Сопротивление цепи фаза – ноль
В статье рассмотрены метод расчета сопротивления цепи фаза - ноль в электроустановках напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью и правила вычисления тока короткого замыкания в линии, что позволяет проверить согласование параметров цепи с характеристиками аппаратов защиты при проектировании электроустановки. Приведенные в статье данные предназначены в первую очередь для расчетов распределительных и групповых сетей.
Для выполнения расчетов токов короткого замыкания в трансформаторных подстанциях необходимо дополнительно учитывать тип, мощность, схему подключения, и напряжение на входе трансформатора. Поэтому использование данной работы для расчета трансформаторных подстанций позволит лишь приблизительно оценить их параметры.
В общем случае сопротивление цепи фаза ноль RL-N равно:
где Zт/3 – сопротивление трансформатора, Ом; RΣпер – суммарное переходное сопротивление контактов, Ом; RΣавт –суммарное сопротивление всех автоматических выключателей, Ом; Rn– удельное сопротивление n-го участка цепи Ом/км (по таблице 1); Ln – длина n-го участка цепи, км; Rдуги – сопротивление дуги в месте короткого замыкания, Ом.
Сопротивления кабелей и отдельно фазных и нулевых жил различных сечений при температуре +65 градусов приведены в таблице 1. Данная температура жил соответствует работе кабеля при номинальной нагрузке. В таблице 1 не учтены индуктивные составляющие сопротивлений, которые в кабелях пренебрежимо малы. При этом следует иметь ввиду, что при использовании проводов индуктивное сопротивление сети может иметь соизмеримую величину с активным сопротивлением жил, особенно при увеличении расстояния между проводами.
В таблице 2 приведены сопротивления трансформатора 10 (6) кВ при вторичном напряжении 400/230 В для случая соединения обмоток по схеме «треугольник-звезда». При соединении обмоток трансформатора по схеме «звезда-зигзак» оценить сопротивление трансформатора также можно по этой таблице. При соединении обмоток по схеме «звезда-звезда» сопротивление трансформатора в 3 – 3,5 раза больше, поэтому это соединение используется реже.
В таблице 3 приведены ориентировочные величины сопротивлений автоматических выключателей (по данным каталога по модульным выключателям АВВ).
Переходные сопротивления контактов, как правило, вносят несущественную часть в общее сопротивление цепи фаза – ноль. Но при большом количестве контактов их сопротивление необходимо учитывать. Переходное сопротивление болтовых соединений, как правило, мало и не превышает величины сопротивления 1 метра подключаемого кабеля (при подключении кабелей больших сечений переходное сопротивление контактов соответственно меньше, чем у кабелей меньшего сечения). Переходное сопротивление различных контактных колодок и сжимов, используемых в групповых сетях, для расчетов можно принять равным 0,01 Ом.
Активное сопротивление дуги в месте короткого замыкания в значительной степени зависит от мощности и схемы подключения трансформатора, длины и сечения кабелей, а также в большой степени от длины дуги.
Ориентировочные значения сопротивления дуги в зависимости от величины сопротивления цепи фаза – ноль цепи приведены в таблице 4. С большим количеством графиков зависимостей сопротивления дуги от мощности трансформатора, длины и сечения кабелей, можно ознакомиться в ГОСТ 28249-93.
Таблица 1
Сечение фазных жил мм2 |
Сечение нулевой жилы мм2 |
Полное сопротивление цепи фаза – ноль, Ом/км при температуре жил кабеля +65 градусов |
|||||
Материал жилы: |
|||||||
|
|
Алюминий |
Медь |
||||
|
|
R фазы |
R нуля |
Z цепи (кабеля) |
R фазы |
R нуля |
Z цепи (кабеля) |
1,5 |
1,5 |
- |
- |
- |
14,55 |
14,55 |
29,1 |
2,5 |
2,5 |
14,75 |
14,75 |
29,5 |
8,73 |
8,73 |
17,46 |
4 |
4 |
9,2 |
9,2 |
18,4 |
5,47 |
5,47 |
10,94 |
6 |
6 |
6,15 |
6,15 |
12,3 |
3,64 |
3,64 |
7,28 |
10 |
10 |
3,68 |
3,68 |
7,36 |
2,17 |
2,17 |
