Расчёт системы защитного зануления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методические указания

Безопасность жизнедеятельности

расчёт системы защитного зануления

Брянск 2010

ПРЕДИСЛОВИЕ

Широкое использование электроэнергии во всех сферах деятельности человека, неуклонный рост энерговооружённости труда повлекли за собой повышение опасности поражения человека электрическим током. Электрический ток не имеет каких-либо физических признаков или свойств, по которым человек мог бы его ощущать органами чувств, что усугубляет его опасность для человека. Электротравматизм составляет значительную долю в общем числе несчастных случаев.

В связи с этим важным является выбор защитных мер электробезопасности для обслуживающего персонала от поражения электрическим током.

Цель работы - изучение метода расчёта систем защитного зануления электроустановок в сетях до 1000 В.

Продолжительность работы - 3 часа.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ

Существующие электрозащитные мероприятия можно разделить на следующие основные группы:

1. Организационные мероприятия (для квалифицированного персонала), включающие оформление работ нарядом-допуском, подготовку рабочих мест и допуск к работе, надзор во время выполнения работы и т. п.

2. Организационно-технические мероприятия, включающие изоляцию и ограждение токоведущих частей электрооборудования; безопасные режимы работы сети; применение блокировок, защитных средств, защитной изоляции, сигнализации, переносных заземлителей, предупредительных плакатов; изолирование рабочего места и др.

3. Технические меры защиты, предусматривающие:

- защитное заземление;

- автоматическое отключение питания (защитное зануление, защитное отключение);

- уравнивание (выравнивание) потенциалов;

- двойную изоляцию, изолирование рабочего места;

- сверхнизкое (малое) напряжение;

- защитное электрическое разделение сетей;

- контроль, профилактика изоляции, обнаружение её повреждений, защита от замыканий на землю;

- защиту от перехода напряжения с высшей стороны на низшую;

- грозозащиту.

В стандарте ГОСТ Р МЭК 61140-2000 основное правило защиты от поражения электрическим током сформулировано следующим образом: опасные токоведущие части не должны быть доступными, а доступные проводящие части не должны быть опасными в нормальных условиях и при наличии неисправности.

В настоящее время одним из наиболее эффективных электрозащитных средств является автоматическое отключение источника питания, включающее защитное зануление или защитное отключение, которое защищает человека от поражения в условиях неисправности электроустановки - при повреждении или пробое изоляции электроустановки на корпус. Этот способ является превентивным электрозащитным мероприятием и в сочетании с современными системами заземления (TN-S, TN-C-S, ТТ) обеспечивает высокий уровень электробезопасности при эксплуатации электроустановок в сетях до 1000 В .

Задача защитного зануления - быстрое и надёжное автоматическое отключение электрооборудования при нарушении изоляции и появлении на корпусах электрооборудования опасного напряжения.

Для решения этой задачи металлические нетоковедущие части электрооборудования, которые могут оказаться под напряжением, соединяют проводниками с заземлённой нейтральной точкой обмотки источника тока или её эквивалентом (глухозаземлённой нейтралью). Принципиальная схема зануления в сети трёхфазного тока показана на рис. 1.

Проводник, обеспечивающий соединения зануляемых частей с глухозаземленными нейтральной точкой, называется нулевым защитным проводником. В качестве нулевых защитных проводников применяют голые или изолированные проводники, стальные полосы, кожухи шинопроводов, алюминиевые оболочки кабелей, различные металлоконструкции зданий, подкрановые пути и т. д.

Принцип действия зануления заключается в том, что при появлении напряжения на нетоковедущих частях оборудования возникает ток короткого замыкания I_к.з, то есть замыкание между фазным и нулевым защитным проводниками (петля "фаза - ноль"). Его значение превышает номинальный ток плавкой вставки ближайшего предохранителя или автоматических выключателей (расцепителя автоматического выключателя, магнитного пускателя со встроенной тепловой защитой, контактора с тепловыми реле и т. п.) не менее чем в 3 раза. При такой силе тока короткого замыкания происходит быстрое перегорание плавкой вставки (или срабатывание других автоматических защитных средств). Перегорание плавких вставок происходит за 5…7 с, отключение повреждённых фаз автоматическими устройствами - за 1…2 с.

