Частные случаи тока короткого замыкания - руководство по устройству электроустановок

 Частные случаи тока короткого замыкания - руководство по устройству электроустановок

Страница 40 из 77

Если защитное устройство должно защищать только от коротких замыканий, нужно удостовериться, что оно будет действовать при самом низком возможном уровне тока короткого замыкания, возникающего в цепи.
5.1 Расчет минимальных величин тока короткого замыкания
Обычно, в цепях с низким напряжением, одно защитное устройство защищает ото всех уровней токов, от порогового уровня перегрузки до максимального уровня тока короткого замыкания, при котором происходит отключение. В некоторых случаях, однако, используются отдельно защитное устройство от перегрузки и защитное устройство от короткого замыкания.
Примеры таких устройств
Рисунки с G42 по G44 показывают наиболее распространенные устройства, где защита от перегрузки и от коротких замыканий выполняется разными устройствами.

Рис. G4: Цепь защищена плавкими предохранителями aM
Как показано на Рисунках G42 и G43, наиболее часто цепи, в которых используются отдельные устройства, защищают двигатели.
На рисунке G44a представлено еще одно отклонение от основных правил защиты, которое чаще всего используется для магистральных шин и для шин освещения.
Регулируемый привод

Рис. G4: Защита цепи выключателем без реле тепловой защиты

Рис. G44i: Автоматический выключатель D обеспечивает защиту от коротких замыканий, с учетом нагрузки
Рисунок G44b показывает функции, обеспечиваемые регулируемым приводом, и при необходимости, некоторые дополнительные функции, выполняемые такими устройствами, как выключатель цепи, термореле, УЗО.


Необходимая защита

Защита, обеспечиваемая

Дополнительная

регулируемым приводом

Перегрузка кабеля

Не обязательно, если (1)

Перегрузка двигателя

Не обязательно, если (2)

Короткое замыкание ниже по цепи

Перегрузка регулируемого привода

Увеличение напряжения

Снижение напряжения

Потеря фазы

Короткое замыкание выше по цепи

Автоматический выключатель (откл. при коротком замыкании)

Внутреннее короткое замыкание

Автоматический выключатель (отключение при коротком замыкании и перегрузке)

Короткое замыкание на землю ниже

(самозащита)

УЗО u 300 мА

по цепи (косвенное прикосновение (непрямой контакт))

КЗ при прямом контакте

УЗО У 30 мА

Рис. G44: Защита, которая должна быть обеспечена для устройств регулируемого привода

Защитное устройство должно удовлетворять следующим условиям:
уставка мгновенного отключения Im < 1эсшн при защите цепи автоматическим выключателем;
ток плавления Ia < 1всмин при защите цепи плавкими предохранителями.
Условия, которые должны быть учтены
Таким образом, защитное устройство должно удовлетворять следующим двум условиям:
Номинал тока отключения короткого замыкания Its > Isc, тока 3-фазного короткого замыкания в точке его возникновения в цепи установки

Отключение минимально возможного тока короткого замыкания в цепи, за время tc, совместимое с параметрами термической стойкости проводов в цепи, где:

Сравнение кривых отключения или плавки защитных устройств с предельными кривыми термической стойкости для проводов показывает, что это условие соблюдено, если:
Isc (мин.) > Im (ток уставки автоматического выключателя для мгновенного или с незначительной выдержкой отключения цепи), (см. Рис. G45)
G34
Isc (мин.) > la при защите плавкими предохранителями. Значение тока Ia соответствует точке пересечения кривой плавкого предохранителя и кривой термической стойкости кабеля (см. Рис. G46 и G47)

На практике это означает, что длина цепи вниз по сети от защитного устройства не должна превышать вычисленную максимальную длину.

Практический способ вычисления Lmax
Должно быть рассчитано предельное влияние полного сопротивления проводов в длинной цепи на значение токов короткого замыкания, и в соответствии с этим должна быть ограничена длина цепи.
Метод вычисления максимально допустимой длины уже был показан на схемах заземления TN и IT для единичных и двойных замыканий на землю соответственно (см. главу F подпункт 6.2 и 7.2). Два случая рассмотрены ниже:
1 - вычисление Lmax для 3-фазной 3-проводной цепи
Минимальный ток короткого замыкания появляется тогда, когда возникает КЗ между двумя фазовыми проводами в удаленном конце цепи (см. рис. G48).


