8.2 Расчет защитного зануления

Целью расчёта является определение такого сечения нулевого защитного проводника, при котором ток короткого замыкания Ik, в заданное число раз превзойдёт номинальный ток аппарата защиты Iном.за, что обеспечит селективное отключение повреждённого потребителя в заданное короткое время.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

- по номинальному току (мощности) зануляемой электроустановки определить и выбрать сечения фазного и нулевого защитного проводников обеспечивающие необходимую проводимость петли фаза-нуль;

Схема питания цеха со сварочным источником питания приведена на рисунке 8.1.

Рисунок 8.1 – Схема сети к расчёту зануления на отключающую способность

Тр – трансформатор;

Пр – предохранитель;

КЛ – питающий магистральный кабель ( ) с алюминиевой жилой

ЩР-1 – распределительный щит;

ЩР-2 – распределительный щит, питающий остальных потребителей;

АВ – автоматический выключатель;

ИП – источник питания, подсоединённый к ЩР-1 с помощью медного провода ( );

НЗ – нулевой защитный проводник

R₀ – сопротивление заземления нейтрали (R₀=4 Ом).

Расчёт зануления произведём по методике изложенной в [22].

Для обеспечения надёжного отключения повреждённого потребителя в минимальное время, необходимо выполнение следующего условия:

Здесь k – коэффициент кратности тока КЗ по отношению к номинальному току аппарата защиты.

k=1.4 – при защите автоматическими выключателями с электромагнитными расцепителями с номинальным током .

Выполним расчёт величины токов короткого замыкания .

1. Значение зависит от фазного напряжения сети и сопротивлений цепи, в том числе, от полных сопротивлений трансформатора и петли фазный проводник-нулевой защитный проводник :

2. Значение зависит от мощности трансформатора, напряжения и схемы соединения его обмоток (в нашем случае Y/Y_н), а также от конструктивного исполнения трансформатора (М).

Определим полное сопротивление трансформатора .

Данный цех питается от трансформатора общей мощностью 250 кВА, предназначенного для питания нескольких производственных помещений.

Выберем расчётное сопротивление трансформатора из таблицы приближенных расчётных сопротивлений масляных трансформаторов по видам из [22]. Для масляного трансформатора при схеме соединения его обмоток Y/Y_н

3. Полное сопротивление петли фаза-нуль в действительной форме равно:

, где

- активное сопротивление соответственно фазного и нулевого защитного проводников.

- индуктивное сопротивление петли фаза-нуль.

4. Определим сопротивление фазного и нулевого защитного проводников. Учтём, что в качестве материала, из которого изготовлен фазный и защитные проводники на первом участке, используется алюминий. На втором участке (внутри цеха) используется медь.

Расчётная формула для определения активного сопротивления:

, где

- удельное сопротивление проводника

(для , для );

- длина проводника, ;

- сечение проводника, .

Выберем сечение фазного проводника из условия максимально допустимого нагрева:

, где

- длительный допустимый из условий нагрева ток нагрузки проводника, А;

- максимальный рабочий ток в цепи, определяемый по формуле

, где

- номинальная мощность нагрузки, - для участка линии , она определяется мощностью, потребляемой всем оборудованием цеха, а для участка линии - только мощности .

- номинальное напряжение.

Выберем сечение алюминиевого фазного провода для участка , соответствующее расчётному току , согласно ПУЭ [21] (таблица 1.3.7 – Допустимый длительный ток для кабелей с алюминиевыми жилами с резиновой или пластмассовой изоляцией в свинцовой, поливинилхлоридной и резиновой оболочках, бронированных и небронированных).

Выберем сечение медного фазного провода для участка , соответствующее расчётному току , согласно ПУЭ [21] (таблица 1.3.6 – Допустимый длительный ток для проводов с медными жилами с резиновой изоляцией в металлических защитных оболочках и кабелей с медными жилами с резиновой изоляцией в свинцовой, поливинилхлоридной, найритовой или резиновой оболочке, бронированных и небронированных).

Выберем сечение нулевого защитного провода . Если фазный и нулевой защитный проводники выполнены из одного металла, то наименьшая площадь поперечного сечения нулевого защитного проводника должна соответствовать таблице 1.7.5 «Наименьшие сечения защитных проводников» ПУЭ [21].

Так как , то согласно таблице 1.7.5, учитывая коэффициент пересчёта для алюминиевых жил равный 1,6, для .

Для медных жил при .

Значение сопротивлений и определяются как суммы сопротивлений отдельных участков цепи и , которые характеризуются разными сечениями:

Рассчитаем сопротивления фазного и нулевого защитного проводников на участке магистрального кабеля длиной ( и ) и на участке ответвления к занулённому источнику питания длиной ( и ) и определить полное сопротивление фазного и нулевого защитного проводников.

5. Индуктивное сопротивление петли фаза-нуль определяется следующим выражением:

, где

, - индуктивные сопротивления, соответственно фазного и нулевого защитных проводников;

- внешнее индуктивное сопротивление петли фаза-нуль (сопротивления взаимоиндукции между фазным нулевым проводами).

Для медных и алюминиевых проводов , сравнительно малы - около 0,0156 Ом/км, поэтому их влиянием можно пренебречь.

Внешнее индуктивное сопротивление зависит от расстояния между проводами D и их диаметра d. Поскольку d изменяется в незначительных пределах, влияние его также незначительно. Следовательно, зависит в основном от D (c увеличением расстояния растёт сопротивление). Поэтому в целях уменьшения внешнего индуктивного сопротивления петли фаза-нуль нулевые защитные проводники прокладываются совместно с фазными или в непосредственной близости от них. При малых значениях D, соизмеримых с диаметром провода d, т.е. когда фазный и нулевой проводники расположены в непосредственной близости один от другого, сопротивление незначительно ( не более 0,1 Ом/км) и его влиянием можно пренебречь.

6. Определим падение напряжения на фазном проводнике:

Падение напряжения меньше 20 В является допустимым, следовательно, провода с выбранными сечениями можно использовать.

7. Определим действительное расчётное значение тока короткого замыкания по формуле:

8. Выберем аппарат защиты в цепи сварочного источника питания. Номинальный ток защитного аппарата (ток срабатывания расцепителя автоматического выключателя) определяется из условия: .

Выберем автоматический выключатель с электромагнитным расцепителем типа ВА47-29 – 16А фирмы ИЭК.

9. Проверим отключающую способность автомата защиты. Так как значения расчётного тока короткого замыкания и номинального тока выбранного аппарата защиты удовлетворяет условию (1): (356,6>22.4), то отключающая способность системы обеспечена.

10. Оценим опасность поражения человека электрическим током при замыкании фазы на корпус электроустановки согласно методике, предложенной в [23].

Оценка опасности поражения электрическим током в электрической сети с занулением корпусов электроустановок сводится к определению возможных значений тока, протекающего по телу человека, прикасающегося к корпусам аварийных установок, и времени срабатывания автоматического выключателя.

Предельно допустимые значения I_hд и U_hд для автоматического выключателя со временем срабатывания представлены ниже:

Для расчёта воспользуемся эквивалентной схемой электрической сети, представленной на рисунке 8.2.

Определим максимально возможное напряжение прикосновения, пренебрегая индуктивными составляющими сопротивлений:

, где

- активное сопротивление петли фаза-нуль.

Рисунок 8.2 – Эквивалентная схема электрической сети для случая замыкания одной из фаз на корпус электроустановки

Подставляя численные данные, получаем:

Условие выполняется, следовательно, обеспечен требуемы уровень безопасности.