9. Расчет зануления

Зануление состоит в соединении корпусов токоприемника или другого оборудования (которое может оказаться под напряжением в результате нарушения изоляции) с нулевым проводом при помощи металлических проводников.

Задача зануления та же, что и защитного заземления – ликвидация опасности поражения электрическим током при нарушении изоляции и появлении на корпусах оборудования опасного напряжения.

Принцип действия зануления – превращение пробоя на корпус в однофазное короткое замыкание, т.е. образование так называемой цепи короткого замыкания (корпус – нулевой провод – фазная обмотка трансформатора), обладающей малым сопротивлением – десятые доли Ома.

При пробое на корпус возникает большой ток короткого замыкания I_К.З, в результате происходит быстрое (5¸7 с) перегорание плавких вставок или отключение поврежденных фаз автоматическими устройствами, реагирующими на ток короткого замыкания за 1-2 сек. В течение короткого времени, определяемого скоростью срабатывания защиты, человек, касающийся поврежденного оборудования, попадает под фазное напряжение. Если защитное зануление не срабатывает в установленное время, то человек может быть поражен электрическим током.

Для надежного срабатывания защиты необходимо выполнение условия:

I_К.З ³ 3 I_П, (9.1)

где I_П – номинальный ток плавкой вставки, или

I_К.З ³ 1,25× I_С , (9.2)

где I_С – номинальный ток срабатывания автомата.

Плавкие вставки предохранителя подбирают по величине пускового тока электродвигателя с учетом режима его работы:

I_П = I_Э /a, (9.3)

где I_Э – пусковой ток электродвигателя;

– коэффициент режима работы. Для асинхронных двигателей

= 1,6÷2,5.

I_Э = I_Н ^. b, (9.4)

где I_Н – номинальный рабочий ток электродвигателя;

– коэффициент перегрузки, принимаемый по каталогу, для электродвигателей = 5¸7.

В схеме зануления необходимо наличие нулевого провода, заземления нейтрали источника тока, повторного заземления нулевого провода.

Назначение нулевого провода – создание для тока короткого замыкания замкнутой цепи с малым сопротивлением и обеспечение I_К.З, достаточного для срабатывания защиты. Нулевой провод должен иметь проводимость не менее 0,5 проводимости фазного провода.

Расчет проводят следующим образом.

Пусть необходимо рассчитать систему защитного зануления при мощности питающего трансформатора 700 кВА, схема соединения обмоток – звезда, электродвигатель асинхронный серии 4А, U = 380 В,

n = 3000 об/мин, тип 4А132М2.

Проверяем условие обеспечения отключающей способности зануления: I_К.З ³ 3I_П;

I_К.З = U_Ф /((Z_Т /3)+ Z_П ), (9.5)

где U_ф – фазное напряжение, В;

Z_Т – сопротивление трансформатора, Ом;

Z_П – сопротивление петли фаза-нуль, которое определяется по зависимости:

___________________________

Z_П = Ö (R_Ф + R_Н) ² + (X_Ф + X_Н + X_П) ², (9.6)

где R_Н, R_ф – активные сопротивления нулевого и фазного проводников, Ом;

X_Н, X_ф – внутренние индуктивные сопротивления нулевого и фазного проводников, Ом;

X_П – внешнее индуктивное сопротивление петли фаза-нуль, Ом.

При расчетах зануления сопротивление трансформатора Z_Т берется из табл. 79.

Таблица 79
Мощность трансформатора, кВА	ZT при схеме соединения обмоток
	звездой	Треугольником
25	3,11	0,906
40	1,949	0,562
63	1,237	0,36
100	0,799	0,226
160	0,487	0,141
250	0,312	0,09
400	0,195	0,056
630	0,129	0,042
1000	0,081	0,027

Примечание. Номинальное напряжение обмоток 6-10 кВ.

Определяем номинальный рабочий ток электродвигателя:

_

I_Н = Р × 1000 / U_H × Ö 3 × cosa , (9.7)

где P – номинальная мощность электродвигателя, кВт;

U_Н – номинальное напряжение, В;

cos – коэффициент мощности.

