Рабочее (функциональное) заземление — заземление точки или точек токоведущих частей электроустановки, выполняемое для обеспечения работы электроустановки (не в целях электробезопасности).

33. Расчет защитного заземления и зануления

Расчет защитного заземления

Рассчитать заземляющее устройство трансформаторной подстанции напряжением 10/0,4 кВ. Подстанция понижающая, имеет два трансформатора с изолированными нейтралями на стороне 10кВ и с глухозаземленными нейтралями на стороне 0,4 кВ; размещена в отдельном кирпичном здании. Предполагаемый контур искусственного заземлителя вокруг здания имеет форму прямоугольника длиной 15 м и шириной 10 м.

Таблица 3. Исходные данные к расчету

В качестве естественного заземлителя будет использована металлическая технологическая конструкция, частично погруженная в землю; ее расчетное сопротивление растеканию, с учетом сезонных изменений, составляет Rв=34 Ом. Ток замыкания на землю неизвестен, однако известна протяженность линий 10 кВ – кабельных  км, воздушных  км.

Заземлитель предполагается выполнить из вертикальных стержневых электродов длиной  м, диаметром d=12 мм, верхние концы которых соединяются с помощью горизонтального электрода – стальной полосы длиной Lг=50 м, сечением 4х40 мм, уложенной в землю на глубине

to = 0,8 м.

Расчетные удельные сопротивления грунта, полученные в результате измерений и расчета равны:

для вертикального электрода длиной 5 м   Ом∙м;

для горизонтального электрода длиной 50 м   Ом∙м.

Рис. 2. Предварительная схема контурных искусственных заземлителей подстанции: (n=10 шт., а=5 м, LГ=50 м)

Проводим расчет заземлителя в однородной земле методом коэффициентов использования по допустимому сопротивлению [2].

Расчетный ток замыкания на землю на стороне с напряжением U=6 кВ, [2, с. 204]:

А

Требуемое сопротивление растеканию заземлители, который принимаем общим для установок 10 и 0,4 кВ, [2, табл. 1]:

Ом

Требуемое сопротивление искусственного заземлители [2, с. 207]:

Ом

Тип заземлителя выбираем контурный, размещенный по периметру прямоугольника длиной 15 м и шириной 10 м вокруг здания подстанции. Вертикальные электроды размещаем на расстоянии а=5 м один от другого.

Из предварительной схемы следует, что в принятом нами заземлителе суммарная длина горизонтального электрода LГ=50 м, а количество вертикальных электродов n=LГ/a = 50/5 = 10 шт., рис. 1а.

Уточняем параметры заземлителя путем проверочного расчета.

Определяем расчетное сопротивление растеканию вертикального электрода

[2. с. 90, табл. 3.1]:

Ом

d =12 мм =0,012 м – диаметр электрода,

м

Определяем расчетное сопротивление растеканию горизонтального электрода [4, с. 90, табл. 3.1.]:

Ом,

где

В=40 мм=0,04 м – ширина полосы,

t=t0=0,8 м – глубина заложения электрода.

Для принятого нами контурного заземлителя при отношении  и n=10 шт. по таблице 4 определяем коэффициенты использования электродов заземлителя:

 – коэффициент использования вертикальных электродов,

 – коэффициент использования горизонтального электрода.

Находим сопротивление растеканию принятого нами группового заземлителя, [2, с. 181]:

Ом

Это сопротивление R=3,9 Ом больше, чем требуемое RИ=0,778 Ом, поэтому принимаем решение увеличить в контуре заземлителя количество вертикальных электродов.

Решение этой задачи представим в виде таблицы

Таблица 4. Расчет защитного заземления

Это сопротивление R=0,748 меньше требуемого RИ=0,753 но так как разница между ними невелика и она повышает условия безопасности, принимаем этот результат как окончательный.

Итак, окончательная схема контурного группового заземлителя состоит из 97 вертикальных стержневых электродов длиной 5 м, диаметром 12 мм, с расстоянием между ними равным 5 м и горизонтального электрода в виде сетки длиной 855 м, сечением 4х40 мм, заглубленных в землю на 0,8 м.

