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

– среднее номинальное напряжение сети, подключенной к обмотке низшего напряжения трансформатора, В; R0∑, X0∑ – соответственно суммарное активное и суммарное индуктивное сопротивления нулевой последовательности схемы до точки КЗ, мОм; R1∑, X1∑ – соответственно суммарное активное и суммарное индуктивное - со противления прямой последовательности расчётной схемы относительно точки КЗ, мОм.

В работе [15] приведена упрощенная (достаточно известная) формула для расчёта токов однофазных металлических КЗ

где Ik(1) – ток однофазного КЗ, кА; Uф – фазное напряжение, В (для сетей 0,4 кВ принимается 230 В); zт(1) – полное сопротивление питающего трансформатора току однофазного КЗ на корпус, мОм; zn – полное сопротивление цепи фазный провод– нулевой провод от трансформатора до точки КЗ, мОм.

Сопротивление Zт(1) определяется по формуле:

(1.3)

где R1Т, R2T, R0T – активные сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательности трансформатора соответственно, мОм; Х1Т, Х2Т, Х0Т – индуктивные сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательности трансформатора соответственно, мОм.

Величина сопротивления Zт(1) существенно зависит от схемы соединения обмоток трансформатора. При схеме соединения обмоток Y/Y0 сопротивления Zт(1) значительно больше, чем при схеме соединения обмоток / Y0. Например, расчётное полное сопротивление трансформатора с масляным заполнением, изготовленного в соответствии с ГОСТ11920-73 и ГОСТ 12022-76, мощностью 400 кВА при вторичном напряжении 400 / 230 В и схеме соединения Y / Y0 равно 195 мОм, а при схеме / Y0 – 57 мОм.

11

У сухих силовых трансформаторов, изготовленных в соответствии с ГОСТ14074-76, величина сопротивления Zт(1) практически равна сопротивлениям масляных трансформаторов.

Для облегчения расчётов разработаны таблицы, в которых приводятся значения Zт(1) в зависимости от мощности трансформатора и схемы соединения его обмоток [15, 21].

Вработе [21] отмечается, что указанная в знаменателе формулы (1.2) данного пособия арифметическая сумма сопротивлений даёт увеличенное значение общего сопротивления цепи фаза– нуль и, соответственно меньшее значение тока ОКЗ.

Впоследнее время появилось много работ, в которых приведены

Например в работе [20] показано, что ток однофазного КЗ в электрической сети с трансформатором1000 кВА, рассчитанный по формулам из [5], почти в 2 раза отличается от значения тока ОКЗ, который определяется по методике из [19] (1028 А и 627 А).

В [20] приведены данные сравнительных расчётов токов ОКЗ для электрической сети с силовым трансформатором ТМГ630 кВА, выполненных по методикам [5] и [19]. Расчёты токов ОКЗ производились для 2-х разновидностей: металлический ток ОКЗ; дуговой ток ОКЗ. Разница в результатах расчёта для металлических токах ОКЗ в различных точках сети составляет от0,6–92 %; а для дуговых коротких замыканий – 21,4–56,8 %.

Периодически и перед сдачей в эксплуатацию объектов, получающих энергию от сетей с заземлённой нейтралью, производится проверка соответствия сети зануления требованиям ПУЭ в отношении обеспечения отключения аварийного участка. Проверка производится для наиболее удалённых и наиболее мощных электроприёмников, но не менее 10 % их общего количества.

Надёжное отключение поврежденного участка при замыкании на землю. Зануленный корпус считается обеспеченным(в соответ-

12

ствии с требованиями ПУЭ 6-го издания [14]), если ток ОКЗ IК удовлетворяют условию:

где Iном – номинальный ток плавкой ставки предохранителя или ток уставки расцепителя автоматического выключателя; к – коэффициент, зависящий от вида защиты.

В соответствии с требованиями ПУЭ 7-го издания [11, 12] в сетях глухозаземлённой нейтралью (система TN) время автоматического отключения питания не должно превышать значений, указанных в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения для системы TN

Приведённые значения времени отключения считаются достаточными для обеспечения электробезопасности, в том числе в групповых цепях, питающих передвижные и переносные электроприёмники и ручной электроинструмент класса I.

