Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE 20
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ
ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТрадіоелектроніки
ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ
Методические пособия для самостоятельного изучения
теоретического курса лекций, выполнения контрольных и лабораторных работ и выполнения раздела «Охрана труда в отрасли телекоммуникаций» в дипломных проектах для всех специальностей кафедры ТКС
Харьков 2012
УДК 621.311:658
Составители канд. техн. наук, доц. С.В. Штангей, И.В. Терещенко
Методические пособия предназначены для студентов всех специальностей кафедры ТКС ХНУРЭ и используются при самостоятельном изучении теоретической части курса по дисциплине «Охрана труда в отрасли телекоммуникаций», выполнении контрольных, лабораторных работ и расчетной части разделов «Охрана труда в отрасли телекоммуникаций» в дипломных проектах и работах. В методических указаниях дается анализ опасности поражения электрическим током в различных электрических сетях, исследуется эффективность защитного заземления и зануления, излагается расчет защитного заземления и зануления.
Содержание
1.1 Общие положения………………………………………….……………………..4
1.2 Схемы электрических сетей…………………………………..………….5
1.3 Трехфазные сети……………………………………………….................5
1.3.1 Двухфазное прикосновение…………………………………………..........5
1.3.2 Однофазное прикосновение в трехфазной сети с изолированной нейтралью…5
1.3.3 Однофазное прикосновение человека в трехфазной четырехпроводной сети с лухозаземленной нейтралью…………………………………………..…...….……...….7
1.4 Выбор схемы сети и режима нейтрали………………………………….8
2 Защитное заземление и его расчет…………………………………..…….9
2.1 Назначение, принцип действия и область применения………………...9
2.2 Заземляющие устройства…………………………………………..…....10
2.3 Расчет защитного заземления……………………………………..……11
2.4 Эксплуатация заземляющих устройств………………………...………15
3 Зануление…………………………………………………………………..16
3.1 Назначение, принцип действия и область применения………..……...16
3.2 Расчет зануления……………………………………………..………….17
3.2.1 Расчет на отключающую способность…………………...…………..17
3.2.2 Заземление нейтрали обмоток источника тока и повторные заземления нулевого защитного проводника……………………………………………………...21
Список литературы……………………………………………………….....22
1 анализ опасности поражения током в различных электрических сетях
Поражение человека электрическим током является следствием его прикосновения не менее чем к двум точкам электрической цепи, между которыми существует напряжение. Опасность такого прикосновения зависит от величины силы тока Ih, проходящего через тело человека, и напряжения прикосновения Uпр. Величина силы тока и напряжения прикосновения также зависят от ряда факторов: схемы самой цепи, схемы включения человека в электрическую цепь, напряжения сети, режима нейтрали, сопротивления изоляции, емкости относительно земли и так далее. Вышеперечисленные факторы необходимо знать при оценке той или иной сети по условиям техники безопасности, выборе и расчете соответствующих мер защиты, в частности: заземления, зануления, защитного отключения, устройств контроля изоляции сети и других.
Ниже рассмотрим анализ опасностей поражения электрическим током и расчет защитных устройств для сетей напряжением до 1000 В, так как они имеют наибольшую практическую значимость.
В промышленности применяются однофазные и трехфазные сети переменного тока (преимущественно трехфазные). Однофазные сети могут быть двухпроводными изолированными от земли, с заземленным проводом и однопроводными, когда роль второго провода играет земля, рельс и тому подобное.
Трехфазные сети в зависимости от режима нейтрали источника тока и наличия нейтрального или нулевого проводника могут быть выполнены по четырем схемам: трехпроводной с изолированной нейтралью; трехпроводной с заземленной нейтралью; четырехпроводной с изолированной нейтралью; четырехпроводной с заземленной нейтралью.
При напряжении до 1000 В применяют, в основном, две из указанных схем сетей трехфазного тока – трехпроводную с изолированной нейтралью напряжением 36, 42, 127, 220 и 380 В и четырехпроводную с заземленной нейт-ралью через малое сопротивление (глухозаземленная нейтраль) напряжением 220/127, 380/220 и 660/380 В. Наиболее распространенными являются сети 380/220 В.
Трехпроводную с заземленной нейтралью и четырехпроводную с изолированной нейтралью при напряжении до 1000 В, как правило, не применяют, потому что в трехпроводной сети с заземленной нейтралью в случае замыкания фазы на корпус, а в четырехпроводной с изолированной нейтралью при замыкании фазы на землю, невозможно обеспечить безопасность персоналу обычными способами (защитным заземлением, занулением).
