16

Зануление служит для защиты людей от поражения электрическим током при замыкании электрической цепи на корпус электроустановки.

Зануление следует выполнять:

1. при напряжении 380В и выше переменного тока и 440В и выше постоянного тока – во всех электроустановках;

2. при номинальных напряжениях выше 42В, но ниже 380В переменного тока и выше 110В, но ниже 440В постоянного тока – только в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных установках.

3. при напряжении до 42В переменного и 110В постоянного тока зануление не требуется, кроме случаев, когда металлические оболочки и броня контрольных и силовых кабелей и проводов проложены на общих металлических конструкциях, в том числе в общих трубах, коробах, лотках и т.п., вместе с кабелями и проводами, металлические оболочки и броня которых занулены.

Во взрывоопасных зонах любого класса подлежат занулению также электроустановки при всех напряжениях до 1000В переменного и постоянного тока.

К частям, подлежащим занулению, относятся: корпуса электрических машин, трансформаторов, аппаратов, выключателей светильников и т.п.; приводы электрических аппаратов; вторичные обмотки измерительных трансформаторов, металлические конструкции распределительных устройств, металлические оболочки и броня контрольных и силовых кабелей, контрольных и наладочных стендов, корпуса передвижных и переносных приемников, а также, электрооборудование, размещенное на движущихся частях станков, машин и механизмов.

Не требуется преднамеренно занулять корпуса электрооборудования, аппаратов и электромонтажных конструкций и др., установленных, на зануленных металлических конструкциях, при условии обеспечения надежного электрического контакта с зануленными основаниями.

Цель зануления – быстро отключить электроустановку от сети при замыкании одной (или двух) фазы на корпус. Обеспечить безопасность прикосновения человека к зануленному корпусу в аварийный период.

В связи с выше изложенным, расчет зануления сводится к проверке его отключающей способности, т.е. правильности выбора проводимости нулевого защитного проводника и оценке опасности повреждения электрическим током человека, касающегося в момент аварии корпуса оборудования.

При проектировании зануления должны быть выполнены следующие требования ПУЭ:

В электроустановках до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью с целью обеспечения автоматического отключения аварийного участка проводимость фазных и защитных проводников должна быть выбрана такой, чтобы при замыкании на корпус или на нулевой защитный проводник возникал ток короткого замыкания (КЗ), превышающий не менее чем в три раза (кратность К) номинальный ток I_нп¹ плавкого элемента ближайшего предохранителя и в три раза номинальный ток не регулируемого расцепителя или уставку тока регулируемого расцепителя автоматического выключателя, имеющего обратную зависимую от тока характеристику.

ВНИМАНИЕ! Во взрывоопасных зонах любого класса кратность тока КЗ должна быть увеличена соответственно до 4 для плавких вставок предохранителей и до 6 для автоматического выключателя, имеющего обратно зависимую от тока характеристику.

При защите сетей автоматическими выключателями, имеющими только Электромагнитный расцепитель (отсечку), проводимость указанных проводников должна обеспечивать ток не ниже уставки тока мгновенного срабатывания, умноженной на коэффициент, учитывающий разброс (по заводским данным), и на коэффициент запаса 1,1 . При отсутствии заводских данных для автоматических выключателей с номинальным током до 100 А кратность тока КЗ относительно уставки тока расцепителя следует принимать не менее 1,4, а для автоматических выключателей с номинальным током более 100 А - не менее 1,25.

Полная проводимость нулевого защитного проводника во всех случаях должна быть не менее 50% проводимости фазного проводника.

В качестве нулевых защитных проводников должны быть в первую очередь использованы нулевые рабочие проводники. (Не допускается использовать в качестве нулевых защитных проводников нулевые рабочие проводники, идущие к переносным электроприемникам однофазного и постоянного тока. В этих случаях должен быть применен отдельный третий проводник, присоединяемый во вторичном соединителе ответвительной коробки, в щите, щитке, сборке и т.п. к нулевому рабочему или нулевому защитному проводнику.)

