7. Проектирование зануления электроустановок

7.1. Методика проектирования

Проектирование зануления ЭУ или электрооборудования (ЭО) реализуется в три этапа. На первом (подготовительном) этапе собирают сведения:

1) по отключающей способности зануления - мощность (S, кВ*А) и конструктивное исполнение (масляный или сухой) трансформатора, напряжение и схемы соединения (D/Y0 или Y / Y0 ) его обмоток, длина ( l, м), сечение (S, мм*мм и материал (медь, алюминий или сталь) фазных и нулевого защитного проводников (НЗП), тип защиты ЭУ (плавкие предохранители или автоматический выключа­тель) и величину номинального тока плавкого элемента ближайшего предохранителя или тока срабатывания автомата (или);

2) по заземлению нейтрали трансформатора - данные об естественных заземлителях и их сопротивлениях Rе, форма и размеры искусственных заземлителей, из которых предполагается изгото­вить проектируемое ЭУ, предполагаемая глубина погружения их в землю, данные по удельному сопротивлению грунта r в месте расположения ЗУ;

1. о повторных заземлителях НЗП воздушной ЛЭП - те же сведе­ния, что и по заземлению нейтрали трансформатора (см. выше), а также возможное количество повторных заземлителей на этой ЛЭП с учетом требований ПУЭ, указанных в п. 3 примечания.

Примечания. 1. Величина Re может быть задана или же вычислена по формуле табл. 6.5 в зависимости от типа естественного заземлителя.

2. Если известен грунт, где будет заложен заземлитель, то мож­но определить по табл. 6.3 значение rтабл (лучше брать среднюю величину).

- 81 -

3. Согласно 1.7.63 ПУЭ [15] повторные заземления НЗП предусматриваются на концах воздушной ЛЭП (или ответвлений от них) длиной более 200 м,а также на вводах от этой ЛЭП к ЭУ или ЭО.

На втором этапе ведут конкретный электротехнический рас­чет по определению условий, при которых проектируемое зануление быстро отключит поврежденную ЭУ от электросети и обеспечит безопасность прикосновения к ее зануленному корпусу в аварий­ный период. Поэтому осуществляют 1) расчет на отключающую спо­собность проектируемого зануления для всех ЭУ, но не менее 10% питающихся ЭУ от данного трансформатора (в проверяемое коли­чество установок должны входить ЭУ, имеющие наибольшую мощность, длину питающего кабеля и наименьшее сечение фазных про­водов в данном кабеле); 2) расчет ЗУ для нейтрали трансформа­тора и 3) расчет повторного заземлителя НЗП воздушной ЛЭП, ес­ли рассматриваемые ЭУ питаются от данной ЛЭП.

Расчет на отключающую способность проектируемого зануле­ния ЭУ выполняют следующим образом.

1. Определяют сечение фазных проводов по току нагрузки зануляемой ЭУ (например, электродвигателя мощностью Pg, кВт). Для этого находят ток нагрузки Jg, А, электродвигателя по формуле

(7.1)

где Uн - номинальное линейное напряжение, В; cosj-ко­эффициент мощности электродвигателя (берут номинальный cosj=О,91...0.93); hд- кпд электродвигателя (берут 0.91,..0.92).

Затем вычисляют расчетный ток плавкой вставки J’пл.вст, А, по формуле

(7.2)

где Jп - пусковой ток электродвигателя, который в 5...7 раз больше Jд, А.

По величине J’пл.вст принимают проектный ток плавкой вставки Jпл.вст, А, который должен быть несколько больше J’пл.вст (например. Jпл.вст = 200 А при J’пл.вст = 187,8 А). По J пл.вст выбирают плавкий предохранитель (например, типа ПН2-100), воспользовавшись рис. 23.6 справочника [l8]. С пози­ции электробезопасности лучшим предохранителем является предохранитель с малым временем плавления.

После этого рассчитывают сечение фазных проводов, мм², че­рез экономическую плотность тока Jфп (см. табл. 1.3.36 ПУЭ [15]) по формуле

(7.3)

- 82 -

По найденному Sфп выбирают ближайшее стандартное сечение фазных жил Sф по табл. 1.3.4...1.3.11 или 1.3.13...1.3.18 ПУЭ [15] с обязательным указанием допустимого длительного тока при соот­ветствующей прокладке кабеля.

Примечания.1. Выбор сечения фазных проводов выполняют студенты при отсутствии таких данных по первому этапу проектирования. 2. Студенты направления "Электроэнергетика" и специальности "Электроснабжения" обязательно выполняют такой выбор.

