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;

α – коэффициент режима работы.

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

Значение пускового тока электродвигателя

= · β, (3)

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

β = 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 φ – коэффициент мощности.

Значения Р, U_н и cos φ 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) R ₀и повторного заземле­ния нулевого защитного проводника R_п (рис. 2а). Поскольку R ₀ 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 ρ – удельное сопротивление проводника (для меди ρ = 0, 018 Ом·мм²/м, для алюминия ρ = 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:

Х = х_ω · L,

где L – длина проводника;

r_ω и х_ω – 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 d, 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

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 λ (звезда).

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

Нулевой провод – стальной с сечением 4´ 40 мм, S_н = 160 мм², длина L_н = 50 м = 0, 05 км.