Назначение, устройство, принцип действия защитного зануления

Защитное зануление, также как и защитное заземление, является одной из мер защиты от опасности косвенного прикосновения и обеспечивает безопасность за счет ограничения времени воздействия тока.

Выполняется защитное зануление в электроустановках напряжением до 1 кВ систем TN-C,TN-S и TN-C-S и представляет собой преднамеренное соединение открытых проводящих частей с глухозаземленной нейтралью источника питания посредством нулевых защитных проводников.

Первая буква в обозначении системы определяет состояние нейтрали источника питания относительно земли: Т – заземленная нейтраль; вторая буква – состояние открытых проводящих частей относительно земли: N – открытые проводящие части присоединены к глухозаземленной нейтрали источника питания; третья буква – функции нулевого проводника: С – функции нулевого защитного (РЕ) и нулевого рабочего (N) проводников совмещены в одном проводнике (PEN-проводник); S – нулевой рабочий (N) и нулевой защитный (РЕ) проводники разделены; C-S – функции нулевого защитного и рабочего проводников совмещены, начиная от источника питания, с последующим разделением функций.

Система TN-C является четырехпроводной системой трехфазного переменного тока с глухозаземленной нейтралью источника питания (рис. 5.1)

Iкз > ЗIпл

 

Рис. 5.1. Схема защитного зануления в системе TN-C:

1 – трехфазный потребитель; 2 – однофазный потребитель; L₁, L₂, L₃ – линейные проводники; РЕ – защитный нулевой проводник; N – рабочий нулевой проводник; PEN – совмещенный защитный и рабочий нулевой проводник; r_ф – сопротивление фазного провода; r_н – сопротивление нулевого проводника;

r_o – сопротивление рабочего заземления; r_п – сопротивление повторного заземления нулевого проводника; R₁ и R₂ – сопротивления человека; I_кз – ток короткого замыкания; I_з – ток, протекающий через заземляющие устройства; I_пл – номинальный ток плавкой вставки предохранителя; U – фазное напряжение сети

Цель защитного зануления – нарушение изоляции на открытые проводящие части электроустановок превратить в однофазное короткое замыкание, создать в петле «фаза − нуль» (цепь, выделенная жирной линией) токкороткого замыкания, достаточный для срабатывания защиты и отключения поврежденного участка в минимально необходимое время (согласно ПУЭ [7] при фазном напряжении 220 В – 0,4 с).

При несрабатывании защиты в указанное время человек будет длительно находиться под напряжением прикосновения U_пр (если пренебречь малым сопротивлением r_o), равны падению напряжения в нулевом проводнике U_н, и это напряжение будет вынесено на все зануленное оборудование (рис. 5.2).

 

Рис. 5.2. Схема замещения петли «фаза − нуль»:

r_ф – сопротивление фазного проводника; r_н – сопротивление нулевого проводника; r_o – сопротивление рабочего заземления; R₁ и R₂ – сопротивления человека; U_пр – напряжение прикосновения; U_н – падение напряжения в нулевом проводнике; U – фазное напряжение сети; I_кз – ток короткого замыкания

 

Как правило, сопротивление нулевого проводника r_н выше сопротивления фазного r_ф, поэтому падение напряжения в нулевом проводнике U_н и соответственно напряжение прикосновения U_пр составляет больше половины фазного напряжения.

Снижение напряжения прикосновения при защитном занулении обеспечивается дополнительной мерой защиты – повторным заземлением нулевого проводника r_п (рис. 5.3).

r0

 

Рис. 5.3. Схема замещения при наличии повторного заземления

нулевого проводника:

r_ф – сопротивление фазного проводника; r_н – сопротивление нулевого проводника; r_o – сопротивление рабочего заземления; r_п – сопротивление повторного заземления нулевого проводника; R₁ и R₂ – сопротивления человека; U_пр – напряжение прикосновения; U_н – падение напряжения в нулевом проводнике; U – фазное напряжение сети; I_кз – ток короткого замыкания; I_з – ток, протекающий через заземляющие устройства;

U_о − падение напряжения на рабочем заземлении

 

Если принять r_o = r_п, то падение напряжения на сопротивлении повторного заземления U_п составит половину падения напряжения в нулевом проводнике и может быть выше допустимых значений.

Поэтому повторное заземление нулевого проводника должно рассматриваться как вспомогательная мера защиты, смягчающая аварийный режим при длительном срабатывании защиты или обрыве нулевого проводника.

Безопасность при защитном занулении может быть обеспечена только за счет ограничения времени воздействия тока. С целью обеспечения срабатывания защиты в минимально необходимое время Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей (ПТЭЭП) [9] регламентируют ток короткого замыкания.

При защите предохранителями:

(5.1)

при защите автоматическими выключателями с электромагнитным расцепителем:

(5.2)

при защите автоматическими выключателями, имеющими обратнозависимую от тока характеристику:

(5.3)

где I_кз – необходимый для срабатывания защиты ток короткого замыкания, А;

− номинальный ток плавкой вставки предохранителя, А;

I_у – ток уставки (отсечки) автоматического выключателя, имеющего только электромагнитный расцепитель, А;

I_р – номинальный ток нерегулируемого расцепителя или уставка тока регулируемого расцепителя, А.

 

Расчет защитного зануления на отключающую способность проводится с целью определения соответствия фактического значения тока короткого замыкания в петле «фаза − нуль» требованиям ПТЭЭП.

Фактическое значение тока короткого замыкания в петле «фаза − нуль» с достаточной для практики точностью определяется по формуле

(5.4)

где − ток короткого замыкания в петле «фаза − нуль», А;

U – фазное напряжение сети, В;

Z_T – полное сопротивление обмоток источника питания, Ом;

Z_П – полное сопротивление фазного и защитного нулевого проводников, Ом;

, (5.5)

где R_ф и R_н – активные сопротивления соответственно фазного и защитного нулевого проводников, Ом;

X_Ф и X_Н – внутренние индуктивные сопротивления соответственно фазного и защитного нулевого проводников, Ом;

X_П – внешнее индуктивное сопротивление фазного и защитного нулевого проводников, Ом.

Учитывая равенства (5.4) и (5.5), величина тока короткого замыкания в петле «фаза − нуль» определяется по формуле

. (5.6)

 

Полные сопротивления обмоток масляных и сухих трансформаторов Z_T приведены соответственно в табл. 5.1 и 5.2 [3].

Таблица 5.1

Приближенные значения полных сопротивлений Z_T