8.3 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. Принципиальная схема зануления представлена на рисунке 4.2.

Рисунок 8.2 - Схема зануления установки

При замыкании на зануленный корпус электроустановки ток короткого замыкания I_кпроходит через следующие участки цепи: обмотки трансформатора Тр, фазный провод В, нулевой проводник Н, а также по параллельной ветви: заземление нейтралиR_o, участок грунта, повторное заземлениеR_п. Сопротивление петли "фаза-нуль" обычно не превышает 2 Ом, а сопротивление (R_o+R_п), согласно [4] должно быть в пределах 7-28 Ом в зависимости от напряжения сети. Поэтому токI_з , протекающий через землю, много меньше токаI_н, проходящего по нулевому проводнику, и можно считатьI_к=I_н, Тогда:

_, (8.9)

где I_ном- номинальный ток срабатывания устройства защиты, А;

-коэффициент кратности номинального тока (см. пункт 8.1).

Значение I_номопределяется мощностью подключенной электроустановки, и выбирается из условия несрабатывания при протекании через них рабочих токов электроустановки. Например, для электродвигателей токI_номплавких вставок предохранителей должен в 1,6 - 3 раза превышать номинальные токи.

Расчетный ток короткого замыкания с учетом полного сопротивления петли "фаза-нуль" Z_п:

I_КЗ, (8.10)

где I_КЗ - расчетный ток короткого замыкания, А;

U_ф -фазное напряжение сети, В;

Z_Т- сопротивление трансформатора, Ом.

Z_п- полное сопротивление проводников петли "фаза-нуль", Ом.

Значения Z_Т в зависимости от мощности трансформатораPи схемы соединения обмоток "звезда-звезда"Y/Y_нили "треугольник-звезда" /Y_нс четвертым нулевым защитным проводником с низкой стороны трансформатора приведены в таблице 8.5.

Таблица 8.5 - Расчетные сопротивления трансформаторов при вторичном напряжении 380/220 В^*)

Р, кВт	Zт		Р, кВт	Zт
	Y/Yн	/Yн		Y/Yн	/Yн
25	3,110	0,906	250	0,312	0,090
40	1,950	0,562	400	0,195	0,056
63	1,240	0,360	630	0,129	0,042
100	0,800	0,266	1000	0,081	0,029
160	0,487	0,141	1600	0,054	0,017
Примечание: *^)Для трансформаторов о вторичным напряжением 220/128 В Zтследует уменьшить в 3 раза.

Полное сопротивление проводников петли "фаза-нуль":

, (8.11)

где R_ф,R_н- активные сопротивления фазного и нулевого провода, Ом;

x_ф,x_н-внутренние сопротивления разного и нулевого проводов;

x_п- внешнее индуктивное сопротивление петли "фаза-нуль".

Для медных и алюминиевых проводников фаз по известным данным: сечению, длине и удельному сопротивлению проводника определяется активное сопротивление:

, (8.12)

где R_ф, - активное сопротивление фазного провода, Ом;

l– длина фазного провода, м;

- удельное сопротивление проводника, Ом·мм²/м (для меди= 0,018 Ом·мм²/м, а для алюминия= 0,028 Ом·мм²/м);

S_ф– сечение фазного провода, мм².

Значение x_фдля медных и алюминиевых проводников мало, поэтому в формуле (8.11) им можно пренебречь.

Если нулевой защитный проводник выполнен из стали прямоугольного или круглого сечения, то R_н=r₁·l,х_н = х₁·l,гдеr₁иx₁- активное и внутреннее индуктивное сопротивление 1 км проводника, которые указаны в таблице 8.6. Они зависят от его профиля и площади сеченияS_н, а также от ожидаемой плотности тока в проводникеi_н, А/мм².

Таблица 8.6 - Значения r₁иx₁, Ом/км стальных проводников при переменном токе (f= 50 Гц) [11]

Размеры сечения, мм	Sн , мм^2	Плотность тока в проводнике iн, А/мм^2
		0,5		1,0		1,5		2,0
		r1	x1	r1	x1	r1	x1	r1	x1
20x4	80	5,24	3,14	4,20	2,52	3,48	2,09	2,97	1,78
30x4	120	3,66	2,20	2,91	1,75	2,38	1,43	2,04	1,22
30x5	150	3,38	2,03	2,56	1,54	2,08	1,25	1,60	0,98
40x4	160	2,80	1,68	2,24	1,34	1,81	1,09	1,54	0,92
60x4	200	2,28	1,37	1,79	1,07	1,45	0,87	1,24	0,74
50x5	250	2,10	1,26	1,60	0,96	1,28	0,77	-	-
60x5	300	1,77	1,06	1,34	0,80	1,08	0,65	-	-

i_н = I_н / S_н , (8.13)

где i_н- плотность тока в проводнике, А/мм².