2. Определяют требуемый по ПУЭ ток однофазного КЗ,А, по

формуле

(7.4)

где К - коэффициент кратности тока согласно ПУЭ (см. ни­же); Jн - номинальный ток плавкого элемента ближайшего предох­ранителя или ток срабатывания автоматического выключателя, А (в нашем случае, Jпл.вст).

Согласно ПУЭ [15] значение коэффициента К принимается в зависимости от типа защиты ЭУ. Так, при защите ЭУ плавкими предохранителями К ³ 3 (во взрывоопасных помещениях К³4); автоматическим выключателем, имеющим обратнозависимую от тока характеристику, К³3(во взрывоопасных помещениях К ³б);

автоматическим выключателем, имеющим только электромагнитный расцепитель (отсечку), при Jн до 100 А К³1.4, а при Jн более 100 А К > 1.25.

3. Вычисляют сопротивление петли "фаза - нуль" Zп, Ом, по формуле

(7.5)

где Rф и Rнзп - активные сопротивления фазного и нулевого защитного проводников соответственно, Ом: Хф и Хнзл - внутренние индуктивные сопротивления фазного и нулевого защитного проводников соответственно, Ом; Хn - внешнее индуктивное со­противление петли "фаза - нуль", Ом.

В формуле (7.5) неизвестными являются сопротивления НЗП Rнзп и Хнзп, которые зависят как от сечения, так и материала проводника. Однако ПУЭ [15] устанавливают, чтобы общая прово­димость этого проводника была не менее 50% общей проводимости вывода фаз, т.е. 1/Zнзп³0.5*Zф или Zнзп£2*Zф, если они выполнены из одного металла. Тогда сечение НЗП Sнзп³0,5*Sф (где Sф - се­чение фазного проводника, мм²). Если же эти проводники выпол­нены из разного металла (например, фазный - из меди, а НЗП - из алюминия), то Sнзп³0,8*Sф. При других сочетаниях материала сечения проводников находят через экономическую плотность тока

- 83 -

jп, которая может изменяться от 0,5 до 2,0 А /мм².

При расчете проектируемого зануления на отключающую спо­собность, как правило, задаются сечением НЗП Sнзп, мм² и его материалом и определяют все составляющие формулы (7.5). При этом значения Rф и Rнзп следует вычислять:

а) для проводников из цветных металлов по формуле

(7.6)

где r - удельное сопротивление проводника, равное для меди 0,018, а для алюминия 0.028 Ом*мм/м: lп - длина провод­ника, м; S - сечение, мм²;

б) для стальных проводников по табл. 7.1 (см. ниже) или табл. 5.8...5.11 справочника [18]. При этом необходимо знать профиль и сечение проводника, его длину, а также ожидаемое значение тока , определенное по формуле (7.4).

Значения Хф и Хнзп для медных и алюминиевых проводников сравнительно малы (около 0,0156 Ом/км) и ими можно пренебречь. Для стальных проводников их определяют по табл. 7.1 или табл. 5.8...5.11 справочника [18] при знании плотности тока в про­воднике, А/мм*мм. Значение Хп = 0,б*l (где l - длина линии, км) для отдельно проложенных НЗП; при прокладке кабелем или в стальных трубах (малые расстояния между проводниками) Xп нез­начительны (не более 0.1 Ом/км) и ими можно пренебречь [16].

Для наглядности вычисления Zп по формуле (7.5) рассмотрим два примера, чаще встречающихся в практике расчета зануления на отключающую способность.

Пример 1. Определить Zп, если известно: Sф = 50 мм² (фаз­ные медные жилы в трехжильном кабеле); lп = 100 м; = 600 А.

Реиение: Для медной жилы кабеля Rф определяем по формуле (7.6)

Rф = 0.018*100/50 = 0.036 Ом, а Хф = 0,015б*0,1 = 0,00156 Ом (очень мало, поэтому им прене­брегаем).

В качестве НЗП выбираем стальную полосу прямоугольного сечения Sнзп=100*6 мм² длиной 100 м. Тогда плотность тока в этой полосе составит,

.

По табл. 5.11 справочника [18] находим, что =1.0 и = 0.59 Ом/км. В результате

Ом.

а Ом.