При напряжении выше 1000 В применяют также две схемы трехфазных сетей: трехпроводную с изолированной нейтралью и трехпроводную с нейт-ралью, заземленной через малое сопротивление. Наиболее характерны две схемы включения человека в цепь тока: между двумя фазами электрической сети (линейное) и между одной фазой и землей (фазное).
Ih = Uл / Rh.
Сопротивление изоляции фаз в этом случае не ограничивает величину тока.
Рисунок 1.1 – Схема прохождения тока через тело человека при двухфазном прикосновении
1.3.2 Однофазное прикосновение в трехфазной сети с изолированной нейтралью. В этом случае (рисунок 1.2) сопротивление изоляции двух других фаз оказывает решающее влияние на ток поражения. Это сопротивление является комплексным, имеющим активную и емкостную составляющие.
Рисунок 1.2 – Прикосновение человека к проводу трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью при нормальном режиме работы
Активное и емкостное сопротивления изоляции распределены вдоль провода. Условно на схемах их обозначают сосредоточенными.
Полное комплексное сопротивление изоляции
,
ее проводимость , См:
,
где c-1 – угловая частота переменного тока;
– емкость проводов относительно земли, Ф;
– множитель мнимой части комплексного числа;
– емкостное сопротивление проводов относительно земли, Ом;
r – сопротивление изоляции проводов, Ом.
Приняв, что сопротивления изоляции относительно земли всех трех фаз равны между собой и при нормальной работе изолированная нейтраль источника питания сети не имеет напряжения, – трехфазная сеть работает в симметричном режиме, то есть все фазные напряжения одинаковые.
При контакте человека с фазой 1 симметрия нарушается и нейтраль источника питания оказывается под напряжением относительно земли. Ток будет проходить по цепи: фаза 1 – тело человека – земля – проводимость фаз 2 и 3. Напряжение фазы 1 уменьшается до величины, равной напряжению, под воздействием которого окажется пострадавший. Значение этого тока определяется по формуле
В действительной форме этот ток равен:
В коротких воздушных сетях емкости практически отсутствуют, и при равенстве сопротивлений изоляции ток, проходящий через человека, будет определяться по формуле
.
При равенстве емкостей и весьма больших сопротивлениях изоляции, что может иметь место в кабельных сетях, ток, проходящий через человека в комплексной форме, будет:
В действительной форме ток равен:
.
При анализе последних зависимостей видим, что в сетях с изолированной нейтралью опасность для человека, прикоснувшегося к одному из фазных проводов в период нормальной работы сети, зависит от сопротивления проводов относительно земли: с увеличением сопротивления опасность уменьшается.
При аварийном режиме работы сети, когда возникает замыкание фазы на землю через малое активное или заземленное оборудование сопротивление rзм , проводимость двух других фаз можно принять равным нулю и rзм Rh (так обычно бывает на практике), получим:
Uпр Uф,
то есть человек окажется под линейным напряжением сети.
В действительных условиях rзм всегда больше нуля, поэтому напряжение, под которым оказался человек, прикоснувшийся в аварийный период к исправной фазе трехфазной сети с изолированной нейтралью, будет значительно больше фазного и несколько меньше линейного напряжения сети.
1.3.3 Однофазное прикосновение человека в трехфазной четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью (рисунок 1.3).
Рисунок 1.3 – Прикосновение человека к проводу в трехфазной четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью
При нормальном режиме работы сети пострадавший окажется под фазным напряжением и в этом случае цепь тока, проходящего через человека, включает сопротивление пола, обуви и заземление нейтрали источника тока, т.к. сопротивление заземления нейтрали rн значительно меньше, чем активное и емкостное сопротивления проводов относительно земли.
Ток, проходящий через человека, равен:
,
где rп – сопротивление пола;
rоб – сопротивление обуви.
При этой схеме включения человека в электрическую цепь исключительно большое значение имеют сопротивления полов и обуви для безопасности людей.
При аварийном режиме, когда одна из фаз сети замкнута на землю через малое активное сопротивление rзм , напряжение, под которым оказывается человек, прикоснувшийся в аварийный период к исправному проводу, всегда меньше линейного, но больше фазного:
Uл > Uпр > Uф.
Таким образом, прикосновение человека к исправному фазному проводу сети с глухозаземленной нейтралью в аварийный период более опасно, чем при нормальном режиме.
Схема сети и режим нейтрали выбирается по технологическим требованиям и по условиям безопасности.
По технологическим требованиям предпочтение отдается четырехпроводной сети, поскольку она позволяет использовать два любых напряжения – линейное и фазное.