	1 - аппараты защиты от токов короткого замыкания (предохранители, автоматические выключатели и т. п.); 2 - корпус электрооборудования; Iк.з - ток короткого замыкания; Iз - часть тока короткого замыкания, протекающая через землю; Zт - сопротивление обмотки трансформатора; Rн - сопротивление нулевого провода; Rф - сопротивление фазного провода; R0 - сопротивление заземления нейтрали обмотки источника тока; Rп - сопротивление повторного заземления нулевого защитного проводника

Рис. 1. Принципиальная схема защитного зануления корпуса электрооборудования в трёхфазной сети до 1000 В

Из рис. 1 видно, что для схемы зануления необходимо наличие глухого заземления нейтрали обмоток источника тока и повторного заземления нулевого защитного проводника. Заземление нейтрали обмоток источника тока, питающего сеть, предназначено для снижения напряжения занулённых корпусов (а следовательно, нулевого защитного проводника) относительно земли до безопасного значения при замыкании фазы на землю. Повторное заземление нулевого защитного проводника практически не влияет на отключающую способность схемы зануления и в этом смысле без него можно обойтись. Однако при отсутствии повторного заземления нулевого защитного проводника возникает опасность для людей, прикасающихся к занулённому оборудованию в период, пока существует замыкание фазы на корпус. Это связано с тем, что напряжение относительно земли участка нулевого защитного проводника за местом обрыва и всех присоединённых к нему корпусов исправного электрооборудования окажется близким по значению фазному напряжению сети. Это напряжение будет существовать длительно, поскольку повреждённая установка автоматически не отключится, и её трудно обнаружить среди исправных установок, чтобы отключить вручную.

РАСЧЁТ ЗАЩИТНОГО ЗАНУЛЕНИЯ

При проектировании систему защитного зануления рассчитывают по трём характеристикам: 1) на отключающую способность; 2) на безопасность прикосновения к корпусу при замыкании фазы на землю (расчёт заземления нейтрали); 3) на безопасность прикосновения к корпусу электрооборудования при замыкании фазы на корпус (расчёт повторного заземления нулевого защитного проводника).

Расчёт системы защитного зануления на отключающую способность сводится к выбору плавких вставок предохранителей, гарантирующих срабатывание системы.

Для надёжного срабатывания защиты необходимо выполнение условия:

I_к.з ? k , (1)

где I_к.з - ток короткого замыкания, А;

- номинальный ток плавкой вставки предохранителя или ток срабатывания автоматического выключателя, А;

k - коэффициент кратности тока замыкания.

Для плавких вставок предохранителей k = 3; для автоматических выключателей k = 1,25…1,4.

Плавкие вставки предохранителей подбирают по расчётному значению номинального тока (прил. 1), при этом должно соблюдаться условие (1). Значение номинального тока определяется по выражению

, (2)

где - пусковой ток электродвигателя, А;

б - коэффициент режима работы.

Для асинхронных двигателей б = 1,6…2,5; для двигателей с частыми включениями (крановые двигатели) б = 1,6…1,8; для двигателей, приводящих в действие механизмы с редкими пусками (конвейеры, вентиляторы), б = 2…2,5.

Значение пускового тока электродвигателя

= · в, (3)

где I_н.эл.дв - номинальный рабочий ток электродвигателя, А;

в = 5…8 - коэффициент перегрузки (I_пус/I_н), принимаемый по прил. 2 или электротехническим справочникам [9].

Номинальный рабочий ток электродвигателя

, (4)

где Р - номинальная мощность двигателя, кВт;

U_н - номинальное напряжение, В;

cos ц - коэффициент мощности.

Рис. 2. Схемы для расчёта зануления в сети переменного тока на отключающую способность: а) полная; б) упрощённая

Значения Р, U_н и cos ц также принимаются по прил. 2 или [9].

