Расчет защитного зануления

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова

Кафедра машиностроения и стандартизации

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа №

На тему: «Расчет защитного зануления»

 

 

 

 

 

Выполнил: ст. гр.

Иванов И.И.

Проверил: ст.преподаватель

Петров П.П.

 

 

 

 

 

 

 

Павлодар, 2014

 

 

Практическая работа №3.

Тема: «Расчет защитного зануления»

 

Защитное зануление – это преднамеренное электрическое соединение открытых проводящих частей оборудования электроустановок с глухозаземленной нейтралью генератора (трансформатора) в сетях трехфазного тока или с глухозаземленным выводом источника однофазного тока, или с заземленной точкой источника в сетях постоянного тока, выполняемое в целях электробезопасности. Для соединения открытых проводящих частей потребителя электроэнергии с глухозаземленной нейтральной точкой источника используется нулевой защитный проводник.

Нулевой защитный проводник (PE – проводник) следует отличать от нулевого рабочего (N – проводник) и совмещенного (PEN –проводник) проводников.

Нулевым защитным проводником (PE – проводник в системе TN – S) называется проводник, соединяющий зануляемые части (открытые проводящие части) с глухозаземленной нейтральной точкой источника питания трехфазного тока или с заземленным выводом источника питания однофазного тока, или с заземленной средней точкой источника питания в сетях постоянного тока.

Нулевой рабочий проводник (N – проводник в системе TN – S) – проводник в электроустановках напряжением до 1 кВ, предназначенный для питания электроприемников и соединенный с глухозаземленной нейтральной точкой генератора (трансформатора) в сетях трехфазного тока, с глухозаземленным выводом источника однофазного тока, с глухозаземленной точкой источника в сетях постоянного тока.

Совмещенный нулевой защитный и нулевой рабочий проводник (PEN –

проводник в системе TN – C) – проводник в электроустановках напряжением до 1 кВ, совмещающий функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводника.

Зануление необходимо для обеспечения защиты от поражения электрическим током при косвенном прикосновении за счет снижения напряжения корпуса относительно земли и быстрого отключения электроустановки от сети.

Области применения защитного зануления:

1 электроустановки напряжением  до 1 кВ в трехфазных сетях переменного  тока с заземленной нейтралью (система TN – S; обычно это сети 220/127, 380/220, 660/380 В);

2 электроустановки напряжением  до 1 кВ в однофазных сетях переменного  тока с заземленным выводом;

3 электроустановки напряжением  до 1 кВ в сетях постоянного  тока с заземленной средней  точкой источника.

Принцип действия зануления (рисунок 2). При замыкании фазного провода на зануленный корпус электропотребителя образуется цепь тока однофазного короткого замыкания (то есть замыкания между фазным и нулевым защитным проводниками). Ток однофазного короткого замыкания (КЗ) вызывает срабатывание максимальной токовой защиты, в результате чего происходит отключение поврежденной электроустановки от питающей сети. Кроме того, до срабатывания максимальной токовой защиты происходит снижение напряжения поврежденного корпуса относительно земли, что связано с защитным действием повторного заземления нулевого защитного проводника и перераспределением напряжений в сети при протекании тока короткого замыкания.

Зануление не только ограничивает время воздействия тока на организм человека при возникновении условия поражения, но и снижает напряжение

прикосновения. Причем это снижение можно планировать нормированием параметров сети.

При обрыве нулевого проводника система зануления превращается в систему заземления, поэтому опасность поражения при прикосновении к одному из корпусов за местом обрыва можно определить по выражению:

Ih =   

Основные принципиальные недостатки зануления:

• зануление не обеспечивает безопасность при непосредственном прикосновении человека к токоведущим частям электроустановки;

• нулевой защитный проводник обеспечивает вынос потенциала (даже при отсутствии замыкания на корпус) на все зануленные электропотребители, что представляет опасность поражения и создает помехи для радиоэлектронного оборудования;

