При измерении сопротивления петли фаза–нуль с помощью вольтметра и амперметра необходимо отключать установку от сети, кроме этой схемы для измерения полного сопротивления петли фаза–нуль существуют схемы без отключения оборудования.