Рис G4: вычисление длины для 3-фазной 3-проводной цепи
При использовании «традиционного метода» принимается, что напряжение в точке защиты Р составляет 80% номинального напряжения во время короткого замыкания, таким образом 0,8 U = Isc Zd, где:
Zd = полное сопротивление петли тока КЗ Isc = ток КЗ (фаза/фаза) U = междуфазное номинальное напряжение
Для кабелей сечением У120 мм, реактивное сопротивление можно не учитывать, таким образом где:
р = удельное сопротивление меди*1" при средней температуре во время короткого замыкания и
Sph: сечение фазового провода в мм2 L = длина в метрах
Защита кабеля обеспечивается при Im J Isc, где Im - уставка тока срабатывания автоматического выключателя (автомата).
В результате ^
где U = 400 В
р = 1,25 x 0,018 = 0.023 Ом.мм2/м(3) Lmax - максимальная длина цепи в метрах.

2 - Вычисление Lmax для 3-фазной 4-проводной цепи на 230/400 В
Минимальное значение Isc имеет место, когда замыкание происходит между проводами «фаза» и «ноль»
Необходимо вычисление, сходное с приведенным в примере 1, но с использованием следующей формулы (для кабеля У120 мм2 (3)).

■ Где Sn для нейтрального провода = Sph для фазового провода


Для больших сечений, чем те, которые перечислены в таблице, значение реактивного сопротивления должно быть сложено со значением активного сопротивления, чтобы получить полное сопротивление. Реактивное сопротивление кабелей может быть принято равным 0,08 мОм/м (при 50 Гц). При 60 Гц эта величина равна 0,096 мОм/м.

Приведенные в таблице значения Lmax
На Рис. G49 приведены максимальные длины цепей (Lmax) в метрах для:
3-фазных 4-проводных цепей на 400 В (т.е. с нейтральным проводом) и
1-фазных 2-проводных цепей на 230 В, защищаемых автоматическими выключателями общего назначения.
В других случаях следует применять поправочные коэффициенты (приведенные на Рисунке G53) к полученной длине. Вычисления основаны на указанных ниже методах, и ток отключения при коротком замыкании должен быть в пределах ± 20% от регулируемого значения Im. Для сечения 50 мм2 , вычисления основаны на реальном сечении 47,5 мм2



Рис. G49: Максимальная длина цепи в метрах для медных проводов (для алюминиевых длина должна быть умножена на 0,62)
G36



Рис. G5t: Максимальная длина в метрах цепей с медными проводами, защищенных автоматическими выключателями цепи типа B



Рис. G5: Максимальная длина в метрах цепей с медными проводам, защищенных автоматическими выключателями типа C



Рис: Максимальная длина в метрах цепей с медными проводам, защищенных автоматическими выключателями типа D

Рис. G51: Поправочные коэффициенты должны быть применены к длине полученной из Рис. с G49 по G52
Примечание: Стандарт МЭК 60898 дает интервал для верхнего предела отключения при токе КЗ, равный 10-50 In для автоматических выключателей типа D. Европейские стандарты, и Рисунок G52, однако, основаны на интервале 10-20 In, который подходит для большинства бытовых и подобных им установок.

Примеры Пример 1
В 1-фазной 2-проводной установке защита производится автоматическим выключателем на 50 А типа NS80HMA, уставка срабатывания автоматического выключателя равна 500 А (с точностью ± 20%), т.е. в самом худшем случае понадобится 500 x 1,2 = 600 A, чтобы отключить цепь. Сечение кабеля = 10 мм2, провод изготовлен из меди. На Рисунке G49, строка Im = 500 A пересекается со столбцом сечения = 10 мм2 со значением Lmax равным 67 м. Таким образом, автоматический выключатель защищает кабель от коротких замыканий, при условии, что длина кабеля не превышает 67 метров.
Пример 2
В 3-фазной 3-проводной цепи на 400 В (без нейтрального провода), защита производится автоматическим выключателем на 220 A типа NS250N, уставка мгновенного отключения по току КЗ устройства типа MA установлена на 2,000 A (± 20%), т.е. в самом худшем случае отключение произойдет при 2,400 A. Сечение кабеля = 120 мм2, провод изготовлен из меди. На Рисунке G49 строка lm = 2,000 A пересекается со столбцом сечения = 120 мм2 со значением Lmax равным 200 м. Так как это 3-фазная 3-проводная цепь на 400 В (без нейтрального провода), должен быть применен поправочный коэффициент Рисунка G53 . Этот коэффициент должен составлять 1.73. Автоматический выключатель, таким образом, будет защищать кабель от тока короткого замыкания, если длина кабеля не будет превышать 200 x 1.73= 346 метров.