Расчет зануления.

Требуется проверить обеспечена ли отключающая способность зануления в сети, при нулевом защитном проводнике – стальной полосе сечением 30x4 мм. Линия 380/220 В с медными проводами 3х6 мм2 питается or трансформатора 100 кВА, 6/0,4 кВ со схемой соединения обмоток «треугольник – звезда с нулевым проводом» ( ). Двигатели защищены предохранителями I1ном=30 А (двигатель 1) и I2ном=20 А (двигатель 2). Коэффициент кратности тока К=3.

Решение

Решение сводится к проверке условия. (2, с. 233, ф. 6.3):

,

где

 – ток однофазного короткого замыкания, проходящий по петле фаза-нуль;

 – наименьший допустимый ток по условию срабатывания защиты (предохранителя);

- номинальный ток плавкой вставки предохранителя.

Выполнение этого условия обеспечит надежное срабатывание защиты при коротком замыкании (КЗ) фазы на зануленный корпус электродвигателя, т.е. соединенный нулевым защитным проводником с глухозаземленной нейтральной точкой трансформатора.

– Определяем наименьшие допустимые значения токов для двигателей 1 и 2:

А;

А

– Находим полное сопротивление трансформатора

Ом [2, табл. 6.5]

– Определяем на участке  м  км активное   и индуктивное  сопротивления фазного провода; активное   и индуктивное

зануления" width="36" height="25" align="BOTTOM" border="0" />сопротивления нулевого защитного провода и внешнее индуктивное сопротивление петли фаза-нуль:

Согласно паспортным данным кабеля марки АПВ 4х6 [6]:

Rуд = 5,21 ом/км

Xуд, ом/км=0.1 ом/км

Ом,

 Ом

Принимаем  =0 Ом

Находим ожидаемую плотность тока в нулевом защитном проводе – стальной полосе сечением

мм2;

А/мм2

По [2, табл. 6.6] для  А/мм2 и  мм2 находим:

Ом/км – активное сопротивление 1 км стального провода,

Ом/км – внутреннее индуктивное сопротивление 1 км стального провода.

Далее находим   и   для  м  км:

Ом;  Ом

Определяем   для  м  км:

Ом

 Ом/км – внешнее индуктивное сопротивление 1 км петли фаза-нуль, величина которого принята по рекомендации [2, с. 240].

– Определяем на всей длине линии   активное  и индуктивное   сопротивления фазного провода; активное  и индуктивное  сопротивления нулевого защитного провода и внешнее индуктивное сопротивление   петли фаза-нуль:

Ом

Ом

Аналогично предыдущему принимаем:

=0 Ом

Ожидаемая плотность тока в нулевом защитном проводе:

А/мм2

по [2, табл. 6.5] для  А/мм2 и  мм2 находим:

Ом/км

Ом/км

Далее находим   и   для  :

Ом;

Ом

Определяем   для  :

Ом,

где  Ом/км принято по рекомендации [2, с. 240] как и в предыдущем случае.

Рис. 3 Схема сети к расчету зануления

– Находим действительные значения токов однофазного короткого замыкания, проходящих по петле фаза-нуль по формуле [2, с. 235, ф. 6.8]:

для следующих случаев:

а) при замыкании фазы на корпус двигателя 1

А

б) при замыкании фазы на корпус двигателя 2:

А

– Вывод: поскольку действительные значения токов однофазного короткого замыкания  А и  А превышают соответствующие наименьшие допустимые по условиям срабатывания защиты токи  А и  А, нулевой защищенный провод выбран правильно, т.е. отключающая способность системы зануления обеспечена.

1. Система электроснабжения — совокупность источников и систем преобразования, передачи и распределения электрической энергии.

