Методика расчета зануления на отключающую способность

Расчет зануления на отключающую способность

Цель работы – приобретение практических навыков в выборе параметров электрической сети и самостоятельном решении инженерной задачи расчета зануления на отключающую способность.

Методические указания

6.1.1. Изучить общие сведения о занулении: назначение, область его практического применения и основные принципы защиты человека от поражения электрическим током посредством зануления (ГОСТ 12.1.030-81, раздел 3 настоящих указаний).

6.1.2. Оценить степень своей готовности к дальнейшему выполнению работы, ответив на вопросы для самопроверки (раздел 4 настоящих указаний). Возможно коллективное обсуждение по данному пункту под руководством преподавателя.

6.1.3. Ознакомиться с методикой расчета зануления на отключающую способность (раздел 5 настоящих указаний).

6.1.4. Выполнить расчет зануления на отключающую способность, в том числе выполнить схему сети к расчету для данного варианта, осуществить выбор мощности трансформатора и параметров сети, выбор сечений фазного и нулевого защитного проводников, а так же типа и параметров защитного аппарата (раздел 6 настоящих указаний).

6.1.5. Проанализировать результаты расчета и сделать вывод о выполнении (невыполнении) условий надежного отключения поврежденного потребителя в заданно короткое время.

Содержание отчета.

6.2.1. Цели расчета.

6.2.2. Исходные данные по выполняемому варианту расчета.

6.2.3. Схема сети к расчету.

6.2.4. Выбор мощности трансформатора.

6.2.5. Расчет номинального тока плавкой вставки предохранителя или уставки тока срабатывания автоматического выключателя и выбор аппарата защиты.

6.2.6. Выбор сечений фазного и нулевого защитного проводников и расчет зануления на отключающую способность.

6.2.7. Анализ результатов расчета и оценка правильности выбора сечения нулевого защитного проводника и аппарата защиты.

6.2.8. Выводы.

Зануление в электроустановках. Общие положения

6.3.1. Зануление предназначено для защиты человека от поражения электрическим током при замыкании фазы на корпус электрооборудования.

6.3.2. Конструктивно зануление представляет собой преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником нетоковедущих частей электроустановки, которые могут оказаться под напряжением.

6.3.3. Принципиальная схема зануления в сети трехфазного тока до 1000В представлена на рис.6.1, где:

Рис.6.1 Принципиальная схема зануления в трехфазной сети до 1000В.

6.3.4. Принцип действия зануления в следующем: превращение замыкания на корпус в однофазное короткое замыкание (т.е. замыкание между фазным и нулевым защитным проводниками с целью вызвать большой ток, способный обеспечить срабатывание защиты, которая селективно отключит поврежденную электроустановку от сети).

Чем больше ток однофазного короткого замыкания I_к, тем быстрее и надежнее произойдет отключение поврежденного потребителя. Исходя из надежности отключения, ток однофазного короткого замыкания I_к должен значительно превышать уставку защиты, т.е. должно выполняться условие:

		(6.1)
	где		– номинальный ток защитного аппарата (номинальный ток плавкой вставки предохранителя или ток срабатывания расцепителя автоматического выключателя);
			– коэффициент кратности тока КЗ по отношению к номинальному току аппарата защиты:
					– при защите предохранителями или автоматическими выключателями с тепловым расцепителем;
					– при защите автоматическими выключателями с электромагнитными расцепителями с номинальным током Iн < 100А;
					– при защите автоматическими выключателями с электромагнитными расцепителями и номинальным током Iн > 100А.

Кроме того, заземление корпусов через нулевой защитный проводник снижает в аварийный период их напряжение относительно земли.

6.3.5 Таким образом, зануление осуществляет два защитных действия – быстрое автоматическое отключение поврежденной установки от питающей сети и снижение напряжения зануленных металлических нетоковедущих частей, оказавшихся под напряжением, относительно земли.