По условиям безопасности выбор одной из двух схем производится с учетом выводов, полученных при рассмотрении этих сетей, а именно: по условиям прикосновения к фазному проводу в период нормального режима работы сети. более безопасна, как правило, сеть с изолированной нейтралью, а в аварийный период – сеть с глухозаземленной нейтралью.
Сети с изолированной нейтралью целесообразно применять на объектах с повышенной опасностью поражения током и в тех случаях, когда имеется возможность поддерживать высокий уровень изоляции проводов сети относительно земли, то есть короткие сети; не подверженные воздействию агрессивной среды и находящиеся под постоянным надзором электротехнического персонала (сети для передвижных установок, торфяных разработок, шахт и т. д.).
Сети с глухозаземленной нейтралью (четырехпроводные) следует при-
менять там, где невозможно обеспечить хорошую изоляцию проводов (из-за
высокой влажности, агрессивной среды, большой протяженности и так далее), когда нельзя быстро отыскать или устранить поврежденные изоляции или когда емкостные токи замыкания на землю достигают больших значений, опасных для человека (сети крупных промышленных предприятий, городские и сельские сети и т.п.).
2 защитное заземление и его расчет
2.1 Назначение, принцип действия и область применения
Однофазные замыкания тока, которые могут возникать в электрических машинах, аппаратах, на ЛЭП, опасны тем, что на корпусах и опорах появляются напряжения, достаточные для поражения человека и возникновения пожара. Ток замыкания создает опасные напряжения не только на самом оборудовании, но и возле него, растекаясь с оснований и фундаментов.
Защиту от поражения электрическим током и возгораний можно осуществить защитным отключением (отключают поврежденный участок сети быстродействующей защитой), либо защитным заземлением, за счет снижения прикосновения и шага до безопасных значений (рисунок 2.1).
Рисунок 2.1 – Принципиальная схема защитного заземления в сетях трехфазного тока
В сетях с изолированной нейтралью (см. рисунок 2.1) тока однофазного замыкания недостаточно для надежного отключения аварийного участка, поэтому применяют защитное заземление. Снижение напряжения прикосновения и шага достигается путем уменьшения потенциала заземленного оборудования (уменьшением сопротивления заземлителя), а также путем выравнивания потенциалов основания, на котором стоит человек, и заземленного оборудования (подъем потенциала основания, на котором стоит человек, до значения, близко-
го к значению потенциала заземленного оборудования).
Защитное заземление следует отличать от рабочего заземления (например, нейтральных точках обмоток генератора, трансформаторов и заземления молниезащиты).
При замыкании тока на корпус нормально изолированные части электрооборудования окажутся под напряжением. Прикоснувшись к ним, человек попадает под напряжение прикосновения. Оно будет равно разности между полным напряжением φ3 на корпусе, к которому прикасается человек рукой, и потенциалом φх поверхности земли, пола, где он стоит:
,
где α1 – коэффициент прикосновения, учитывающий форму потенциальной кривой; .
В местах, где расположены ступени ног, на поверхности земли имеются разные электрические потенциалы (φ1 и φ2) и на длине шага возникает напряжение, соответствующее разности этих потенциалов:
,
где а – длина шага, равная 0,8 – 1 м.
Напряжение между двумя точками цепи тока, находящимися на расстоянии шага, на которых одновременно может стоять человек, называется напряжением шага Uш.
Защитное заземление является наиболее простой и в то же время эффективной мерой защиты от поражения током в сетях: напряжением до 1000 В переменного тока – трехфазных трехпроводных с изолированной нейтралью, однофазных двухпроводных, изолированных от земли, а также постоянного тока двухпроводных с изолированной средней точкой обмоток источника тока; напряжением выше 1000 В переменного и постоянного тока с любым режимом нейтральной или средней точки обмоток источников тока.
В помещениях с повышенной опасностью и особо опасных, а также в наружных установках заземление обязательно при номинальном напряжении электроустановки выше 42 В переменного и 110 В постоянного тока, а в помещениях без повышенной опасности – при напряжении 380 В и выше переменного и 440 В и выше постоянного тока. Лишь во взрывоопасных зонах всех классов заземление выполняется независимо от значения напряжения электроустановки.
2.2 Заземляющие устройства
Заземляющим устройством называется совокупность заземлителя – проводников (электродов), соединенных между собой и находящихся в непосредственном соприкосновении с землей, и заземляющих проводников, соединяющих заземляющие части электроустановки с заземлителем.
Различают два типа заземляющих устройств: выносное и контурное.
