Теоретические сведения.

Поражение человека электрическим током может произойти как в месте касания токоведущих частей электромашин, так и на расстоянии под воздействием шагового напряжения.

Наибольшую опасность для человека представляет прикосновение к двум фазам сети. В этом случае ток. Проходящий через тело человека, при прочих равных условиях будет максимальным. Величина тока определяется по формуле: , А,

где – линейное напряжение сети, В; =1000 Ом - сопротивление тела человека.

При касании к одной фазе электрической сети с заземленной нейтралью через тело человека пройдет ток: ,

где - сопротивление пола, Ом; - сопротивление замыкания нейтрали, Ом.

При касании к одной фазе электрической сети с изолированной нейтралью, когда ток, проходящий через тело человека, будет зависеть от качества изоляции сети, и определяться по формуле: ,

где – сопротивление изоляции, Ом.

Человек ощущает ток меньше 0,01 А; ток в 0,02 А вызывает нервные конвульсии; 0,05 А смертелен. Исходя их этого, находят величину безопасного напряжения:

где – безопасное напряжение, В; - безопасный ток, А.

Опасность поражения электрическим током может быть существенно снижена устройством защитного заземления или зануления.

Цель расчета защитного заземления – определение количества электродов заземлителя и заземляющих проводников, их размеров и схемы размещения в земле, при которых сопротивление заземляющего устройства растеканию тока или напряжение касания при замыкании фазы на заземляющие части электроустановок не превышают допускаемых значений.

Для расчета используются следующие исходные данные: наименование объекта защиты; стационарность объекта; характеристика установки (тип, вид оборудования, рабочее напряжение, суммарная мощность генераторов или трансформаторов, которые питают данную сеть, режим нейтрали сети, способы ее заземления и пр.,); план электроустановки с нанесением размеров и размещения оборудования; данные о естественных заземлителях, в частности измеренные сопротивления конструкций растеканию тока, которые допускаются ПУЭ для использования в качестве заземлителей; вид. форма, размеры, материалы электродов и заземляющих проводников. назначенных для сооружения искусственного заземляющего устройства (размеры заземлителей (стержней): длина стержня (трубы. уголка и пр.), диаметр стержня (трубы), толщина стенки трубы, соотношение расстояния между стержнями к их длине; размеры горизонтального заземлителя (соединительной ленты): длина, ширина ленты, глубина заложения вертикальных заземлителей; расчетный ток зазмыкания на землю для электроустановок напряжением свыше 1 кВ.

Размещение заземлителей первоначально принимают по четырехугольному контуру при числе стержней от 4 до 100 или в один ряд при количестве стержней от 2 до 20.

Последовательность расчета.

Определяется характеристика окружающей среды в производственном помещении.

Определяется R – допустимое сопротивление растеканию тока в заземляющем устройстве.

Определяется – приближенное значение удельного сопротивления грунта, которое рекомендуется для расчета.

Определяют значения - коэффициента сезонности для вертикальных заземлителей в соответствии с климатической зоной.

Определяют значение – коэффициента сезонности для горизонтального заземлителя для заданной климатической зоны.

 

Наиболее допустимые значения сопротивлений заземляющих устройств в электроустановках.

Табл. №1

Характеристика установок Наибольшее допускаемое сопротивление заземляющего устройства, Ом
Электроустановки напряжением до 1000 В
1.Защитное заземление в установках с большими токами замыкания на землю (500 А и более) 0, 5
2.Защитное заземление в установках с малыми токами замыкания на землю ( до 500 А):  
- без компенсации емкостных токов при использовании заземляющего устройства:  
а) для электроустановок до 1000 В 125/I, но не более 10 ( - расчетное сопротивление замыкания на землю, А)
б) для установок свыше 1000 В 250/I, но не более 10 ( - расчетное сопротивление замыкания на землю, А)
- с компенсацией емкостных токов  
а) к заземляющему устройству не присоединены аппараты, которые компенсируют емкостной ток 125/I, но не более 10 ( -остаточный ток замыкания на землю, который возникает при отключении наиболее мощного из компенсирующих аппаратов, но не более 30 А)
б) аппараты. которые компенсируют емкостной ток 125/I, но не более 10 ( - принимают равным 1,25 номинального тока компенсирующих аппаратов)
Электроустановки напряжением до 1000 В
3. Установки с глухим заземлением нейтрали при линейных напряжениях. В: а) генераторов или трансформаторов  
б) повторное заземление нулевого рабочего провода воздушной линии электропередачи ВЛ  
в) все повторные заземления нулевого провода ВЛ (суммарное сопротивление)  
4. Установки с изолированной нейтралью  
а) защитное заземление при мощности генераторов или трансформаторов 100 кВА и меньше
б) то же в других случаях
в)заземление крюков и штырей фазных проводов. установленных на железобетонных опорах, а также арматуры этих опор
г) заземление металлических оттяжек опор в сети с изолированной нейтралью, закрепленных нижним концом на высоте меньше чем 2,5 м от земли.