Обычно проверка термической стойкости кабелей не требуется, кроме тех случаев, когда кабели небольшого сечения установлены близко или непосредственно подсоединены к главному распределительному щиту.
5.2 Проверка кабелей по току короткого замыкания (т.е. на термическую стойкость при коротких замыканиях)
Температурные ограничения
Когда ток короткого замыкания не продолжителен (от десятых долей секунды и максимум до 5 секунд), производимое тепло остается в проводе, таким образом, он нагревается. Если принять, что процесс нагревания является адиабатическим, то это предположение упрощает расчеты и приводит к неутешительным результатам, где температура провода получается выше, чем в действительности, т.к. на практике, некоторое количество тепла из провода перейдет на изоляционный материал.
Для периода в пять секунд или менее, равенство I2t = k2S2 показывает время в секундах, за которое провод сечением S (в мм2) может выдержать ток в I ампер, прежде чем температура поднимется настолько, что повредит изоляционный материал. Коэффициент k2 показан на Рисунке G54 ниже.

Рис. G55: Значение константы k2
Метод проверки заключается в подтверждении того, что тепловая энергия i2t на 1 Ом в материале провода, которую пропустит защитный автоматический выключатель (из каталога изготовителя), меньше установленной разрешенной энергии для данного провода (как показано на Рис. G55 ниже).


S (мм2)

Алюминий

Алюминий

Рис. 651: Максимально допустимая тепловая нагрузка для кабелей (выражено в амперах2 x секунду x 106)

Пример
Может ли автоматический выключатель C60N надежно защитить медный кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена с сечением 4 мм2?
Рисунок G55 показывает, что значение l2t для кабеля составляет 0.3272 x 106, в то время, как максимальное «пропускаемое значение» для выключателя, указанное в каталоге производителя, намного ниже (< 0,1.106 А%).
Таким образом, кабель надежно защищен автоматическим выключателем при его полной отключающей способности.
Ограничения по электродинамической стойкости
Для всех типов цепей (отдельных проводов или шин), важно учитывать электродинамический фактор.
Чтобы выдержать электродинамические перегрузки, провода должны быть прочно закреплены и прочно соединены.
G39
Для шинопроводов и кабелепроводов заводского изготовления, шин и т.д., также важно удостовериться, что характеристики электродинамической стойкости, при прохождении тока короткого замыкания, удовлетворительны. Максимальная величина тока, ограничиваемая автоматическим выключателем или плавким предохранителем, должна быть меньше, чем это значение для шин. Как правило, производители публикуют таблицы с указанием наиболее адекватных условий защиты и эксплуатации своих товаров, что является основным преимуществом таких систем.

Основные понятия

Коротким замыканием (К-) называется соединение токоведущих частей разных фаз или потенциалов между собой или на корпус оборудования, соединенный с землей, в сетях электроснабжения или в электроприемниках. К- может.быть по разным причинам: ухудшение сопротивления изоляции во влажной или химически активной среде, при недопустимом перегреве изоляции, механические воздействия, ошибочные воздействия персонала при обслуживании и ремонте и т. д.

Как видно из самого названия процесса, при К- путь тока укорачивается, т. е. он идет, минуя сопротивление нагрузки, поэтому он может увеличиться до недопустимых величин, если напряжение не отключится под действием защиты.

Но напряжение может не отключиться и при наличии защиты, если К- случилось в удаленной точке, и из-за большого сопротивления до места К- ток недостаточен для срабатывания защиты. Но этот ток может быть достаточным для загорания проводов, что может привести к пожару.

Отсюда возникает необходимость расчета тока короткого замыкания - ТК-. Величина ТК- может меняться, если к сети электроснабжения присоединяются другие электроприемники в более удаленных местах. В таких случаях снова производится расчет ТК- в месте установки новых электроприемников.

ТК- производит также электродинамическое действие на аппараты и проводники, когда их детали могут деформироваться под действием механических сил, возникающих при больших токах.

Термическое действие ТК- заключается в перегреве аппаратов и проводов. Поэтому при выборе аппаратов их нужно проверять по условиям К-, с тем чтобы они выдержали ТК- в месте их установки.

Как известно, наряду с сетями с глухозаземленной нейтралью существуют сети с изолированной нейтралью. Рассмотрим характерные отличия этих сетей при К-.

На практике в большинстве случаев происходят однофазные короткие замыкания. В сетях с изолированной нейтралью при соединении одной фазы с землей режим не является коротким замыканием и бесперебойность электроснабжения не

нарушается, но он должен быть отключен, так как соответствует аварийному состоянию. При замыкании одной фазы на землю в данной сети напряжения на двух других фазах повышаются в 1,73 раза, а напряжение на нулевой точке становится равным фазному напряжению относительно земли, (рис. 4.2, в).

