Расчет защитного заземления

Рассчитать заземляющее устройство для заземления электродвигателя, питающегося от трехфазной сети с изолированной нейтралью напряжением 380 В, место использования устройства – помещение с нормальными условиями, по опасности поражения электрическим током – помещение с повышенной опасностью.

Расчеты защитного заземления выполнить в соответствии с вариантом, указанным в таблице 5.1.

Пример – Рассчитать заземляющее устройство [5, рисунок 3.2.б] для заземления электродвигателя напряжением 380 В трехфазной сети с изолированной нейтралью, место использования устройства – в помещении с нормальными условиями, класс помещения по опасности поражения электрическим током – с повышенной опасностью. Исходные данные: грунт – суглинок; вид заземлителя – труба; мощность трансформатора – 175 кВА; l = 3 м; d = 0,05 м; b = 0,0016 м; h = 0,6 м; h₀ = 0,4 м; установка эксплуатируется в мае-сентябре.

Решение.

Определяем сопротивление одиночного вертикального заземлителя R_з, Ом по формуле для схемы 3.2.б [5, п. 3.1.3]:

,

где ρ = 100 Ом×м [5, таблица 3.1]);

t = h₀ + l/ 2 = 0,4 + 1,5 = 1,9 м.

 

Ом.

 

Определяем количество вертикальных стержней:

 

,

 

где η_с – коэффициент сезонности, η_с = 2,2, т.к. грунт имеет наибольшее сопротивление во время эксплуатации в июле месяце [5, таблица 3.2]);

R_доп – допустимое сопротивление при установленной мощности 175 кВ·А, R_доп = 4 Ом [5, п.3.1.3].

 

.

Принимаем 16 стержней.

Определяем длину соединительной полосы по формуле

 

,

 

где а – расстояние между стержнями, принимаем = 2 м [5, п. 3.1.3],

 

м.

 

Определяем сопротивление соединительной полосы:

 

_с= Ом

 

Вычисляем расчетное сопротивление заземляющего устройства, с учетом коэффициентов влияния электродов и использования полосы.

 

,

 

где η_n– коэффициент использования полосы, η_n = 0,5[5, таблица 3.3];

η₃ – коэффициент взаимного влияния, η₃= 0,52[5, таблица 3.4].

 

Ом.

 

Так как результирующее сопротивление заземляющего устройства значительно меньше допустимого (4 > 2,96), уменьшим количество вертикальных заземлителей и вновь определим полностью R. Принимаем число вертикальных стержней 13 шт.

Определяем длину полосы:

 

м.

 

Определяем сопротивление соединительной полосы:

 

Ом.

 

Вычисляем результирующее сопротивление заземляющего устройства:

 

Ом.

 

Заземление удовлетворяет условию 4 > 3,62.

 

Таблица 5.1 – Исходные данные для расчета защитного заземления

 

Вариант
Схема
Вид вертикального заземлителя	Тру-ба	Уго-лок 40х40	Тру-ба	Тру-ба	Уго-лок 45х45	Тру-ба	Тру-ба	Тру-ба	Уго-лок 50х50	Уго- лок 55х55	Уго-лок 60х60	Тру-ба	Уго-лок 45х45	Труба	Труба	Уго-лок 40х40
Грунт	Пе-сок	Су-песь	Су-гли-нок	Гли-на	Садо-вая земля	Чер-нозем	Торф	Каменис-тый	Скалистый	Песок	Глина 4	Су-песь	Торф	Глина	Пе-сок	Су-гли-нок
Мощность трансформатора Р, кВА																100
l, м	2,5	2,5	2,7	2,8	2,5	3,0	3,0	2,6	2,6	2,7	2,8	3,0	2,8	2,6	2,5	3,0
d, м	0,05		0,06	0,056		0,05	0,06	0,04				0,05		0,06
b, мм
h, м	0,4	0,6	0,7	0,5	0,4	0,3	0,6	0,5	0,8	1,00	1,00	0,6	0,5	0,9	0,4	0,8
h0, м		0,2	0,3				0,4		0,5	0,8	0,7			0,5		0,6
Период эксплуа-тации	В теч. года	Ап-рель	Май	Июнь	Июль	Ав-густ	Сен-тябрь	В теч. года	В теч. года	Май	Июнь	Август	В теч. года	Июль	Август	В течение года
Расстояние между электродами, а, м		2,2	2,4	2,6	2,8	3,0		2,1	2,3	2,5	2,7	2,9	3,0	2,0	2,5	2,6

 

Расчет системы зануления

 

Расчет системы защитного зануления изложен в [5, п. 3.2]. Выполнить расчет в соответствии с вариантом (таблица 5.2) для линии напряжением 380/220 В, которая питается от трансформатора Тр. Линия состоит из двух участков (рисунок 5.1). Первый участок длиной l ₁– от трансформатора до распределительного устройства, второй участок длиной l ₂ – от распределительного устройства до электродвигателя. Оба участка линии с алюминиевыми кабельными проводами. Для первого участка в качестве нулевого проводника использована четвертая жила кабеля, для второго – прямоугольная полоса.