 

 

Возможные значения удельных электрических сопротивлений

различных грунтов и воды. Ом ×м.

Табл.№ 2

 

Грунт, вода Возможные границы колебаний . При влажности 10 – 20 % к массе грунта Рекомендованное значение для приблизительных расчетов
Глина 8 - 70
Суглинок 40 - 150
Чернозем 9 - 53
Торф 10 - 30
садовая земля 30 - 60
Супесь 150 - 400
Песок 400 - 700
Каменистый 500 - 800 - -
Скальный 104 -107 - -
Вода: морская 0,2 – 1,0 - 1,0
речная 10 - 100 -
водохранилищ 40 - 50 -
ручейковая 10 - 60 -
грунтовая 20 - 70 -

 

Определяют значения - коэффициента сезонности для вертикальных заземлителей в соответствии с климатической зоной.

Определяют значение – коэффициента сезонности для горизонтального заземлителя для заданной климатической зоны.

Определяется – расчетное удельное сопротивление грунта для вертикальных заземлителей, Ом´м: .

Определяется – расчетное удельное сопротивление грунта для вертикальных заземлителей, Ом´м: .

Определяется t – расстояние от поверхности земли до середины вертикального заземлителя: .

Определяется – сопротивление растеканию тока в одном вертикальном заземлителе, Ом: .

 

Возможные значения удельных электрических сопротивлений

различных грунтов и воды. Ом ×м.

Табл.№ 2

 

Грунт, вода Возможные границы колебаний . При влажности 10 – 20 % к массе грунта Рекомендованное значение для приблизительных расчетов
Глина 8 - 70
Суглинок 40 - 150
Чернозем 9 - 53
Торф 10 - 30
садовая земля 30 - 60
Супесь 150 - 400
Песок 400 - 700
Каменистый 500 - 800 - -
Скальный 104 -107 - -
Вода:      
морская 0,2 – 1,0 - 1,0
речная 10 - 100 -
водохранилищ 40 - 50 -
ручейковая 10 - 60 -
грунтовая 20 - 70 -

 

Признаки климатических зон для определения коэффициента сезонности

Табл.№3

Характеристика климатической зоны Климатические зоны
I II III IV
Средняя многолетняя нижняя температура (январь), оС. от – 20 до - 15 от – 14 до - 10 от – 10 до - 0 от 0 до + 5
Средняя многолетняя верхняя температура (январь), оС. от + 16 до + 18 от + 18 до + 32 от + 22 до + 24 от + 24 до + 26
Среднегодовое количество осадков, см 30 - 50
Продолжительность замерзания воды, суток. 190 - 170

 

 

Коэффициенты сезонности и

для однородной земли при измерении ее сопротивления.

Табл. № 4

Климатическая зона Влажность земли при измерениях
повышенная нормальная маленькая
для вертикального электрода длиной м
I 1,9 1,7 1,5
II 1,7 1,5 1,3
III 1,5 1,3 1,2
IV 1,3 1,1 1,0
для вертикального электрода длиной м
I 1,5 1,4 1,3
II 1,4 1,3 1,2
III 1,3 1,2 1,1
IV   1,1,21 1,0
для вертикального электрода длиной м
I 9,3 5,5 4,1
II 5,9 3,5 2,5
III 4,0 2,5 2,0
IV 2,5 1,5 1,1
для вертикального электрода длиной м
I 7,2 4,5 3,6
II 4,8 3,0 2,4
III 3,2 2,0 1,6
IV 2,2 1,4 1,12

 

 

Определяется – теоретическое количество вертикальных заземлителей без учета коэффициента использования , шт.