1.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЕТЛИ ФАЗА – НУЛЬ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ ДО 1000 В С ГЛУХОЗАЗЕМЛЁННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Точное экспериментальное значение сопротивления петли фаза– нуль и токов однофазного короткого замыкания можно получить путём имитации таких замыканий в реальных условиях с осциллографированием процесса. Однако в условиях действующих производств такой метод мало приемлем(необходимо отключение испытуемого электроприёмника или всей сети, а также возможно срабатывание

13

защитного аппарата, посадка напряжения и другие нежелательные явления) и не всегда безопасен(может вызвать значительное напряжение относительно земли корпусов электроприёмников, подключенных к одному нулевому проводу, что особенно опасно, если отключение испытуемой электроустановки не произойдет или затянется). Поэтому на практике применяют косвенные методы измерения с отключением и без отключения напряжения или при сравнительно малых токах (20–40 А) [7, 16, 17, 18].

При измерениях с отключением напряжения применяют схему амперметра – вольтметра (рис. 1.1, а, б).

Схему (см. рис. 1.1, а) можно использовать при измерении сопротивления петли фаза– нуль с отключением от сети испытуемого электроприёмника. Схема состоит из однофазного понижающего трансформатора на напряжение до42 В, реостата, вольтметра и амперметра. Один вывод вторичной обмотки трансформатора подключают к нулевому проводу сети по возможности ближе к силовому трансформатору, а второй – к одному из фазных проводов на рубильнике электроприёмника. Реостатом устанавливают измерительный ток, снимают показания амперметра Iи и вольтметра Uи и определяют сопротивление петли фаза – нуль:

Zn = Un/In.

Рис. 1.1. Схема измерения сопротивления петли фаза – нуль:

а– с отключением от сети испытуемого электроприёмника;

б– с отключением всей сети

14

Эта схема не учитывает сопротивления силового трансформатора и фазного провода от трансформатора до рубильника испытуемой электроустановки, зато учитывает сопротивление проводников измерительной сети. В результате этого при значительном удалении испытуемой электроустановки от питающего трансформатора возникает значительная погрешность.

Схема измерения с отключением всей сети(см. рис. 1.1, б) учитывает сопротивление фазного и нулевого проводов на участке от питающего трансформатора до испытуемой электроустановки, а также сопротивление соединительных проводов, но не учитывает сопротивление силового трансформатора. Схему можно применять при значительном удалении испытуемой электроустановки от силового трансформатора. Схема в этом случае аналогична схеме с отключением от сети испытуемого электроприёмника (см. рис. 1.1, а), только выводы вторичной обмотки понижающего трансформатора подключают к испытуемой сети непосредственно у силового трансформатора.

При использовании этих схем ток ОКЗ определяют по приближенной формуле (см. формулу (1.2)) с учётом сопротивления трансформатора (за счёт арифметического сложения сопротивлений петли фаза– нуль и трансформатора появляется погрешность в сторону увеличения общего сопротивления цепи, т.е. в сторону «запаса» по току).

Методы измерения сопротивления цепи без отключения напряжения основываются на теореме об активном двухполюснике(теорема Тевенена).

В технической литературе приводится несколько методов экспериментального измерения сопротивления петли фаза– нуль [9, 15]. Наиболее простым способом является способ падения напряжения. Схема, поясняющая измерение петли фаза– нуль по этому способу, приведена на рис. 1.2.

Напряжение в испытуемой цепи измеряют с включённым и отключённым сопротивлением R. Сопротивление петли фаза– нуль рассчитывают по формуле

15

где – полное сопротивление петли фаза– нуль, Ом; – напряжение, измеренное при отключенном сопротивлении нагрузки, В; – напряжение, измеренное при включенном сопротивлении нагрузки, В; – ток, протекающий через сопротивление нагрузки.

Следует отметить, что разница между и должна быть значительной.

Рис. 1.2. Схема экспериментального измерения сопротивления петли фаза – нуль методом падения напряжения

Другим экспериментальным способом измерения сопротивления петли фаза – нуль является способ, основанный на использовании отдельного источника питания (рис. 1.3). Сопротивление петли фаза– нуль рассчитывается по формуле

(1.6)

где – сопротивление петли фаза – нуль, Ом; U – измеренное испытательное напряжение, В; I – измеренный испытательной ток, А.

Перед началом измерений необходимо отключить сеть и закоротить первичную обмотку питающего трансформатора.

16

ния токов КЗ в ряде случаев существенно завышают реальные значения токов в 1,5 раза и более…».

Поэтому для действующих электроустановок с целью выявления возможности успешного срабатывания защитных аппаратов рекомендуется определять значения токов однофазного КЗ экспериментальным путём [4, 16].