S_н- площадь сечения нулевого защитного проводника, мм².

При выборе сечения нулевого проводника следует обеспечить i_н= 0,5-2,0 А/мм².

Материал и сечение разных проводников выбирают, исходя из мощности потребителей энергии, а материал и сечение нулевого защитного проводника - должны удовлетворять условию:

Z_н2^.Z_ф , (8.14)

где Z_ниZ_ф- полные сопротивления соответственно нулевого и разного проводника, Ом.

Внешнее индуктивное сопротивление петли "фаза-нуль", если используется воздушная линия электропередачи и частота тока f= 50 Гц, можно определить по формуле:

x_п= 0,1256^.l^.ln(2^. D / d) , (8.15)

где х_п- внешнее индуктивное сопротивление петли "фаза-нуль", Ом;

l- длина линии, км;

D- расстояние между проводниками линии, м;

d- диаметр проводников, м.

Для грубых расчетов используют формулу x_п= 0,6^. l, что соответствуетD= 1 м. Для уменьшения значенияx_пнулевой защитный проводник следует прикладывать рядом с фазным. Если нулевой проводник является четвертой жилой кабеля или металлической трубой, в которой расположены разные проводники, тоx_пмало по величине и им можно пренебречь, в формуле (8.11).

Если источник питания и линия электропередачи заданы, то необходимо выбрать соответствующий автоматический выключатель, используя приведенные выше рекомендации. Если задан автоматический выключатель задан, тогда необходимо определить сечение нулевого провода. В обоих случаях проводится расчет на срабатывание выключателя. Если в результате расчета условие (4.9) выполняется, то расчет окончен, а если не выполняется, то его повторяют, выполнив одно из мероприятий: изменяют параметры выключателя; утолщают нулевой защитный проводник; измеряют параметры фазных проводников.

Пример расчета.Электроустановка снабжается энергией от трансформатора мощностью 630 кВА, напряжением 10/0,4 кВ со схемой соединения обмотокY/Y_н. Линия 380/220Впротяженностью 300 м состоит из трех проводников сечением 15 мм²,нулевой защитный проводник – стальная полоса сечением 50 x 4 - проложена в 20 см от фазных проводников. Проверить обеспечивается ли отключающая способность зануления распределительного щитка, если в качестве зашиты используется автоматический выключатель сI_ном = 60A.

1 Определяем по формуле (8.9) для автоматического выключателя I_к= 1,4^.60 = 84 А.

2 По таблице 8.5 находим сопротивление обмоток трансформатора Z_т= 0,129 Ом.

Далее рассчитываем по формуле (8.11) полное сопротивление петли "фаза - нуль".

3 По формуле (8.12) находим при l= 300 мR_ф= 0,028^.300/15 = 0,56 Ом.

4 Согласно формуле (8.13) i_н= 84/(50^.4) = 0,42A/мм². Считаяi_н= 0,5, по таблице 8.6 для нулевого защитного проводника находимR₁= 2,28 Ом/км,x₁= 1,37 Ом/км. ТогдаR_н= 2,28^.0,3 = 0,684 Ом;x_y= 1,73^.0,3 = 0,411 Ом.

5 Условие (8.14) выполняется: Z_н= 0,8; 2 ·Z_ф= 1,1;Z_н< 2 ·Z_ф

6 Внешнее индуктивное сопротивление проводников согласно формуле (8.15) берем с запасом (d= 2·):

x_п= 0,1256^.0,3^.ln(2^.0,2/0,00564) = 0161 Ом.

7 По формуле (8.11) находим Z_п= 1,37 Ом, затем по формуле (8.10) определяемI_н= 156 А. Следовательно условие (8.9) выполняется, и отключение распределительного щитка в аварийной ситуации также обеспечивается.

