Требования к нулевому защитному проводнику

Цель зануления - обеспечить защиту от поражения электрическим током при замыкании на корпус за счет ограничения времени прохождения тока через тело человека и за счет снижения напряжения прикосновения.

Назначение нулевого защитного проводника в схеме зануления - обеспечить необходимое для отключения установки значение тока однофазного короткого замыкания путем создания для этого тока цепи с малым сопротивлением.

При проектировании зануления должны быть выполнены требования ПУЭ. Проводимость нулевого защитного проводника должна быть не менее 50% проводимости вывода фаз.

Надежность зануления определяется в основном надежностью нулевого защитного проводника. В связи с этим требуется тщательная прокладка нулевого защитного проводника, чтобы исключить возможность его обрыва. Кроме того, в нулевом защитном проводнике запрещается ставить выключатели, предохранители и другие приборы, способные нарушить его целостность.

При соединении нулевых защитных проводников между собой должен обеспечиваться надежный контакт. Присоединение нулевых защитных проводников к частям электроустановок, подлежащих занулению, осуществляется сваркой или болтовым соединением, причем, значение сопротивления между зануляющим болтом и каждой доступной прикосновению металлической нетоковедущей частью электроустановки, которая может оказаться под напряжением, не должно превышать 0, 1 Ом. Присоединение должно быть доступно для осмотра.

Нулевые защитные провода и открыто проложенные нулевые защитные проводники должны иметь отличительную окраску: по зеленому фону желтые полосы.

В процессе эксплуатации зануления сопротивление петли “фаза-нуль” может меняться, следовательно, необходимо периодически контролировать значение этого сопротивления. Измерения сопротивления петли “фаза-нуль” проводят как после окончания монтажных работ, то есть при приемо-сдаточных испытаниях, так и в процессе эксплуатации в сроки, установленные в нормативно технической документации, а также при проведении капитальных ремонтов и реконструкций сети.

В качестве максимальной токовой защиты, обеспечивающей быстрое отключение электроустановки в аварийном режиме могут использоваться плавкие предохранители и автоматические выключатели, устанавливаемые для защиты от токов короткого замыкания, магнитные пускатели со встроенной тепловой защитой, контакторы в сочетании с тепловыми реле, осуществляющие защиту от перегрузки, автоматы с комбинированными расцепителями, осуществляющие защиту одновременно от токов короткого замыкания и перегрузки и др.

3 Расчет зануления

Расчет зануления имеет целью определить условия, при которых оно надежно выполняет возложенные на него задачи - быстро отключить 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. При этом в соответствии с ПУЭ должны выполняться определенные требования.

В системе TN время автоматического отключения питания не должно превышать значений, указанных в таблице 3.1.

Т а б л и ц а 3.1- Наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения питания

Приведенные в таблице 3.1 значения времени отключения питания считаются достаточными для обеспечения электробезопасности, в том числе и в групповых цепях, питающих передвижные и переносные электроприемники и ручной электроинструмент класса I.

В цепях, питающих распределительные, групповые, этажные и другие щиты и щитки, время отключения не должно превышать 5 с.

Допускаются значения времени отключения более указанных в таблице 3.1, но не более 5 с в цепях, питающих только стационарные электроприемники от распределительных щитков или щитов при выполнении одного из следующих условий:

1) полное сопротивление защитного проводника между главной заземляющей шиной и распределительным щитом или щитком не превышает значения, Ом

, (3.1)

где Z _ц – полное сопротивление цепи “фаза – нуль”, Ом;

U – номинальное фазное напряжение сети, В;

50– падение напряжения на участке защитного проводника между главной заземляющей шиной и распределительным щитом или щитком, В.

2) к шине PE распределительного щита или щитка присоединена дополнительная система уравнивания потенциалов, охватывающая те же сторонние проводящие части, что и основная система уравнивания потенциалов.

Расчет зануления на отключающую способность заключается в определении параметров нулевого защитного проводника (длина, сечение, материал) и максимальной токовой защиты, при которых ток однофазного короткого замыкания, возникающий при замыкании фазного провода на зануленный корпус, вызвал бы срабатывание максимальной токовой защиты за время, указанное в таблице 3.1.

Принципиальная схеме зануления приведена на рисунке 3.1.

На схеме видно, что ток короткого замыкания I_кз в фазном проводе зависит от фазного напряжения сети U_ф и полого сопротивления цепи, складывающегося из полных сопротивлений обмотки трансформатора Z_т/3, фазного проводника Z_ф, нулевого защитного проводника Z_н, внешнего индуктивного сопротивления петли фазный проводник – нулевой защитный проводник (петля фаза-нуль) Х_п, активных сопротивлений повторного заземления проводникаR_п и заземления нейтрали трансформатора R_о.