К настоящему времени разработаны и внедрены в эксплуатационных, пуско-наладочных и испытательных организациях различные приборы и установки для определения параметров цепи фаза – нуль в электроустановках до 1 кВ с системой с глухозаземлённой нейтралью

(система TN) [7, 8, 9, 18].

Вработе [4] приведена структурная схема мобильной установки для экспериментального определения тока однофазного металлического КЗ, которая включает светолучевой осциллограф, датчик тока, пульт управления, включающие и отключающие аппараты.

Вруководствах по эксплуатации конкретных приборов указаны их характеристики и области применения. Например, прибор марки MZC-200 рекомендован для проведения измерений в электрических сетях, в которых реактивной составляющей полного сопротивления петли короткого замыкания можно пренебречь.

Измерение активного сопротивления петли короткого замыкания выполняется методом падения напряжения. Достоинством приборов МZC-200 являются:

–возможность не выполнять дополнительные калибровки, так как в комплектацию его входит набор измерительных проводов различной длины (1,2; 5; 10 и 20 м);

–большой диапазон напряжения, при котором можно выполнить измерения параметров петли фаза – нуль и фаза – фаза (180…440 В);

–относительно низкая цена (ориентировочно 12000–14000 руб.);

–малый вес – 0,25 кг.

Основной недостаток прибора в том, что не измеряется величина индуктивного сопротивления петли.

18

Лучшие характеристики имеет прибор MZC-304 – измеритель параметров цепей электропитания зданий (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Общий вид прибора МZС-304

Прибор MZC-304 имеет корпус со степенью защиты IP67 для работы в неблагоприятных условиях, большой дисплей с контрастной белой подсветкой и унифицированное, для этого типа корпуса, расположение органов управления. Питание измерителя обеспечивают 4 элемента питания типоразмера AA. Меню прибора позволяет указать тип установленных элементов. Функционал модели существенно превосходит возможности измерителей старой серии при соизмеримой стоимости. Диапазон максимально допустимого напряжения на измерительных входах составляет 500 В. Прибор ориентирован на

проведение измерений в электрических сетях с номинальными напряжениями 220 / 380; 230 / 400; 230 / 415 В.

Прибор MZC-304 позволяет выполнять измерение сопротивления петли короткого замыкания не только для цепи фаза– нуль, но и для цепей фаза– фаза, фаза – защитный проводник. Длина используемых измерительных проводников устанавливается в приборе выбором из стандартного набора: 1,2; 5; 10; 20 м.

19

Результат измерения содержит как значение полного сопротивления петли короткого замыкания, так и его компоненты: активную и реактивную составляющие. На основании этих значений прибор производит расчёт ожидаемого тока короткого замыкания.

На круговом переключателе режимов обозначены две дополнительные функции – измерение сопротивления малым током и током +200 мА, что незаменимо при измерении переходных сопротивлений (металлосвязи) с разрешением 0,01 Ом. Все результаты измерений можно легко заносить в память измерителя, которая содержит 990 групп хранимых результатов. Дальнейшая обработка данных возможна на компьютере. Связь с компьютером осуществляется исключительно через беспроводной интерфейсOR-1, который присутствует в стандартной комплектации. Прибор поддерживается как бесплатной программой для импорта результатов измеренийSONEL READER, так и отдельным продуктом СОНЭЛ ПРОТОКОЛЫ.

Производитель приборов серииMZC – фирма Sonel, Польша (ориентировочная цена 41510 руб. – на начало февраля 2019 г.).

Хороший показатель цена– качество имеет тестер – измеритель сопротивления петли фаза – нуль и тока короткого замыкания марки

CЕM DT-5301 (рис. 1.5).

Тестер CEM DT-5301 представляет собой цифровой измеритель сопротивления петли фаза – нуль, а также тока короткого замыкания. Комбинированное отображение результатов измерений повышает оперативность считывания данных: CEM DT-5301 выводит цифровую информацию на ЖК-экран, а три светодиода используются в качестве индикаторов вида проводника и его назначения. При ошибочном подключении фазы и нейтрали к розетке оператор получает визуальное предупреждение с указанием неправильного соединения.

Измерение сопротивления производится с высоким разрешением 0,01 Ом на трёх диапазонах: 20, 200 и 2000 Ом. Для каждого уровня сопротивления тестер CEM DT-5301 подаёт испытательный ток соответствующей величины: 25; 2,3 А и 15 мA. Особенностью прибора является применение малого тока 15 мА для определения предельного значения сопротивления в 2000 Ом.

20