Выносное заземляющее устройство вынесено за пределы площадки, на которой размещено заземляющее оборудование, коэффициент прикосновения = 1. Поэтому заземляющие устройства этого типа применяются лишь при малых токах замыкания на землю, в частности: в установках до 1000 В, где потенциал заземлителя не превышает значения допустимого напряжения прикосновения.
Кроме того, при большом расстоянии до заземлителя значительно возрастает сопротивление соединительного провода. Выносные заземлители сооружают не далее 2 км от участка, на котором размещено заземляемое оборудование.
Выносное заземление сооружают при невозможности разместить на защищаемой территории: при высоком сопротивлении земли (скалистый грунт), при рассредоточенном расположении заземляющего оборудования (горные выработки) и так далее.
При контурном заземляющем устройстве электроды размещают по контуру (периметру) площадки, на которой находится заземляемое оборудование или распределяют равномерно на площадке (в виде сетки), и поэтому такое устройство называют распределенным.
Распределенное заземляющее устройство обеспечивает не только уменьшение потенциала заземлителя, но и выравнивает потенциал на защищаемой территории до такого значения, чтобы максимальные напряжения прикосновения и шага не превышали допустимых.
Различают заземлители искусственные, предназначенные только для целей заземления, и естественные – находящиеся в земле металлические предметы иного назначения.
Для искусственных заземлителей применяют обычно вертикальные и горизонтальные электроды.
Для вертикальных электродов используют стальные трубы диаметром от 50 до 60 мм с толщиной стенки менее 3,5 мм и угловую сталь с толщиной полок не менее 4 мм (обычно это угловая сталь размером 40х40 и 60х60 мм) отрезками длиной от 2,5 до 3,0 м, а также прутковая сталь диаметром не менее 10 мм длиной до 10 м, а иногда и более.
Для связи вертикальных электродов и в качестве самостоятельного электрода применяют полосовую сталь сечением не менее 4х12 мм и сталь круглого сечения диаметром не менее 6 мм.
Верхние концы вертикальных электродов, погруженные в землю, соединяют стальной полосой или сталью круглого сечения на сварке.
В качестве естественных заземлителей используют водопроводные и другие металлические трубы (за исключением трубопроводов горючих жидкостей, горючих и взрывоопасных газов), проложенные в земле, металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, свинцовые оболочки кабелей, заземлители опор и другое.
В качестве заземляющих проводников, предназначенных для соединения заземляемых частей с заземлителями, применяют, как правило, сталь по-
лосовую или круглого сечения.
В сетях напряжением до 1000 в и выше с изолированной нейтралью заземляющие проводники должны обладать проводимостью не менее 1/3 проводимости фазных проводников. Наименьшее сечение стальной прямоугольной шины составляет 24 мм2 при прокладке внутри здания и 48 мм2 при прокладке вне здания или в земле; для круглой стали наименьший диаметр равен 5 мм при прокладке в зданиях, 6 мм – в наружных установках, 10 мм – в земле, для проводников из меди – 4 мм2, из алюминия – 6 мм2.
Соединения заземляющих проводников между собой выполняются, как правило, сваркой, а с корпусами аппаратов, машин и другого оборудования – сваркой или с помощью болтов.
2.3 Расчет защитного заземления
Расчет защитного заземления имеет целью определить основные параметры заземления – число, размеры и порядок размещения одиночных заземлителей и заземляющих проводников.
Расчет можно выполнять по допустимому сопротивлению растекания тока заземлителя или по допустимым напряжениям прикосновения (и шага). При этом расчет производится обычно для случаев размещения заземлителя в однородной земле. Расчет заземлителя в многослойной земле более трудоемок, но зато дает более точные результаты. Его целесообразно применять при сложных конструкциях групповых заземлителей в установках напряжением 110 кВт и выше.
Для установок с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В, а также выше 1000 В до 30 кВ включительно, расчет заземлителя производится обычно по допустимому сопротивлению растеканию.
Сопротивление заземляющих устройств в сетях напряжением до 1000 В при суммарной мощности генераторов или трансформаторов, питающих данную сеть, не более 100 кВ·А, должно быть не более 10 Ом; во всех остальных случаях – 4 Ом.
В электроустановках (сети напряжением 110 кВ и более) с глухозаземленной нейтралью и большими (более 500 А) токами замыкания на землю сопротивление заземляющего устройства не должно превышать 0,5 Ом для надежного автоматического отключения места замыкания релейной защитой за доли секунды.
Проектирование заземляющего устройства при расчете заземлителей по допустимому сопротивлению растеканию тока заключается в подборе такой конструкции искусственного заземлителя, при которой выполнялись бы нормы на допустимое сопротивление при наименьших затратах на его сооружение. Порядок расчета следующий: предварительно выбирается схема заземлителя и наносится на план установки, принимается длина электродов.