Сила тока короткого замыкания I_к.з рассчитывается по схеме замещения, представленной на рис. 2. Значение I_к.з зависит от фазного напряжения сети U_ф и сопротивлений цепи, в том числе от полных сопротивлений трансформатора Z_т, фазного проводника R_ф, нулевого защитного проводника R_н, внешнего индуктивного сопротивления петли (контура) "фазный проводник - нулевой защитный проводник" (петли "фаза - ноль") Z_п, а также от активных сопротивлений заземлений нейтрали обмоток источника тока (трансформатора) R₀ и повторного заземления нулевого защитного проводника R_п (рис. 2а). Поскольку R₀ и R_п, как правило, велики по сравнению с другими сопротивлениями цепи, можно не принимать во внимание параллельную ветвь, образованную ими. Тогда расчётная схема упростится (рис. 2б), а выражение для тока I_к.з может рассчитываться по приближённой зависимости, в которой модули сопротивлений трансформатора и петли "фаза - ноль" складываются арифметически:

, (5)

где U_ф - фазное напряжение сети, В;

Z_т/3 - сопротивление фазы трансформатора, Ом;

Z_п - сопротивление петли "фаза - ноль" линии, Ом.

Значения сопротивления трансформатора Z_т выбираются по прил. 3.

Полное сопротивление петли "фаза - ноль" Z_п определяется по зависимости

, (6)

где R_ф, R_н - активные сопротивления фазного и нулевого защитного проводников, Ом;

Х_ф, Х_н - внутренние индуктивные сопротивления фазного и нулевого защитного проводников, Ом;

Х_п - внешнее индуктивное сопротивление (сопротивление взаимоиндукции) петли "фаза - ноль", Ом.

Способ расчёта активных (R_ф и R_н) и внутренних индуктивных (Х_ф, Х_н) сопротивлений зависит от материала проводников.

1. Если применяются проводники из цветных металлов, то активное сопротивление определяется по зависимости

, (7)

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

L - длина проводника, м;

S - сечение мм².

Значения индуктивных сопротивлений Х_ф и Х_н для медных и алюминиевых проводников малы (около 0,0156 Ом/км) и, как правило, при расчётах ими пренебрегают.

2. Если применяются стальные проводники, то для расчёта их активных (R) и внутренних индуктивных (Х) сопротивлений также задаются сечением и длиной нулевого и фазного проводников и применяют зависимости:

R = r_щ · L,

Х = х_щ · L,

где L - длина проводника;

r_щ и х_щ - удельное активное и удельное внутреннее индуктивное сопротивления стальных проводников, значения которых определяются по прил. 4 в зависимости от размеров сечения S фазных и нулевых защитных проводников, а также ожидаемой плотности тока , А/мм²

. (9)

Сечение нулевого проводника и его материал выбираются из условия, чтобы полная проводимость нулевого провода была не менее 50% полной проводимости фазного провода, то есть соблюдалось условие

.

Величина внешнего индуктивного сопротивления Х_п петли "фаза - ноль" зависит от длины этой петли, то есть от длины фазового L_ф и нулевого L_н проводников, а также удельного внешнего индуктивного сопротивления х_п:

Х_п = х_п · (L_ф + L_н). (10)

Величину удельного внешнего индуктивного сопротивления х_п в практических расчётах принимают равной 0,6 Ом/км.

Пример

электрозащитное зануление

Рассчитать систему защитного зануления для трёхфазной четырёхпроводной линии напряжением 380/220 В, питающей асинхронный электродвигатель 4А132М2 (частота вращения n = 3000 мин^-1).

Дано: источник тока - трансформатор мощностью 630 кВ·А с номинальным напряжением обмоток 6/10 кВ и схемой соединения обмоток л (звезда).

Фазный провод - медный, 8 мм, сечение S_ф = 50,27 мм², длина L_ф = 100 м = 0,1 км.

Нулевой провод - стальной с сечением 440 мм, S_н = 160 мм², длина L_н = 50 м = 0,05 км.