В качестве нулевых защитных проводников могут быть использованы:

• специально предусмотренные для этой цели проводники;

• металлические конструкции здания (формы, колонны и т.п.);

• арматура железобетонных строительных конструкций и фундаментов;

• металлические конструкции производственного назначения (подкрановые пути, каркасы распределительных устройств, галереи, площадки, шахты лифтов, подъемников, элеваторов, обрамления каналов и т.п.);

• стальные трубы электропроводок;

• алюминиевые оболочки кабелей;

• металлические кожухи и опорные конструкции шинопроводов, металлические короба и лотки электроустановок;

• металлические стационарные открыто проложенные трубопроводы всех назначений, кроме трубопроводов горючих и взрывоопасных веществ и смесей, канализации и центрального отопления.

Указанные проводник, конструкции и другие элементы могут служить единственным нулевыми защитными проводниками, если они по проводимости удовлетворяют требованиям ПУЭ и если она обеспечена непрерывностью электрической цепи на все протяжении использования. В других случаях они могут использоваться в качестве дополнительных защитных нулевых проводников.

Наименьшие размеры нулевых защитных проводников приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Наименьшие размеры заземляющих и нулевых

защитных проводников.

продолжение таблицы 1.

При прокладке проводов в трубах сечение нулевых защитных проводников допускается применять равным 1 мм², если фазные проводники имеют то же сечение.

Принципиальная схема зануления приведена на рисунке 1.

Расчетная схема зануления на отключающую способность в сети переменного тока приведена на рисунке 2.

Рис. 1. Принципиальная схема сети переменного тока с занулением:

Uф – фазное напряжение сети, В; П - предохранители; a, b, c – фазные проводники; Н – нулевой защитный проводник; Rо – заземление нейт-

рали; Rп – повторное заземление нулевого провода.

Рис.2. Полная расчетная схема зануления.

Из схемы видно,что ток короткого замыкания Iкз в фазном проводе зависит от фазного напряжения Uф и полного сопротивления цепи, складывающегося, в том числе, из полных сопротивлений обмотки трансформатора Zт/3, фазного проводника Zф , нулевого защитного проводника Zн, внешнего индуктивного сопротивления петли, фазный проводник – нулевой защитный проводник (петля фаза - нуль) Xп, активных сопротивлений повторного заземления нулевого проводника Rп и заземление нейтрали трансформатора Rо.

Поскольку Ro и Rп, как правило, велики по сравнению с другими элементами цепи, параллельная ветвь, образованная ими, создает незначительное увеличение тока КЗ, что позволяет пренебречь им. В то же время, такое допущение ужесточает требование к занулению и значительно упрощает расчетную схему, представленную на рис.3.

Рис.3. Расчетная схема зануления.

В этом случае выражение для тока КЗ в комплексной форме будет, А

;

где Uф - фазное напряжение сети, В; Zт – комплекс полного сопротивления обмоток трехфазного источника тока (трансформатора), Ом;

Zф = Rф + jХф - комплекс полного сопротивления фазного провода, Ом;

Zн = Rн + jXн - комплекс полного сопротивления нулевого защитного проводника, Ом; Rф и Rн – активные сопротивления фазного и нулевого защитного проводников, Ом;

Хф и Хн - внутреннее индуктивное сопротивление фазного и нулевого защитного проводников, Ом;

Хп – внешнее индуктивное сопротивление контура (петли); фазный проводник – нулевой защитный проводник (петля фаза - нуль), Ом;

Zф+Zн+jХп=Zн – комплекс полного сопротивления петли фаза-нуль, Ом.

С учетом последнего

; (1)

При расчете зануления принято применять допущение, при котором для вычисления действительного значения (модуля) тока короткого замыкания I_кз модули сопротивлений обмотки трансформатора Zт/3 и петли фаза-нуль Zп складывается арифметически.

Это допущение также ужесточает требования безопасности и поэтому возможно, хотя и вносит некоторую неточность (около 5%).

Полное сопротивление петли фаза-нуль в действительной форме (модуль) можно определить из выражения, Ом.

; (2)

Формула для проверочного расчета определяется из выражений (1) и (2) с учетом коэффициента кратности  тока короткого замыкания, определяемого требованиями к занулению,

;

Здесь I_нп - номинальный ток плавкой вставки, которой защищен электроприемник.