4,34 |
16 |
16 |
2,3 |
2,3 |
4,6 |
1,37 |
1,37 |
2,74 |
25 |
25 |
1,47 |
1,47 |
2,94 |
0,873 |
0,873 |
1,746 |
35 |
35 |
1,05 |
1,05 |
2,1 |
0,625 |
0,625 |
1,25 |
50 |
25 |
0,74 |
1,47 |
2,21 |
0,436 |
0,873 |
1,309 |
50 |
50 |
0,74 |
0,74 |
1,48 |
0,436 |
0,436 |
0,872 |
70 |
35 |
0,527 |
1,05 |
1,577 |
0,313 |
0,625 |
0,938 |
70 |
70 |
0,527 |
0,527 |
1,054 |
0,313 |
0,313 |
0,626 |
95 |
50 |
0,388 |
0,74 |
1,128 |
0,23 |
0,436 |
0,666 |
95 |
95 |
0,388 |
0,388 |
0,776 |
0,23 |
0,23 |
0,46 |
120 |
35 |
0,308 |
1,05 |
1,358 |
0,181 |
0,625 |
0,806 |
120 |
70 |
0,308 |
0,527 |
0,527 |
0,181 |
0,313 |
0,494 |
120 |
120 |
0,308 |
0,308 |
0,616 |
0,181 |
0,181 |
0,362 |
150 |
50 |
0,246 |
0,74 |
0,986 |
0,146 |
0,436 |
0,582 |
150 |
150 |
0,246 |
0,246 |
0,492 |
0,146 |
0,146 |
0,292 |
185 |
50 |
0,20 |
0,74 |
0,94 |
0,122 |
0,436 |
0,558 |
185 |
185 |
0.20 |
0,20 |
0,40 |
0,122 |
0,122 |
0,244 |
240 |
240 |
0,153 |
0,153 |
0,306 |
0,090 |
0,090 |
0,18 |
Таблица 2
Мощность трансформатора, кВ∙А |
25 |
40 |
69 |
100 |
160 |
250 |
400 |
630 |
1000 |
Сопротивление трансформатора, Zт/3, Ом (Δ/Υ) |
0,30 |
0,19 |
0,12 |
0,075 |
0,047 |
0,03 |
0,019 |
0,014 |
0,009 |
Таблица 3
I ном. авт. выкл, А |
1 |
2 |
6 |
10 |
13 |
16 |
20 |
25 |
32-40 |
50 и более |
R авт., Ом |
1,44 |
0,46 |
0,061 |
0,014 |
0,013 |
0,01 |
0,007 |
0,0056 |
0,004 |
0,001 |
Таблица 4
R цепи, Ом |
0,05 |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,8 |
1,0 |
1,5 |
2 и более |
Rдуги, Ом |
0,015 |
0,022 |
0,032 |
0,04 |
0,045 |
0,053 |
0,058 |
0,075 |
0,09 |
0,12 |
0,15 |
При проектировании групповой сети, если питающая и распределительная сеть уже проложены, целесообразно выполнить измерение сопротивления цепи фаза – ноль от трансформатора до шин группового щита. Это может значительно уменьшить вероятность ошибок при расчетах групповой сети. В этом случае сопротивление рассчитываем по формуле:
RL-N= Rрасп + Rпер.гр + Rавт.гр+ Rnгр∙Lnгр +Rдуги (2)
где, Rрасп – измеренное сопротивление цепи фаза – ноль линии, подключаемой к вводному автоматическому выключателю группового щитка, Ом; Rпер.гр – сопротивление переходных контактов в групповой линии, Ом; Rавт.гр – суммарное сопротивление автоматических выключателей – вводного группового щита и отходящей групповой линии, Ом; Rnгр – удельное сопротивление кабеля n-й групповой линии (по таблице 1), Ом/км; Lnгр – длина n-й групповой линии, км.
Рассмотрим процесс вычисления сопротивления цепи фаза – ноль схемы, показанной на Рис.1 при однофазном коротком замыкании фазы на ноль в конце групповой линии.
Исходные данные:
- трансформатор мощностью 630 кВ∙А подключен по схеме «треугольник – звезда» - по таблице 2 находим Zт/3=0,014 Ом;
- питающая сеть – кабель с алюминиевыми жилами длиной 80 метров имеет фазный проводник 150 мм2 и нулевой – 50 мм2. По таблице 1 находим удельное сопротивление кабеля 0,986 Ом/км. Вычисляем его сопротивление (длины кабелей выражаем в километрах): 0,986 Ом/км∙0,08 км=0,079 Ом;
- распределительная сеть – кабель с медными жилами длиной 50 метров и сечением жил 35 мм2. По таблице 1 находим удельное сопротивление кабеля 1,25 Ом/км. Вычисляем его сопротивление:
1,25 Ом/км∙0,05 км=0,0625 Ом;
- групповая сеть – кабель с медными жилами длиной 35 метров и сечением жил 2,5 мм2. По таблице 1 находим удельное сопротивление кабеля 17,46 Ом/км. Вычисляем его сопротивление:
17,46 Ом/км∙0,035 км=0,61 Ом;
- автоматический выключатель отходящий линии – 16 Ампер (с характеристикой срабатывания «С»), вводной автоматический выключатель группового щитка 32 Ампера, остальные автоматические выключатели в линии имеют номинальный ток более 50 Ампер. Вычисляем их сопротивление (по таблице 3) 0,01 Ом+0,004 Ом+3∙0,001 Ом=0,017 Ом;
- переходные сопротивления контактов учтем только в групповой линии (точки подключения кабеля групповой линии к щитку и к нагрузке). Получаем 2∙0,01 Ом=0,02 Ом.
