Расчет защитного заземления и зануления

 

Теоретическая часть по расчетам защитного заземления и зануления изложена в [8, с. 15–28].

2.3.1 Расчет защитного заземления. Защитное заземление – это преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей электроустановки, которые могут оказаться под напряжением. Принцип действия защитного заземления основан на снижении до безопасных значений напряжений прикосновения или шага, обусловленных замыканием одной из фаз на корпус электрооборудования и соответственно проходящего через тело человека тока.

Для электроустановок напряжением до 1000 В сопротивление защитного заземления должно быть не более 4 Ом.

Пример - Рассчитать заземляющее устройство для заземления электродвигателя, питающегося от трехфазной сети с изолированной нейтралью напряжением 380 В, место использования устройства – помещение с нормальными условиями, по опасности поражения электрическим током – помещение с повышенной опасностью.

Расчеты защитного заземления выполнить в соответствии с вариантом, указанным в таблице 2.1.

Исходные данные: грунт–суглинок; вид заземлителя – труба; мощность трансформатора – 175 кВ∙А; l = 3 м; d = 0,05 м; b = 0,0016 м; h = 0,6 м; h₀ = 0,4 м; установка эксплуатируется в мае–сентябре.

 

Решение. Определяем сопротивление одиночного вертикального заземлителя, по формуле для схемы 3.2.б [8, п.3.1.3]:

 

.

   

При этом ρ = 100 Ом×м [8, таблица 3.1]); t = h₀ + l/ 2 = 0,4 + 1,5 = 1,9 м.

Тогда

Ом.

 

Определяем количество вертикальных стержней:

 

,

где η_с – коэффициент сезонности, η_с = 2,2, т. к. грунт имеет наибольшее сопротивление во время эксплуатации в июле месяце [8, таблица 3.2]);

R_доп – допустимое сопротивление при установленной мощности 175 кВ А, R_доп = 4 Ом, [8, п.3.1.3].

.

Принимаем 16 стержней. Определяем длину соединительной полосы:

 

,

 

где а – расстояние между стержнями, принимаем  = 2 м [8, п.3.1.3],

м.

Определяем сопротивление соединительной полосы:

= = Ом.

Вычисляем расчетное сопротивление заземляющего устройства с учетом коэффициентов влияния электродов и использования полосы:

,

где η_n – коэффициент использования полосы, η_n= 0,5 [8, таблица 3.3];

η₃ – коэффициент взаимного влияния, η₃ = 0,52 [8, таблица 3.4].

 

 Ом.

Так как результирующее сопротивление заземляющего устройства значительно меньше допустимого 4> 2,96, уменьшим количество вертикальных заземлителей и вновь определим полностью R. Принимаем число вертикальных стержней 13 шт.

Определяем длину полосы:

 

 м.

Определяем сопротивление соединительной полосы:

 Ом.

Вычисляем результирующее сопротивление заземляющего устройства:

 Ом.

Заземление удовлетворяет условию 4 > 3,62.

Таблица 2.1 – Исходные данные для расчета защитного заземления

Показатель	Значение
Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
Схема	1	2	2	1	1	1	2	1	2	2	2	1	1	2	1	2
Вид вертикального заземлителя	Труба	Уго-лок 40х40	Труба	Труба	Уголок 45х45	Труба	Труба	Труба	Уголок 50х50	Уголок 55х55	Уголок 60х60	Труба	Уголок 45х45	Труба	Труба	Уго-лок 40х40
Грунт	Песок 1	Су-песь 2	Су-гли-нок 3	Глина 4	Садо-вая земля 5	Чер-нозем 6	Торф 7	Каменис-тый 8	Скалистый 9	Песок 1	Глина 4	Су-песь 2	Торф 7	Глина 4	Песок 1	Су-гли-нок 3
Мощность трансформатора Р, кВ∙А	25	40	100	400	175	400	25	100	40	175	25	100	40	400	1000	100
l, м	2,5	2,5	2,7	2,8	2,5	3,0	3,0	2,6	2,6	2,7	2,8	3,0	2,8	2,6	2,5	3,0
d, м	0,05		0,06	0,056		0,05	0,06	0,04	-	-	-	0,05	-	0,06	-	-
b, мм	12	16	18	60	20	24	28	26	32	36	42	48	50	22	42	36
h, м	0,4	0,6	0,7	0,5	0,4	0,3	0,6	0,5	0,8	1,00	1,00	0,6	0,5	0,9	0,4	0,8
h0, м	-	0,2	0,3	-	-	-	0,4	-	0,5	0,8	0,7	-	-	0,5	-	0,6
Период эксплуа-тации	В течение года	Апрель	Май	Июнь	Июль	Август	Сен-тябрь	В течение года	В течение года	Май	Июнь	Август	В течение года	Июль	Август	В течение года
Расстояние между электродами а, м	2	2,2	2,4	2,6	2,8	3,0	2	2,1	2,3	2,5	2,7	2,9	3,0	2,0	2,5	2,6

