Расчет зануления на отключающую способность

Для надежного отключения установлены требования к уст­ройству зануления, к его электрическим характеристикам и пре­жде всего к проводимости петли фаза-нуль, которые учитывают­ся при проектировании системы зануления. Если в результате расчета оказывается, что при замыкании фазы на корпус электро­установки не обеспечивается ее надежное отключение от сети, то следует внести изменения в схему или конструкцию элементов системы зануления и повторить расчет.

Изменения вносятся в следующем приоритетном порядке:

- применяется автоматический выключатель с электромаг­нитным расцепителем;

- увеличивается сечение нулевого защитного проводника;

- увеличивается сечение фазных проводов;

- изменяется материал проводников;

- разделяются потребители энергии.

При замыкании фазы сети на зануленный корпус электро­приемника образуется цепь тока короткого замыкания, которая состоит из фазной обмотки источника питания (трансформатора), фазного проводника сети, корпуса электроустановки, нулевого защитного проводника (рис. 1). Контур тока I_h не учитывается, так как I_h< < I_k.

Для надежного автоматического отключения электроустанов­ки в случае замыкания фазы на ее зануленный корпус необходи­мо выполнить условие:

I_k ≥ kI_н, (1)

где I_к — ток короткого замыкания фазы на корпус электроустанов­ки, А; I_н - номинальный ток отключающего устройства (указан в паспорте, выбит на корпусе, приводится в таблицах), А; k - ко­эффициент кратности тока короткого замыкания.

Рекомендуется при отсутствии заводских данных для автома­тических выключателей с электромагнитным расщепителем вы­бирать k = 1, 25... 1, 4, причем k = 1, 4 при I_н ≤ 100 Аи k =1, 25 при I_н > 100 А, для плавких предохранителей k = 3.

Первоочередной задачей при расчете зануления является оп­ределение номинального тока I_н, протекающего по одной из фаз, для которой рассчитывается зануление. При этом следует разли­чать трехфазную (асинхронные двигали, электрическое тепловое оборудование, холодильные камеры) и однофазную силовую на­грузку. Известной величиной является мощность Р (кВт). Расчет­ная формула для трехфазной нагрузки имеет вид

где Р - мощность единичного оборудования; U_л - линейное на­пряжение сети; - коэффициент мощности, 𝜂 - коэффициент полезного действия.

Эта же фаза используется и для однофазной нагрузки (холо­дильники, электрические чайники, кухонные комбайны и др.). В этом случае известной величиной также является мощность Р, тогда для однофазных двигателей

где U_ф — фазное напряжение.

Для тепловой нагрузки (электроплиток, чайников и т.д.)

Необходимо отметить, что КПД для каждого вида оборудова­ния следует выбирать в соответствии с рекомендациями в специ­альной литературе.

Для световой нагрузки (лампы накаливания):

Для люминесцентных ламп при наличии дросселей:

где 𝜂 _c- КПД светильника.

При определении общей нагрузки фазы I_н все номинальные токи потребителей должны суммироваться:

I _н =Σ I _н.пот.

Кроме того, значение I_н выбираем таким, чтобы автоматический выключатель не отключал установку при протекании рабочих токов. Особенно это важно для асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором при прямом пуске. Например, для электродвигателей:

- запускаемых под нагрузкой

I _н = I _н.дв. (5...6);

- запускаемых без нагрузки

I _н = I _н.дв. (4... 5),

где I _н.дв. - номинальный ток двигателя.

Увеличение номинального тока объясняется тем, что прямой пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором осу­ществляется в соответствии с механической характеристикой на рис. 2 от точки (п = О, М _п) через точку А с координатами (п _к, М_к) до точки (п_н, М_н), так как М = I, то I ' _к > > I _н.дв., что и учитывается коэффициентами в вышеприведенных формулах.

Рис. 2. Механическая характеристика асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

На рис. 2 n _o - синхронная скорость; n _н - номинальная скорость; п _к - промежуточная скорость двигателя, соответствующая крити­ческой точке А, MH, МП, Мк - соответственно номинальный, пусковой и критический моменты асинхронного двигателя.

Ток короткого замыкания в соответствии с рис. 3, а определя­ется формулой

I _к = U_a / (Z_T / 3 + Z_Ф + Z_H + jXп), (2)

где Х_п - внешнее индуктивное сопротивление взаимной индук­ции между фазным и защитным проводниками.

Для определения комплекса полного сопротивления петли фаза-нуль Z_П рассмотрим линию питания от электроприемника до трансформатора (рис. 3, б), которая может быть выполнена с по­мощью различных видов электропроводок.

Рис. 3. Схема замыкания на отключающую способность

Отметим, что

Z_Ф= Rф+jXф, Z_н= R_H+jX_H

где Rф, R_H - соответственно активные сопротивления фазы и НЗП; Х_ф, Х_н - внутренние индуктивные сопротивления фазы и НЗП.

В общем случае полное сопротивление петли фаза-нуль (рис. 3, 6), определяется формулой

Z_п= Z_ф + Z_Н +jX _п = R_ф +jX_ф+R_Н +jX_H +jX _п. (3)

Модуль полного сопротивления фазы-нуль определяется вы­ражением

Тогда расчетная формула тока короткого замыкания имеет вид

где: U_a =Uф, U ф - фазное напряжение сети; Z_T - модуль сопро­тивления обмотки трансформатора. Неточность этой формулы (5 %) ужесточает требования к безопасности. Таким образом, ес­ли защита будет выбрана по расчетному току короткого замыка­ния, то при реальном токе она сработает еще быстрее.

Определим величины, входящие в формулу (4). Для питания промышленных предприятий и общественных зданий применя­ются масляные трехфазные трансформаторы различной мощно­сти. Приближенные полные сопротивления трансформаторов и схемы соединения их обмоток приводятся в табл. 1.

Таблица 1