-84-

Таблица 7.1. активные и внутренние индуктивные Хw сопротивления стальных проводников при переменном токе (50 Гц), Ом/км

Размеры или диаметр провод­ника , мм	Сечение, мм2
		при ожидаемой плотности тока в проводнике, А/мм*мм
		0.5		1.0		1.5 2.0

Полоса прямоугольного сечения
20	х	4		80		5.24		3.		14		4	.20		2	.52		3		.48		2.		09		2.		97			1.78
30	х	4		120		3.66		2.		20		2	.91		1	.75		2		.38		1.		43		2		.04			1.22
30	х	5		150		3.38		2.		03		2	.56		1	.54		2		.08		1.		25				-			-
40	х	4		160		2.80		1.		68		2	.24		1	.34		1		.81		1.		09		1		.54			0.92
50	х	4		200		2.28		1.		37		1	.79		1	.07		1		.45		0.		87		1		.24			0.74
50	х	5		250		2.10		1.		26		1	.60		0	.96		1		.28		0.		77				-			-
60	х	5		300		1.77		1.		06		1	.34		0	.8		1		.08		0.		65				-			-
		Проводник								круглого сечения
	5				19.63		17.0		10		.2		14	.4		8	.65		12		.4		7.		45			10		.7		6.4
	6				28.27		13.7		8.		20		11	.2		5	.70		9		.4		5.		65			8		.0		4.8
	8				50.27		9.60		5.		75		7	.5		4	.50		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		4.55		2.		73		3	.2		1	.92				-		-								-		-
	16				201.1		3.72		2.		23		2	.7		1	.60				-		-								-		-

Стальная полоса проложена отдельно от питающего кабеля, то Хп=0,6*lп=0,6*0,1=0,06 Ом.

Подставив найденные значения Rф,Rнзп,Хф,Хнзп и Хп в формулу (7.5), получим

Пример 2. Определить Zп, если известно: Sф=16 мм*мм (фазные медные жилы в четырехжильном кабеле), lп=300м.

Решение Определяем по формуле (7.6)

Rф=0,018*300/16=0,338 Ом,

- 85 -

а Хф = 0.0156*0.3 = 0,00468 Ом (очень мало, поэтому им прене­брегаем).

В качестве НЗП выбираем четвертую жилу кабеля сечением

Sнзп³0,5*Sфп³0,5*16 =8 мм² . Тогда Rнзп = 0.018*300/8 =0.675 Ом, а величинами Хнзп и Хп также пренебрегаем из-за их малости (см. выше).

Подставив найденные значения Rф и Rнзп в формулу (7.5), получим

4. Вычисляют фактический ток при однофазном К3 , А, в проектируемой сети зануления по формуле

(7.7)

где Uф - фазное напряжение, В; Zт - полное сопротивление трансформатора, Ом (берут из табл. 7.2 для масляных и из табл. 7.3 для сухих трансформаторов); Zп - сопротивление петли "фаза - нуль", Ом.

5. Полученное значение сравнивают со значением:

если ³, сечение НЗП выбрано правильно и отключающая способность проектируемого зануления электродвигателя обеспе­чена; в противном случае увеличивают сечение или изменяют ма­териал НЗП и вновь определяютпо формуле (7.7) до тех пор, пока будет достигнуто соблюдение условия

³(7.8)

Следовательно, расчет проектируемого зануления на отключающую способность является проверочным расчетом правильности выбора проводимости НЗП.

При расчете ЗУ для нейтрали трансформатора исходят из условия обеспечения безопасного прикосновения к зануленному корпусу ЭУ или к НЗП непосредственно при замыкании фазы на землю. В этом слачае

(7.9)

где rо- сопротивление заземления нейтрали трансформатора, Ом; rзм - сопротивление замыкания фазы на землю, Ом (принимают rзм³20 Ом); Uпр.доп - предельно допустимое напряжение прикосно­вения, В (принимают по табл. 2 ГОСТ 12.1.038-82); Uф - фазное напряжение, В.

При выборе Unp.дon, которая зависит от продолжительности воздействия тока на человека, следует помнить о том, что при

- 86 -

Таблица 7.2. Значения расчетных полных сопротивлений Zт обмоток масляных трехфазных трансформаторов при вторичном напряжении 400/230 В

Мощность трансфо­рматора S. кВ*А	Номинальное напряжение обмоток высшего	Zт, Ом, при схеме соединения обмоток		Мощность трансфо­рматора S, кВ*А	Номинальное напряжение обмоток высвего U, кВ	Zт,Oм, npи схеме соединения обмоток
	U, кВ	Y/Y0.	D/Y0.			Y/Y0	D/Y0
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	1.23?	0.360	630	6 - 10	0.129	0.042
	20 - 35	1.136	0.407		20 - 35	0.121	—
100	6-10	0.796	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	0.178	0.203		20 - 35	0.051	0.020
250	S-10	0.312	0.090
	20 - 35	0.305	0.130

Таблица 7.3. Значения расчетных сопротивлений сухих транс­форматоров при вторичном напряжении 400/230 В

Мощность трансфо­рматора S. кВ*А	Схема соединения обмоток	Zт/3, Ом	Мощность трансфо­рматора S, кВ*A	Схема соединения обмоток	Zт/3, On
160	D/ Y0	0.055	560	Y /Y0	0.0434
180	Y / Yо	0.151	630	D/ Y0	0.014
250	D/ Yo	0.0354	750	Y /Y0	0.0364
320	Y /Y0	0.0847	1000	D/ Y0	0.009
400	D/ Y0	0.022

замыкании фазы на землю ЭУ автоматически, как правило, не отключится и зануленные корпуса будут длительное время находиться под напряжением (до устранения повреждения или отключения ЭУ вручную). Поэтому Unp.доп чаще принимают равным 20 В для пере­менного и 40 В для постоянного тока, т.е. при продолхительнос-

-87-

ти воздействия тока на человека свыше 1с.