Для нашего случая, считая по формуле (9.7), получаем:

Для расчета активного сопротивления R_Ф и R_Н задаемся сечением, длиной, материалом фазного и нулевого проводов.

Для стальных проводников активное сопротивление единицы длины фазного R_Ф.Е и нулевого R_Н.Е проводников определяются по табл. 80. Здесь же даны значения X_Ф,Е и X_Н.Е проводников.

Таблица 80

Размер, мм2 или диаметр, мм	Площадь сечения, мм2	Активное / индуктивное сопротивления единицы длины проводника, Ом/км, при плотности тока, А/мм2
		0,05	1,0	1,5	2,0
20х4	80	5,24/3,14	4,2/2,52	3,48/2,00	2,97/1,78
30х4	120	3,66/2,20	2,91/2,75	2,38/1,49	2,04/1,22
40х4	160	2,80/1,68	2,24/1,34	1,81/1,08	1,54/0,92
50х4	200	1,77/1,06	1,34/0,80	1,08/0,65	-
60х4	240	3,83/2,03	2,56/1,54	2,08/1,25	-
30х5	150	2,10/1,26	1,60/0,96	1,28/0,77	-
50х5	250	2,02/1,33	1,51/0,86	1,15/0,70	-
Проводник круглого сечения
5	19,63	17,0/10,2	14,4/8,65	12,4/7,45	10,7/6,40
6	28,27	13,7/8,2	11,2/6,70	9,4/5,65	8,0/4,8
8	50,27	9,6/5,75	7,5/4,5	6,4/3,84	5,3/3,2
10	78,54	7,2/4,32	5,4/3,24	4,2/2,52	-
12	113,1	5,6/3,36	4,0/2,4	-	-
14	150,9	4,6/2,73	3,2/1,92	-	-
16	201,1	3,7/2,23	2,7/1,6	-	-

Сопротивление фазных или нулевых проводников из цветных металлов определяется по формуле:

R = r × l /S , (9.8)

где r – удельное сопротивление проводника (для меди r = 0,018, для алюминия r = 0,028 Ом·мм²/м);

l – длина проводника, м;

S – площадь сечения, мм².

Значения X_ф и X_Н для медных и алюминиевых проводников малы (около 0,0156 Ом/км) и, как правило, ими пренебрегают.

Величину внешнего индуктивного сопротивления единицы длины петли фаза-нуль Х_П в практических расчетах принимают равным 0,6 Ом/км.

По табл. 81 находим основные технические характеристики электродвигателя: N = 100 кВт, cosa = 0,9, I_Э / I_Н = 7,5 %.

Рассчитываем пусковой ток электродвигателя:

I_Э = 7,5×16,9 = 126,8 А.

Вычисляем номинальный ток плавкой вставки:

I_П = I_Э /a = 126, 8/2= 63,4 А,

где a – коэффициент режима работы, принимается для двигателей с частыми включениями, например, для двигателей a =1,6¸1,8, для двигателей, приводящих в действие механизмы с редкими пусками (конвейеров, вентиляторов)

a = 2,0¸2,5.

Таблица 81

Тип электродвигателя	Мощность N, кВт	сos a	IЭ /IН
4А71В2	1,1	0,87	5,5
4А80А2	1,5	0,85	6,5
4А80В2	2,2	0,87	6,5
4A90L2	3	0,88	6,5
4А1002	4	0,89	6,5
4A100L2	5,5	0,89	7,5
4А112М2	7,5	0,88	7,5
4А132М2	10	0,9	7,5
4А1602	15	0,91	7,5

Определяем ожидаемое значение тока короткого замыкания:

I_К.З ³ 3 × I_П = 3 ^. 63,4 = 190,2 А.

