Расчет средств защиты от поражения электрическим током

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 3

Основные понятия и определения.

В зависимости от вида электроустановки, номинального напряжения, режима нейтрали, условий среды помещения и доступности электрооборудования применяют определенный комплекс необходимых защитных мер, обеспечивающих достаточную безопасность. Применение защитных мер регламентируется Правилами устройства электроустановок (ПУЭ).

Электроустановки различают напряжениям до 1000 В и выше 1000 В; с изолированной и заземленной нейтралью. В электроустановках применяют следующие технические защитные меры: 1) защитное заземление, 2) зануление, 3 ) выравнивание потенциалов, 4) защитное отключение, 5) малое напряжение и другие

Наиболее распространенными техническими средствами для защиты людей при появлении напряжения на нетоковедущих частях оборудования из-за повреждения изоляции являются защитное заземление и зануление.

Защитным заземлением называется преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Безопасность обеспечивается путем заземления корпуса системой заземлителей, имеющих малое сопротивление. Защитное заземление применяют в сетях напряжением до 1000 В с изолированной нейтральюи в сетях напряжением свыше 1000 В как с изолированной нейтралью, так и с заземленной нейтралью.

По расположению заземлителей относительно заземленных корпусов заземления делят на выносные и контурные. В первом случае заземлители располагаются на некотором удалении от заземляемого оборудования, во втором - по контуру вокруг заземленного оборудования на небольшом (несколько метров) расстоянии друг от друга. В качестве искусственных заземлителей используют вертикально расположенные стержни из уголковой стали или стальных труб. Заземлители соединяют стальной полосой, которую приваривают к каждому заземлителю. Заземлители с заземляемым оборудованием соединяют при помощи металлических проводников.

Сопротивления заземления, согласно ПУЭ, нормируются в зависимости от напряжения электроустановки. В электроустановках напряжением до 1000 В сопротивление заземления должно быть не выше 4 Ом. Если же суммарная мощность источников (трансформаторов, генераторов), подключенных к сети, не превышает 100 кВА, сопротивление должно быть не больше 10 Ом. В электроустановках напряжением выше 1000 В с малым током замыкания (менее 500 А) допускается сопротивление заземления не более 10 Ом, а с большим (болee 500 А) - не выше 0, 5 Ом.

Занулением называется преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Цель зануления - обеспечить быстрое отключение установки от сети при замыкании фазы (или фаз) на ее корпус, а также снизить напряжение на корпусе в аварийный период. Это достигается путем превращения замыкания на корпус в однофазное короткое замыкание с созданием в этой цепи тока, достаточного для срабатывания защиты. Зануление применяется в трехфазных четырехпроводных сетях напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью.

Согласно ПУЭ ток однофазного короткого замыкания должен превышать не менее чем в 3 раза номинальный ток плавкой вставкиили ток срабатывания автоматического выключателя с обратной зависимой от тока характеристикой. При защите сети автоматическими выключателями, имевшими только электромагнитный разделитель, кратность тока выключателей с номинальным током до 100 А следует принимать равной 1, 4. а для прочих – 1, 25. Полная проводимость нулевого провода во всех случаях должна быть не менее 50 % проводимости фазного провода. Если эти требования по каким-либо причинам не удовлетворяются, отключение при замыкании на корпус должно обеспечиваться специальными защитами, например, защитным отключением.

Расчет защитного заземления.

Цельрасчета заземления - определить число и длину вертикальных элементов (стержней), длину горизонтальных элементов (соединительных полос) и разместить заземлители на плане электроустановки, исходя из значений допустимых сопротивления и максимального потенциала заземлителя.

Расчет производится в следующем порядке:

I. Определяется норма сопротивления заземления R_н (по ПУЭ) в зависимости от напряжения, режима работы нейтрали, мощности и других данных электроустановки;

2. Определяется расчетное удельное сопротивление грунта с учетом климатического коэффициента r_расч = r_табл ^. y, где r_табл - удельное сопротивление грунта по табл. 3.1;

y - климатический коэффициент по табл.3.2;

Таблица 3.1. Значения удельных сопротивлений грунтов^*)