Суммируем все полученные значения и получаем сопротивление цепи фаза – ноль без учета сопротивления дуги RL-N=0,014+0,079+0,0625+0,61+0,017+0,02=0,80 Ом.
Из таблицы 4 берем сопротивление дуги 0,075 Ом, и получаем окончательное значение искомой величины RL-N=0,80 Ом+0,075 Ом=0,875 Ом.
В Правилах устройства электроустановок (ПУЭ) задано наибольшее время отключения цепей при коротком замыкании в сетях с глухозаземленной нейтралью 0,2 секунды при напряжении 380 В и 0,4 секунды при напряжении 220В.
Для обеспечения заданного времени срабатывания защиты необходимо, что бы при коротком замыкании в защищаемой линии возникал ток, превышающий не менее чем в 3 раза номинальный ток плавкой вставки ближайшего предохранителя (для взрывоопасных помещений не менее чем в 4 раза) и не менее чем в 3 раза ток расцепителя автоматического выключателя, имеющего обратнозависимую от тока характеристику (для взрывоопасных помещений не менее чем в 6 раз). Для автоматических выключателей с комбинированным расцепителем (имеющим тепловой расцепитель для защиты от перегрузок и электромагнитный расцепитель для защиты от токов коротких замыканий) ток короткого замыкания должен превысить ток срабатывания электромагнитного расцепителя не менее, чем в 1,2 – 1,25 раза.
В настоящее время используются автоматические выключатели с различной кратностью токов срабатывания электромагнитного расцепителя к тепловому. Автоматические выключатели группы «В» имеют кратность в пределах от 3 до 5, группы «С» от 5 до 10, группы «D» от 10 до 20, группы «K» от 10 до 15 и группы «Z» от 2 до 3. При расчетах всегда берется максимальное значение кратности токов срабатывания расцепителей. Например для автоматического выключателя С16, ток короткого замыкания должен быть не менее 16 А∙10∙1,2=192 А (для автоматического выключателя С10 не менее10А∙10∙1,2=120 А и для С25 не менее 25 А∙10∙1,2=300 А). В приведенном выше примере мы получили сопротивление цепи фаза – ноль 0,875 Ом. При таком сопротивлении цепи ток короткого замыкания Iкз составит величину
Uф/ RL-N=220В/0,875 Ом=251 А. Следовательно групповая линия в приведенном примере защищена от токов коротких замыканий.
Максимальное сопротивление цепи фаза – ноль для автоматического выключателя С16 составит величину 220 В/192А=1,14 Ом. В приведенном примере сети (Рис. 1) сопротивление цепи от трансформатора до шин группового щита составит 0, 875 Ом - 0,61 Ом=0.265 Ом. Следовательно максимально возможное сопротивление кабеля групповой линии будет равно 1,14 Ом – 0, 265 Ом=0,875 Ом. Его максимальную длину L при сечении жил кабелей 2,5 мм2 определим при помощи таблицы 1.
L, км=0,875 Ом/(17,46 Ом/км)=0,050 км.
Всегда, когда есть возможность, следует рассчитывать групповую сеть с максимальным запасом по сопротивлению цепи фаза – ноль, особенно розеточную сеть. Часто нагрузки (утюг, чайник и другие бытовые приборы), в которых часто происходят замыкания, подключают к розетке через удлинитель. Начиная с определенной длины провода удлинителя, нарушается согласование параметров цепи с характеристиками аппаратов защиты, то есть ток короткого замыкания оказывается недостаточным для мгновенного отключения сети. Отключение аварийного участка осуществится только тепловым расцепителем через сравнительно большой промежуток времени (несколько секунд), в результате чего кабели могут нагреться до недопустимо высоких температур вплоть до воспламенения изоляции.
Проект электропроводки должен быть выполнен таким образом, что бы даже в случае воспламенения изоляции кабеля при коротком замыкании это не приводило к пожару. Именно поэтому возникли требования к прокладке скрытой электропроводки в стальных трубах в зданиях со строительными конструкциями, выполненными из горючих материалов. Во взрывоопасных зданиях целесообразно использовать более сложную защиту кабелей от воздействия токов короткого замыкания.
9 марта 2013 г.