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/м, для алюминия = 0,028 Ом´мм2/м); 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.