При проектировании заземляющего устройства необходимо знать удельное сопротивление , Омм, грунта в том месте, где будет сооружаться заземлитель.
Удельное сопротивление грунта измеряют на месте сооружения заземлителя, но ориентировочные расчеты можно производить по приближенным значениям. Ориентировочные значения приведены в таблице 2.1.
Схема 1 Схема 2
Рисунок 2.2 – Схемы заземления
Таблица 2.1 – Приближенные значения удельных электрических сопротивлений различных грунтов
|
Наименование грунта |
Пределы колебаний величины удельного сопротивления грунта, Омм |
Рекомендация для предварительных расчетов удельных сопротивлений, Омм |
|
1 Песок 2 Супесь 3 Суглинок 4 Глина 5 Садовая земля 6 Чернозем 7 Торф 8 Каменистый 9 Скалистый |
400 – 700 150 – 400 40 – 150 8 – 70 40 – 60 9 – 53 10 – 30 500 – 800 104 – 107 |
700 300 100 40 40 20 20 700 - |
Для одиночных стержневых заземлителей сопротивление растеканию тока определяют по следующим эмпирическим формулам:
- для стержневых круглого (трубчатого) сечения электродов у поверхности земли, схема 1 (рисунок 2.2):
;
- для стержневых круглого (трубчатого) сечения электродов в земле, схема 2 (см. рисунок 2.2):
,
где – удельное сопротивление грунта, Омм;
– длина стержней, м;
d – диаметр сечения (для уголкового заземлителя d= 0,95b, b – ширина полки в метрах), м;
t – расстояние от поверхности грунта до середины вертикального заземлителя, м.
Необходимое количество стержней (без учета проводимости соединительной полосы) определяют по формуле
,
где Rдоп – допустимое сопротивление заземления (должно соответствовать нормам);
с – климатический коэффициент, учитывающий возможность изменения удельного сопротивления вследствие промерзания грунта зимой или его высыхания летом (таблица 2.2).
Зная необходимое число электродов, определяют длину полосы связи между электродами при контурном заземляющем устройстве:
,
где n – число стержней;
а – расстояние между стержнями (от 2 до 3 м).
Сопротивление соединительной полосы равно:
,
где h – глубина заложения, м;
b – ширина полосы, м.
Вычисляют расчетное сопротивление заземляющего устройства с учетом коэффициентов взаимного влияния электродов и использования полосы:
,
где – коэффициент взаимного влияния (увеличения сопротивления
растеканию тока группового заземления) (таблица 2.3);
– коэффициент использования полосы (таблица 2.4).
Заземление будет удовлетворять требованиям при условии R Rдоп. При условии R > Rдоп увеличивают в контуре заземлителя количество вертикальных электродов, а затем вновь находят коэффициенты использования 3 и м и вычисляют R.
Таблица 2.2 – Коэффициенты сезонности с
|
Месяц |
Глубина заложения заземлителей, м |
Месяц |
Глубина заложения заземлителей, м |
||
|
Менее 0,8 |
0,8 – 3,5 |
Менее 0,8 |
0,8 – 3,5 |
||
|
Январь Февраль Март Апрель Май Июнь |
1,05 1,05 1,00 1,60 1,95 2,00 |
1,2 1,10 1,00 1,20 1,30 1,55 |
Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь |
2,20 1,55 1,60 1,55 1,60 1,65 |
1,75 1,55 1,70 1,60 1,35 1,35 |
Таблица 2.3 – Коэффициенты взаимного влияния 3 (использование вертикальных электродов группового заземлителя) при размещении электродов по контуру
|
Число заземлителей |
Коэффициент использования вертикальных электродов |
|
2 4 6 10 20 |
0,85 0,73 0,65 0,59 0,48 |
Таблица 2.4 – Коэффициенты использования горизонтальной полосы, соединяющей вертикальные электроды группового заземлителя п
|
Число вертикальных электродов |
Коэффициент использования полосы |
|
2 4 6 10 20 |
0,85 0,77 0,72 0,62 0,42 |
2.4 Эксплуатация заземляющих устройств
В процессе эксплуатации не исключена возможность повышения сопротивления растеканию тока заземлителя сверх расчетного и нарушения целостности заземляющей проводки и т.п. Измерение сопротивления заземляющего устройства производится после монтажа, через год после включения в эксплуатацию и в последующем при комплексном ремонте электроустановки, но не реже, чем через 10 лет на электростанциях, подстанциях и линиях электропередачи энергосистем, через 3 года на подстанциях потребителей и через 1 год в цеховых электроустановках потребителей.
