Экспериментальное определение параметров цепи фаза – нуль в электрических сетях до 1000 В с глухозаземлённой нейтралью. Учебно-методическое пособие

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

К а ф е д р а «Электрические станции»

В.М. ДАШКОВ, Я.В. МАКАРОВ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЦЕПИ ФАЗА – НУЛЬ

ВЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ ДО 1000 В

СГЛУХОЗАЗЕМЛЁННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Учебно-методическое пособие

Самара Самарский государственный технический университет

2020

1

Печатается по решению ученого совета СамГТУ(протокол №8 от

28.03.2019 г.).

УДК 621.31(075.8) ББК 31.2я73 Д 217

Дашков В.М.

Экспериментальное определение параметров цепи фаза– нуль в электрических сетях до 1000 В с глухозаземлённой нейтралью: учебно-метод. по-

собие / В.М. Дашков, Я.В. Макаров. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2020. – 53 с.

Рассмотрены особенности расчётного и экспериментального определения параметров (полное, активное и индуктивное сопротивления петли фаза – нуль, ток однофазного короткого замыкания) электрических сетей до 1000 В с глухозаземлённой нейтралью.

Приведено описание конструкции прибора ИФН-200 и рассмотрена последовательность операций при выполнении измерения параметров цепи фаза– нуль.

Данная работа предназначена для студентов бакалавриата, обучающихся по очной и заочной форме обучения направления подготовки13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», при изучении дисциплины«Специальный курс тепловых электрических станций».

Может быть полезным слушателям курсов повышения квалификации и профессиональной подготовки специалистов электроэнергетического профиля.

УДК 621.31(075.8) ББК 31.2я73 Д 217

Ре ц е н з е н т : канд. техн. наук, доцент Л.Г. Мигунова

©В.М. Дашков, Я.В. Макаров, 2020

©Самарский государственный технический университет, 2020

2

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АВ – автоматический выключатель ЗА – защитный аппарат КЗ – короткое замыкание

КС – контактное соединение ОКЗ – однофазное короткое замыкание ОЩ – осветительный щиток

ПУЭ – правила устройства электроустановок РД – руководящий документ ТОЭ – теоретические основы электротехники

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Надёжная работа электрических сетей напряжением до1000 В с глухозаземлённой нейтралью, безопасность при их эксплуатации во многом зависят от правильного выбора параметров защитных аппаратов (плавкие предохранители, автоматические выключатели) и сечения фазных и нулевых проводников.

Правильный выбор характеристик защитного аппарата(ЗА), установленного в таких сетях, существенно зависит от точного знания параметров цепи фаза – нуль от источника питания до рассматриваемой точки (узла) электрической сети и точности определения величины прогнозируемого тока однофазного короткого замыкания.

Требования к выбору параметров ЗА устанавливаются правилами устройства электроустановок. В последнем издании эти требования направлены в основном на обеспечение нормированного времени отключения аварийного участка сети.

Авторы многих научных работ констатируют факт значительного различия фактических значений токов однофазного короткого замыкания в конкретной точке сети от расчётных значений, полученных на этапе проектирования этой сети. Поэтому действующими нормами указывается на необходимость выполнения работ по экспериментальному определению токов однофазного короткого замыкания.

В настоящее время имеется значительное количество приборов, позволяющих экспериментально определять сопротивления цепи фаза – нуль» и ток однофазного короткого замыкания электрических сетях до 1000 В с глухозаземлённой нейтралью.

Учебных и методических изданий, в которых рассматриваются особенности работы, достоинства и недостатки таких приборов, недостаточно.

Основные задачи данного пособия – помочь обучающимся в изучении основ расчёта параметров цепи фаза– нуль, ознакомить с методами экспериментального определения параметров указанной цепи, получить знания по работе с измерителем параметров цепи фаза– нуль типа ИФН-200.

4

ВВЕДЕНИЕ

Важной проблемой электроэнергетики России является значительный рост аварийных ситуаций, несчастных случаев с электротехническим персоналом и наличием пожаров и .т.пв электрических установках напряжением до 1000 В с глухозаземлённой нейтралью.

Одной из главных причин указанных неприятностей часто является нечёткая работа защитных аппаратов(автоматические выключатели, плавкие предохранители), установленных в системах электроснабжения конкретных объектов. В свою очередь причиной несрабатывания -за щитных аппаратов является несоответствие их характеристик фактическим значениям токов однофазного короткого замыкания.

Поэтому важной задачей является периодическая проверка фактических параметров петли фаза– нуль. Для экспериментального определения параметров петли фаза– нуль и прогнозируемых токов однофазного короткого замыкания используются различные типы приборов.