6.3.6. Область применения зануления – трехфазные, четырехпроводные сети до 1000В с глухозаземленной нейтралью источника тока, в том числе, наиболее распространенные сети 380/220В, а также, сети 220/127В и 660/380В [ 1 ].

6.3.7. Из рис.6.1 видно, что для схемы зануления необходимы нулевой защитный проводник (НЗ), глухое заземление нейтрали (R_o), повторное заземление нулевого защитного проводника (R_n).

6.3.8. Назначение нулевого защитного проводника в схеме зануления – обеспечить необходимое для отключения установки значение тока однофазного короткого замыкания (I_к) путем создания для этого тока цепи с малым сопротивлением. С этой целью подбирается нулевой защитный проводник с соответствующей проводимостью: проводимость нулевого защитного проводника должна составлять не менее 50% от полной проводимости фазного проводника:

		(6.2)
	где		– полное сопротивление нулевого защитного и фазного проводников, Ом.

6.3.9. Назначение заземления нейтрали обмоток источника тока, питающего сеть до 1000В – снижение напряжения зануленных корпусов (а, следовательно, нулевого защитного проводника) относительно земли до безопасного значения при замыкании фазы на землю.

6.3.10. Назначение повторного заземления нулевого защитного проводника – снижение напряжения относительно земли зануленных корпусов в период замыкания фазы на корпус как при исправной схеме зануления, так и в случае обрыва нулевого защитного проводника.

6.3.11. Полный расчет зануления имеет целью - определить условия, при которых оно выполняет возложенные на него задачи – быстро отключает поврежденную установку от сети и, в то же время, обеспечивает безопасность прикосновения человека к зануленному корпусу в аварийный период. В соответствии с этим, зануление рассчитывают на отключающую способность, а также, на безопасность прикосновения к корпусу при замыкании фазы на землю (расчет заземления нейтрали) и на корпус (расчет повторного заземления нулевого защитного проводника).

6.3.12. Задачей данной работы является расчет зануления на отключающую способность.

Методика расчета зануления на отключающую способность

6.4.1. Цель расчета – определение такого сечения нулевого защитного проводника, при котором ток короткого замыкания (I_к) в заданное число раз (k) превзойдет номинальный ток аппарата защиты (I_ном.за), что обеспечит селективное отключение поврежденного потребителя в заданное короткое время.

6.4.2. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

· по номинальному току (мощности) зануляемой электроустановки определить и выбрать сечения фазного и нулевого защитного проводников, обеспечивающие необходимую проводимость петли фаза-нуль;

· выбрать тип и параметры защитного аппарата, обеспечивающие быстрое и надежное отключение поврежденного участка электрической сети при замыкании фазы на зануленный корпус электроустановки.

6.4.3. Схема сети к расчету зануления на отключающую способность приведена на рис.6.2, где:

ПР

		R0

Рис.6.2. Схема сети к расчету зануления на отключающую способность.

6.4.4. Для обеспечения надежного отключения поврежденного электроприемника в минимальное время, необходимо выполнение двух условий – 6.1 и 6.2:

	или

Расчет выполняется исходя из условия (6.2) и проверяется на выполнение условия (6.1).

6.4.5. Расчет величины тока короткого замыкания ( I_к ).

Значение I_к зависит от фазного напряжения сети U_ф и сопротивлений цепи, в том числе, от полных сопротивлений трансформатора Z_Т и петли (контура) фазный проводник – нулевой защитный проводник (петли фаза – нуль, Z_п) и может быть рассчитано по формуле для вычисления действительного значения (модуля) тока короткого замыкания:

, A

(6.3)

Значение Z_T зависит от мощности трансформатора, напряжения и схемы соединения его обмоток, а также от конструктивного исполнения трансформатора. Последовательность определения Z_T приводится в 6.5.4.

Полное сопротивление петли фаза-нуль Z_П в действительной форме (по модулю) равно:

, Ом (6.4)

где - активное сопротивление соответственно фазного и нулевого защитного проводников, Ом. Определение приведено в 6.5.8;

X_П - индуктивное сопротивление петли фаза-нуль.