1 – корпус электроустановки (электродвигатель, трансформатор и т. п.); 2 – аппараты защиты от токов КЗ (предохранители): R₀ – сопротивление заземления нейтрали обмотки источника тока; R_П – сопротивление повторного заземления нулевого защитного проводника; I_к – ток КЗ; I_н – часть тока КЗ, протекающего через нулевой защитный проводник; I_з – часть тока КЗ, протекающего через землю – корпус электроустановки (электродвигатель, трансформатор и т. п.); 2 – аппараты защиты от токов КЗ (предохранители): R₀ – сопротивление заземления нейтрали обмотки источника тока; R_П – сопротивление повторного заземления нулевого защитного проводника; I_к – ток КЗ; I_н – часть тока КЗ, протекающего через нулевой защитный проводник; I_з – часть тока КЗ, протекающего через землю – корпус электроустановки (электродвигатель, трансформатор и т. п.); 2 – аппараты защиты от токов КЗ (предохранители): R₀ – сопротивление заземления нейтрали обмотки источника тока; R_П – сопротивление повторного заземления нулевого защитного проводника; I_к – ток КЗ; I_н – часть тока КЗ, протекающего через нулевой защитный проводник; I_з – часть тока КЗ, протекающего через землю.

Рисунок 3.1 - Принципиальная схема зануления в системе TN - S

Рисунок 3.2 - Расчетная схема зануления в сети переменного тока на отключающую способность
а — полная, б, в — упрощенные схемы.

Поскольку R_п и R_о, как правило, велики по сравнению с другими элементами цепи, параллельная ветвь, образованная ими, создает незначительное увеличение тока К.З., что позволяет пренебречь им. В то же время такое допущение ужесточает требование к занулению и значительно упрощает расчетную схему, представленную на рисунке 3.2, в.

В этом случае выражение для тока К.З. I_кз, А, в комплексной форме будет

(3.2)

где Uф — фазное напряжение сети, В;

Zт — комплекс полного сопротивления обмоток трехфазного источника тока (транс­форматора), Ом;

Zф = Rф + jХф — комплекс полного сопротив­ления фазного провода, Ом;

Zн =Rн + jХн — комплекс пол­ного сопротивления нулевого защитного проводника, Ом;

Rф и Rн — активные сопротивления фазного и нулевого защитно­го проводников, Ом;

Хф и Хн — внутренние индуктивные со­противления фазного и нулевого защитного проводников, Ом;

Хп – внешнее индуктивное сопротивление контура (петли) фазный проводник – нулевой защитный проводник (петля фаза – нуль), Ом;

Zп = Zф + Zн + jХп — комплекс полного сопротивления петли фаза — нуль, Ом.

При расчете зануления допустимо применять приближен­ную формулу для вычисления действительного значения (моду­ля) тока короткого замыкания Iкз, А, в которой модули сопро­тивлений трансформатора и петли фаза — нуль Zт/3и Z п, Ом, складываются арифметически:

(3.3)

Некоторая неточность (около 5%) этой формулы ужесто­чает требования безопасности и поэтому считается допусти­мой.

Полное сопротивление петли фаза — нуль в действительной форме (модуль) равно, Ом,

. (3.4)

Расчетная формула вытекает из (3.3), (3.4)) и имеет сле­дующий вид:

(3.5)

где Iн –номинальный ток аппарата защиты, которым защищен электроприемник;

Для предохранителей, предназначенных для защиты электроприемников или участков электросети, имеющих небольшие пусковые токи (электронагревательные приборы, электроосветительные установки и т.п.), токи плавких вставок Iнпв должны быть больше или равны номинальным токам этих электроприемников Iнэ или расчетным токам участков электросети

Iнпв ≥ Iнэ. (3.6)

Для предохранителей, предназначенных для защиты отдельных асинхронных электродвигателей и электроприводов к ним, токи плавких вставок должны удовлетворять условию

Iнпв ≥ кп Iд /кт, (3.7)

где Iд – номинальный ток электродвигателя, А;

кп – кратность пускового тока;

кт – коэффициент, учитывающий условия пуска электродвигателя.

Для электродвигателей механизмов с легкими условиями пуска (нечастые пуски, продолжительностью пуска не более 10с) кт = 2, 5, а для электродвигателей механизмов с тяжелыми условиями пуска (большая длительность разгона, более 10с, частые пуски и т.п.) кт = 1, 6- 2, 5.