Система электроснабжения может включать в себя:

источники электроэнергии

• например: ГЭС, ТЭС, солнечная батарея, ветрогенератор

систему передачи электроэнергии

• например: воздушная линия электропередачи, кабельная линия электропередачи, электропроводка

систему преобразования электроэнергии

• например: трансформатор, автотрансформатор, выпрямитель, преобразователь частоты, конвертор

систему распределения электроэнергии

• например: открытое распределительное устройство, закрытое распределительное устройство,

систему релейной защиты и автоматики

• например: защита от перенапряжения, грозозащита, защита от короткого замыкания, дуговая защита

систему управления и сигнализации

• например: система диспетчерской связи, автоматизированная система контроля и управления энергией (АСКиУЭ), автоматизированная система коммерческого учёта энергией (АСКУЭ)

систему эксплуатации

• например: технологические карты, графики нагрузки, графики регламентного технологического обслуживания

систему собственных нужд

• например: системы обогрева, освещения, вентиляции в зданиях и сооружениях, где размещены элементы СЭС

систему гарантированного электроснабжения наиболее ответственных потребителей

• например: источник бесперебойного питания, система автономного электроснабжения (САЭ), система резервного электроснабжения (СРЭ), мобильная система аварийного электроснабжения (МСАЭ), Автоматический ввод резерва.

Гидроэлектроста́нция (ГЭС) — электростанция, в качестве источника энергии использующая энергию водного потока. Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища.

Теплова́я электроста́нция (или теплова́я электри́ческая ста́нция) — электростанция, вырабатывающая электрическую энергию за счет преобразования химической энергии топлива в механическую энергию вращения вала электрогенератора.

Линия электропередачи (ЛЭП) — один из компонентов электрической сети, система энергетического оборудования, предназначенная для передачи электроэнергии посредством электрического тока. Также электрическая линия в составе такой системы, выходящая за пределы электростанции или подстанции

Воздушная линия электропередачи (ВЛ) — устройство, предназначенное для передачи или распределения электрической энергии по проводам, находящимся на открытом воздухе и прикреплённым с помощью траверс (кронштейнов), изоляторов и арматуры к опорам или другим сооружениям (мостам, путепроводам).

Кабельная линия электропередачи (КЛ) — линия для передачи электроэнергии или отдельных её импульсов, состоящая из одного или нескольких параллельных кабелей с соединительными, стопорными и концевыми муфтами (заделками) и крепёжными деталями, а для маслонаполненных линий, кроме того, с подпитывающими аппаратами и системой сигнализации давления масла.

Трансформа́тор – это электростатическое устройчтво предназначенная для преобразования и передачи электроэнергии.

Режимы работы трансформатора

1. Режим холостого хода. Данный режим характеризуется разомкнутой вторичной цепью трансформатора, вследствие чего ток в ней не течёт. С помощью опыта холостого хода можно определить КПД трансформатора, коэффициент трансформации, а также потери в стали.

2. Нагрузочный режим. Этот режим характеризуется замкнутой на нагрузке вторичной цепи трансформатора. Данный режим является основным рабочим для трансформатора.

3. Режим короткого замыкания. Этот режим получается в результате замыкания вторичной цепи накоротко. С его помощью можно определить потери полезной мощности на нагрев проводов в цепи трансформатора. Это учитывается в схеме замещения реального трансформатора при помощи активного сопротивления.

Силовой трансформатор

Силовой трансформатор — трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках, предназначенных для приёма и использования электрической энергии.

Автотрансформатор

Автотрансформа́тор — вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только электромагнитную связь, но и электрическую. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно получать разные напряжения. Преимуществом автотрансформатора является более высокий КПД, поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию — это особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются незначительно. Недостатком является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью. Применение автотрансформаторов экономически оправдано вместо обычных трансформаторов для соединения эффективно заземленных сетей с напряжением 110 кВ и выше при коэффициентах трансформации не более 3-4.Существенным является меньший расход стали для сердечника, меди для обмоток, меньший вес и габариты, и в итоге — меньшая стоимость.

Трансформатор тока

Трансформа́тор то́ка — трансформатор, питающийся от источника тока. Типичное применение — для снижения первичного тока до величины, используемой в цепях измерения, защиты, управления и сигнализации. Номинальное значение тока вторичной обмотки 1А , 5А. Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, равен току первичной обмотки, деленному на коэффициент трансформации. ВНИМАНИЕ! Вторичная обмотка токового трансформатора должна быть надёжно замкнута на низкоомную нагрузку измерительного прибора или накоротко. При случайном или умышленном разрыве цепи возникает скачок напряжения, опасный для изоляции, окружающих электроприборов и жизни техперсонала!