Решение

Надёжность и быстродействие системы защитного зануления определяется правильным выбором плавкой вставки предохранителя, что определяется расчётом значения номинального тока и соблюдением условия (1)

I_к.з ? 3.

1. Для нахождения номинального тока рассчитываются номинальный ток электродвигателя по зависимости (4) и значение пускового тока электродвигателя по зависимости (3).

По прил. 2 для двигателя типа 4А132М2 принимается

N = 10 квт, cos ц = 0,9, I_пус/I_н = в = 7,5.

Следовательно,

= 16,88 А.

Пусковой ток электродвигателя

= · в = 16,88 · 7,5 = 126,6 А.

Значение номинального тока плавкой вставки

= = 63,3 А.

По зависимости (1) определяется ожидаемое значение тока короткого замыкания

I_к.з ? 3 = 3 · 63,3 = 189,9 А.

2. Проверим условие обеспечения отключающей способности защитного зануления по зависимости (5). Для этого определяются значения сопротивления трансформатора Z_т и сопротивления петли "фаза - ноль" Z_п.

Сопротивление трансформатора Z_т принимается по прил. 3. Для трансформатора с мощностью 630 кВ·А

Z_т = 0,129 Ом.

3. По прил. 4. определяются активные и индуктивные сопротивления проводников для расчёта сопротивления Z_п.

Для фазного провода рассчитывается только активное сопротивление по зависимости (7)

= = 0,036 Ом.

Так как значениями индуктивных сопротивлений медных проводников пренебрегают, то

Х_ф = 0 Ом.

Для нулевого провода активное R_н и внутреннее индуктивное Х_н сопротивления рассчитываются по зависимости (8). Для этого по прил. 4 задаются значениями удельного активного r_щ и удельного внутреннего индуктивного х_щ сопротивлений, которые зависят от плотности тока (9).

Плотность тока нулевого провода

= 1,19 1,5 А/мм².

R_н = r_щ · L_н = 1,81 0,05 = 0,0905 Ом.

Х_н = х_щ · L_н = 1,09 0,05 = 0,0545 Ом.

4. По зависимости (10) рассчитывается внешнее индуктивное сопротивление петли "фаза - ноль" Х_п. Удельное внешнее индуктивное сопротивление х_п принимается равным 0,6 Ом/км. Тогда

Х_п = х_п · (L_ф + L_н) = 0,6 · (0,1 + 0,05) = 0,09 Ом.

5. По зависимости (6) рассчитывается значение сопротивления петли "фаза - ноль"

=

= = 0,647 Ом.

6. По зависимости (5) рассчитается сила тока короткого замыкания

= 550,7 А.

7. Проверяется условие надёжного срабатывания защиты:

I_к.з ? 3

550,7 > 3 · 63,3.

550,7 > 189,9.

Ток I_к.з более чем в 3 раза превышает номинальный ток плавкой вставки.

8. По рассчитанному значению номинального тока I_н = 63,3 А в прил. 1 находится ближайшее значение из рядов номинальных токов стандартных предохранителей, равное 60 А.

Итак, принимается предохранитель серии ПН2-100 с номинальным током 60 А.

ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАСЧЁТА ЗАЩИТНОГО ЗАНУЛЕНИЯ

Рассчитать систему защитного зануления для трёхфазной четырёхпроводной линии напряжением 380/220 В, питающей асинхронный электродвигатель.

Источник тока - трансформатор с мощностью N (кВ·А), номинальным напряжением обмоток 6/10 кВ и схемой соединения обмоток л (звезда).

Материал фазного провода - медь, материал нулевого провода - сталь.

Исходные данные для решения задачи представлены в прил. 5.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Безопасная эксплуатация электроустановок: справ. пособие / под общ. ред. Е.Н. Татарова. - Н. Новгород: Вента-2, 1999. - 160 с.

2. ГОСТ 12.1.030-81 Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление.

3. ГОСТ Р МЭК 61140-2000. Защита от поражения электрическим током. Общие положения по безопасности, обеспечиваемой электрооборудованием и электроустановками в их взаимосвязи.

