5 расчет средств защиты от поражения электрическим током основные понятия и определения
 Скачать 234.29 Kb.
|
|
5 РАСЧЕТ СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ ОТ ПОРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ 5.1. 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). Различают электроустановки напряжением 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. Принцип действия — снижение до безопасных значений напряжений прикосновения и шага, обусловленных замыканием на корпус. Это достигается уменьшением потенциала заземленного оборудования, а также выравнивания потенциалов за счет подъема потенциала основания, на котором стоит человек до потенциала, близкого к потенциалу заземленного оборудования. Схема защитного заземления приведена на рисунке 5.1. Защитное заземление применяют в сетях напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью и в сетях напряжением свыше 1000 В как с изолированной нейтралью, так и с заземленной нейтралью. Заземляющее устройство — совокупность заземлителей, металлических проводников, находящихся в непосредственном соприкосновении с землей, и заземляющих проводников, соединяющих электроустановку с системой заземлителей. 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 металлическими проводниками. Сопротивления заземления, согласно ПУЭ, нормируются в зависимости от напряжения, режима работы нейтрали, мощности и других данных электроустановки.  Рис. 5.1. Схема защитного заземления 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 значения тока, достаточного для срабатывания защиты. Зануление применяется в трехфазных четырехпроводных сетях напряжением до 1000 В с заземленной нейтралью. 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. Принципиальная схема зануления представлена на рис. 5.2.  Рис. 5.2. Схема зануления установки При замыкании на зануленный корпус электроустановки ток однофазного короткого замыкания Iк складывается из токов двух параллельных участков цепи: 1) по ветви – фазный провод L2, обмотки трансформатора Тр, нулевой проводник PEN ‑ протекает ток Iн, 2) по параллельной ветви ‑ заземление нейтрали R0, участок грунта, повторное заземление Rп ‑ течет ток Iз. Сопротивление петли «фаза-нуль» обычно не превышает 2 Ом, а сопротивление (R0+Rп), согласно ПУЭ должно быть в пределах 7…28 Ом в зависимости от напряжения сети. Поэтому ток Iз , протекающий через землю, много меньше тока Iн, проходящего по нулевому проводнику, и можно считать Iк = Iн. 5.2. 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. Методика расчета зануления 1. Определяют сопротивление трансформатора Zт, Ом. Значения Zтв зависимости от мощности трансформатора P и схемы соединения обмоток «звезда-звезда» Y/Yн или «треугольник-звезда»  /Yн с четвертым нулевым защитным проводником с низкой стороны трансформатора приведены в табл. 5.1.Таблица 5.1 Расчетные сопротивления трансформаторов при вторичном напряжении 380/220 В*)
2. Рассчитывают ток однофазного короткого замыканияIк по формуле:  , (5.1)где Iном – номинальный ток срабатывания устройства защиты (плавкой вставки (П) или автоматического выключателя (АВ)), А;  – коэффициент кратности номинального тока.Согласно ПУЭ значение тока Iк должно превышать в 3 раза значение номинального тока срабатывания плавкой вставки. При защите сети автоматическими выключателями, имеющими только электромагнитный расцепитель, коэффициент кратности тока выключателей с номинальным током до 100 А следует принимать равным 1,4, а для прочих – 1,25. 3. Выбирают площадь сечения нулевого провода по таблице 5.2. При выборе сечения нулевого проводника следует обеспечить плотность тока в нулевом проводнике iн = 0,5…2,0 А/мм2 по формуле: iн = Iк/ Sн. (5.2) Таблица 5.2 Значения r1 и x1, Ом/км стальных проводников при переменном токе (f = 50 Гц)
4. По таблице 5.2 устанавливают значения активного r1 (Ом/км) и внутреннего индуктивного сопротивления x1 (Ом/км) одного километра стального проводника. Они зависят от его профиля и площади сечения Sн (мм2), а также от ожидаемой плотности тока в нулевом проводнике iн (А/мм2). 5. Определяют значения активного и индуктивного сопротивления нулевого защитного проводника. Если нулевой защитный проводник выполнен из стали прямоугольного или круглого сечения, то активное сопротивление нулевого провода Rн = r1·l, (5.3) а индуктивное сопротивление Xн = х1·l, (5.4) где r1 и x1 – активное и внутреннее индуктивные сопротивления одного километра стального проводника, Ом/км. 6. Для медных и алюминиевых проводников фаз по известным данным: сечениюSф (мм2), длине l (м) и удельному сопротивлению проводника  (Ом·мм2/м) (для меди = 0,018 , а для алюминия = 0,028) – определяется активное сопротивление фазы Rф: . (5.5)Значение внутреннего индуктивного фазного сопротивления Xф для медных и алюминиевых проводников мало, поэтому им можно пренебречь. 7. По формуле полного сопротивления проводников  (5.6)определяют полное сопротивление фазного Zф (Ом) и нулевого защитного проводника Zн (Ом). 