Методика и приборы проверки заземляющих устройств изложены в [7, п.5].
3 зануление
3.1 Назначение, принцип действия и область применения
Зануление – преднамеренное электрическое соединение металлических нетоковедущих частей электроустановки, которые могут оказаться под напржением, с глухозаземленной нейтральной точкой обмотки источника тока в трехфазных сетях; с глухозаземленным выводом обмотки источника тока в однофазных сетях и с глухозаземленной средней точкой обмотки источника энергии в сетях постоянного тока (рисунок 3.1).
а) б)
а – общая схема работы зануления;
б – однофазная упрощенная схема замещения
Рисунок 3.1 – Схемы работы зануления
Проводник, соединяющий зануляемые части с глухозаземленной нейтральной точкой обмотки трансформатора, называется нулевым защитным проводником (НЗП). Нулевой защитный проводник следует отличать от нулевого рабочего проводника, который предназначен для питания током электроприемников. Область применения НЗП такая же, как и для заземления.
При замыкании фазы на корпус установки в цепи фаза – нуль появляется
ток короткого замыкания Iк (см. рисунок 3.1), который обеспечивает срабатывание защиты и тем самым автоматически отключает поврежденную установку от питающей сети. Такой защитой являются плавкие предохранители, автоматы максимального тока и так далее. Кроме того, зануление снижает напряжение на корпусе установки относительно земли в аварийный период (как при защитном заземлении).
Применение защитного заземления в сетях с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В не обеспечивает защиты, т.к. при однофазном коротком замыкании корпус оборудования будет находиться под опасным напряжением (110 В) несмотря на то, что он заземлен. Токовая защита при этом не срабатывает из-за малого значения тока (см. п. 3.2.2).
3.2 Расчет зануления
Расчет зануления сводится к расчету: на отключающую способность, сопротивления заземления нейтрали (безопасности прикосновения к корпусу при замыкании фазы на землю) и сопротивления повторного заземления нулевого защитного проводника (безопасность прикосновения к корпусу при замыкании фазы на корпус).
3.2.1 Расчет на отключающую способность. для надежного и быстрого отключения необходимо, чтобы ток короткого замыкания Iк превосходил номинальный ток срабатывания защиты:
Iк кIном ,
где к – коэффициент кратности номинального тока;
Iном – номинальный ток плавкой вставки или ток вставки автомата, А.
Коэффициент к нормируется с учетом заводской токовременной характеристики отключающего аппарата. Время срабатывания плавких вставок предохранителей и тепловых расцепителей автоматов обратно пропорционально току.
Автоматический выключатель с электромагнитным расцепителем обеспечивает отсечку мгновенного действия за 0,01 с.
В соответствии с ПУЭ коэффициент К должен быть равен в помещениях с нормальными условиями не менее 3 – при защите предохранителями или автоматами, имеющими тепловой расцепитель с обратной зависимой от тока характеристикой; не менее 1,4 – для автоматов с номинальным током до 100 А с электромагнитным расцепителем; 1,2 – для прочих автоматов; во взрывоопасных помещениях – не менее 4 – при защите предохранителями и не менее 6 – при защите автоматами с обратной зависимой от тока характеристикой, а при защите автоматами с электромагнитным расцепителем – 1,4.
Сила тока короткого замыкания Iк (см. рисунок 3.1) зависит от фазного напряжения сети Uф и сопротивлений цепи; от полных сопротивлений трансформатора Zт, фазного проводника Zф, нулевого защитного проводника Zн.з., внешнего индуктивного сопротивления петли (контура) фазный проводник – нулевой защитный проводник (петли фаза-нуль) Хп , а также от активных сопротивлений заземленной нейтрали обмоток источника (трансформатора) ro и повторного заземления нулевого защитного проводника rп.
Поскольку ro и rп , как правило, велики по сравнению с другими сопротивлениями цепи, можно не принимать во внимание параллельную ветвь, образованную ими. Тогда расчетная схема упростится (рисунок 3.1, б), а выражение для тока короткого замыкания Iк , А, в комплексной форме будет:
или
,
где Uф – фазное напряжение сети, В;
ZТ – комплекс полного сопротивления обмоток трехфазного источника тока (трансформатора) (таблица 3.1), Ом;
ZФ = Rф+jXф – комплекс полного сопротивления фазного привода, Ом;
ZН.З.= RН.З.+ jXН.З – комплекс полного сопротивления нулевого защитного проводника, Ом;
Rф и RН.З. – активное сопротивление фазного и нулевого защитного проводников, Ом;
Xф и XН.З – внутренние индивидуальные сопротивления фазного и нулевого защитного проводников, Ом;
ZП = ZФ+ ZН.З.+ jXП – комплекс полного сопротивления петли фаза-нуль, Ом;
j= – множитель мнимой части комплексного числа.