^*) При влажности 10-12 % к массе грунта

Таблица 3.2.Значения климатических коэффициентов и признаки зон*

Тип заземлителя	Климатические зоны
I	II	III	IV
Вертикальные стержни длиной =2-3 м и при глубине заложения = 0, 5-0, 8 м	1, 8 – 2, 0	1, 5 – 1, 8	1, 4 – 1, 6	1, 2 – 1, 4
Горизонтальные полосовые заземлителипри глубине заложения = 0, 8 м	4, 5 – 7, 0	3, 5 – 4, 5	2, 0 – 2, 5	1, 5 – 2, 0
Признаки климатических зон
Средняя температура января, оС	-20 - -15	-14 - -10	-10 - 0	0 - 5
Средняя температура июля, оС	16 - 18	18 - 22	22 - 24	24 - 28

* При выборе значения климатических коэффициентов из таблицы выбирают верхнее значение (пример: 1, 8…2, 0 – следует выбрать 2, 0), как наиболее опасное.

3. Определяется сопротивление одиночного вертикального заземлителя R _с с учетом удельного сопротивления грунта:

, (3.1)

где d - диаметр стержня, м; ; - см. табл. 3.2;

4. Учитывая нopмy сопротивления заземления R _н, определяют число вертикальных заземлителей без учета взаимного экранирования

(3.2).

5. Разместив заземлители на плане и задавшись отношением расстояния между одиночными заземлителями к их длине , определяют с учетом коэффициента использования вертикальных стержней (табл.3.3) окончательно их число и сопротивление заземлителей - без учета соединительной полосы

Таблица 3.3

Коэффициенты использования вертикальных заземлителей

6. Определяется сопротивление соединительной полосы

, (3.3)

где - длина соединительной полосы, - ширина и глубина заложения полосы, и с учетом коэффициента использования полосы (табл. 3.4) уточняется .

Таблица 3.4. Коэффициенты использования горизонтальной полосы,

соединяющей вертикальные заземлители

7. Определяют общее сопротивление заземляющего устройства и соединявшей полосы,

(3.4)

и проверяют, соответствует ли оно нормативному значению R_н.

Пример расчета. Заземлению подлежит оборудование понижающей подстанции напряжением 6/0, 4 кВ. Мощность трансформатора 200 кВА, схема соединения обмоток Y/D_н, т.е. на стороне высокого напряжения - глухозаземленная нейтраль, низкого - изолированная нейтраль. Грунт - суглинок, климатическая зона - II.

Для заземляющего устройства в качестве вертикальных стержней предполагается использовать угловую сталь с шириной полки 40 мм, длиной 3 м; в качестве соединительной полосы - стальную шину сечением 40 ^х 4 мм.

I. Токи замыкания на землю в подобных установках меньше 500А, поэтому для заданной мощности трансформатора нормированное сопротивление заземляющего устройстваR_н £ 4 Ом.

2. Удельное сопротивление грунта Ом-м (табл. 3.1). Сучетом климатических коэффициентов 1, 4; 4 (табл.3.2) расчетные удельные сопротивления Ом× м, Ом× м

3. Эквивалентный диаметр стержней d = 0.95 ^. b= 0, 95^. 0, 04 = 0.038 м.

Сопротивление одиночного заземлителя при Н₀ = 0, 5 м и H = 0.5+ 3/2 = 2 м определяем по формуле 3.1:

Ом

4. Без учета взаимного экранирования число заземлителей n = 40, 5/4 = 10 шт.

5. Заземляемый объект – небольшое, отдельно стоящее здание, поэтому заземляющее устройство выбираем контурное в виде прямоугольника (рис. 3.1) с ориентировочным соотношением сторон - 2 ^х 3.

Рис. 3.1. Эскиз заземления

Исходя из реальных условий, отношение берем равным 1. Тогда (табл. 4.3) и шт. сопротивление заземлителей Ом.

6. Длина соединительной полосы м; берем равной м. Тогда сопротивление соединительной полосы (формула 3.3) равно

Ом

С учетом коэффициента использования полосы (табл.4.4) Ом.

7. Общее сопротивление заземляющего устройства находим по формуле 4.4.

Ом

Полученное расчетное сопротивление R удовлетворяет требованиям ПУЭ: R< R_н = 4 Ом. Стержневые заземлители длиной по 3 м в количестве 18 шт. расположены в контуре прямоугольном размером 12 х 15 м.

Расчет зануления

Цель расчета зануления - определить сечение защитного нулевого провода, удовлетворяющее условию срабатывания максимальной токовой защиты, при известных остальных параметрах сети и заданных параметрах автоматического выключателя или плавкой вставки. Принципиальнаясхема зануления представленана рис. 3.2.