8. Материал и сечение нулевого защитного проводника – должны удовлетворять условию: Zн 2 . Zф , (5.7) где Zн и Zф – полные сопротивления соответственно нулевого и фазного проводника, Ом. 9. Внешнее индуктивное сопротивление Xп, Ом, петли «фаза-нуль», если используется воздушная линия электропередачи и частота тока f = 50 Гц, можно определить по формуле: Xп = 0,1256 . l . ln (2 .D / d), (5.8) где l – длина линии, км; D– расстояние между проводниками линии, м; d – диаметр проводников, м. Для грубых расчетов используют формулу Xп = 0,6·l, что соответствует D = 1 м. Для уменьшения значения Xп нулевой защитный проводник следует прокладывать рядом с фазным. Если нулевой проводник является четвертой жилой кабеля или металлической трубой, в которой расположены фазные проводники, то Xп мало по величине и им можно пренебречь. 10. Полное сопротивление проводников петли «фаза-нуль» Zп (Ом) определяется по формуле  , (5.9)где Rф, Rн – активные сопротивления фазного и нулевого провода, Ом; Xф, Xн – внутренние индуктивные сопротивления фазного и нулевого проводов, Ом; Xп – внешнее индуктивное сопротивление петли «фаза-нуль», Ом. 11. Расчетный ток петли «фаза-нуль» равен отношению напряжения вэтой цепи к полному сопротивлению цепи:  , (5.10)гдеUф – фазное напряжение сети, В; Zт – сопротивление трансформатора, Ом; Zп – полное сопротивление петли «фаза-нуль», Ом. 12. Проверяется условие на срабатывание выключателя. Если в результате расчета условие Iн ≥ Iк (5.11) выполняется, то расчет окончен, а если не выполняется, то его повторяют, выполнив одно из мероприятий: утолщают нулевой защитный проводник; изменяют параметры выключателя; изменяют параметры фазных проводников. Пример 5.2 Подобрать площадь сечения нулевого провода, удовлетворяющая условию срабатывания максимальной токовой защиты, распределительного щитка лаборатории, к которому подведена линия (длиной l = 400 м) от понижающего трансформатора с 10 кВ до 0,4 кВ, мощностью 400 кВ·А, соединение обмоток Y/Yн. Параметры «фазы» -- напряжение 220 В, площадь сечения провода из меди 12 мм2. Расстояние между проводниками линии – 0,6 м. Параметры устройства защиты – тип АВ, номинальный ток Iном = 63 А. Решение 1. Сопротивление обмоток трансформатора Zт определим по таблице 5.1 зная напряжение трансформатора 380 В (понижающий трансформатор с 10 кВ до 0,4 кВ), мощность 400 кВ·А и соединение обмоток трансформатора Y/Yн. Zт = 0,195. 2. По формуле (5.1), зная, что Iном = 63 А, рассчитаем значение тока Iк (для АВ номинальным током до 100 А коэффициент кратности тока составляет 1,4). Тогда, Iк = 63·1,4 = 88,2 А. 3. Плотность тока в нулевом проводнике iн рассчитаем по формуле (5.2), выбирая площадь сечения нулевого провода 160 мм2 (помня о необходимости обеспечения iн от 0,5 А/мм2 до 2 А/мм2, если не попадаем в этот диапазон, то необходимо корректировать выбор площади сечения нулевого провода). iн = 88,2/160 = 0,55 А/мм2, следовательно менять выбранную площадь сечения необходимости нет. 4. Определим по таблице 5.2 значенияr1 и x1 (выбирая меньшее значение iн из таблицы: например, в нашем случае выбираем iн = 0,5 А/мм2): r1 = 2,28 Ом/км и x1 = 1,37 Ом/км. 5. Рассчитаем значения активного Rн и внутреннего индуктивного Xн сопротивления нулевого проводника подставляя в формулы (5.3) и (5.4) длину линии в километрах: Rн = 2,28·0,4 = 0,912 Ом и Xн = 1,37·0,4 = 0,548 Ом. 6. Определим по формуле (5.5) активное сопротивление фазного проводника Rф при заданных значениях l = 400 м и Sф = 12 мм2 с учетом = 0,018 Ом·мм2/м для медного провода.  .7. Определим полное сопротивление нулевого и фазного проводников по формуле (5.6):  и  .8. Проверим условие (5.7) 1,06 2 · 0,6, видно, что условие выполняется (в случае, если оно не выполняется, необходимо изменить площадь сечения нулевого провода). 9. Определим внешнее индуктивное сопротивление проводников согласно формуле (5.8) при  : ,10. Рассчитаем по формуле (5.9) полное сопротивление петли «фаза – нуль» Zп.  .11. По формуле (5.10) найдем значение Iн:  .12. Проверим условие (5.11). Iн = 191,44 А ≥ Iк = 88,2 А, следовательно условие выполняется и защита обеспечивается.Если условие не выполняется, необходимо повторить расчет с другой площадью сечения нулевого провода. Вывод В результате расчета определена необходимая площадь сечения нулевого провода Sн = 160 мм2, которая обеспечит срабатывание автоматического выключателя. Задача 5.1 Подобрать площадь сечения нулевого провода, удовлетворяющая условию срабатывания максимальной токовой защиты, распределительного щитка лаборатории, к которому подведена линия (длиной l, м) от понижающего трансформатора с 10 кВ до 0,4 кВ, с заданным значением мощности P, кВ·А и соединением обмоток. Варианты остальных исходных данных приведены в табл. 5.3. Таблица 5.3 Варианты исходных данных к задаче 5.1
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
/Yн