При расчете зануления допустимо применять приближенную формулу для вычисления действительного значения (модуля) тока короткого замыкания Iк , А, в которой модули сопротивлений трансформатора и петли фаза-нуль Zт и Zп, Ом, складываются арифметически:
.
Некоторая неточность (около 5 %) этой формулы ужесточает требования безопасности и поэтому считается допустимой.
Полное сопротивление петли фаза-нуль в действительной форме (модуль) равно:
Задача расчета – подобрать сечение нулевых защитных проводов таким образом, чтобы удовлетворялось неравенство:
.
Здесь неизвестными являются лишь сопротивления нулевого защитного проводника Rн.з. и Хн.з., которые могут быть определены соответствующими вычислениями по этой же формуле. Однако эти вычисления обычно не производятся, поскольку сечения нулевого защитного проводника и его материал принимаются заранее из условия, чтобы полная проводимость нулевого защитного проводника была не менее 50 % полной проводимости фазного провода. Таким образом, расчет зануления на отключающую способность является проверочным расчетом правильности выбора проводимости петли фаза-нуль.
В качестве нулевых защитных проводников ПУЭ рекомендуют применять неизолированные или изолированные проводники, а также различные неметаллические конструкции зданий, подкрановые пути, стальные трубы электропроводок, трубопроводы и т.п. Рекомендуется использовать нулевые рабочие провода, которые должны обладать достаточной проводимостью (Rн.з. 2Rф) и не должны иметь предохранителей и выключателей.
Значение Zт зависит от мощности трансформатора, напряжения и схемы соединения трансформатора. При расчетах зануления Zт берется из таблицы 3.1.
Таблица 3.1 – Полное сопротивление трансформаторов с различным напряжением 400/230 В
|
Схема соединения обмоток |
Полное сопротивление Zт при мощности трансформатора Р, кВА |
||||
|
25 |
40 |
100 |
400 |
1000 |
|
|
0,9 |
0,56 |
0,23 |
0,06 |
0,03 |
|
|
3,11 |
1,95 |
0,78 |
0,20 |
0,08 |
Значения Rн.з. и Rф из цветных металлов (медь, алюминий) определяют по известным данным: сечению S, мм2, длине , м, и материалу.
Поэтому искомое сопротивление
,
где – удельное сопротивление проводника, равное для меди 0,018, а для алюминия – 0,028 Оммм2/м.
Для фазных проводников сечение и материал проводников определяются при расчете электрической сети в зависимости от мощности потребителей энергии, их размещения и т.п. Сечение нулевого защитного проводника Sн.з., мм2, принимается из условия, что Rн.з. 2Rф.
Если нулевой защитный проводник стальной, то его активное сопротивление Rн.з зависит от плотности тока и определяется с помощью таблицы 3.2.
Для этого необходимо задаться профилем и сечением проводника, а также знать его длину и ожидаемое значение тока короткого замыкания (КЗ) Iк , который будет проходить по этому проводнику в аварийный период. Сечение проводника задается из расчета, чтобы плотность тока КЗ в нем была в пределах примерно 0,5 – 2,0 А/мм2.
Значения Хн.з. и Хф для медных и алюминиевых проводников сравнительно малы (около 0,016 Ом/км), поэтому ими можно пренебречь. Для стальных проводников внутренние индуктивные сопротивления оказываются достаточно большими, и их определяют с помощью таблицы 3.2. В этом случае также необходимо знать профиль и сечение проводника, его длину и ожидаемое значение тока Iк .