Рис 3.2 Схема зануления установки

При замыкании на зануленный корпус электроустановки ток короткого замыкания I _к проходит через следующие участки цепи: обмотки трансформатора Тр, фазный провод L₂, нулевой проводник PE, а также по параллельной ветви: заземление нейтрали R _o, участок грунта, повторное заземление R _п. Сопротивление петли " фаза-нуль" обычно не превышает 2 Ом, а сопротивление R _o+ R _п , согласно ПУЭ должно быть в пределах 7 - 28 Ом в зависимости от напряжения сети. Поэтому ток I _з , протекающий через землю, много меньше тока I _н, проходящего по нулевому проводнику, и можно считать I _к = I _н, Тогда

_, (3.5)

где I_ном - номинальный ток срабатывания устройства защиты П или АВ; - коэффициент кратности номинального тока (см. п. 3.1).

Значение I _ном определяется мощностью подключенной электроустановки, и выбирается из условия несрабатывания при протекании через них рабочих токов электроустановки. Например, для электродвигателей ток I _ном плавких вставок предохранителей должен в 1, 6 - 3 раза превышать номинальные токи.

Расчетный ток короткого замыкания с учетом полного сопротивления петли " фаза-нуль" Z _п:

(3.6)

где U _ф - фазное напряжение сети; Z _т - сопротивление трансформатора.

Значения Z _т в зависимости от мощности трансформатора P и схемы соединения обмоток " звезда-звезда" Y/Y_н или " треугольник-звезда" /Y_н с четвертым нулевым защитным проводником с низкой стороны трансформатора приведены в табл. 3.5.

Таблица 3.5.Расчетные сопротивления трансформаторов

при вторичном напряжении 380/220 В ^*)

Р, кВт	Zт		Р, кВт	Zт
Y/Yн	/Yн		Y/Yн	/Yн
	3, 11	0, 906			0, 312	0, 090
	1, 95	0, 562			0, 195	0, 056
	0, 80	0, 360			0, 129	0, 042
	0, 487	0, 266			0, 081	0, 029
		0, 141			0, 054	0, 017

*) Для трансформаторов о вторичным напряжением 220/128 В Z _т следует уменьшить в 3 раза.

Полное сопротивление проводников петли " фаза-нуль"

(3.7)

где R_ф, R_н - активные сопротивления фазного и нулевого провода; Х _ф, Х _н ~ внутренние сопротивления разного и нулевого проводов; Х _п - внешнее индуктивное сопротивление петли " фаза-нуль".

Для медных и алюминиевых проводников фаз по известным данным: сечению S _ф, мм², длине l, м, и удельному сопротивлению проводника , Ом ^. мм²/м (для меди = 0.018. а для алюминия = 0, 028) - определяется сопротивление

R _ф = l / S _ф. (4.8)

Значение x _ф для медных и алюминиевых проводников мало, поэтому в формуле ( 4.7 ) им можно пренебречь.

Если нулевой защитный проводник выполнен из стали прямоугольного или круглого сечения, то R _н = R ₁ l, R _ф = l, где R ₁ и x ₁ - активное и внутреннее индуктивное сопротивление I км проводника, которые указаны в табл. 3.6. Они зависят от его профиля и площади сечения S _н, а также от ожидаемой плотности тока в проводнике i _н А/мм²

Таблица 3.6. Значения R ₁ и x ₁, Ом/км стальных проводников при переменном токе

(f = 50 Гц)

i _н = I _к / S _н. (3.9)

При выборе сечения нулевого проводника следует обеспечить i _н = 0, 5-2, 0 А/мм

Материал и сечение разных проводников выбирают, исходя из мощности потребителей энергии, а материал и сечение нулевого защитного проводника - должны удовлетворять условию

Z _н £ 2 ^. Z _ф (3.10)

где Z_н и Z_ф - полные сопротивления соответственно нулевого и разного проводника.

Внешнее индуктивное сопротивление Z _п, Ом, петли " фаза-нуль", если используется воздушная линия электропередачи и частота тока f = 50 Гц, можно определить по формуле

x _п = 0.1256 ^. l ^. ln (2 ^. D / d) (3.11)

где l - длина линии, км; D - расстояние между проводниками линии, м; d - диаметр проводников, м. Для грубых расчетов используют формулу x _п = 0.6 ^. l, что соответствует D = 1 м» Для уменьшения значения x _п нулевой защитный проводник следует прикладывать рядом с фазным. Если нулевой проводник является четвертой жилой кабеля или металлической трубой, в которой расположены разные проводники, то x _п мало по величине и им можно пренебречь, в формуле (3.7).