 

2.3.2 Расчет защитного зануления. Защитное зануление представляет собой преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением, а нулевой защитный проводник – это проводник, соединяющий зануляемые части с глухозаземленной нейтральной точкой обмотки источника тока.

Расчет системы защитного зануления изложен [8, п. 3.2]. Выполнить расчет в соответствии с вариантом таблицы 2.2 для линии напряжением 380/220 В, которая питается от трансформатора. Линия состоит из двух участков (см. рисунок 2.1). Первый участок длиной l ₁ – от трансформатора до распределительного устройства, второй участок длиной l ₂ – от распределительного устройства до электродвигателя. Оба участка линии с алюминиевыми кабельными проводами. Для первого участка в качестве нулевого проводника использована четвертая жила кабеля, для второго – прямоугольная полоса.

Рисунок 2.1 – Расчетная схема зануления

Двигатель защищен предохранителем I_ном (плавкая вставка). Коэффициент кратности тока k =3 [8, п.3.2.2.1].

Расчет зануления сводится к расчету на отключающую способность.

 

,

 

где I_к.з. – ток короткого замыкания, А.

Ток короткого замыкания определяем по формуле

 

,

где  – фазное напряжение, В;

Z_Т – сопротивление трансформатора, Ом [8, таблица 3.5];

Z_n – сопротивление петли фаза-нуль:

 

.

Пример – Рассчитать систему защитного зануления (см. рисунок 2.1) при следующих исходных данных: l ₁ = 150 м; l ₂ = 50 м; сечение алюминиевых проводов S ₁ = 50 мм², S ₂ = 25 мм², мощность трансформатора Р _т = 400 кВ∙А; схема соединения обмоток трансформатора ∆/ ; сечение нулевого защитного проводника 40х4 (прямоугольная полоса). Электродвигатель расположен в помещении с нормальными условиями, класс помещения по поражению электрическим током – с повышенной опасностью.

Решение

Общее сопротивление линии состоит из сопротивлений двух участков (первого и второго).

Активное сопротивление фазных проводников R _ф1  и R _ф2  определяем по следующей формуле:

 

,

 

где r – удельное сопротивление проводника из алюминия,  = 0,028 Ом×мм² / м;

    – длина участка, м;

   S – сечение проводника, мм².

Сечение проводников выбирается по длительно допустимому току в зависимости от материала и условий работы. По условию: l ₁ = 150 м;      l ₂ = 50 м; сечение алюминиевых проводов S ₁ = 50 мм², S ₂ = 25мм². Тогда

 

 Ом;

Ом.

Если нулевой защитный проводник из стали, то его активное сопротивление R_{н.з .} и внутреннее индуктивное сопротивление Х_н.з зависят от плотности тока и определяются с помощью [8,таблица 3.6].

Определяем величину наименьшего допустимого тока из условия срабатывания защиты (ожидаемое значение тока короткого замыкания):

 

 А.

Определяем плотность тока в стальной полосе сечением 40х4 при S = 160 мм²:

А/мм².

Тогда R_{н.з 2}= r_ω · = 1,70 · 0,05 = 0,085 Ом,

 

где r _ω – активное сопротивление нулевого защитного проводника, r _ω = 1,70 Ом/км.

Внутренние индуктивные сопротивления фазных проводников X_ф из алюминия очень малы и ими можно пренебречь.

Внутреннее индуктивное сопротивление нулевого защитного проводника X_{н.з .2} определяем:

 

X_{н.з .2} = X_ω · ,

 

где X_ω – внутреннее индуктивное сопротивление полосы 40х4 при плотности тока 1,875 А/мм², X_ω = 0,962 Ом/км [8,таблица 3.6].

