12.2 Расчёт зануления

Общие сведения

При обслуживании электроустановки опасность пред­ставляют не только неизолированные токоведущие части, находящиеся под напряжением, но и те кдпструктивные час­ти электрооборудования, которые нормально не находятся под напряжением, но могут оказаться под напряжением при повреждении изоляции (корпуса электродвигателей, пуска­телей, баки трансформаторов, кожухи шинопроводов, ме­таллические каркасы щитов и т. п. ).

Для защиты людей от поражения электрическим током при повреждении изоляции применяется одна из следующих защитных мер: заземление, зануление, защитное отключе­ние, разделительный трансформатор, двойная изоляция, малое напряжение, выравнивание потенциалов .

Защитное заземление — это преднамеренное электричес­кое соединение какой-либо части электроустановки с за­земляющим устройством для обеспечения электробезопасности.

Защитным занулением в электроустановках напряжени­ем до 1 кВ называется преднамеренное соединение частей электроустановки, нормально не находящихся под напря­жением, с глухозаземленной нейтралью генератора или тран­сформатора в сетях трехфазного тока или с глухозаземлен­ной средней точкой источника в сетях постоянного тока.

Защитное отключение, применяемое в установках до 1 кВ, обеспечивает автоматическое отключение всех фаз участка сети при замыканиях на корпус или снижении уровня изо­ляции ниже определенного значения.

Если по технологическим причинам невозможно выпол­нить защитное заземление или зануление и обеспечить за­щитное отключение, то допускается обслуживание электро­оборудования с изолирующих площадок. При этом должна быть исключена возможность одновременного прикоснове­ния к незаземленным частям электрооборудования и частям зданий и сооружений, имеющим соединение с землей.

Заземление или зануление следует выполнять во всех электроустановках при напряжении переменного тока 380 В и выше и постоянного тока 440 В и выше. В помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных установках заземление или зануление выполняется при но­минальных напряжениях выше 42 В переменного и 110 В постоянного тока. Во взрывоопасных зонах любого клас­са зануление (заземление) выполняется в электроустановках при всех напряжениях переменного и постоянного тока.

Рис. 12.2. Схема защитного зануления:

Ik — ток короткого замыкания; Rп —сопротивление повторного заземления; Iз — ток растекания в земле; Iн — но­минальный ток в сети; Rз — сопротив­ление заземления.

Проектирование защитного зануления сводится к расчетам отключа­ющей способности и заземляющих устройств нейтрали и повторного за­землителя.

Принцип действия зануления — превращение пробоя на корпус в однофазное короткое замыкание (т. е. замыкание между фазным и нулевым проводами) с целью создания тока, способного обеспечить срабатывание за­щиты и тем самым автоматически отключить поврежденную установку от питающей сети. Такой защитой являются плавкие предохранители или автоматические выключатели. Время отключения поврежденной установки от питающей сети составляет 5...7 с при защите установки плавкими пре­дохранителями и 1...2 с— при защите автоматическими выключателями.

Защитное зануление применяют в трехфазных четырех проводных се­тях напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью. Схема зануле­ния требует наличия в сети нулевого провода, заземления нейтрали источ­ника тока и повторного заземления нулевого провода.

Назначение нулевого провода — создание для тока короткого замыка­ния цепи с малым сопротивлением с целью быстрого отключения повреж­денной установки от сети.

Расчет защитного зануления. В схеме без нулевого провода, роль кото­рого выполняет земля, при замыкании фазы на корпус электродвигателя по цепи, образовавшейся через землю, будет протекать ток, А,

Iз = Uф(Rз +R0) (12.1)

где Uф — фазное напряжение сети, В.

В результате на корпусе относительно земли возникает напряжение, В.

Uk=Iз*Rз = Uф*Rз/(Rз+R0), (12.1)

где Rз,R0— сопротивления заземлений нейтрали и корпуса, Ом.

Сопротивления обмотки трансформаторов и проводов по сравнению с R0 и Rз малы и поэтому в расчет не принимаются.

Сила тока Iз может оказаться недостаточной для срабатывания защиты, т. е. оборудование может не отключиться. Например, при Uф = 220 В и Rз= R0=4 Ом получим:

Iз = 220 (4+ 4) = 27,5 А; Uк = 220*4/(4+4)= 110 В.

