Назначение нулевого защитного проводника
Пусть мы имеем схему без нулевого защитного проводника, роль которого выполняет земля (рис. 4.11). Будет ли работать такая схема?
При замыкании фазы на корпус по цепи, образовавшейся через землю, будет проходить ток:
где U фазное напряжение сети, В; r0, rк сопротивления заземления нейтрали и корпуса, Ом.
Сопротивления обмоток источника тока (например, трансформатора, питающего данную сеть) и проводов сети малы по сравнению с r0 и rк, поэтому их в расчет не принимаем.
В результате протекания тока через сопротивление rк в землю на корпусе возникает напряжение относительно земли Uк равное падению напряжения на сопротивлении rк:
Ток Iз может оказаться недостаточным, чтобы вызвать срабатывание максимальной токовой защиты, т. е. установка может не отключиться.
Чтобы устранить эту опасность, надо обеспечить быстрое автоматическое отключение установки, т. е. увеличить ток, проходящий через защиту, что достигается уменьшением сопротивления цепи этого тока путем введения в схему нулевого защитного проводника соответствующей проводимости.
Следовательно, из сказанного вытекает еще один вывод: в трехфазной сети напряжением до 1 кВ с заземленной нейтралью без нулевого защитного проводника невозможно обеспечить безопасность при косвенном прикосновении, поэтому такая сеть применяться не должна.
Назначение повторного заземления в системе защитного зануления
Назначение повторного заземления нулевого защитного проводника
Рис. 4.9. Замыкание на корпус в системе TN-S
При замыкании фазы на корпус в сети, не имеющей повторного заземления нулевого защитного проводника (рис.4.9), участок нулевого защитного проводника, находящийся за местом замыкания, и все присоединенные к нему корпуса окажутся под напряжением относительно земли Uк, равным:
где Iк – ток КЗ, проходящий по петле фаза-нуль, А; zPEN– полное сопротивление участка нулевого защитного проводника, обтекаемого током Iк, Ом (т. е. участка АВ).
Напряжение Uк будет существовать в течение аварийного периода, т. е. с момента замыкания фазы на корпус до автоматического отключения поврежденной установки от сети.
Если для упрощения пренебречь сопротивлением обмоток источника тока и индуктивным сопротивлением петли фаза-нуль, а также считать, что фазный и нулевой защитный проводники обладают лишь активными сопротивлениями RL1 и RPE, то (4.3) примет вид:
Если нулевой защитный проводник будет иметь повторное заземление с сопротивлением rП (на рис. 4.9 это заземление показано пунктиром), то Uк снизится до значения, определяемого формулой:
где Iз – ток, стекающий в землю через сопротивление rп, А; Uав – падение напряжения в нулевом защитном проводнике на участке АВ; r0– сопротивление заземления нейтрали источника тока, Ом.
Итак, повторное заземление нулевого защитного проводника снижает напряжение на зануленных корпусах в период замыкания фазы на корпус.
При случайном обрыве нулевого защитного проводника и замыкании фазы на корпус за местом обрыва (при отсутствии повторного заземления) напряжение относительно земли участка нулевого защитного проводника за местом обрыва и всех присоединенных к нему корпусов, в том числе корпусов исправных установок, окажется близким по значению фазному напряжению сети (рис. 4.10, а). Это напряжение будет существовать длительно, поскольку поврежденная установка автоматически не отключится, и ее будет трудно обнаружить среди исправных установок, чтобы отключить вручную.
Рис. 4.10. Замыкание на корпус при обрыве нулевого защитного проводника
а — в сети без повторного заземления нулевого защитного проводника, б — в сети с повторным заземлением нулевого защитного проводника
Если же нулевой защитный проводник будет иметь повторное заземление, то при обрыве его сохранится цепь тока Iз, А, через землю (рис 4.10, б), благодаря чему напряжение зануленных корпусов, находящихся за местом обрыва, снизится до значений, определяемых формулой
При этом корпуса установок, присоединенных к нулевому защитному проводнику до места обрыва, приобретут напряжение относительно земли:
где r0 – сопротивление заземления нейтрали источника тока, Ом.