Трансформатор напряжения

Трансформатор напряжения — трансформатор, питающийся от источника напряжения. Типичное применение — преобразование высокого напряжения в низкое в цепях, в измерительных цепях и цепях РЗиА. Применение трансформатора напряжения позволяет изолировать логические цепи защиты и цепи измерения от цепи высокого напряжения.

Импульсный трансформатор

Импульсный трансформатор — это трансформатор, предназначенный для преобразования импульсных сигналов с длительностью импульса до десятков микросекунд с минимальным искажением формы импульса^[13]. Основное применение заключается в передаче прямоугольного электрического импульса (максимально крутой фронт и срез, относительно постоянная амплитуда). Он служит для трансформации кратковременных видеоимпульсов напряжения, обычно периодически повторяющихся с высокой скважностью. В большинстве случаев основное требование, предъявляемое к ИТ заключается в неискажённой передаче формы трансформируемых импульсов напряжения; при воздействии на вход ИТ напряжения той или иной формы на выходе желательно получить импульс напряжения той же самой формы, но, быть может, иной амплитуды или другой полярности.

Разделительный трансформатор

Разделительный трансформатор — трансформатор, первичная обмотка которого электрически не связана со вторичными обмотками. Силовые разделительные трансформаторы предназначены для повышения безопасности электросетей, при случайных одновременных прикасаниях к земле и токоведущим частям или нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в случае повреждения изоляции.^[14] Сигнальные разделительные трансформаторы обеспечивают гальваническую развязку электрических цепей.

Согласующий трансформатор

Согласующий трансформатор — трансформатор, применяемый для согласования сопротивления различных частей (каскадов) электронных схем при минимальном искажении формы сигнала. Одновременно согласующий трансформатор обеспечивает создание гальванической развязки между участками схем.

4.Схемы питающих и распределительных сетей.

Схема электроснабжения строительной площадки показывает связь между источниками питания и приемниками электроэнергии. В качестве источника электроснабжения района, как правило, выбирается государственная или районная энергосистема. Передача электроэнергии к распределительным пунктам или подстанциям осуществляется по питающим линиям.

На рис. 1, а показана схема электроснабжения строительства крупного промышленного предприятия, включающая ГПП и несколько потребительских подстанций (ТП). Источником питания является энергосистема. Электроснабжение может осуществляться от подстанции районной энергосистемы (рис. 1, б).  Распределение  электроэнергии  к  электроприемникам  на  напряжение  до 1000  B  осуществляется  по  распределительным  сетям  низкого  напряжения (рис. 1, в).

Рис. 1. Схемы электроснабжения строительных площадок: а – от энергосистемы; б – от районной энергосистемы; в – от потребительской подстанции: ЭС – энергосистема; РЭС – районная система; ГПП – главная понизительная подстанция; ТП – потребительская трансформаторная подстанция; М – нагрузка

Возможно электроснабжение строительных площадок и производств от смежных источников питания, например, от энергосистемы и от собственной электростанции (рис. 2). В качестве собственной электростанции может использоваться энергопоезд.

Напряжение на шинах РП от энергосистемы и собственной электростанции при   этом должно совпадать (рис. 2, а). При несовпадении напряжений применяется трансформация напряжения от энергосистемы через трансформаторы Т1 и Т2 (рис. 2, б). Возможно электроснабжение при двухстороннем питании.

Схемы электроснабжения с двухсторонним питанием повышают надежность электроснабжения, так как при повреждении одной из линий электроснабжение потребителей, питающихся от поврежденной линии, восстанавливается от второй линии через секционный выключатель на стороне низшего напряжения.