Кратность пускового тока для двигателей малой мощности и без нагрузки на валу принимается кп =4-5.

ЗначениеZ_т, Ом, зависит от мощности трансформатора, на­пряжения и схемы соединения его обмоток, а также от кон­структивного исполнения трансформатора. При расчетах зану­ления значение zT берется из таблицы 3.2.

Из сопоставления значений полных сопротивлений трансформаторов с различными схемами соединений обмоток следует, что у трансформаторов со схемой соединения Δ /Y и Y/ Zн значительно меньше сопротивление и они должны иметь предпочтение при выборе источника питания, как обеспечивающие лучшие условия безопасности при системе зануления.

Т а б л и ц а 3.2 - Приближенные значения расчетных полных сопротив­лений Z_т, Ом, обмоток масляных трехфазных

Примечание: данные таблицы относятся к трансформаторам с обмотками низшего напряжения 400/230 В. При низшем напряжении 230/127 В значения сопротивлений, при­веденные в таблице, необходимо уменьшить в 3 раза.

Значения Rф и Rнз, Ом для проводников из цветных металлов (медь, алюминий) определяют по известным данным: сечению s, мм2, длине l, м и материалу проводников ρ. При этом искомое сопротивление

R = pl/s, (3.8)

где р — удельное сопротивление проводника, равное для меди 0, 018, а для алюминия 0, 028 Оммм2/м.

Если нулевой защитный проводник стальной, то его актив­ное сопротивление RH2 определяется с помощью таблиц, например, таблица 3.3, в которой приведены значения сопротивлений 1 км (rw, Ом/км) различных стальных проводников при разной плотности тока частотой 50 Гц.

Для этого необходимо задаться профилем и сечением про­водника, а также знать его длину и ожидаемое значение тока КЗ Iкз, который будет проходить по этому проводнику в ава­рийный период. Сечением проводника задаются из расчета, чтобы плотность тока КЗ в нем была в пределах примерно 0, 5-2, 0 А/мм2.

Т а б л и ц а 3.3 - Активные rw и внутренние индуктивные хw сопротивления стальных проводников при переменном токе (50 Гц), Ом/км

Окончание таблицы 3.3

Значения Хф и Хнз для медных и алюминиевых проводников сравнительно малы (около 0, 0156 Ом/км), поэтому ими можно пренебречь.

Для стальных проводников внутренние индук­тивные сопротивления оказываются достаточно большими, и их определяют с помощью таблиц, например табл. 3.3. В этом случае также необходимо знать профиль и сечение про­водника, его длину и ожидаемое значение тока Iк.

Величина внешнего индуктивного сопротивления Хп на единицу линии петли фаза-нуль определяется из известной формулы для двухпроводной линии с проводами круглого сечения одинакового диаметра 2r, м

, (3.9)

где - индуктивное сопротивление, Ом/м;

ω — угловая скорость, рад/с;

L— индуктивность линии, Гн;

μ 0= 4π * 10-7 — магнитная постоянная, Гн/м;

l — длина линии, м;

d — расстояние между проводами линии, м;

r – радиус проводника, м.

Для линии длиной 1 км, проложенной в воздушной среде при частоте тока f=50 Гц (ω = 314 рад/с), (6.10) при­нимает вид, Ом/км,

. (3.10)

Из этого уравнения видно, что внешнее индуктивное сопро­тивление зависит от расстояния между проводами d и их диа­метра 2r. Однако поскольку 2r изменяется в незначительных пределах, влияние его также незначительно и, следовательно, Xп зависит в основном от d (с увеличением расстояния растет сопротивление). Поэтому в целях уменьшения внешнего индук­тивного сопротивления петли фаза — нуль нулевые защитные проводники необходимо прокладывать совместно с фазными про­водниками или в непосредственной близости от них.

В таблице 3.4 приведены значения Хп для различных расстояний между проводниками

Т а б л и ц а 3.4 - Значения Хп для различных расстояний между проводниками

l, м	0, 1	0, 25	0, 5	1, 0	2, 0	3, 0
, Ом/км	0, 335	0, 435	0, 539	0, 624	0, 713	0, 764

При малых значениях d, соизмеримых с диаметром прово­дов 2r, т. е. когда фазный и нулевой проводники расположены в непосредственной близости один от другого, сопротивление Xп незначительно (не более 0, 1 Ом/км) и им можно пренебречь.