Итак, повторное заземление нулевого защитного проводника значительно уменьшает опасность поражения током, возникающую в результате обрыва нулевого защитного проводника и замыкания фазы на корпус за местом обрыва, но не может устранить ее полностью, т. е. не может обеспечить тех условий безопасности, которые существовали до обрыва.
Назначение отдельных элементов схемы зануления
Из рис. 10.4 видно, что для схемы зануления необходимы нулевой защитный проводник, глухое заземление нейтрали источника тока и повторное заземление нулевого защитного проводника.
Рассмотрим назначение этих элементов применительно к наиболее распространенным электрическим сетям — трехфазным переменного тока.
Назначение нулевого защитного проводника. Рассмотрим, будет ли работать схема без нулевого защитного проводника, роль которого выполняет земля (см. рис. 10.4).
При замыкании фазы на корпус по цепи, образовавшейся через землю, будет проходить ток
где (Уф — фазное напряжение сети, В; /?0, Лкорп — сопротивления заземления нейтрали и корпуса, Ом.
Сопротивления обмоток источника тока, например трансформатора, питающего данную сеть, и проводов сети малы по сравнению с и /?корп, поэтому их в расчет не принимаем.
Рис. 10.4. К вопросу о необходимости нулевого защитного проводника в трехфазной сети до 1000 В с заземленной нейтралью
В результате протекания тока через сопротивление /?корп в землю па корпусе возникает напряжение относительно земли ?Укорп, равное падению напряжения на сопротивлении /?корп:
Ток /3 может оказаться недостаточным, чтобы вызвать срабатывание максимальной токовой защиты, т.е. установка может не отключиться. Например, при иф = 220 В и /?0 = /?корп = 4 Ом
Если в этом случае ток срабатывания защиты больше /3 (в нашем примере 27,5 А), отключение не произойдет и корпус будет находиться под напряжением
до тех пор, пока установку не отключат вручную.
Такая ситуация недопустима, так как при этом возникает угроза поражения током людей, прикоснувшихся к корпусу поврежденного оборудования или к металлическим предметам, имеющим соединение с этим корпусом.
Чтобы устранить эту опасность, надо обеспечить быстрое автоматическое отключение установки, т.е. увеличить ток, проходящий через защиту, что достигается уменьшением сопротивления цепи этого тока путем введения в схему нулевого защитного проводника соответствующей проводимости.
Следовательно, назначение нулевого защитного проводника в схеме зануления заключается в обеспечении необходимого для отключения установки тока однофазного КЗ путем создания для этого тока цепи с малым сопротивлением.
Из сказанного вытекает еще один вывод — в трехфазной сети до 1000 В с заземленной нейтралью без нулевого защитного проводника невозможно обеспечить безопасность при замыкании фазы на корпус. Следовательно, такая сеть применяться не должна.
Рассмотрим сеть, изолированную от земли, т.е. сеть, в которой нейтраль обмоток источника тока изолирована и нет повторного заземления нулевого защитного проводника.
Нетрудно убедиться, что в этой сети зануление обеспечит отключение поврежденной установки так же надежно, как и в сети с заземленной нейтралью.
Следовательно, можно заключить, что режим нейтрали не имеет значения.
Однако при замыкании фазы на землю (рис. 10.5, а), например, в результате обрыва и падения провода на землю, а также при замыкании фазы на не изолированный от земли корпус и т.п., земля приобретает потенциал фазы и между запуленным оборудованием, имеющим нулевой потенциал, и землей возникает напряжение С/к, близкое по значению к фазному напряжению сети (/ф. Следовательно, напряжение будет существовать до отключения всей сети вручную или до ликвидации замыкания на землю, так как максимальная токовая защита при этом повреждении не сработает. Указанная ситуация очень опасна.
В сети с заземленной нейтралью при таком повреждении будет практически безопасная ситуация. В этом случае (Уф разделится пропорционально сопротивлениям замыкания фазы на землю Лзм и заземления нейтрали /?0 (рис. 10.5, б), благодаря чему (Укорп уменьшится и будет равно падению напряжения на сопротивлении заземления нейтрали:
где /зм — ток замыкания на землю, А.