 

Рисунок 5.1 – Расчетная схема зануления

 

Двигатель защищен предохранителем I_ном (плавкая вставка). Коэффициент кратности тока k=3 [5, п.3.2.2.1].

Расчет зануления сводится к расчету на отключающую способность

 

,

 

где I_к.з. – ток короткого замыкания, А.

Ток короткого замыкания определим по формуле

 

,

 

где – фазное напряжение, В;

Z_Т – сопротивление трансформатора, Ом [5, таблица 3.5];

Z_n – сопротивление петли фаза-нуль: рассчитывается

 

.

Пример – Рассчитать систему защитного зануления (см. рисунок 5.1) при следующих исходных данных: l ₁ = 150 м; l ₂ = 50 м; сечение алюминиевых проводов S ₁ = 50 мм², S ₂ = 25 мм², мощность трансформатора Р _т = 400 кВА; схема соединения обмоток трансформатора ∆/ ; сечение нулевого защитного проводника 40х4 (прямоугольная полоса). Электродвигатель расположен в помещении с нормальными условиями, класс помещения по поражению электрическим током – с повышенной опасностью.

Решение.

Общее сопротивление линии состоит из сопротивлений двух участков (первого и второго).

Активное сопротивление фазных проводников R _ф1 , R _ф2 определяем по следующей формуле:

 

,

 

где r –удельное сопротивление проводника из алюминия, = 0,028 Ом×мм² / м;

l – длина участка, м;

S – сечение проводника, мм².

Сечение проводников выбирается по длительно допустимому току в зависимости от материала и условий работы. По условию задачи: l ₁ = 150 м; l ₂ = 50 м; сечение алюминиевых проводов S ₁ = 50 мм², S ₂ = 25 мм². Тогда

 

Ом;

 

Ом.

 

R_н.з. – активное сопротивление нулевого защитного проводника. Если нулевой защитный проводник из стали, то его активное сопротивление R_н.з. и внутреннее индуктивное сопротивление Х_н.з зависят от плотности тока и определяются с помощью [5, таблица 3.6].

Определяем величину наименьшего допустимого тока из условия срабатывания защиты (ожидаемое значение тока короткого замыкания):

 

А.

 

Определяем плотность тока в стальной полосе сечением 40×4 S = 160 мм². Следовательно,

 

А/мм²,

тогда R_{н.з 2.} = r_ω · = 1,70 · 0,05 = 0,085 Ом,

где r _ω – активное сопротивление нулевого защитного проводника,

r _ω = 1,70 Ом/км.

 

Внутренние индуктивные сопротивления фазных проводников X_ф из алюминия очень малы, и ими можно пренебречь.

Внутреннее индуктивное сопротивление нулевого защитного проводника X_н.з.2 определяем как

 

X_н.з.2 = X_ω· l ₂ = 0,962 · 0,05 = 0,048 Ом,

 

где X_ω– внутреннее индуктивное сопротивление полосы 40х4 при плотности тока 1,875 А/мм², X_ω = 0,962 Ом/км [5, таблица 3.6].

Внешнее индуктивное сопротивление петли фаза-нуль X_ń очень мало (для кабеля – не более 0,1 Ом/км, и им в практических расчетах можно пренебречь [5, п.3.2.2.1]); Z_Т – полное сопротивление трансформатора, Z_Т = 0,06 Ом [5, таблица 3.6].

Определяем сопротивление петли фаза-нуль

– первого участка:

 

 

– второго участка:

 

 

Полное сопротивление петли фаза-нуль

 

Z_n = Z_n1 + Z_n2 = 0,168+0,149 = 0,317 Ом.

Ток короткого замыкания определим по формуле:

 

= 652,8А.

 

Проверяем условие надежного срабатывания защиты:

I_к.з ≥ 3·I_ном;

 

652,8 >300.

Ток короткого замыкания значительно превышает номинальный ток плавкой вставки, поэтому при замыкании на корпус плавкая вставка перегорит и отключит поврежденную фазу. По номинальному току принимаем предохранитель ПН-100 с номинальным током плавкой вставки 100 А (таблица А.1).

 

Таблица 5.2 – Исходные данные для расчета зануления

 

Вариант

Мощность трансформатора, Рт, кВ·А

Схема соединения обмоток Тр

∆/Υ

Jном, А

Длина первого и второго участков l 1/ l 2, м

50/20

60/15

75/10

100/5

125/22

150/25

175/30

200/20

220/18

230/15

250/10

200/5

150/16

100/12

Сечение проводов первого и второго участков S1/S2, мм

35/10

35/10

35/16

70/35

70/50

70/35

35/16

35/10

70/35

70/35

35/16

70/25

70/50

70/35

70/16

70/16

Сечение нулевого защитного проводника

20х4

30х4

30х5

50х5

60х5

50х4

40х4

20х4

50х5

60х5

30х5

50х4

60х5

50х5

50х4

60х5