Задача 8.1 Спроектировать защитное заземление оборудования лаборатории (ЛАБ) или понижающей подстанции (ПП) 6/0,4 кВ, от которой питается лаборатория. Заземляющее устройство заглублено:Н_о= 0,5 - 0,8 м. Для вертикальных заземлителей длинойl_c= 2,0 – 3,5 м использовать стальные трубы диаметром не менее 25 мм или уголок с полкой не менее 25 мм. Для соединительной полосы использовать стальную шину сечением 40х4 мм. Варианты остальных исходные данных приведены в таблице 8.7.

Таблица 8.7 - Варианты исходных данных для расчета защитного заземления

№ вар.	Объект защиты	Параметры трансформатора		Климатическая зона	Грунт	Расположение вертикальных заземлителей
		мощность, кВ·А	Соединение обмоток
1	ЛАБ	40	/н	I	суглинок	в ряд
2	ЛАБ	100	/н	III	чернозем	в ряд
3	ПП	630	Y/н	I	супесок	по контуру
4	ЛАБ	250	/н	IV	песок	в ряд
5	ПП	400	Y/н	III	суглинок	по контуру
6	ЛАБ	63	Y/н	II	глина	в ряд
7	ПП	100	/н	IV	чернозем	по контуру
8	ЛАБ	63	Y/н	I	песок	в ряд
9	ПП	160	Y/н	II	супесок	по контуру
10	ЛАБ	400	/н	III	глина	в ряд
11	ПП	1000	Y/н	II	суглинок	по контуру
12	ЛАБ	300	/н	IV	супесок	в ряд
13	ПП	630	Y/н	III	песок	по контуру
14	ЛАБ	160	/н	I	суглинок	в ряд
15	ПП	630	Y/н	IV	супесок	по контуру
16	ПП	40	/н	III	чернозем	по контуру
17	ЛАБ	250	Y/н	II	глина	в ряд
18	ПП	160	Y/н	I	песок	по контуру
19	ЛАБ	63	/н	IV	чернозем	в ряд
20	ПП	400	Y/н	II	глина	по контуру
21	ЛАБ	100	/н	III	суглинок	в ряд
22	ПП	400	Y/н	II	супесок	по контуру
23	ЛАБ	160	/н	I	глина	в ряд
24	ПП	630	Y/н	IV	песок	по контуру
25	ЛАБ	400	/н	II	суглинок	в ряд

Задача 8.2 Рассчитать параметры зануления распределительного щитка лаборатории, к которому подведена линия от понижавшего трансформатора 10/0,4 кВ. Определить либо параметры нулевого защитного проводника из стали (например, вариант 1), удовлетворяющие условию срабатывания максимальной токовой защиты при заданных параметрах устройства защиты; сечение нулевого проводника выбирать в пределах, указанных в таблице 8.6. Либо подобрать параметры устройства защиты (например, вариант 2); номинальные токи вставок автоматических выключателей – 20-80 А, номинальные токи плавких вставок предохранителей - в пределах 40-160 А. Варианты остальных исходных данных приведены в таблице 8.8.

Таблица 8.8 - Варианты исходных данных задаче 8.2

№ вар	Параметры трансформатора		Длина линии, м	Параметры “фазы”			Параметры “нуля”		Параметры устройства защиты ^*)
	Мощность, P, кВ·А	Соединение обмоток		Напряжение, Uф, В	Сечение, мм^2		Sн, мм^2	D, м
					из Cu	из Al			тип	Iном , A
1	400	Y/Yн	400	380	12	-	-		П	80
2	630	/Yн	300	380	-	15	160	0,6	-
3	160	/Yн	200	220	10	-	120	0,3	-
4	400	Y/Yн	450	380	-	10	-		АВ	70
5	100	/Yн	250	220	15	-	-		П	140
6	1000	Y/Yн	325	380	-	30	150	0,4	-
7	160	Y/Yн	150	220	16	-	300	0,5	-
8	63	/Yн	375	220	-	8	-		АВ	40
9	250	Y/Yн	200	380	12	-	-		П	150
10	630	Y/Yн	125	220	-	14	200	0,2	-
11	40	/Yн	175	220	10	-	160	0,3	-
12	160	/Yн	300	220	-	5	-		АВ	75
13	630	Y/Yн	150	380	16	-	-		П	145
14	400	/Yн	250	220	-	20	250	0,6	-
15	1000	Y/Yн	375	380	17	-	300	0,8	-
16	250	/Yн	125	220	-	16	-		П	110
17	63	/Yн	350	220	-	10	-		АВ	65
18	630	Y/Yн	400	380	14	-	250	0,4	-
19	100	/Yн	125	220	-	12	300	0,2	-
20	630	Y/Yн	200	380	12	-	-		П	120
21	400	Y/Yн	275	220	-	8	-		АВ	50
22	250	/Yн	400	380	10	-	200	0,5	-
23	100	/Yн	125	220	-	10	120	0,3	-
24	630	Y/Yн	100	380	10	-	-		П	140
25	40	/Yн	200	220	-	5	80	0,2	-
Примечание: ^*)Тип устройства защиты: П – предохранитель, АВ – автоматический выключатель; Iном- номинальный ток плавкой вставки предохранителя или номинальный ток вставки автоматического выключателя.