Задаемся стандартным сечением нулевого провода 4х40 и рассчитываем плотность тока j:

j = I_К.З /S = 190,2 /4х40 = 1,2 А/мм²

Активное и индуктивное сопротивления стальных проводников определяются по табл. 80. Для этого задаемся сечением и длиной нулевого l_Н и фазного l_ф проводников, выполненных из стали: l_Н = 50 м, сечением 4х40, S = 160 мм ²; l_ф = 100 м, площадь сечения S = 50,27 мм ².

Сечение нулевого проводника и его материал выбираются из условия, чтобы полная проводимость нулевого провода была не менее 50 % полной проводимости фазного провода, т.е.

l / (R_H + X_H) ³ l / 2(R_Ф + X_Ф). (9.9)

Активное сопротивление фазного провода R_Ф определяется по R_Ф.Е, выбираемом из табл. 80 в зависимости от площади сечения и плотности тока:

R_Ф = R_Ф.Е ×^. l_Ф = 7,5 × 0,1 = 0,75 Ом;

Аналогично определяем активное сопротивление нулевого провода:

R_Н = R_Н.Е ×^. L_Н = 2,24 × 0,05 = 0,112 Ом;

Определяем внутреннее индуктивное сопротивление фазного и нулевого пров

одов X_ф и X_Н:

Х_Ф= Х_Ф.Е ^. l_Ф = 4,5 ^. 0,1 = 0,45 Ом

Х_Н= Х_Н.Е ^. l_Н = 1,34 ^. 0,05 = 0,067 Ом

Внешнее индуктивное сопротивление единицы длины петли фаза-нуль

X_П = 0,6 Ом/км, общая длина петли фаза-нуль 50 + 100 = 150 м = 0,15 км, тогда

X_П = 0,6 ^. 0,15 = 0,09 Ом

Используя полученные данные, рассчитываем Z_П и определяем ток короткого замыкания:

________________________

Z_П = Ö (R_Ф + R_Н) ² + (Х_Ф + Х_Н + X_П) ² =

_________________________________

= Ö (0,75+ 0,112) ² + (0,45 + 0,067 + 0,09) ² = 1,05 Ом.

Проверим условие надежного срабатывания защиты

I_К.З = U_Ф /((Z_Т /3)+ Z_П ) = 380 / 0,129 /3 +1,05 = 347 А.

I_К.З ³ 3 I_П 347 > 3 × 63,4 А.

Ток I_К.З почти в два раза превышает номинальный ток плавкой вставки, поэтому при замыкании на корпус плавкая вставка перегорит за 5-7 секунд и отключит поврежденную фазу. По номинальному току (из табл. 82) принимаем плавкую вставку серии ПН2-100 с номинальным током 80 А при напряжении сети 380 В.

Исходные данные для расчета зануления по номерам вариантов приведены в табл. 83.

Таблица 82
Тип предохранителя	Номинальный ток плавкой вставки IП, А	Тип предохранителя		Номинальный ток плавкой вставки IП, А
НПИ15	6; 10; 15	ПН2-400		200; 250; 300; 350; 400
НПН6ОМ	20; 25; 35; 45; 60	ПН2-600		300; 400; 500; 600
ПН2-100	30; 40; 50; 60; 80; 100	ПН2-1000		500; 600; 750; 800; 1000
ПН2-250	80; 100; 120; 150; 200; 250

Таблица 83

Номер ва-риан-та	Материал и площадь сечения, мм2 или диаметр, мм, фазного и нулевого провода	Мощность трансфор-матора, кВт	Схема соедине-ния обмоток	Мощность электродвигателя, КВт	Длина провода
					нулевого	фазного
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10	Сталь, 30х4 Медь, 60х4 Алюминий Æ 5 Сталь 50х5 Медь Æ 8 Алюминий 20х4 Сталь Æ 6 Медь 40х4 Алюминий 30х5 Сталь 60х4	25 40 160 400 100 260 160 40 100 400	D Υ D Υ D D Υ Υ D D	1,5 2,2 10 18,5 5,5 15 7,5 4,0 5,5 18,5	80 100 60 70 40 120 60 40 60 100	200 160 100 120 80 180 140 80 120 180