Индуктивное сопротивление петли фаза-нуль X_П определяется выражением:

X_{П =} X_Ф + X_НЗ + X_вз (6.5)

где X_Ф , X_НЗ - индуктивные сопротивления соответственно фазного и нулевого защитных проводников;

X_вз - внешнее индуктивное сопротивление петли фаза-нуль (сопротивление взаимоиндукции между фазным и нулевым проводами).

Для медных и алюминиевых проводников X_Ф , X_НЗ сравнительно малы (около 0, 0156 Ом/км), поэтому ими можно пренебречь.

Внешнее индуктивное сопротивление X_вз зависит от расстояния между проводами (D) и их диаметра (d). Поскольку d изменяется в незначительных пределах, влияние его также незначительно. Следовательно, X_вз зависит в основном от D (с увеличением расстояния растет сопротивление). Поэтому в целях уменьшения внешнего индуктивного сопротивления петли фаза-нуль нулевые защитные проводники прокладываются совместно с фазными или в непосредственной близости от них. При малых значениях D, соизмеримых с диаметром проводов d, т.е. когда фазный и нулевой проводники расположены в непосредственной близости один от другого, сопротивление X_вз незначительно (не более 0.1 Ом/км) и им можно пренебречь.

Тогда расчетная формула (6.3) принимает вид:

(6.6)

6.4.6. Для выбора аппарата защиты определяют величину номинального тока плавкой вставки I_{ном.вст.}, исходя из максимального рабочего тока в цепи I_max с учетом пускового тока электродвигателя I_пуск.. Последовательность определения I_{ном.вст.} и выбора аппарата защиты приведена в 6.5.5.

6.4.7. Проверка надежности отключения поврежденного электроаппарата.

Если значения расчетного тока короткого замыкания I_K и номинального тока выбранного аппарата защиты I_{ном.з.а.} удовлетворяют условию (1): I_K I_{ном.з.а.}, нулевой защитный проводник выбран правильно, т.е. отключающая способность системы обеспечена.

6.4.8. Таким образом, расчет зануления на отключающую способность является поверочным расчетом правильности выбора проводимости нулевого защитного проводника, а точнее, достаточности проводимости петли фаза-нуль.

6.5. Алгоритм расчета

6.5.1. Сформулировать цель расчета и решаемые при этом задачи (п.п.6.4.1, 6.4.2).

6.5.2. Привести исходные данные для расчета варианта, заданного преподавателем.

(Приложение В, таблица В.1).

6.5.3. Привести схему к расчету, соответствующую исходным данным, и указать участок цепи, выбранный для расчета (п.п.6.5.2., 6.4.3., рис.6.2).

6.5.4. Определить полное сопротивление трансформатора Z_T.

Тип трансформатора, напряжение на обмотках трансформатора (U₁ /U₂) и схема соединения его обмоток приведены в задании для расчета зануления (п.п. 6.5.2.- исходные данные (и на рис.6.2).

Определить мощность трансформатора S_тр. по формуле

(6.7)

где: P_эд-1, P_эд-2 - номинальные мощности электродвигателей ЭД-1 и ЭД-2, кВт;

Р_осв - осветительная нагрузка, кВт;

cos j - коэффициент мощности соответствующей электроустановки (для ЭД-1, ЭД-2 – Приложение В, таблица В.2, для осветительной установки – исходные данные п.6.5.2.);

К_с - коэффициент спроса, определяемый по формуле:

(6.8)

где: К_з - коэффициент загрузки электродвигателя (Приложение В, таблица В.2);

h_д - к.п.д. электродвигателей (Приложение В, таблица В.2).

Рассчитанное значение мощности трансформатора S_тр округлить до ближайшего стандартного и выбрать расчетное сопротивление трансформатора Z_Т (Приложение В, таблицы В.1, В.3, В.4).