В первой главе рассмотрены особенности расчётных методов определения тока однофазного короткого замыкания в электрических сетях до 1000 В с глухозаземлённой нейтралью. Показаны причины, которые приводят к разным значениям рассматриваемых токов для конкретной точки сети, полученных расчётным путём и при экспериментальных измерениях.

Приведено краткое описание нескольких марок приборов, предназначенных для экспериментального измерения прогнозируемого тока однофазного короткого замыкания.

Во второй главе подробно рассмотрена последовательность операций при работе с прибором ИФН-200 по экспериментальному определению параметров цепи фаза– нуль. Приведены результаты измерения параметров с использованием этого прибора для электрических сетей некоторых жилых и учебных зданий.

5

1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1. РАСЧЁТНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКА ОДНОФАЗНОГО КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В СЕТЯХ ДО 1000 В С ГЛУХОЗАЗЕМЛЁННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Одним из этапов проектирования электрических сетей до1000 В различного функционального назначения является расчёт токов -од нофазного короткого замыкания(ОКЗ). Результаты таких расчётов необходимы для правильного выбора параметров защитных аппаратов, сечений проводников и исключения вероятности возникновения ситуаций поражения персонала электрическим током и пожаров.

Во многих директивных документах, публикациях специалистов в области электротехники указывается на необходимость обеспечения электробезопасности и пожарной безопасности при соблюдении конкретных технических требований и условий в электрических -се тях и электроустановках напряжением до 1 кВ [2, 10, 13].

Необходимость усиления мер по электробезопасности и пожарной безопасности обусловлена результатами обработки статистических материалов по авариям в электроустановках, повлекших пожары и несчастные случаи с людьми, животными, птицей и т.п. Данные МЧС, ВНИИ пожарной охраны(ВНИИПО) и других организаций свидетельствуют об увеличении числа пожаров, в которых первопричиной является возгорание в электроустановках.

Например, в 1995 г. число таких пожаров составляло 56 % от общего числа пожаров, причём число людей, погибших в этих пожарах, было 643. В 2016 г. из-за нарушения правил эксплуатации электрооборудования возникло 41181 пожаров, что составило 29,5 % от количества всех пожаров.

В большинстве случаев первопричиной возникновения пожаров были перегрев и возгорание проводов и кабелей из-за неуспешного срабатывания защитных аппаратов (ЗА).

6

Особенно актуальна задача обеспечения успешной работы ЗА в электрических сетях жилых, вспомогательных помещений, зданий индивидуального строительства в городах, поселках и сельской местности. В перечисленных электрических сетях в большинстве случаев при расширении площади объекта(строительство дополнительных жилых помещений, дополнительных вспомогательных хозяйственных построек и т.п.) увеличивается протяженность линий 0,4/0,22 кВ от существующего вводного устройства данного объекта. В результате этого увеличивается сопротивление петли фаза– нуль и уменьшается ток однофазного короткого замыкания(ОКЗ) и увеличивается время отключения.

Выбор параметров защитных аппаратов, характеристик элементов систем электроснабжения напряжением до1000 В (плавкие предохранители, автоматические выключатели, сечение и материал токопроводящих жил кабелей, магистральных и распределительных шинопроводов, производится с учётом многих факторов и показателей, в том числе, с учётом величины тока ОКЗ [1, 11, 19]. Однако учёт всех факторов, влияющих на величину тока однофазного КЗ, особенно на стадии проектирования систем электроснабжения объекта, очень затруднён. Поэтому при расчёте токов КЗ в сетях переменного тока напряжением до 1000 В нормативными документами допускается принимать определённые упрощения [3, 5].

Ток однофазного КЗ является функцией многих переменных. На основе результатов анализа материалов работы [3, 5, 10, 15, 19] можно выделить следующие параметры системы электроснабжения, которые необходимо учитывать при расчёте токов ОКЗ с целью получения наиболее достоверных значений:

–активное и индуктивное сопротивления прямой последовательности элементов схемы относительно точки КЗ;

–активное и индуктивное сопротивления нулевой последовательности схемы относительно точки КЗ;

–активное сопротивление контактов и контактных соединений, имеющихся в схеме относительно точки КЗ;

7

–активное сопротивление дуги в месте КЗ;

–активное и индуктивное сопротивления первичных обмоток трансформаторов тока;

–активное и индуктивное сопротивления токовых катушек и переходных сопротивлений подвижных контактов автоматических выключателей.