• в сети с занулением нельзя использовать заземление отдельных электропотребителей (без соединения их с нулевым защитным проводником), так как при замыкании на заземленный корпус зануленные электропотребители оказываются под опасным напряжением в течение длительного времени;

• одновременное прикосновение к токоведущим частям электроустановки и ее зануленному корпусу представляет большую опасность;

• одновременное прикосновение к незануленному и зануленному электрооборудованию также представляет значительную опасность;

• ошибки при монтаже и подключении электропотребителя могут привести к тому, что его корпус окажется непосредственно подключенным к фазе через нулевой защитный проводник;

• перегорание одного предохранителя при замыкании на корпус не обеспечивает полного отключения от сети трехфазного электропотребителя;

• токи короткого замыкания, токи утечки, искры при замыкании на корпус, перегревы трехфазных электропотребителей при работе на двух фазах, обусловленные наличием зануления, представляют пожарную опасность;

• трудности выполнения требований ПУЭ к занулению в протяженных сетях и при занулении мощных электропотребителей;

• трудности контроля целостности цепи зануления.

Поэтому необходимо знать условия применения и средства обеспечения эффективного действия зануления.

Надежное отключение поврежденного участка считается обеспеченным, если ток однофазного КЗ IК отвечает условию:

Надежное отключение поврежденного участка считается обеспеченным, если ток однофазного КЗ IК отвечает условию:

IK ≥ K·Iном,

где Iном — номинальный ток плавкой вставки предохранителя или ток уставки расцепителя автоматического выключателя;

К — коэффициент, зависящий от устройства защиты (предохранители, автоматический выключатель) и определяемый по требуемой кратности превышения номинального тока в цепи.

При выполнении зануления проводники цепи «фаза-нуль» должны быть

выбраны таким образом, чтобы при замыкании на корпус возникал ток короткого замыкания, превышающий: для расцепителя автоматического выключателя с нерегулируемой обратно зависящей от тока характеристикой (независимо от наличия или отсутствия отсечки) - номинальный ток, для ближайшего предохранителя - в 3 и более раза номинальный ток плавкой вставки, для расцепителя автоматического выключателя, имеющего обратно зависимую от тока характеристику - в 1,25 и более раза номинальный ток, для автоматического выключателя, имеющего только максимальный мгновенно действующий расцепитель (отсечку) в 4,5 и более раза.

Основное отличие защитного зануления от защитного заземления - наличие металлической связи токопроводящих корпусов оборудования с нейтралью трансформатора.

Условие надежной защиты занулением – превышение тока короткого замыкания на корпус оборудования над током срабатывания защитных устройств.

Исходные данные. Проверить, обеспечена ли отключающая способность зануления в сети, (рисунок 1, исходные данные к решению задачи принять по таблице 1), при нулевом защитном проводнике - стальной полосе сечением 40х4 мм. Линия 380/220 В с медными проводами 3х25мм2 питается от трансформатора 400 кВА, 6/0.4 кВ со схемой соединения обмоток «треугольник - звезда с нулевым проводом» (Δ/YН). Двигатели защищены предохранителями I1ном = 125А (двигатель 1) и I2ном =80А (двигатель 2). Коэффициент кратности тока к=3 (защита двигателей предохранителями).

Рисунок 1 - Схема сети к расчёту защитного зануления

Таблица 1 - Исходные данные

№ варианта	Размеры сечения стальной полосы (нулевого провода)	Напряжение линии, В	Длина участков линии		Площадь сечения медных фазных проводов, мм2	Трансформатор			Номи- нальные токи пре- дохра- нителей		Коэффициент кратности тока, к
			l1, м	l2, м		Мощность, кВА	Напряжение, кВ	Схема соедине- ния обмоток	Двиг. 1, А	Двиг. 2 А
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
1	40х4	380/220	200	50	3х25	400	6/0,4	Δ/YН	125	80	3

 

 

Решение

Решение сводится к проверке условия:

 

Iк ≥ Iд ,

 

где Iк - ток однофазного короткого замыкания, проходящий по петле «фаза-нуль»;

Iд = К Iном - наименьший допустимый ток по условию срабатывания защиты

(предохранителя);

Iном - номинальный ток плавкой вставки предохранителя.