Если сила тока срабатывания защиты больше 27,5 А, то отключение не произойдет, и корпус будет находиться под напряжением до тех пор, пока установку не отключат вручную. При этом возникает угроза поражения

людей током в случае прикосновения к поврежденному оборудованию. Чтобы устранить эту опасность, надо увеличить силу тока, протекающего через защиту, за счет введения в схему нулевого провода.

Согласно требованиям ПУЭ нулевой провод должен иметь проводимость не менее половины проводимости фазного провода. В этом случае ток корот­кого замыкания будет достаточным для быстрого отключения поврежденной установки.

Итак, в трехфазной сети напряжением до 1000 В с заземленной нейтра­лью без нулевого провода невозможно обеспечить безопасность при замы­кании фазы на корпус, поэтому такую сеть применять запрещается.

Нейтраль заземляется для снижения до безопасного значения напряже­ния относительно земли нулевого провода (и всех присоединенных к нему корпусов) при случайном замыкании фазы на землю. В четырех проводной сети с изолированной нейтралью при случайном замыкании фазы на зем­лю между зануленными корпусом и землей возникает напряжение, близкое по значению к фазному напряжению сети Uф, которое будет существовать до отключения всей сети вручную или до ликвидации замыкания.

В сети с заземленной нейтралью при таком повреждении положение практически безопасно. В этом случае Uф разделится пропорционально со­противлениям Кш (сопротивление замыкания фазы на землю) и К0 (сопро­тивление заземления нейтрали), в результате чего напряжение между зану-ленным оборудованием и землей резко снизится и составит

Как правило, сопротивление заземления в результате случайного замы­кания провода на землю, т. е. Rзм, во много раз больше R0, поэтому Uк, ока­зывается незначительным. Например, при Uф = 220 В, R0 = 4 Ом и

Rзм = 100 Ом получим Uк=220*4(4+100) = 8,5 В.

При таком напряжении прикосновение к корпусу неопасно.

Следовательно, в трехфазной четырехпроводной сети с изолированной нейтралью возникает опасность поражения током, поэтому применять ее нельзя. Согласно ПУЭ сопротивление заземления нейтрали должно быть не более 4 Ом.

При случайном обрыве нулевого провода и замыкании фазы на кор­пус (за местом обрыва) отсутствие повторного заземления приведет к тому, что напряжение относительно земли оборванного участка нулевого провода и всех присоединенных к нему корпусов окажется равным фазному напря­жению сети Uф. Это напряжение, опасное для человека, будет существо­вать длительное время, поскольку поврежденная установка автоматически не отключится и ее трудно обнаружить, чтобы отключить вручную.

Если же нулевой провод имеет повторное заземление, то при его обрыве сохранится цепь тока Iз через землю, благодаря чему напряжение занулен-ных корпусов, находящихся за местом обрыва, снизится до значения

Uk=Iз*Rп = Uф*Rп/(Rп+R0), (12.1)

где Rп — сопротивление повторного заземления нулевого провода, Ом. Повторное заземление значительно уменьшает опасность поражения током, возникающую в результате обрыва нулевого провода, но не может устранить ее полностью. В связи с этим требуется тщательная проверка ну­левого провода, чтобы исключить возможность его обрыва, поэтому на ну­левом проводе запрещается ставить предохранители, рубильники и другие приборы, нарушающие его целостность.

Рассчитаем зануление двигателя, расположенного в цехе изоляции:

R_АB=0,072*0,02=0,00144 Ом;

Х_АB=0,098*0,02=0,00196 Ом;

R_фВС=ρ*l/q=0.0283*30/16=0,053 Ом;

3*I_{ном,вст}/q=3*120/170,5 А/мм²; r_н=1,4 Ом/км; x_н=0,84 Ом/км;

R_Н.BС=1,4*0,03=0,042 Ом; Х_Н.BС=0,84*0,03=0,042 Ом;

R_CD=0,6*0,01=0,006 Ом;

Х_CD=0,35*0,01=0,0035 Ом;

R_фDE=0,0177 Ом;

R_{Н. DE}=0,014 Ом; X_{Н. DE}=0,0084 Ом;

R_П =0, 13414 Ом; Х_П =0, 03906 Ом;

Z_П= (R_П ²+ Х_П ²)^½=0,1397 Ом;

Z_Т=0,104 Ом;

I_k⁽¹⁾=U_ф/ Z_П+ Z_Т=220/(0,1397+0,104)=902,749 А;

K= I_k⁽¹⁾/ I_{kном.вст}=902,749/120=7,523>3.