5.2.4. Анализ схемы защитного зануления и распределения напряжения вдоль нулевого защитного проводника

Для анализа защитных свойств зануления при замыкании фазы на корпус электроустановки будем рассматривать трёхфазную сеть переменного тока с системой TN-Cс трёхфазными и однофазными электроустановками (рис.5.1).

При замыкании, например, фазного проводника L3 на зануленный корпус 4 ток короткого замыкания проходит через следующие участки цепи: зануленный корпус 4 – совмещённый провод (PEN) - обмотка трансформатора (генератора) фазы 3 - фазный провод L3. Величина тока определяется фазным напряжением и пол­ным сопротивлением цепи однофазного короткого замыкания (цепи «фаза-нуль»):

, (5.3)

где U – фазное напряжение;

Z_т – сопротивление трансформатора;

Z_ф.пр - сопротивление фазного проводника L3;

Z_н - сопротивление совмещённого (PEN) проводника (или нулевого защитного PE – проводника).

При этом сопротивления трансформатора Z_т, проводов Z_ф.пр и Z_н имеют активную и индуктивную составляющие.

Рис. 5.1. Принципиальная схема автоматического отключения питания

(защитного зануления).

Если принять что

,

то ток короткого замыкания I_к равен

, (5.4)

Например, если сопротивление Z_ф+Z_н=0,2 Ом (в сетях напряже­нием 380/220 В обычно это сопротивление значительно меньше), то ток короткого замыкания I_к = 220/0,2 = 1100 А. Очевидно, что при таком токе защита должна сработать.

При наличии повторного заземления нулевого провода напря­жение корпуса относительно земли равно

, (5.5)

где R_п – сопротивление повторного заземления совмещенного PEN-проводника.

Ток замыкания на землю определяется согласно схеме, приведен­ной на рис. 5.1, следующим образом:

, (5.6)

где – падение напряжения в совмещенном PEN-проводнике, приложен­ное к последовательно соединенным сопротивлениям R_о и R_п;

R_о – сопротивление заземления нейтрали источника питания.

Из закона Ома вытекает, что

или с учетом (5.4)

. (5.7)

Решая совместно уравнения (5.5)-(5.7), получаем при замыкании на корпус значение напряжения корпуса относительно земли:

. (5.8)

Аналогично определяем напряжение нейтрали относительно земли:

. (5.9)

5.2.5. Назначение повторного заземления нулевого защитного (ре) или совмещённого (pen) проводника

Повторное заземление нулевого защитного РЕ или совмещенного РЕN проводника снижает напряжение на корпусе в момент короткого замыкания, особенно при обрыве РЕN проводника. Если повторное заземление отсутствует (R_п→∞), выражения (5.8) и (5.9) принимают вид:

(5.10)

При наличии повтор­ного заземления второй множитель в выражении (5.8) меньше единицы, в выражении (5.9) — больше нуля, т. е. потенциал корпуса меньше, чем величина U_к, а потенциал нейтрали больше нуля. Если принять Z_ф=Z_н и R_п=R_o, то потенциалы . ПриU=220 В U_о=U_з=55 В, что допустимо в течение 1 с.

Рис. 5.2. Распределение потен­циалов вдоль совмещённого PEN проводника:

I — без повторного заземления; II — с повторным заземлением;

1—5 — корпусы электропотребителей

Без повторного заземления совмещённого провода (R_п→∞) в случае замыкания на корпус его потенциал приU=220 В, U_з=110 В, а потенциал нейтрали равен нулю.

Таким образом, повторное заземление при замыкании на корпус уменьшает его потенциал и тем самым повышает безопасность. На рис. 5.2 показано распределение потенциалов вдоль PEN провода между повторным заземлением (а значит, и корпусом) и заземлением нейтрали. Эти потенциалы существуют в течение вре­мени срабатывания защиты.

Потенциалы зануленных корпусов при однофазном коротком замыкании зави­сят от длины участка PEN провода между нейт­ралью источника и местом присоединения корпуса к PEN проводу. При за­мыкании на один из корпу­сов по участку PEN про­вода между этим корпусом и нейтралью трансформатора проходит ток короткого за­тыкания. Падение напряже­ния на этом участке опреде­ляется из закона Ома: U_к = I_к · Z_н . Поскольку сопротивление PEN провода при постоянном сечении пропорционально его длине, падение напряжения также пропорционально длине. Поэтому при отсутствии повторного заземления потенциал корпуса, на который происходит короткое замыкание, равен падению напряжения в PEN проводе [см. выражение (5.7)].

Потенциалы по длине PEN провода пропорциональны расстоянию от нулевой точки источника (см. рис. 5.2, кривая I). Корпусы 1, 2 и 3 также находятся под напряжением относительно земли, равным потенциалам PEN провода в точках присоеди­нения каждого корпуса. Потенциал корпуса 5 равен потенциалу корпуса 4, на который произошло замыкание, так как за местом короткого замыкания в PEN проводе тока нет, а значит, и па­дение напряжения отсутствует.

Если совмещённый PEN провод имеет повторное заземление (см. рис. 5.2, кривая II), то потенциал нейтрали не равен нулю; он равен паде­нию напряжения на сопротивлении заземления нейтрали. Потен­циал корпуса поврежденного потребителя равен падению напряже­ния на повторном заземлении. Разность этих потенциалов равна U_к. Потенциалы в PEN проводе распределяются по прямоли­нейному закону. Потенциал корпуса 3 ниже потенциала корпусов 5 и 4. Корпус 2 находится в данном случае под нулевым потенциа­лом.

В случае обрыва PEN провода при замыкании на корпус короткого замыкания не произойдет. При этом потенциалы опреде­ляются из (5.8) и (5.9), причем Z_н→∞:

.

При этих условиях все корпуса, соединенные с PEN прово­дом за местом обрыва, оказываются под напряжением относительно земли, равным U_з. Те корпуса, которые занулены до места об­рыва, находятся под напряжением, равным U_о. Такой режим прин­ципиально не отличается от замыкания на заземленный корпус в сети с глухозаземленной нейтралью. Очевидно, этот режим опа­сен. Но при отсутствии повторного заземления совмещённого PEN провода опасность возрастает еще больше, так как замыкание происходит на корпус, не имеющий ни зануления, ни заземления. Корпуса электрооборудования, соединенные с корпусом с поврежденной изоляцией, оказываются под фазным напряжением U относительно земли (рис. 5.3).

а

б

Рис. 5.3. Замыкание на корпус при обрыве совмещённого PEN провода:

а – принципиальная схема; б - распределение потен­циалов вдоль совмещеноого PEN провода до и после места обрыва: I — без повторного заземления; II — с повторным заземлением; 1—5 — корпусы электропотребителей