Определяется – коэффициент использования вертикальных заземлителей при использовании их соответственно к исходным данным или по четырехугольному контуру при количестве заземлителей и при отношениии .

 

Количество заземлителей Отношение расстояний между электродами к их длине при их расположении
в ряд По контуру
0,85 0,91 0,94 - - -
0,73 0,83 0,89 0,69 0,78 0,85
0,65 0,77 0,85 0,61 0,73 0,80
0,59 0,74 0,81 0,57 0,68 0,76
0,48 0,67 0,76 0,47 0,63 0,71
- - - 0,41 0,58 0,66
- - - 0,39 0,55 0,64
- - - 0,36 0,52 0,62

 

Определяется – необходимое количество вертикальных заземлителей с учетом коэффициента использования , шт.

Определяется – расчетное сопротивление растеканию тока в вертикальных заземлителях при без учета влияния соединительной полосы, Ом.

Определяется – расстояние между вертикальными заземлителями из соотношения .

Определяется – длина соединительной полосы – горизонтального заземлителя , м.

Определяется – сопротивление растеканию тока в горизонтальном заземлителе (соединительной полосе): , Ом.

Определяется – коэффициент использования горизонтального заземлителя при размещении вертикальных заземлителей в соответствии с исходными данными или по четырехугольному контуру при соотношении .и необходимом количестве вертикальных заземлителей .

 

Коэффициент использования горизонтального полосового электрода, который соединяет вертикальные электроды (трубы, уголки и пр.) группового заземлителя.

Табл.№6

  Количество вертикальных электродов
Электроды расположены в ряд
0,85 0,77 0,72 0,62 0,42 - - -
0,94 0,80 0,84 0,75 0,56 - - -
0,96 0,92 0,88 0,82 0,68 - - -
Электроды расположены по контуру
- 0,45 0,4 0,34 0,27 0,22 0,20 0,19
- 0,55 0,48 0,40 0,32 0,29 0,27 0,23
- 0,70 0,64 0,56 0,45 0,39 0,36 0,33

 

 

Коэффициент использования параллельно уложенных горизонтальных полосовых электродов группового заземлителя (ширина полосымм, глубина заложения м, длина каждой полосы , м).

Табл.№7

Количество параллельных полос, Расстояние между параллельными полосами, м
2,5 5,0 10,0 15,0
0,63 0,75 0,83 0,92 0,96
0,47 0,49 0,60 0,73 0,79
0,25 0,37 0,49 0,64 0,72
0,16 0,27 0,39 0,57 0,64
0,35 0,45 0,55 0,66 0,73
0,23 0,31 0,43 0,57 0,66
0,14 0,23 0,33 0,47 0,57
0,60 0,69 0,78 0,88 0,93
0,33 0,40 0,48 0,58 0,65
0,20 0,27 0,35 0,46 0,53
0,12 0,19 0,25 0,36 0,44
0,31 0,38 0,45 0,53 0,58
0,18 0,25 0,31 0,41 0,47
0,11 0,16 0,22 0,31 0,38
0,31 0,36 0,43 0,51 0,57
0,17 0,23 0,28 0,37 0,44
0,10 0,15 0,20 0,28 0,34
0,28 0,32 0,37 0,44 0,50
0,14 0,20 0,23 0,30 0,36
0,08 0,12 0,15 0,21 0,26

 

 

Определяется – расчетное сопротивление растеканию тока в горизонтальном заземлителе (соединительной полосе) при количестве электродов , Ом.

Определяется – расчетное сопротивление, Ом, растеканию тока в вертикальных и горизонтальных заземлителях .

Далее выбирается материал и сечение соединительных проводников и магистральной шины.

 

Наименьшие размеры заземляющих и нулевых проводников.

Табл.№8.

Характеристика проводника Нормируемый размер Наименьший допускаемый размер в зависимости от материала
медь алюми-ний сталь
в поме-щениях вне поме-щений в земле
Неизолированные проводники Сечение, мм2 4,0 6,0 - - -
Диаметр, мм - - 5,0 6,0
Изолированные проводники Сечение, мм2 1,5 2,5 - - -
Заземляющие и нулевые жилы кабелей и многожильные провода в общей защитной оболочке с фазовыми жилами Сечение, мм2 1,0 2,5 - - -
Уголковая сталь Толщина полки, мм - - 2,0 2,5 4,0
Полосовая сталь Сечение, мм2 - - 2,4
  Толщина, мм - - 3,0 4,0 4,0
Водо, газопроводные трубы (стальные) Толщина стенки, мм - - 2,5 2,5 3,5
Тонкостенные трубы (стальные) Толщина стенки, мм - - 1,5 2,5 -

 

 

Расчет зануления.