Рис. 10.5. Замыкания фазы на землю в трехфазной четырехпроводной сети с изолированной (я) и заземленной (б) нейтралью обмоток источника тока:
113Г1 — нулевой защитный проводник (PEN)
Как правило, сопротивление /?зм, которое оказывает грунт току при случайном замыкании фазы на землю, во много раз больше сопротивления специально выполненного заземления нейтрали /?0. Поэтому корп оказывается незначительным. Например, при 0 = 4Ом иЛзм= 100 Ом:
Следует отметить, что экспериментально установлено, что сопротивление растеканию /?зм неизолированных проводов при контакте с землей на длине 30—50 м составляет сотни и даже тысячи ом.
Иногда, например, если провод по всей указанной длине погружен в грязь, сопротивление составляет 15—20 Ом.
В редких случаях, например, когда провод падает в реку или иной водный бассейн, а также касается металлической конструкции с малым сопротивлением растеканию (водопровод и т.п.), /?зм снижается до 2—5 Ом.
Таким образом, заземление нейтрали обмоток источника тока, питающего сеть до 1000 В, предназначено для снижения напряжения запуленных корпусов, а следовательно, и нулевого защитного проводника относительно земли до безопасного значения при замыкании фазы на землю.
Отсюда следует, что электрическая сеть до 1000 В с нулевым защитным проводником, изолированная от земли, т.е. с изолированной нейтралью обмоток источника тока и без повторных заземлений нулевого защитного проводника, таит опасность поражения током и поэтому применяться не должна.
Этот вывод справедлив для сетей переменного тока (трехфазных четырехпроводных с изолированной нейтралью; однофазных трехпроводных изолированных от земли) и для трехпроводных сетей постоянного тока с изолированной средней точкой.
Таким образом, повторные заземления нулевого защитного проводника, так же как заземление нейтрали, обеспечивают снижение (/КОрП— Иначе говоря, при вычислении значения (Укорп надо учитывать и повторные заземления нулевого защитного проводника.
Определение и принцип действия защитного зануления
Любое электрооборудование, которое находится в работе (под напряжением) может иметь проводящие металлические части. А уверены ли Вы в том, что по этим частям не пройдет электрический ток, в случае, если изоляция повредится и произойдет короткое замыкание на корпус двигателя. Но бояться не надо, ведь для безопасности в таких случаях и изобрели защитное зануление (ЗЗ).
Защитное зануление – это преднамеренное соединение проводящих частей электроустановки, не находящихся под напряжением в нормальном режиме, с глухозаземленной нейтралью трансформатора или с заземленной точкой источника питания в случае с сетями постоянного тока.
Зануление в разных системах заземления
Рассмотрим зануление в системе TN, систем TT и IT коснемся в другом материале.
Система TN, где T означает, что нейтраль источника питания заземлена, а N – что открытые проводящие части присоединены к нейтрали источника через нулевые проводники.
Существует два нулевых проводника – это PE и N. PE – нулевой защитный проводник (желто-зеленый провод), N – нулевой рабочий проводник (черный провод).
PE – это и есть шина, провод зануления.
У системы TN есть три подсистемы – ТN-С, TN-S, TN-S-C.
Где C означает, что PE+N=PEN, то есть функции нулевого защитного и нулевого рабочего совмещены в одном проводе под названием PEN.
S означает, что PE // N, то есть нулевой защитный и нулевой рабочий на протяжении линии идут по разным проводам. Это самая дорогая и надежная система. Применяется в Великобритании.
S-C – на протяжении линии в одной части функции нулевого защитного и нулевого рабочего совмещены в одном проводе PEN, в другой части они разделены.
Зануление применяется в электрических сетях с глухозаземленной нейтралью постоянного и переменного тока напряжением до 1000В.
Принцип действия защитного зануления
Рассмотрим схематически принцип действия зануления на примере четырехпроводной сети с подключенной однофазной нагрузкой.
Ситуация следующая, фаза, в нашем случае L1 замкнулась в случае пробоя изоляции на корпус. Ток пошел по корпусу через провод зануления. Образовался контур, состоящий из фазы источника питания (трансформатора), цепи фазного и нулевого проводов. Этот контур еще называют петля «фаза-ноль».