4. Долин, П.А. Элекробезопасность. Задачник: учеб. пособие / П.А. Долин, В.Т. Медведев, В.В. Корочков. - М.: Гардарики, 2003. - 213 с.

5. Защитное заземление и защитное зануление электроустановок: справочник / В.Д. Маньков, С.Ф. Заграничный. - М.: Политехника, 2006 - 440 с.

6. Иванов, Е.А. Безопасность электроустановок и систем автоматики: учеб. пособие для студентов / Е.А. Иванов, В.Л. Галка, К.Р. Малаян. - СПб.: ЭЛМОР, 2003. - 381 с.

7. Кудрин, Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий: учеб. для вузов. - М.: Интермет инжиниринг, 2007. - 670 с.

8. Охрана труда: Межотраслевые правила по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации электроустановок: ПОТ РМ 016-2001, РД 153-34.0-03.150-00: правила вводятся в действие с 1 июля 2001 г. - М.: Инфра-М, 2005. - 152 с.

9. Правила устройства электроустановок. Сборник нормативных документов. - 7-е изд. - М.: Энас, 2006. - 552 с.

10. Электротехнический справочник. В 4 т. Т. 2. Электротехнические изделия и устройства / под общ. ред. В.Г. Герасимова. - М.: Издательство МЭИ, 2003. - 518 с.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Значения I_н стандартных предохранителей для сетей напряжением 220 и 380 В

Тип предохранителя	Номинальный ток плавкой вставки, А	Тип предохранителя	Номинальный ток плавкой вставки, А
НПИ 15	6; 10; 15	ПН2-400	200; 250; 300; 350; 400
НПН60М	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

Приложение 2

Технические данные двигателей серии 4А

Тип	Мощность, кВт	cos ц		Тип	Мощность, кВт	cos ц
частота вращения 3000 мин-1
4А71В2	1,1	0,87	5,5	4А132М2	10	0,9	7,5
4А80А2	1,5	0,85	6,5	4А1602	15	0,91	7,5
4А80В2	2,2	0,87	6,5	4А160М2	18,5	0,92	7,5
4А100L2	3	0,88	6,5	4А180S2	22	0,91	7,5
4А1002	4	0,89	6,5	4А200М2	30	0,9	7,5
4А100L2	5,5	0,89	7,5	4А220L2	37	0,89	7,5
4А112М2	7,5	0,88	7,5	4А225М2	45	0,9	7,5
частота вращения 1500 мин-1
4А71В4У3	0,75	0,75	4,5	4А132М4У3	11	0,87	7,5
4А80А4У3	1,1	0,81	5,0	4А180S4У3	22	0,9	7
4А90L4У3	2,2	0,83	5	4А200М4У3	37	0,9	7
4А100S4У3	3	0,83	6,5	4А200L4У3	45	0,9	7
4А132S4У3	7,5	0,86	7,5	4А232М4У3	55	0,9	7
частота вращения 1000 мин-1
4А71А6У3	0,37	0,69	4	4А132М6У3	7,5	0,81	7
4А80А6У3	0,75	0,74	4	4А160S6У3	11	0,86	6
4А90L6У3	1,5	0,74	5,5	4А160М6У3	15	0,87	6
4А100L6У3	2,2	0,73	5,5	4А180М6У3	18,5	0,87	6
4А132S6У3	5,5	0,8	7	4А200М6У3	22	0,9	6,5

Приложение 3

Приближенные значения расчётных полных сопротивлений Z_т, Ом, обмоток масляных трёхфазных трансформаторов

Мощность трансформатора,кВ·А	Номинальное напряжение обмоток высшего напряжения, кВ	Схема соединения обмоток
		Звезда л	Треугольник Д
25	6 - 10	3,110	0,906
40	6 - 10	1,949	0,562
63	6 - 10 20 - 35	1,237 1,136	0,360 0,407
100	6 - 10 20 - 35	0,799 0,764	0,226 0,327
160	6 - 10 20 - 35	0,487 0,478	0,141 0,203
250	6 - 10 20 - 35	0,312 0,305	0,09 0,130
400	6 - 10 20 - 35	0,195 0,191	0,056 -
630	6 - 10 20 - 35	0,129 0,121	0,042 -
1000	6 - 10 20 - 35	0,081 0,077	0,027 0,032
1600	6 - 10 20 - 35	0,054 0,051	0,017 0,020