Для предохранителей, предназначенных для защиты электроприемников или участков электросети, имеющих небольшие пусковые токи (электронагревательные приборы, электроосветительные установки и т.п.), токи плавких вставок I_нп должны быть больше или равны номинальным токам этих электроприемников I_нэ или расчетным токам участков электросети:

Для предохранителей, предназначенных для защиты отдельных асинхронных электродвигателей и электропроводок к ним, токи плавких вставок должны удовлетворять условию

;

где I_н – номинальный ток электродвигателя, А; _i – кратность пускового тока;  - коэффициент, учитывающий условия пуска электродвигателя.

Для электродвигателей механизмов с легким условием пуска (несчастные пуски, продолжительность пуска не более 10 с) =2,5, а для электродвигателей механизмов с тяжелыми условиями пуска (большая длительность разгона, t>10с, частные пуски и т.п.) =2,0-1,6 /I/

Кратность пускового тока для двигателей малой мощности и без нагрузки на валу _i=4-5.

Для двигателей большей мощности (от нескольких киловатт и выше) с тяжелым условием пуска _i=5-7.

Значение полного сопротивления масляных трансформаторов во многом определяется мощностью трансформатора, напряжением первичной обмотки, схемой соединения его обмоток, конструкцией трансформатора (толщиной стенок, объемом бака, наличием и конструкцией охлаждающих труб, ферромагнитными свойствами стали сердечника и т.п.).

При расчетах зануления это значение может быть взято из таблицы 2.

Из сопротивления значений полных сопротивлений трансформаторов с различными схемами соединения обмоток следует, что трансформаторы, имеющие схему соединения и, имеют значительно меньшие сопротивления и должны иметь предпочтение при выборе источника питания как обеспечивающие лючшие условия безопасности при системе зануления.

Таблица 2

Приближенные значения расчетных полных сопротивлений

Zт обмоток трехфазных трансформаторов для U_втор 380/220В.

S,	U,	Zт, Ом		S,	U,	Zт, Ом
кВА	кВ	Υ/¥	∆/¥	кВА	кВ	Υ/¥	∆/¥
			Υ/▲				Υ/▲
25	6-10	3,110	0,906	400	6-10	0,195	0,056
40	6-10	1,949	0,562		20-35	0,191	-
63	6-10	1,237	0,360	630	6-10	0,129	0,042
	20-35	1,136	0,407		20-35	0,121	-
100	6-10	0,779	0,226	1000	6-10	0,081	0,027
	20-35	0,764	0,327		20-35	0,077	0,032
160	6-10	0,487	0,141	1600	6-10	0,054	0,017
	20-35	0,478	0,203		20-35	0,051	0,020
230	6-10	0,312	0,090
	20-35	0,305	0,130

Значения активных сопротивлений медных и алюминиевых проводников определяются по известному выражению:

R=ρ/s;

где s – сечение проводника, мм²; t - длина проводника, м;

 - удельное сопротивление проводника, равное для меди 0,018 Ом мм²/м;, для алюминия – 0,028 Ом мм²/м;

Сечение алюминиевой оболочки кабеля может быть взято из таблицы 3.

Таблица 3

Сечение алюминиевых оболочек кабелей (напряжением до 1 кВ).

Сечение жил, мм2	6	10	16	25	35	50	70	95	120	150	185	240
Сечение алюминиевой оболочки, мм2.	33	37	43	46	57	65	82	102	115	128	165	200

Таблица 4

Сопротивления ^* водопроводных труб при переменном токе f=50 Гц.

* - Здесь и далее сопротивления даны в Ом.

Таблица 5

Сопротивления стальных электросварных труб при переменном токе f=50 Гц.

Таблица 6

Сопротивление стальных полос при переменном токе f=50Гц.

Таблица 7

Сопротивление круглых стальных проводников при переменном токе f=50Гц.

Таблица 8

Сопротивления профильной стали при переменном токе f=50Гц (по данным измерений).

При этом также следует знать профиль и сечение проводника, его длину и ожидаемое значение тока КЗ.