Сопротивление петли «фаза-ноль» достаточно мало, вследствие чего, ток возрастает до аварийной величины, что в свою очередь вызывает срабатывание устройства защиты (автоматического выключателя). После срабатывания автомата, поврежденная линия отключается. Время срабатывания защиты для отключения линии при КЗ на корпус в сетях до 1кВ составляет:
| Номинальное фазное напряжение, В | Время отключения, с |
|---|---|
| 120 | 0,8 |
| 230 | 0,4 |
| 400 | 0,2 |
| Более 400 | 0,1 |
Расчет зануления — методика и формулы для расчета защитного зануления электрооборудования
Расчет зануления имеет целью определить условия, при которых оно надежно выполняет возложенные на него задачи — быстро отключает поврежденную установку от сети и в то же время обеспечивает безопасность прикосновения человека к зануленному корпусу в аварийный период. В соответствии с этим защитное зануление рассчитывают на отключающую способность, а также на безопасность прикосновения к корпусу при замыкании фазы на землю (расчет заземления нейтрали) и на корпус (расчет повторного заземления нулевого защитного проводника).
а) Расчет на отключающую способность
При замыкании фазы на зануленный корпус электроустановка автоматически отключится, если значение тока однофазного короткого замыкания (т. е. между фазным и нулевым защитным проводниками) Ik , А, удовлетворяет условию
где k — коэффициент кратности номинального тока I н А, плавкой вставки предохранителя или уставки тока срабатывания автоматического выключателя, А. (Номинальным током плавкой вставки называется ток, значение которого указано (выбито) непосредственно на вставке заводом-изготовителем При этом токе плавкая вставка может работать сколь угодно долго, не перегорая и не нагреваясь выше установленной заводом-изготовителем температуры)
Значение коэффициента k принимается в зависимости от типа защиты электроустановки. Если защита осуществляется автоматическим выключателем, имеющим только электромагнитный расцепитель (отсечку), т. е. срабатывающим без выдержки времени, то k принимается в пределах 1,25—1,4.
Если установка защищается плавкими предохранителями, время перегорания которых зависит, как известно, от тока (уменьшается с ростом тока), то в целях ускорения отключения принимают
Если установка защищается автоматическим выключателем с обратно зависимой от тока характеристикой, подобной характеристике предохранителей, то также
Значение Ik зависит от фазного напряжения сети U ф и сопротивлений цепи, в том числе от полных сопротивлений трансформатора z т, фазного проводника z ф, нулевого защитного проводника z нз, внешнего индуктивного сопротивления петли (контура) фазный проводник — нулевой защитный проводник (петли фаза — нуль) X п, а также от активных сопротивлений заземлений нейтрали обмоток источника тока (трансформатора) ro и повторного заземления нулевого защитного проводника r п (рис. 1, а).
Поскольку ro и r п, как правило, велики по сравнению с другими сопротивлениями цепи, можно не принимать во внимание параллельную ветвь, образованную ими. Тогда расчетная схема упростится (рис. 1,б), а выражение для тока КЗ Ik , А, в комплексной форме будет
где U ф — фазное напряжение сети, В;
z т— комплекс полного сопротивления обмоток трехфазного источника тока (трансформатора), Ом;
z ф— комплекс полного сопротивления фазного провода, Ом;
z нз— комплекс полного сопротивления нулевого защитного проводника, Ом;
R ф и R нз активные сопротивления фазного и нулевого защитного проводников, Ом;
Хф и Хнз — внутренние индуктивные сопротивления фазного и нулевого защитного проводников, Ом;
— комплекс полного сопротивления петли фаза — нуль, Ом.
Рис. 1. Расчетная схема зануления в сети переменного тока на отключающую способность: а — полная, б, в — упрощенные
При расчете зануления допустимо применять приближенную формулу для вычисления действительного значения (модуля) тока короткого замыкания А, в которой модули сопротивлений трансформатора и петли фаза — нуль z т и z п Ом, складываются арифметически:
Некоторая неточность (около 5%) этой формулы ужесточает требования безопасности и поэтому считается допустимой.