Если источник питания и линия электропередачи заданы, то необходимо выбрать соответствующий автоматический выключатель, используя приведенные выше рекомендации. Если задан автоматический выключатель, тогда необходимо определить сечение нулевого провода. В обоих случаях проводится расчет на срабатывание выключателя. Если в результате расчета условие (3.5) выполняется, то расчет окончен, а если не выполняется, то его повторяют, выполнив одно из мероприятий: изменяют параметры выключателя; утолщают нулевой защитный проводник; измеряют параметры фазных проводников.

Пример расчета. Электроустановка снабжается энергией от трансформатора мощностью 630 кВА. напряжением 10/0.4 кВ со схемой соединения обмоток Y/Y_н. Линия 380/220 В протяженностью 300 м состоит из трех проводников сечением 15 мм², нулевой защитный проводник – стальная полоса сечением 50 ^x 4 - проложена в 20 см от фазных проводников. Проверить обеспечивается ли отключающая способность зануления распределительного щитка, если в качестве зашиты используется автоматический выключатель с I _{ном =} 60 A.

I. Определяем по формуле (3.5) для автоматического выключателя I _к = 1, 4 ^. 60 = 84 А.

2. По табл.3.5 находим сопротивление обмоток трансформатора Z _т = 0, 129 Ом.

Далее рассчитываем по формуле (3.7) полное сопротивление петли " фаза-. нуль".

3. По формуле (3.8) находим при l = 300 м R _ф = 0.028 ^. 300/15 = 0, 56 Ом.

4. Согласно формуле (3.9) i _н = 84/(50 ^. 4) = 0, 42 A/мм². Считая i _н = 0.5, по табл.3.6 для нулевого защитного проводника находим R ₁ = 2, 28 Ом/км, x ₁ = 1.37 Ом/км. Тогда R _н = 2, 28 ^. 0, 3 = 0, 684 Ом; x_y = 1, 73 ^. 0, 3 = 0, 411 Ом.

5. Условие (3.10) выполняется: Z _н = 0, 8 < 2; Z _ф = 1, 1.

6. Внешнее индуктивное сопротивление проводников согласно формуле (3.11) берем с запасом (d = 2 ): x _п = 0, 1256 ^. 0, 3 ^. ln (2 ^. 0, 2/0, 00564) = 0161 Ом.

7. По формуле (3.7) находим Z _п = 1, 37 Ом, затем по формуле (4.6) определяем I _к = 156 А. Следовательно условие (4.5) выполняется, и отключение распределительного щитка в аварийной ситуации также обеспечивается.

Задачи

Задача 1. Спроектировать защитное заземление оборудования лаборатории (ЛАБ) или понижающей подстанции (ПП) 6/0, 4 кВ, от которой питается лаборатория. Заземляющее устройство заглублено: Н _о = 0, 5 - 0, 8 м. Для вертикальных заземлителей длиной l _c = 2.0 - 3.5 м использовать стальные трубы диаметром не менее 25 мм или уголок с полкой не менее 25 мм. Для соединительной полосы использовать стальную шину сечением 40х4 мм. Варианты остальных исходные данных приведены в табл. 4.7.

Таблица 4.7. Варианты исходных данных для расчета защитного заземления

Задача 2.. Рассчитать параметры зануления распределительного щитка лаборатории, к которому подведена линия от понижавшего трансформатора 10/0, 4 кВ. Определить либо параметры нулевого защитного проводника из стали (например, вар. 1), удовлетворяющие условию срабатывания максимальной токовой защиты при заданных параметрах устройства защиты; сечение нулевого проводника выбирать в пределах, указанных в табл. 4.б. Либо подобрать параметры устройства защиты (например, вар. 2); номинальные токи уставок автоматических выключателей –20-80 А., номинальные токи плавких вставок предохранителей - в пределах 40-160 А. Варианты остальных исходных данных приведены в табл. 3.8.

Таблица 3.8. Варианты исходных данных задаче 2

^*) Тип устройства защиты: П – предохранитель, АВ – автоматический выключатель;

I _ном - номинальный ток плавкой вставки предохранителя или номинальный ток уставки автоматического выключателя. Номинальные токи вставок АВ (автоматических выключателей следует принимать: 20; 25; 31, 5; 40; 50; 63; 80 А. А для предохранителей П: 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160 А.