 

X_{н.з. 2}= 0,962 · 0,05 = 0,048 Ом

 

Внешнее индуктивное сопротивление петли фаза-нуль X_ń очень мало (для кабеля – не более 0,1 Ом/км и им в практических расчетах можно пренебречь, [8, п.3.2.2.1];

Полное сопротивление трансформатора, Z_Т = 0,06 Ом [8, таблица 3.6].

Определяем сопротивление петли фаза-нуль:

– первого участка:

 

– второго участка:

 

 

Полное сопротивление петли фаза-нуль

  Z_n = Z_{n 1} + Z_{n 2} = 0,168 + 0,149 = 0,317 Ом.

Ток короткого замыкания определяем по формуле

 = 652,8 А.

Проверяем условие надежного срабатывания защиты:

I_к.з ≥ 3· I_ном; 652,8 >300.

Ток короткого замыкания значительно превышает номинальный ток плавкой вставки, поэтому при замыкании на корпус плавкая вставка перегорит и отключит поврежденную фазу. По номинальному току принимаем предохранитель ПН-100 с номинальным током плавкой вставки 100 А (таблица А.1) [9].

2.3.3 Защитное отключение. Защитное отключение представляет собой быстродействующую защиту, обеспечивающую автоматическое отключение электроустановки при возникновении в ней опасности поражения током.

При использовании этого вида защиты безопасность обеспечивается быстродействующим (0,1–0,2 с) отключением аварийного участка или всей сети при однофазном замыкании на землю или на элементы электрооборудова­ния, нормально изолированные от земли, а также при прикосновении человека к частям, находящимся под нап­ряжением.

Принцип работы защитно-отключающего устройства состоит в том, что оно постоянно контролирует величину входного сигнала (напряжение корпуса относительно зем­ли, силу тока замыкания на корпус, напряжение фаз от­носительно земли, напряжение нулевой последовательности и т. п.) и сравнивает его с установленным значением (уставкой). Если входной сигнал отличается от уставки в худшую сторону, то устройство срабатывает и отключает электроустановку от сети.

Защитно-отключающие устройства включают следу­ющие элементы: датчик, представляющий собой чувствительный элемент и воспринимающий входной сигнал (иногда называется фильтром); автоматический выключатель – исполни­тельный орган, отключаю­щий электроустановку или участок сети при поступле­нии аварийного сигнала.

На рисунке 2.2 приведена наиболее простая схема за­щитного отключения, срабатывающего при появлении напряжения на корпусе электрооборудования относительно земли. В схемах этого типа датчиком служит реле напряжения Р3, включенное между корпусом и вспомогательным заземлителем.

Защитное отключение может служить дополнением к системам защитных заземления и зануления, а также единственным и основным средством защиты.

 

 

Р₃ – защитное реле; К₃ – замыкающие контакты; АВ – автоматиче­ский выключатель; К_н – контроль­ная кнопка; R₃ – защитное заземление; R_В -- вспомогательное заземление

 

Рисунок 2.2 – Схема защитного отключения, срабатывающего при появлении напряжения на корпусе относительно земли

 

Контрольные вопросы

1 Виды поражения электрическим током.

2 Виды электрических травм.

3 Средства и способы обеспечения электробезопасности.

4 Защитное заземление. Принцип действия.

5 Порядок расчета защитного заземления.

6 Защитное зануление. Принцип действия.

7 Коэффициент кратности электрического тока.

8 Принцип действия защитного отключения.

9 Какой ток называется фибрилляционным?

    Таблица 2.2 – Исходные данные для расчета зануления                                                                                                                                                                          

Показатель	Значение
Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
Мощность трансформатора Рт, кВ·А	25	40	100	400	400	400	100	40	400	400	100	400	400	400	400	400
Схема соединения обмоток Тр	∆/Υ
Jном, А	25	50	75	125	150	140	80	40	125	120	70	100	150	120	80	75
Длина первого и второго участков l 1/ l 2, м	50/20	60/15	75/10	100/5	125/ 22	150/ 25	175/ 30	200/ 20	220/ 18	230/ 15	250/ 10	200/ 5	150/ 16	100/12	125	175
Сечение проводов первого и второго участков S 1 /S 2, мм	35/10	35/10	35/16	70/35	70/50	70/35	35/16	35/10	70/35	70/35	35/16	70/25	70/50	70/35	70/16	70/16
Сечение нулевого защитного проводника	20х4	30х4	30х5	50х5	60х5	50х4	40х4	20х4	50х5	60х5	30х5	50х4	60х5	50х5	50х4	60х5