Рис. 2. Схема электроснабжения от энергосистемы и собственной электростанции: а – на одинаковом напряжении; б – с трансформацией напряжения; С – энергосистема; Г – генератор электростанции; РП – распределительный пункт; Т1, Т2 – понижающие трансформаторы; ТП – потребительская трансформаторная подстанция

Напряжение электрических сетей в системе внутреннего электроснабжения может быть 6, 10 и 20 кВ. Наиболее распространенным является напряжение 10 кВ. Оно является более экономичным по сравнению с напряжением 6 кВ по уровню потерь мощности и напряжения в сетях.

Рис. 3. Схемы распределения электроэнергии: а – радиальная; б – магистральная

Напряжение 6 кВ используется в системах, где переход на напряжение 10 кВ считается не рациональным в связи с заменой трансформаторов и электроприемников (например, электродвигателей). Напряжение 20 кВ пока применяется только в сетях, близких от ТЭЦ с генераторным напряжением 20 кВ.

Передача электроэнергии от ИП к распределительным пунктам (РП), ТП или  отдельным  электроприемникам  может  осуществляться  по  радиальным

(рис. 3, а), магистральным (рис. 3, б) или смешанным схемам, сочетающим элементы радиальных и магистральных схем.

Радиальные схемы обладают высокой надежностью. Линии электропередач по этим схемам отходят от источника питания «по радиусам» к РП или ТП. Недостатком схемы является то, что при аварийном отключении питающей линии может оказаться обесточенной большая группа потребителей. Этот недостаток устраняется применением резервирования.

При магистральной схеме одна питающая магистраль обслуживает несколько ТП или РП.  Распределение энергии осуществляется путем выполнения ответвлений от воздушной линии к отдельным подстанциям. Питание ТП можно осуществить путем поочередного ввода ЛЭП сначала от РП к одной ТП, затем от нее к другой ТП и т. д. При магистральных схемах уменьшается протяженность сетей, количество выключателей на РП, снижаются потери мощности в сетях, затраты на сооружение сетей.

Недостатком магистральных схем является снижение надежности по сравнению с радиальными схемами, так как при повреждении магистрали обесточенными оказываются все потребители, питающиеся от нее.

Рис. 4. Распределение электроэнергии по сквозным двойным магистралям: РП – распределительный пункт; ТП – трансформаторная подстанция; АВР – устройство автоматического резервирования

Надежность электроснабжения повышается при применении двухтрансформаторных  подстанций  и  использовании  сквозных  двойных  магистралей (рис. 4). В этом случае от каждой секции РП две магистрали заводятся поочередно на каждую секцию двухтрансформаторной подстанции ТП. Если на шинах низкого напряжения ТП применить устройство автоматического резервирования, например, на автоматических выключателях, то при выходе из строя любой питающей магистрали высшего напряжения электроэнергия будет подаваться потребителям по второй магистрали путем автоматического переключения на секциях шин низкого напряжения. Такие переключения называются автоматическим включением резерва (АВР).

Распределение электроэнергии в сетях до 1 кВ. Схема электроснабжения  объектов строительства зависит от их категории по надежности и бесперебойности электроснабжения. Для электроснабжения производственных электроприемников применяются радиальные, магистральные и смешанные схемы. Магистральная схема применяется для питания нескольких электроприемников отдельного технологического агрегата, или небольшого количества мелких электроприемников, не  связанных технологическим процессом (рис. 5,  а). По радиальной схеме подключаются наиболее мощные электроприемники или отдельные распределительные пункты.

Только радиальные или магистральные схемы применяются редко. Наибольшее распространение получили смешанные схемы, сочетающие и радиальные и магистральные признаки (рис. 5, б).

Рис. 5. Схемы электроснабжения производственных потребителей: а) – магистральная; б) – смешанная; ТП – трансформаторная подстанция; Т1, Т2 – трансформаторы двухтрансформаторной ТП

Схемы осветительных сетей. Электроснабжение светильников общего освещения зданий осуществляется при напряжении 380/220 В переменного тока при заземленной нейтрали и при напряжении 220 В при изолированной нейтрали. Для светильников местного освещения с лампами накаливания применяется напряжение не более 220 В в помещениях без повышенной опасности и не более 42 В в помещениях с повышенной опасностью. Для переносных ручных светильников в помещениях с повышенной опасностью применяется напряжение до 42 В. При стесненных условиях работы питание переносных светильников должно быть при напряжении до 12 В через специально предназначенные трансформаторы.