Величина внешнего индуктивного сопротивления, Ом/м, на единицу длины линии петли фаза-нуль определяется из известной формулы для двух проводной линии с проводами круглого сечения одинакового диаметра:

(3)

где W – угловая частота, W =2f=314 рад/с;

L – индуктивность линии, Гн;

_о = 4*10^-7 Гн/м;

l – длина линии, м;

d – расстояние между проводниками, м (рис 4);

r – радиус проводника, м;

Отсюда:

(4)

Значения Х_п можно получить также из таблицы 9.

Рис .4. Расположение фазного и нулевого проводников.

Таблица 9.

Значения внешнего индуктивного сопротивления для различных диаметров.

Как показывают измерения, сопротивление петли фаза-нуль в условиях эксплуатации, сопротивления контактов и мелкие участки цепи (трансформатор-щит, двигатель-пускатель и т.п.) имеют значение и пренебрегать ими нельзя, особенно когда сопротивление петли находится на пределе допустимых величин. В расчете эти сопротивления целесообразно учесть с помощью коэффициента запаса 1.1 к расчетному сопротивлению петли фаза-нуль. Тогда формула для тока КЗ примет вид:

(5)

Порядок расчета.

0. Исходные данные.

1. Составляется схема замещения цепи однофазного замыкания на корпус (от подстанции до электроприемника).

2. Определяются активные и индуктивные сопротивления элементов цепи фазных, нулевых или зануляющих проводников на всех участках цепи.

3. Определяется полное сопротивление трансформатора.

4. Определяется полное сопротивление всей цепи, т.е. петли фаза-нуль с учетом коэффициента запаса 1.1

5. Определяется ток короткого замыкания по формуле 5.

6. Определяется кратность тока короткого замыкания по отношению к номинальному току плавкой вставки или току уставки автомата и соответствие ее требованиям Правил.

При отрицательном результате применяются соответствующие меры (более короткие и простые тросы, приближение подстанций, увеличение сечений проводов, отказ от стальных проводников зануления).

При расчетах по приближенной формуле определяются активные и индуктивные сопротивления всех участков сети и трансформатора Zт. Во избежание внесения дополнительной погрешности при определении сопротивления петли Zп полные сопротивления определяются по участкам и по петле в целом.

Удельное сопротивление алюминиевой жилы =0,031 Ом мм²/м;

Удельное сопротивление алюминиевой оболочки =0,0283 Ом мм²/м;

Удельное сопротивление свинцовой оболочки =0,22 Ом мм²/м;

Для повышения эффективности не следует:

• завышать ток плавких вставок или уставки автоматов;

• защищать несколько двигателей одним автоматом или одним комплектом предохранителей.

Пример расчета.

Исходные данные:

1. Напряжение сети U_ф, В.

2. Мощность трансформатора S, кВА.

3. Мощность электроприемника S_п, кВА.

4. Тип защиты (выбирается).

5. Расстояние от трансформатора до потребителя l, м.

1. Определить ток нагрузки электроприемника:

Если двигатель, то

Если однофазный потребитель, то

2. Выбрать тип защиты:

а) плавкие вставки (предохранители);

б) автоматический выключатель;

3. Определить ток плавкой вставки:

а) для асинхронных двигателей и электропроводок к ним

Выбрать коэффициент кратности пускового тока.

К_i – кратность пускового тока, для двигателей малой мощности и без нагрузки на валу к_i = 4 5;

для двигателей большей мощности (от нескольких киловольт-ампер и выше) с тяжелыми условиями пуска к_i = 5 7.

 - коэффициент, учитывающий условия пуска электродвигателя:

• для электродвигателя с легкими условиями пуска (нечастые пуски, продолжительность пуска не более 10с.)  = 2,5;

• для электродвигателя с тяжелыми условиями пуска (большая длительность разгона

(t > 10с.), частые пуски и т.п.)  = 2,0 1,5;

б) для электроприемников или участков электросети, имеющих небольшие пусковые токи (электронагревательные приборы, электроосветительные установки и т.п.) токи плавких вставок Iнпв должны быть больше или равны номинальным токам этих электроприемников или расчетным токам участков электросети: Iнпв Iнз,  = 0,9 к_i ;