 

Назначение защитного зануления заключается в устранении опасности поражения электрическим током при нарушении изоляции и появлении на корпусах оборудования опасного напряжения.

Принцип действия зануления – преобразование пробивания на корпус в одноразовое короткое замыкание, то есть замыкание между фазовым и нулевым проводами с целью создания тока, способного обеспечить срабатывание защиты и благодаря этому автоматически отсоединить поврежденную установку от питающей электросети.

При пробивании на корпус в кругу короткого замыкания возникает большой ток короткого замыкания , который обеспечивает быстрое перегорание плавких вставок в течение 5 – 7 секунд, или отключение поврежденных фаз автоматическими устройствами, которые реагируют на ток короткого замыкания за 1 – 2 секунды. В течение времени, которое зависит от быстроты срабатывания защиты, человек, который касается поврежденного оборудования, попадает под фазовое напряжение. Если защитное зануление не срабатывает в течение определенного времени, то человек может быть поражен электрическим током.

Защитное зануление применяют в трехфазовых четырехпроводных сетях напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью. Схема зануления требует наличия в сети нулевого провода, заземления нейтрали источника тока и повторного заземления нулевого провода.

Назначение нулевого провода – создание для тока короткого замыкания участка с малым сопротивлением с целью быстрого отключения поврежденной установки от сети.

Для надежного срабатывания защиты должно выполняться условие: ,

где – номинальный ток плавкой вставки.

В случае использования автоматического прибора, который реагирует на ток короткого замыкания: ,

где – номинальный ток срабатывания автомата.

Плавкие вставки выбирают по величине пускового тока электродвигателя с учетом режима его работы: ,

где– пусковой ток электродвигателя; - коэффициент режима работы (для асинхронных двигателей ); - номинальный рабочий ток электродвигателя; - коэффициент перегрузки, который принимается по каталогу для электродвигателей.

 

Пример. Рассчитать систему защитного заземления при мощности трансформатора 700 кВА. Соединение обмоток трансформатора – звездой. Электродвигатель асинхронный серии 4А 132М2, U = 380 В, n = 3000 мин-1.

Решение.

Проверим условия обеспечения отключающей возможности зануления:

,

где - фазовое напряжение, В; - сопротивление трансформатора, Ом; - сопротивление петли фаза – ноль, которое определяется зависимостью: ,

где – активные сопротивления фазового и нулевого проводников, Ом; - внутренние индуктивные сопротивления фазового и нулевого проводников, Ом; - внешнее индуктивное сопротивление петли фаза – ноль, Ом.

Значение сопротивления трансформатора выбирается из табл. №9.

 

 

Расчетные полные сопротивления , Ом, масляных трансформаторов.

Табл.№9

Мощность трансформатора, кВА , при схеме соединения обмоток
звездой, Ү Треугольником, Δ
3,11 0,901
1,949 0,562
1,237 0,36
0,799 0,226
0,487 0,141
0,312 0,09
0,195 0,056
0,129 0,042
0,081 0,027

Примечание: номинальное напряжение обмоток – 6 – 10 кВ.

 

 

Определяем номинальный ток электродвигателя:

,

где Р – номинальная мощность двигателя, кВт; UН - номинальное напряжение, В; cosa - коэффициент мощности.

Для расчета активных сопротивлений и выбираем сечение, длину, материал нулевого и фазного проводов. Сопротивление проводников, изготовленных из цветных металлов, можно определить по формуле: ,

где удельное сопротивление проводника (ля меди = 0,018 Ом´мм2, для алюминия = 0,028 Ом´мм2); l - длина проводника, м; s -площадь поперечного сечения проводника, мv2.

Значениями можно пренебречь в ввиду их незначительной величины.

Прежде всего необходимо задаться длиной проводника и профилем сечения, определить ожидаемое значение тока короткого замыкания, значение внешнего индуктивного сопротивления петли фаза – ноль для практических расчетов берется равным 0,6 Ом/км.

Основные технические характеристики электродвигателя выбираются из табл.№11.