В свою очередь, каждый из указанных выше параметров зависит от конкретного исполнения, конструкции и ряда особенностей того или иного элемента схемы, входящего в расчётную схему [15, 19].

Например, весьма сложно учесть активное сопротивление различных контактов и контактных соединений(КС), имеющихся в расчётной схеме. В работе [15] приведены данные для приближенного учёта сопротивления КС для кабелей, шинопроводов и коммутационных аппаратов.

В общем случае суммарное активное сопротивление контактов и КС цепи фаза– нуль включает сопротивление зажимов на вводах и выводах конкретного элемента электрической цепи, разъёмные контакты коммутационных и защитных аппаратов(плавкие предохранители, рубильники и т.п.) [3, 15, 19, 21]. В указанных работах приведены таблицы, в которых приведены значения активного сопротивления многих видов контактов и КС.

Например, в работе [15] для автоматических выключателей (АВ) приведены суммарные сопротивления катушек расцепителей и контактов. Следует отметить, что величина этих суммарных сопротивлений достаточно велика и составляет от0,75 мОм у выключателей на номинальный ток 2000 А до 7 мОм у выключателей на ток 50 А (для сравнения активное сопротивление петли фаза– нуль участка линии протяженностью 1 м, выполненной кабелем ВВГ-3х4+1,25, ориентировочно равно 7 мОм).

Необходимо обратить внимание на то, что данные о величине активного сопротивления КС одинакового исполнения, конструкции и т.д., приводимые в различных источниках, существенно отличаются.

Например, суммарное сопротивление катушки расцепителя АВ на

8

номинальный ток 1000 А и его контактов в соответствии с[21] равно 0,27 мОм, а по данным работы [15] – 0,75 мОм.

Ещё большие трудности при расчёте токов ОКЗ в электрических сетях до 1000 В с глухозаземлённой нейтралью возникают при учёте активного сопротивления электрической дуги RД в месте КЗ. В работе [3] отмечается, что RД определяется на базе вероятностных характеристик влияния устойчивой дуги на ток КЗ.

Для определения среднего значения активного сопротивления дуги в начальный момент КЗ предлагается предварительно рассчитать среднестатическое значение поправочного коэффициента Кс, который учитывает снижение тока в начальный момент дугового КЗ по сравнению с током металлического короткого замыкания [3].

Внекоторых работах приводятся результаты исследований по построению графических зависимостей сопротивления дуги от сечения и длины проводников.

Определённые трудности возникают и при необходимости учёта изменения активного сопротивления проводников при КЗ [3].

Увеличение активного сопротивления проводников, обусловленное нагревом их током короткого замыкания, как при металлическом, так и при дуговом КЗ, рекомендуется определять с использованием коэффициента увеличения активного сопротивления проводника.

Вработе [3] приведены 2 рисунка, на которых изображены кривые зависимости указанного коэффициента от сечения кабелей, материала токоведущих жил, величины и продолжительности тока дугового устойчивого КЗ.

Вработе [21] приводится формула для определения активного

лочных жил проводов и кабелей, обусловленное скруткой;

9

CПЭ – коэффициент поверхностного эффекта при переменном токе, который определяется по правилам теоретических основ электротехники (ТОЭ).

По нашему мнению применение такой методики для практических расчётов затруднено.

Всистемах электроснабжений многих объектов(особенно промышленных) широко применяются магистральные и распределительные шинопроводы, у которых конструкция нулевого токопровода имеет свои особенности. Эти особенности обуславливают повышенное индуктивное сопротивление в цепи фазная шина– нулевой токопровод, величина которого приводится в специальных таблицах некоторых работ [21].

Например, у магистрального шинопровода ШМА73 на номинальный ток 1600 А погонное индуктивное сопротивление фазы равно 0,017 Ом/км, погонное индуктивное сопротивление нулевого токопровода – 0,081 Ом/км при погонном активном сопротивлении фазы – 0,031 Ом/км и активном сопротивлении нулевого токопровода–

0,041 Ом/км.

Кнастоящему времени опубликовано достаточное количество научных публикаций, нормативных документов, посвящённых рассмотрению расчётных методов определения тока однофазного КЗ в электроустановках напряжением до 1 кВ [3, 5, 10, 15].

Рассмотрим некоторые расчётные методы определения тока ОКЗ.

Вработе [3] предписывается выполнять расчёт с использованием метода симметричных составляющих, который рассматривается в курсе ТОЭ. Для случаев электроснабжения электроустановки напряжением до 1 кВ от энергосистемы через понижающий трансформатор начальное значение периодической составляющей тока однофазного КЗ следует рассчитывать по формуле

10