В сетях с глухозаземленной нейтралью при соединении провода с землей сгорает предохранитель или срабатывает автоматический выключатель, при этом электроснабжение нарушается, а при сгорании предохранителя могут повредиться обмотки двигателей при работе на двух фазах.

Расчет тока короткого замыкания

Для расчета тока короткого замыкания можно пользоваться формулой


где Rп - активное сопротивление одного провода цепи К-, равное произведению удельного сопротивления провода на его длину (удельное сопротивление проводов в Ом/км приводится в справочниках), Xп - то же индуктивное сопротивление, рассчитывается по удельному индуктивному сопротивлению, которое принимается равным 0,6 Ом/км;

Zt - полное сопротивление фазной обмотки трансформатора на стороне низкого напряжения, которое можно определить по формуле


где Uk%- напряжение короткого замыкания трансформатора, приводится в справочниках, Iн, Uн - номинальные ток и напряжение трансформатора, даются в справочниках.

Отсюда полное сопротивление фазной обмотки трансформатора, Ом,


Для 220 В или разноименных фаз между собой или с нулем не предусмотренные конструкцией электрической цепи или электроприборов, которое нарушает нормальную работу электросети.

Короткое замыкание возникает по причине нарушения изоляции электрических проводов, кабелей или токоведущих элементов в электроприборах, а также при механическом касании не изолированных элементов, поэтому важно всегда оголенные концы электропроводки изолировать отдельно друг от друга с использованием изоленты или электрических с электроизоляционным корпусом, т.е не проводящим электрический ток.

При возникновении короткого замыкания в электрической цепи мгновенно и многократно вырастает значение сила тока, приводящее к высокому тепловыделению, в результате которого происходит плавление электрических проводов с возникновением возгорания электропроводки и распространением пожара в помещении, где произошло КЗ.
В результате короткого замыкания нарушается нормальное функционирование не только в вашей квартире, но и у соседей- из-за падения питающего напряжения, что часто приводит к поломке электроприборов и бытовых техники.

В квартирах с 220 В возникает только однофазное замыкание (замыкание фазы на нулевой проводник или на ), а в некоторых частных домах или гаражах с трехфазным вводом на 380 Вольт- могут возникнуть гораздо более опасное двухфазное (замыкание двух фаз между собой+ на «Землю») или трёхфазное (замыкание трех фаз между собой + на «Землю»)

В электрических двигателях и аппаратах в случае поломки также возможны внутренние короткие замыкания:
Например межвитковые, которые возникают при замыкании между собой витков обмоток в статоре или ротора электродвигателя или между витками в обмотке трансформатора.

А если электроприбор имеет металлический корпус, то возможен пробой изоляции и замыкании на металлический корпус. В этом случае человека защитит от удара электрическим током только корпуса.

Внимание провода в полиэтиленовой и, особенно в резиновой оболочке больше склоны к возгоранию. Поэтому Я как профессиональный электрик много лет, занимающийся электромонтажом в Минске настоятельно рекомендую использовать в квартирах, домах, гаражах и т. для прокладки скрыто под штукатуркой кабель марки ВВГ Нг, с не горючей изоляцией, а открыто по несгораемому основанию более дорогой кабель- ВВГ Нг Ls, который даже не дымит при КЗ.

Перегрузка электросети в доме гараже или квартире нередко встречается в быту и также очень опасна и является аварийным случаем. И как показала практика более опасна, чем токи КЗ. Потому что электропроводка надежно защищена или .

Причиной возникновения перегрузки служит подключение, включение большого количества электроприборов на одну группу электрических розеток или повреждения потребителей электричества, при и котором суммарный ток, проходящий по электрическому кабелю или проводам превышает номинальное значение, на которое они рассчитаны. Для дома или квартиры, где в основном проложены кабеля или провода сечением 1.5 квадратных миллиметров номинальный ток должен быть не выше 16 Ампер или не более 3.5 Киловатт.

Важно знать и применять в практике только выключатели или розетки для подключения электроосвещения или электрооборудования с не менее значениями напряжения и тока, указанными на корпусе электрической розетки или выключателя. Например, на розетке написано «10 А; 250 В» , что означает она рассчитана на однофазную сеть 220 Вольт, а максимальное значение тока, проходящего через розетку, не должно быть выше 10 Ампер или, примерно по мощности не более 2 Киловатт. В такую розетку нельзя включать мощный электроприбор например с мощностью 2.5-3 Киловатта, что приведет к выгоранию контактов розетки.



top