Полное сопротивление петли фаза — нуль в действительной форме (модуль) равно, Ом,
Расчетная формула имеет следующий вид:
Здесь неизвестными являются лишь сопротивления нулевого защитного проводника и , которые могут быть определены соответствующими вычислениями по этой же формуле. Однако, эти вычисления обычно не производятся, поскольку сечение нулевого защитного проводника и его материал принимаются заранее из условия, чтобы полная проводимость нулевого защитного проводника была не менее 50% полной проводимости фазного провода , т. е.
Это условие установлено ПУЭ в предположении, что при такой проводимости I к будет иметь требуемое значение
В качестве нулевых защитных проводников ПУЭ рекомендуют применять неизолированные или изолированные проводники, а также различные металлические конструкции зданий, подкрановые пути, стальные трубы электропроводок, трубопроводы и т. п. Рекомендуется использовать нулевые рабочие провода одновременно и как нулевые защитные. При этом нулевые рабочие провода должны обладать достаточной проводимостью (не менее 50% проводимости фазного провода) и не должны иметь предохранителей и выключателей.
Таким образом, расчет зануления на отключающую способность является поверочным расчетом правильности выбора проводимости нулевого защитного проводника, а точнее, достаточности проводимости петли фаза — нуль.
Значение z т , Ом, зависит от мощности трансформатора, напряжения и схемы соединения его обмоток, а также от конструктивного исполнения трансформатора. При расчетах зануления значение z т берется из таблиц (например, табл. 1).
Значения R ф и R нз, Ом, для проводников из цветных металлов (медь, алюминий) определяют по известным данным: сечению s , мм2, длине l , м, и материалу проводников ρ . При этом искомое сопротивление
где ρ — удельное сопротивление проводника, равное для меди 0,018, а для алюминия 0,028 Оммм2/м.
Таблица 1. Приближенные значения расчетных полных сопротивлений z т, Ом, обмоток масляных трехфазных трансформаторов
| Мощность трансформатора, кВ А | Номинальное напряжение обмоток высшего напряжения, кВ | z т, Ом, при схеме соединения обмоток | |
| Y/Yн | Д/Ун У/ZН | ||
| 25 | 6-10 | 3,110 | 0,906 |
| 40 | 6-10 | 1,949 | 0,562 |
| 63 | 6-10 | 1,237 | 0,360 |
| 20-35 | 1,136 | 0,407 | |
| 100 | 6-10 | 0,799 | 0,226 |
| 20-35 | 0,764 | 0,327 | |
| 160 | 6-10 | 0,487 | 0,141 |
| 20-35 | 0,478 | 0,203 | |
| 250 | 6-10 | 0,312 | 0,090 |
| 20-35 | 0,305 | 0,130 | |
| 400 | 6-10 | 0,195 | 0,056 |
| 20-35 | 0,191 | — | |
| 630 | 6-10 | 0,129 | 0,042 |
| 20-35 | 0,121 | — | |
| 1000 | 6-10 | 0,081 | 0.027 |
| 20-35 | 0,077 | 0,032 | |
| 1600 | 6-10 | 0,054 | 0,017 |
| 20-35 | 0,051 | 0,020 | |
Примечание. Данные таблицы относятся к трансформаторам с обмотками низшего напряжения 400/230 В. При низшем напряжении 230/127 В значения сопротивлений, приведенные в таблице, необходимо уменьшить в 3 раза.
Если нулевой защитный проводник стальной, то его активное сопротивление определяется с помощью таблиц, например табл. 2, в которой приведены значения сопротивлений 1 км (rω, Ом/км) различных стальных проводников при разной плотности тока частотой 50 Гц.
Для этого необходимо задаться профилем и сечением проводника, а также знать его длину и ожидаемое значение тока КЗ Ik , который будет проходить по этому проводнику в аварийный период. Сечением проводника задаются из расчета, чтобы плотность тока КЗ в нем была в пределах примерно 0,5-2,0 А/мм2.