Приложение 4

Удельные активные r и удельные индуктивные х_щ сопротивления стальных проводников (Ом/км)

Размер или диаметр сечения, мм	Площадь сечения,мм2	r	хщ	r	хщ	r	хщ	r	хщ
		при ожидаемой плотности тока , А/мм2
		0,5	1,0	1,5	2,0
Полоса прямоугольного сечения
204	80	5,24	3,14	4,20	2,52	3,48	2,09	2,97	1,78
304	120	3,66	2,20	2,91	1,75	2,38	1,43	2,04	1,22
305	150	3,38	2,03	2,65	1,54	2,08	1,25	-	-
404	160	2,80	1,68	2,24	1,34	1,81	1,09	1,54	0,92
504	200	2,28	1,37	1,79	1,07	1,45	0,87	1,24	0,74
505	250	2,10	1,26	1,60	0,96	1,28	0,77	-	-
604	240	3,83	2,03	2,56	1,54	2,08	1,25	-	-
605	300	1,77	1,06	1,34	0,80	1,08	0,65	-	-
Проводник круглого сечения
5	19,63	17,0	10,2	14,4	8,65	12,4	7,45	10,7	6,4
6	28,27	13,7	8,20	11,2	6,70	9,40	5,65	8,0	4,8
8	50,27	9,60	5,75	7,50	4,50	6,40	3,84	5,3	3,2
10	78,54	7,20	4,32	5,40	3,24	4,20	2,52	-	-
12	113,1	5,60	3,36	4,00	2,40	-	-	-	-
14	150,9	4,55	2,73	3,20	1,92	-	-	-	-
16	201,1	3,72	2,23	2,7	1,6	-	-	-	-

Приложение 5

Исходные данные для решения задачи

№ вар-та	Тип электродвигателя	Частота вращения, мин-1	Мощность трансформатора N, кВ·А	Фазный провод	Нулевой провод
				Длина Lф, м	диаметр, мм	Длина Lн, м	размер, мм
1	4А80А2	3000	160	100	5	50	204
2	4А80В2	3000	160	150	6	100	304
3	4А100L2	3000	250	200	8	100	305
4	4А1002	3000	400	200	8	150	404
5	4А100L2	3000	630	100	10	50	404
6	4А112М2	3000	630	150	12	100	404
7	4А1602	3000	630	200	14	100	504
8	4А160М2	3000	630	200	14	150	505
9	4А180S2	3000	1000	250	16	200	604
10	4А200М2	3000	1000	250	16	200	605
11	4А71В4У3	1500	160	100	5	50	204
12	4А80А4У3	1500	160	150	6	100	304
13	4А90L4У3	1500	250	200	8	100	305
14	4А100S4У3	1500	400	200	8	150	404
15	4А132S4У3	1500	630	100	10	50	404
16	4А132М4У3	1500	630	150	12	100	404
17	4А180S4У3	1500	630	200	14	100	504
18	4А200М4У3	1500	630	200	14	150	505
19	4А200L4У3	1500	1000	250	16	200	604
20	4А232М4У3	1500	1000	250	16	200	605
21	4А71А6У3	1000	160	100	5	50	204
22	4А80А6У3	1000	160	150	6	100	304
23	4А90L6У3	1000	250	200	8	100	305
24	4А100L6У3	1000	400	200	8	150	404
25	4А132S6У3	1000	630	100	10	50	404
26	4А132М6У3	1000	630	150	12	100	404
27	4А160S6У3	1000	630	200	14	100	504
28	4А160М6У3	1000	630	200	14	150	505
29	4А180М6У3	1000	1000	250	16	200	604
30	4А200М6У3	1000	1000	250	16	200	605

Размещено на Allbest.ru