Выполнение этого условия обеспечит надежное срабатывание защиты при коротком замыкании (КЗ) фазы на зануленный корпус электродвигателя, т.е. соединенный нулевым защитным проводником с глухозаземленной нейтральной точкой трансформатора.

1 Определяем наименьшие  допустимые значения токов для  двигателей 1 и 2:

I1д = К I1ном= 3х125= 375 А;

I2д = К I2ном= 3х80 = 240 А.

2 Находим полное сопротивление  трансформатора: Zт = 0,056 Ом

3 Определяем на участке l1 = 200 м = 0,2 км активное R1ф и индуктивное Х1ф сопротивления фазного провода, активное R1нз и индуктивное Х1из сопротивления нулевого защитного провода и внешнее индуктивное сопротивление Х1п петли фаза-нуль:

R1ф= ρ=0.018=0,144Ом,

 

где ρ = 0,018 Ом·мм2/м - удельное сопротивление медного провода,

S1 = 25 мм 2 - сечение фазного провода.

Принимаем для фазного медного провода Х1ф=0.

Находим ожидаемую плотность тока в нулевом защитном проводе - стальной полосе сечением:

S2 = 40х4 = 160мм2;

l1= = 375/160=2А/мм2

Для j1=2 А/мм2 и S2= 40х4 = 160 мм2 находим:

r1ω = 1,54 Ом/км - активное сопротивление 1 км стального провода,

Х1ω = 0,92 Ом/км внутреннее индуктивное сопротивление 1 км стального

провода.

Далее находим R1нз и Х1нз для l1 = 200 м = 0,2 км:

R1нз = r1ω l1 = 1,54х0,2 = 0,308 Ом;

Х1нз = Х1ω l1 = 0,92х0,2 = 0,184 Ом.

Определяем Х1п для l1 = 200 м = 0,2 км: Х1п= x1п l1 = 0,6 х 0,2 =0,12 Ом.

Х1п = 0,6 Ом/км - внешнее индуктивное сопротивление 1 км петли фаза-нуль.

 

4 Определяем на всей  длине линии l12= l1 + l2 = 200 + 50 = 250м = 0,25 км активное R12ф и индуктивное Х12ф сопротивления фазного провода, активное

R12ф и индуктивное Х12ф сопротивления нулевого защитного провода и внешнее

индуктивное сопротивление Х12п петли фаза-нуль:

 

R12ф= = ρ=0.018=0,144Ом,

 

Аналогично предыдущему принимаем: Х12ф= 0.

Ожидаемая плотность тока в нулевом защитном проводе:

j12= = 240/160=1,5А/мм2

Для j12= 1,5 А/мм2 и S2 = 40х4 = 160мм2 находим:

r12ω = 1,81 Ом/км;

х12ω = 1,09 Ом/км.

Далее находим R12нз и Х12нз для l12 = 250м = 0,25км.

R12нз = r12ω l12 = 1,81х0,25 = 0,452 Ом.

Х12нз = х12ω l12 = 1,09х0,25 = 0,272 Ом.

Определяем Х12п для l12 = 0,25 км:

Х12п = х1п l12 = 0,6х0,25 = 0,15 Ом,

где х1п = 0,6 Ом/км как и в предыдущем случае.

 

5 Находим действительные  значения токов однофазного короткого замыкания, проходящих по петле фаза-нуль по формуле:

 

 

 

для следующих случаев:

а) при замыкании фазы на корпус двигателя 1 (рисунок 2):

Рисунок 2 – Принципиальная схема защитного зануления

 

б) при замыкании фазы на корпус двигателя 2:

 

 

Поскольку действительные значения токов однофазного коронного  замыкания I1к =390 А и I2к =282 А превышают соответствующие наименьшие допустимые по условиям срабатывания защиты токи I1Д = 375 А и I2Д = 240 А, нулевой защищенный провод выбран правильно, т.е. отключающая способность системы зануления обеспечена.