Таблица 3.2 – Активные r и внутренние индуктивные X сопротивления стальных проводников при переменном токе (50 Гц), Ом/км
|
Размер |
Сечение, мм2 |
r |
X |
r |
X |
r |
X |
r |
X |
|
При ожидаемой плотности тока в проводнике, А/мм2 |
|||||||||
|
0,5 |
1,0 |
1,5 |
2,0 |
||||||
|
Полоса прямоугольного сечения |
|||||||||
|
20х4 |
80 |
5,24 |
3,14 |
4,20 |
2,52 |
3,48 |
2,09 |
2,97 |
1,78 |
|
30х4 |
120 |
3,66 |
2,20 |
2,91 |
1,75 |
2,38 |
1,43 |
2,04 |
1,22 |
|
30х5 |
150 |
3,28 |
2,03 |
2,56 |
1,54 |
2,08 |
1,25 |
- |
- |
|
40х4 |
160 |
2,80 |
1,68 |
2,24 |
1,34 |
1,81 |
1,09 |
1,54 |
0,92 |
|
Полоса прямоугольного сечения |
|||||||||
|
50х4 |
200 |
2,28 |
1,37 |
1,79 |
1,07 |
1,45 |
0,87 |
1,24 |
0,74 |
|
50х5 |
250 |
2,10 |
1,26 |
1,60 |
0,96 |
1,28 |
0,77 |
- |
- |
|
60х5 |
300 |
1,77 |
1,06 |
1,34 |
0,80 |
1,80 |
1,08 |
- |
- |
|
Проводник круглого сечения |
|||||||||
|
5 |
19,63 |
17,0 |
10,2 |
14,4 |
8,65 |
12,4 |
7,54 |
10,7 |
6,4 |
|
6 |
28,27 |
13,7 |
8,20 |
11,2 |
6,70 |
9,4 |
5,65 |
8,0 |
4,8 |
|
8 |
50,27 |
9,60 |
5,75 |
7,5 |
4,5 |
6,4 |
3,84 |
5,3 |
3,2 |
|
10 |
78,54 |
7,20 |
4,32 |
5,4 |
3,24 |
4,2 |
2,52 |
- |
- |
|
12 |
113,1 |
5,60 |
3,36 |
4,0 |
2,40 |
- |
- |
- |
- |
|
14 |
150,9 |
4,36 |
2,73 |
3,2 |
1,92 |
- |
- |
- |
- |
|
16 |
201,1 |
3,72 |
2,30 |
2,7 |
1,10 |
- |
- |
- |
- |
Фазный и нулевой провода образуют двухпроводную линию, которая представляет собой как бы один большой виток, взаимоиндукция которого зависит от расстояния между проводами линии Д, м; длины линии l, м; диаметра проводов d, м; индуктивности линии и других параметров.
При малых значениях Д, соизмеримых с диаметром проводов d, то есть когда фазный и нулевой проводники расположены в непосредственной близости один от другого, сопротивление Хп незначительно (не более 0,1 Ом/км) и им можно пренебречь.
В практических расчетах обычно для воздушных линий принимают Хп=0,6 Ом/км.
3.2.2 Заземление нейтрали обмоток источника тока и повторные заземления нулевого защитного проводника. При отсутствии заземления нейтрали обмоток источника тока и замыкании фазы на землю токовая защита не срабатывает и между зануленным оборудованием и землей возникает напряжение, близкое по значению к фазному напряжению. Указанное положение очень опасно.
Повторное заземление нулевого защитного проводника снижает напряжение на зануленных корпусах в период замыкания фазы на корпус. При обрыве нулевого защитного проводника и замыкании фазы на корпус за местом обрыва повторное заземление нулевого защитного проводника значительно уменьшает опасность поражения током, но не устраняет ее полностью.
Повторное заземление осуществляется на концах воздушных линий к электроустановкам, которые подлежат занулению.
В качестве заземлителей для повторного заземления могут быть использованы естественные заземлители (подземные части опор, металлические конструкции и так далее) и, если естественные заземлители отсутствуют, искусственные заземлители.
В сетях, где применяются зануления, нельзя заземлять корпус приемника тока, не присоединив его к нулевому защитному проводнику. В случае замыкания фазы на заземленный, но не присоединенный к нулевому защитному проводнику корпус, между этим корпусом и землей возникает напряжение. при равенстве сопротивлений заземлителей нейтрали обмоток источника тока и корпуса оно равно: . При этом защита из-за малого значения тока, как правило, не способна отключить установку от сети. Такое же напряжение возникает и между всеми корпусами, присоединенными к нулевому защитному проводнику, и землей.
Одновременно зануление и заземление одного и того же корпуса улучшает условия безопасности, так как создает дополнительное заземление нулевого защитного проводника.
3.3 Контроль исправности зануления
По окончании монтажных и ремонтных работ, а также в процессе эксплуатации системы зануления (не реже одного раза в 5 лет) измеряют сопротивление заземления нейтрали и повторного заземления нулевого проводника, проверяют состояние элементов заземляющих устройств, измеряют сопротивление петли фаза-нуль и так далее.
Сопротивление петли фаза-нуль проверяют для наиболее удаленных и наиболее мощных приемников. При измерении сопротивления петли фаза-нуль с помощью вольтметра и амперметра необходимо отключать установку от сети, кроме этой схемы для измерения полного сопротивления петли фаза-нуль существуют схемы без отключения оборудования.
Список литературы