N = 10 кВт, cosa=0,9, .

Пусковой ток двигателя .

Рассчитаем номинальный ток плавкой вставки ,

где – коэффициент режима работы электродвигателя. Для двигателей с частым включением ; для двигателей с нечастыми пусками .

Определим ожидаемое значение тока короткого замыкания .

Выбираем стандартное значение сечения нулевого провода 4´10 мм и рассчитываема плотность тока .

Активное и индуктивное сопротивления проводников определяем по табл.№10. Для этого задаемся сечением и длиной нулевого и фазного стальных проводников: , сечением 4´10 мм, s = 160 мм2; ; сечение Ф = 8 мм; s = 50,27 мм2.

 

 

Активные r и индуктивные сопротивления

стальных проводников при переменном токе (50 Гц)

Табл.№10

Размер или диаметр, мм Площадь поперечного сечения, мм2 Активное/индуктивное сопротивления, Ом/км, при плотности тока, А/мм2.
0,5 1,5
Полоса прямоугольного сечения
20´4 5,24/3,14 4,2/2,52 3,48/2,09 2,97/1,78
30´4 3,66/2,2 2,91/2,75 2,38/1,43 2,04/1,22
40´4 2,8/1,68 2,24/1,34 1,81/1,08 1,54/0,92
50´4 1,77/1,06 1,34/0,8 1,08/0,65 -
60´4 3,83/2,03 2,56/1,54 2,08/1,25 -
30´5 2,1/1,26 1,6/0,96 1,28/0,77 -
50´5 2,02/1,33 1,51/0,89 1,15/0,7 -
Проводник круглого поперечного сечения
19,63 17/10,2 14,4/8,65 12,4/7,45 10,7/6,4
28,27 13,7/8,2 11,2/6,7 9,4/5,65 8,0/4,8
50,27 9,6/5,75 7,5/4,5 6,4/3,84 5,3/3,2
78,54 7,2/4,32 5,4/3,24 4,2/2,52 -
113,1 5,6/3,36 4,0/2,4 - -
150,9 4,55/2,73 3,2/1,92 - -
201,1 3,72/2,23 2,7/2,23 - -

Сечение нулевого проводника и его материал выбираются при условии, чтобы полная проводимость нулевого провода была не меньшей, чем 50% полной проводимости фазового провода: .

Активное сопротивление фазного провода берется из табл.№10 в зависимости от площади сечения и плотности тока: .

Аналогично определяется активное сопротивление нулевого провода: .

 

Закрытые обдуваемые электродвигатели единой серии А4 (основное исполнение)

Табл.№11

Тип Мощность, кВт cosa
4A71B2 1,1 0,87 5,5
4A80A2 1,5 0,85 6,5
4A80B2 2,2 0,87 6,5
4A90L2 0,88 6,5
4A1002 0,89 6,5
4A100L2 5,5 0,89 7,5
4A112M2 7,5 0,88 7,5
4A132M2 0,9 7,5
4A1602 0,91 7,5
4A160M2 18,5 0,92 7,5
4A180S2 0,91 7,5
4A200M2 0,9 7,5
4A220L2 0,89 7,5
4A225M2 0,9 7,5

 

 

Значение стандартных предохранителей для сетей напряжением 220 В и 380 В.

Табл.№12

 

Тип предохранителя Номинальный ток плавкой вставки , А
НПИ 15 6; 10; 15.
НПН60М 20; 25; 35; 45; 60
ПН2-100 30; 40; 50; 60; 80;100
ПН2-250 80; 100; 120; 150; 200; 250
ПН2-400 200; 250; 300; 350; 400
ПН2-600 300; 400; 500; 600
ПН2-1000 500; 600; 750; 800; 1000

 

Определяем внутренние индуктивные сопротивления фазного и нулевого проводников и : , ,

где – индуктивное сопротивление проводников, Ом (табл.№10); - длина проводника, км.

Внешнее индуктивное сопротивление петли фаза – ноль .

Общая длина петли фаза – ноль – 1,5´100= 150 м= 0,15 км.

Тогда .

На основании полученных данных рассчитаем и определим величину тока короткого замыкания:

.

Выполним проверку надежности срабатывания защиты:.

По значению номинального тока по табл.№12 выбираем плавкую вставку серии ПН»-100 с номинальным током 80 А при нагрузке сети 380 В.