Найденную величину R0 по формуле (7.9) затем сравнивают с нормативной ее величиной , приведенной в табл. 7.4. При этом должно выполняться дсловие

(7.10)

К дальнейшему расчету принимают наименьшую величину из сравниваемых. Порядок расчета r0 такой же, как при расчете не­совмещенного ЗУ для защитного заземления ЭУ (см. в разделе 6 задание Nб.2.2 и методические указания к нему).

При расчете повторного заземления_ НЗП врздушной ЛЭП исхо­дят из условия обеспечения безопасного прикосновения к зануленному корпусу ЭУ при замыкании фазы на данный корпус. В этом слачае

(7.11)

где rп - сопротивление одного повторного заземлителя НЗП, Ом; n - количество повторных заземлений НЗП, шт.; Uпр.доп -предельно допустимое напряжение прикосновения, В (принимают по табл. 2 ГОСТ 12.1.038-82); Jкз - ток однофазного КЗ, А, который определяют по формуле (7,4) или (7.7); Zнзп - полное сопротив­ление участка НЗП (от места замыкания фазы на корпус до нейт­ральной точки источника тока), Ом. Это сопротивление находят по формуле

(7.12)

при этом расшифровка Rнзп, Хнзп и Хп и метод их определения был приведен выше.

При выборе величины Uпр.доп следует исходить из времени до момента отключения защитой поврежденной ЭУ. Однако при отказе или задержке защиты (например, по причине неисправности авто­матического выключателя, завышенных уставок и т.п.) это время может увеличиться. Все это надо учитывать при определении Uпр.доп по табл. 2 ГОСТ 12.1.038-82.

Расчет rп по формуле (7.11) ведется для всех ЭУ, питаю­щихся на этом участке НЗП, так как, у каждой ЭУ своя величина Jкз. Затем найденные величины сравнивают с нормативной ее величиной (см. табл. 7.4). При этом должно вы­полняться условие

£ (7.13)

К дальнейшему расчету принимают наименьшую величину из сравниваемых. Порядок расчета каждого rп идентичен порядку расчета несовмещенного 3У для защитного заземления ЭУ (см. в разделе 6 задание Nб.2.2 и методические указания к нему).

Таблица 7.4. Предельно допустимое сопротивление 3У и повторных заземлителей в сетях U до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью (извлечение из ПУЭ [15])
Линейное U источника тока, В		Сопротивление 3У, Ом	Удельное сопротивление грунта r, Ом.м
трехфазного	однофазного
1. 3У, к которым присоединены нейтрали генераторов, трансформаторов или выводов источника однофазного тока ()
660	380	2/15
ЗВО	220	4/30	r£100
220	127	8 / 60
660	380	0,02r / 0,15r
380	220	0,04r / 0,30r	100<r£1000
220 660	127 380	O.O8r/ О.60r . 20 / 150
380	220	40 / 300	r>1000
220 2.Повторные заземли	127 тели НЗП во	80 / 600 . здушной ЛЭП ()
660	380	5/15
380 220	220 127	10 / 30 20 / 60 .	r£100
660	380	0.05r / 0.15r
380	220	0,10r / 0.30r	100 < r£1000
220	127	0.20r / 0,60r
660	380	50 / 150
380	220	100 / 300	r>1000
220 Примечания.	127 Кп.1 - в чи	200 / 600 слителе дроби дано с	опротивление с
учетом естественных заземлителей и повторных заземлителей НЗП
воздушной ЛЭП до 1 кВ при количестве отходящих линий не менее
двух, а в знаменателе дроби - сопротивление заземлителя, расположенного
в непосредственной близости от нейтрали источника тока. К п.2 - в числителе дроби дано общее сопротивление , а в знаменателе дроби - сопротивление для каждого из повторных
заземлителей.

- 89 -

На третьем этапе проектирования осуществляется конструктивная разработка рассчитанных элементов эануления для конк­ретной ЭУ. Она выполняется в соответствии с материалами и указаниями подраздела 7.4.