Схемы электроснабжения осветительной нагрузки в системе электроснабжения цеха (фермы) любого предприятия соответствуют схемам электроснабжения силовой нагрузки, которые рассматривались выше.

При этом к схемам электроснабжения осветительных нагрузок предъявляются следующие требования:

-          электроснабжение осветительной нагрузки должно обеспечиваться совместно с электроснабжением силовой нагрузки или раздельно от электроснабжения силовой нагрузки. Целесообразность совмещения питания электроприемников силовой и осветительной нагрузок должна подтверждаться техникоэкономическими расчетами;

-          схемы питания осветительных установок в зданиях (ремонтные цехи и мастерские, бетонные и растворные заводы, административные помещения) должны допускать автоматизированное управление освещением;

-          схемы питания осветительных установок должны обеспечивать надежность и безопасность электроснабжения.

Аварийное освещение требует создания для него самостоятельной системы электроснабжения, независимой от сети рабочего освещения. Независимым источником питания аварийного освещения является трансформатор, получающий питание от шин, не связанных с шинами рабочего освещения, генератор, приводимый каким-либо первичным двигателем или аккумуляторная батарея.

Схемы питания осветительных сетей показаны на рис. 6 – 8.

Рис. 6.  Схема совместного питания силовой и осветительной нагрузок от двух подстанций (ТП-1, ТП-2)

На рис. 6 приведена схема совместного питания силовой и осветительной нагрузки от двух однотрансформаторных подстанций. Схема совмещенного питания силовой и осветительной нагрузок от одного трансформатора снижает количество трансформаторов по сравнению со схемой раздельного питания этих нагрузок.

На рис 7 приведена схема питания светильников в производственных цехах (ремонтно-механический, столярный, арматурный) от двух трансформаторов.

Рис. 7.  Схема питания осветительной нагрузки в цехе от двух трансформаторов

В этой схеме чередуются ряды светильников, питающихся от разных трансформаторов. При исчезновении напряжения на одном из трансформаторов потеряет питание половина светильников. Освещенность в цехе снизится на 50%. Это позволяет продолжать работу, выполнять определенные технологические операции, не требующие высокой освещенности.

Схемы наружного и уличного освещения. Электроснабжение светильников  наружного  и  уличного  освещения  осуществляется  по  магистральной схеме с равномерной загрузкой фаз (рис. 8).

Рис. 8. Схема наружного и уличного электроснабжения

17. Компенсация реактивной мощности — целенаправленное воздействие на баланс реактивной мощности в узле электроэнергетической системы с целью регулирования напряжения, а в распределительных сетях и с целью снижения потерь электроэнергии^[1]. Осуществляется с использованием компенсирующих устройств. Для поддержания требуемых уровней напряжения в узлах электрической сети потребление реактивной мощности должно обеспечиваться требуемой генерируемой мощностью с учетом необходимого резерва. Генерируемая реактивная мощность складывается из реактивной мощности, вырабатываемой генераторами электростанций и реактивной мощности компенсирующих устройств, размещенных в электрической сети и в электроустановках потребителей электрической энергии.

Компенсация реактивной мощности особенно актуальна для промышленных предприятий, основными электроприёмниками которых являются асинхронные двигатели, в результате чего коэффициент мощности без принятия мер по компенсации составляет 0,7 — 0,75. Мероприятия по компенсации реактивной мощности на предприятии позволяют:

• уменьшить нагрузку на трансформаторы, увеличить срок их службы,

• уменьшить нагрузку на провода, кабели, использовать их меньшего сечения,

• улучшить качество электроэнергии у электроприемников,

• уменьшить нагрузку на коммутационную аппаратуру за счет снижения токов в цепях,

• избежать штрафов за снижение качества электроэнергии пониженным коэффициентом мощности,

• снизить расходы на электроэнергию,

• уменьшить уровень высших гармоник в сети.