Библиографический список

1 СНиП 23-05-95. Естественное и искусственное освещение / Стройиздат, 1995.

2 Справочная книга по светотехнике / Под редакцией Ю.Б. Айзенберга, - М.: Энергоатомиздат, 1995.

3 НПБ 105-03. Определение категорий помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности. –М.: ВНИИПО МВД РФ, 2003.

4 Правила устройства электроустановок. Сборник нормативных документов. 7-ое изд. -М.: ЭНАС, 2006.

5 Батурин В.Б. Основы промышленной вентиляции. – М.: Профиздат, 1990. - 448 с., ил.

6 Виноградов С.С. Организация гальванического производства. Оборудование, расчет производства, нормирование. – М.: Глобус, 2002. - 191 с., ил.

7 Килин П.И. Расчет и устройство вытяжных зонтов // Изв. вузов. Черная металлургия, -1996. - №9. –С. 69-73.

8 ГОСТ 12.1.005-88. ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. – М.: Изд-во стандартов, 2002.

9 СНиП 41-03-2003. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов. –М.: Госстрой России, 2004.

10 ГОСТ 12.4.011-89. ССБТ. Средства защиты работающих. Общие требования и классификация. - Переизд. июнь 2006 г. – М.: Изд-во стандартов, 2006.

11 Охрана труда в электроустановках / Б.А. Князевский,, Т.П. Марусова, Н.В.Шипунов и др. – М.: Энергия, 1970. - 320 с., ил.

12 ГОСТ 12.1.002-84. ССБТ. Электрические поля промышленной частоты. Допустимые уровни напряженности и требования к проведению контроля на рабочих местах. - Переизд. Фев. 2002 г. – М.: Изд-во стандартов, 2002.

13 ГОСТ 12.1.006-84* ССБТ. Электромагнитные поля радиочастот. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля. – М.: Изд-во стандартов, 2002.

14 СанПиН 2.2.4.1191–03. Электромагнитные поля в производственных условиях. –М.: Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России, 2003.

15 Козлов В.З. Справочник по радиационной безопасности. – М.: Энергоатомиздат. 1991. –352 с.

16 Нормы радиационной безопасности (НРБ-99): Гигиенические нормативы. -М.: Госкомсанэпиднадзор России, 1999.

17 Варенков А.Н. Безопасность жизнедеятельности. Учебное пособие для практических занятий. -М.: МИСиС, 1993. –48 с.

18 Бабайцев И.В., Варенков А.Н., Потоцкий Е.П. Учебное пособие по разделу "Безопасность жизнедеятельности и экология" в дипломной работе. – М.: МИСиС, 1997. –60с.

19 СН 2.2.4/2.1.8.562-96. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки. –М.: Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России, 1996.

20 Заборов В.И., Клячко Л.Н., Росин Г.С. Защита от шума и вибрации в черной металлургии. -М.: Металлургия, 1988, 216 с.

21 ГОСТ 12.1.012-90. ССБТ. Вибрационная безопасность. Общие требования. - Переизд. Апр. 2001 г. – М.: Изд-во стандартов, 2001.

22 Безопасность труда на производстве. Защитные устройства / Справочное пособие. Под ред. Б.М.Злобинского. - М.: Металлургия, 1971.

23 Руководство по проектированию виброизоляции машин и оборудования.- М.: Стройиздат. 1972.

24 Сборник типовых расчетов по курсу "Охрана труда"/ Под ред. С.B. Белова.- М.: МВТУ, 1979