Таблица 2. Активные rω и внутренние индуктивные хω сопротивления стальных проводников при переменном токе (50 Гц), Ом/км
| Размеры или диаметр сечения, мм | Сечение, мм2 | rω | хω | rω | хω | rω | хω | rω | хω |
| при ожидаемой плотности тока в проводнике, А/мм2 | |||||||||
| 0,5 | 1,0 | 1,5 | 2,0 | ||||||
| Полоса прямoугольного сечения | |||||||||
| 20 х 4 | 80 | 5,24 | 3,14 | 4,20 | 2,52 | 3,48 | 2,09 | 2,97 | 1,78 |
| 30 х 4 | 120 | 3,66 | 2,20 | 2,91 | 1,75 | 2,38 | 1,43 | 2,04 | 1,22 |
| 30 х 5 | 150 | 3,38 | 2,03 | 2,56 | 1,54 | 2,08 | 1,25 | — | — |
| 40 х 4 | 160 | 2,80 | 1,68 | 2,24 | 1,34 | 1,81 | 1,09 | 1,54 | 0,92 |
| 50 х 4 | 200 | 2,28 | 1,37 | 1,79 | 1,07 | 1,45 | 0,87 | 1,24 | 0,74 |
| 50 х 5 | 250 | 2,10 | 1,26 | 1,60 | 0,96 | 1,28 | 0,77 | — | — |
| 60 х 5 | 300 | 1,77 | 1,06 | 1,34 | 0,8 | 1,08 | 0,65 | — | — |
| Проводник круглого сечения | |||||||||
| 5 | 19,63 | 17,0 | 10,2 | 14,4 | 8,65 | 12,4 | 7,45 | 10,7 | 6,4 |
| 6 | 28,27 | 13,7 | 8,20 | 11,2 | 6,70 | 9,4 | 5,65 | 8,0 | 4,8 |
| 8 | 50,27 | 9,60 | 5,75 | 7,5 | 4,50 | 6,4 | 3,84 | 5,3 | 3,2 |
| 10 | 78,54 | 7,20 | 4,32 | 5,4 | 3,24 | 4,2 | 2,52 | — | — |
| 12 | 113,1 | 5,60 | 3,36 | 4,0 | 2,40 | — | — | — | — |
| 14 | 150,9 | 4,55 | 2,73 | 3,2 | 1,92 | — | — | — | — |
| 16 | 201,1 | 3,72 | 2,23 | 2,7 | 1,60 | — | — | — | — |
Значения Хф и Хнз для медных и алюминиевых проводников сравнительно малы (около 0,0156 Ом/км), поэтому ими можно пренебречь. Для стальных проводников внутренние индуктивные сопротивления оказываются достаточно большими, и их определяют с помощью таблиц, например табл. 2. В этом случае также необходимо знать профиль и сечение проводника, его длину и ожидаемое значение тока .
Значение Хп, Ом, может быть определено по известной из теоретических основ электротехники формуле для индуктивного сопротивления двухпроводной линии с проводами круглого сечения одинакового диаметра d, м,
где ω — угловая скорость, рад/с; L — индуктивность линии, Гн; μr — относительная магнитная проницаемость среды; μo = 4π х 10 -7 — магнитная постоянная, Гн/м; l — длина линии, м; D — расстояние между проводами линии, м.
Для линии длиной 1 км, проложенной в воздушной среде ( μr = 1 ) при частоте тока f = 50 Гц ( ω =314 рад/с ), формула принимает вид, Ом/км,
Из этого уравнения видно, что внешнее индуктивное сопротивление зависит от расстояния между проводами D и их диаметра d . Однако поскольку d изменяется в незначительных пределах, влияние его также незначительно и, следовательно Хп, зависит в основном от D (с увеличением расстояния растет сопротивление). Поэтому в целях уменьшения внешнего индуктивного сопротивления петли фаза — нуль нулевые защитные проводники необходимо прокладывать совместно с фазными проводниками или в непосредственной близости от них.
При малых значениях D , соизмеримых с диаметром проводов d , т. е. когда фазный и нулевой проводники расположены в непосредственной близости один от другого, сопротивление Хп незначительно (не более 0,1 Ом/км) и им можно пренебречь.
В практических расчетах обычно принимают Хп = 0,6 Ом/км, что соответствует расстоянию между проводами 70 — 100 см (примерно такие расстояния бывают на воздушных линиях электропередачи от нулевого провода до наиболее удаленного фазного).
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: