Расчетная часть. 
Опасность электрического тока

Исходные данные

Необходимо выбрать тип средств для обеспечения коллективной электробезопасности, рассчитать их необходимые параметры, обосновать их эффективность при следующих исходных данных:

• — напряжение трансформатора 380 / 220 В;
• — мощность трансформатора 50 кВ*А;
• — мощность электродвигателя 20 кВт;
• — расстояние от трансформатора до места установки электродвигателя 100 м;
• — сеть трехфазная, четырехпроводная с глухозаземленной нейтралью;
• — температура воздуха в помещении +25 °С.

Недостающими данными необходимо задаться самостоятельно.

Расчет зануления как средства обеспечения коллективной электробезопасности

Для обеспечения коллективной электробезопасности целесообразно выбрать зануление, так как это защитное мероприятие применяется в сетях с зеземленной нейтралью напряжением до 1000 В. Исходные данные подходят под эти параметры. Все недостающие данные, коэффициенты необходимо выбирать для взрывопожароопасных помещений, так как рассматриваемый объект, зерноочистительное отделение мельницы предприятияОАО «Краснодарзернопродукт», является опасным производственным объектом и относится по пожарной опасности к категории Б.

Выбранные параметры изоляции: кабель с резиновой изоляцией с медными жилами, проложенный в воздухе.

Расчет зануления следует начинать с расчета проводов по условиям нагрева. Выбор сечения проводов по экономической плотности тока производится по следующей формуле:

F_эк = I_нб / J_эк, мм² ;

где I_нб — наибольший рабочий ток линии, А;

J_эк — экономическая плотность тока, А/мм²; определяется по таблице А1 Приложения А.

В нормальном режиме работы сети наибольший ток в каждой цепи равен:

I_нб = P / v3 U_ном cos ц, А;

где P — активная мощность, передаваемая по линии, Вт;

cos ц — коэффициент мощности нагрузки, cos ц = 0,8;

U_ном — номинальное напряжение сети, В.

I_нб = 20 000/ (v3 •220•0,8) = 66А;

F_эк = 66/3,5 = 18,85 мм².

Полученное значение округляют до стандартного сечения, следовательно, получаем F_эк = 25 мм².

Сечение линии, выбранное по экономической плотности тока, проверяется по нагреву. Выбранное сечение проводника проверяется по соответствию двум условиям. Первое условие связывает наибольший и допустимый по нагреву токи линии по следующей формуле:

I_доп? I_нб ;

где I_доп — допустимый ток, при длительно протекании которого проводник нагревается до допустимой температуры.

Допустимый ток определяется по следующей формуле:

I_доп = I_{доп.таб} К_п К_?, А;

где К_п — поправочный коэффициент на количество кабелей в траншее, определяется по таблице А2 Приложения А;

К_? — поправочный коэффициент на температуру окружающей среды, определяется по таблице А3 Приложения А;

I_{доп.таб} — допустимый ток, при длительном протекании которого проводник нагревается до допустимой температуры, определяемый по таблице А4 Приложения А.

I _доп = 95•0,8•0,92 = 69,92 А;

69,92 А? 66 А — условие выполняется.

В послеаварийных режимах кабельных линий перегрузка допускается до пяти суток и определяется следующим условием:

К_ав I_доп? I_ав.нб;

где К_ав — коэффициент перегрузки в послеаварийном режиме, показывающий, на сколько можно превышать I_доп, в зависимости от условий прокладки кабеля, определяется по таблице А5 Приложения А;

I_ав.нб — наибольший из средних за получасовых токов в послеаварийном режиме, А; I_ав.нб = I_нб.

• 1,25•69,92 А? 66 А;
• 87,4 А? 66 А — условие выполняется.

Второе условие выбора сечения необходимо для правильной работы аппаратов, защищающих сеть от перегрева, состоит в следующем:

I_доп? I_{ном.защ.ап.} /К;

где Iном.защ.ап. — номинальный ток защищающего аппарата, А;

К — коэффициент, равный К=3 для промышленных предприятий.

• 69,92 А? 143/3 А;
• 69,92 А? 47,7 А — условие выполняется.

Расчет зануления сводится к подбору условий, при которых справедливо неравенство, обеспечивающее надежность отключения аварийного участка сети с помощью средств защиты:

I_к.з.? k I^защ ;

где I_к.з. — величина тока короткого замыкания в петле фаза-нуль, А;

I^защ — номинальный ток срабатывания средств защиты, А;

k — коэффициент запаса, величина которого зависит от типа применяемых средств защиты и характеристики помещения по пожарной опасности, определяется по таблице.

Величина тока короткого замыкания определяется по формуле:

I_к.з. = U_ф / [ z_т + v (R_ф + R_н)² + (Х_ф + Х_н + Х_п)² ], А;

где U_ф — фазное напряжение в сети, В;

z_т — полное сопротивление трансформатора;

R_ф — активное сопротивление фазного провода на участке от трансформатора до потребителя, Ом;

R_н — активное сопротивление нулевого провода на том же участке, Ом;

Х_ф и Х_н — индуктивное сопротивление фазного и нулевого провода, обусловленное внешним магнитным полем, Ом; эти величины в обычных практических условиях настолько малы, что позволяют пренебречь ими при проверочных расчетах;

Х_п — внутреннее индуктивное сопротивление петли фаза-нуль, Ом.

Полное сопротивление трансформатора определяется по формуле:

z_т = 270 U² / (P +10), Ом;

где U_ф — величина фазного напряжения в кВ;

P — мощность трансформатора, кВ*А.

Z_т = (270 • 0,22²)/ (50+10) = 0,2178 Ом.

Активное сопротивление фазного провода рассчитывается по формуле:

R_ф = с l_пр / S_ф, Ом;

где с — удельное сопротивление материала проводов, Ом•мм²/ м; для меди с=0,018 Ом•мм²/м;

l_пр — расстояние от источника питания до точки прикосновения, м;

S — сечение провода, мм²; S = F_эк.

R_ф = (0,018•100)/ 25 = 0,072 Ом.

Исходя из требований Правил устройства электроустановок, что полная проводимость нулевого провода должна быть не менее 50% от проводимости фазного, то есть R_н? 2R_ф. Примем величину сечения нулевого провода на порядок ниже, S_н = 16 мм². Активное сопротивление нулевого провода будет вычисляться аналогично фазному:

R_н = (0,018•100)/ 16 = 0,113 Ом.

Внутреннее индуктивное сопротивление петли фаза-нуль определяется по следующей формуле:

Х_п = 0,126 ln (D/r)? l_пр, Ом/км;

где D — расстояние между проводами, м; D = 0,5 м;

r — радиус проводов, м.

Радиус проводов определяется, исходя из сечения проводов.

S = рr2;

Отсюда r = v (S/р).

r = v (25/3,14) = 2,82 мм;

Х_п = 0,126 ln (0,5/ 2,82•10^-3)•0,1 = 0,065 Ом.

I_к.з. = 220/ [ 0,2178 + v (0,072 + 0,113)² + 0,065² ] = 532,3 А.

Номинальный ток срабатывания средств защиты определяется по следующей формуле:

I^защ = б I^потр / в, А;

где б — коэффициент соотношения между номинальным рабочим током и пусковым током потребителя, б = 6;

в — коэффициент режима работы, в = 1,8;

I^потр — номинальный рабочий ток потребителя.

Для электродвигателей, работающих на трехфазном переменном токе, номинальный рабочий ток рассчитывается по формуле:

I^дв = P • 1000 / (v3 U_л з_дв cosц), А;

где P — мощность электродвигателя, кВ;

U_л — линейное напряжение в сети, В;

з_дв — к.п.д. электродвигателя; з_дв = 0,9.

I^дв = (20•1000)/ (v3 • 380•0,9•0,8) = 43 А;

I^защ = 6•43/1,8 = 143 А.

Проверяем неравенство для плавких предохранителей во взрывопожароопасном помещении. Значения коэффициентов выбирают по таблице А6 Приложения А.

• 532,3 А? 4•143 А;
• 532,3 А? 572 А — неравенство неверное.

Условие безопасного отключения не выполняется для плавких предохранителей. Проверяем неравенство для автоматов с обратно зависимой от тока характеристикой во взрывопожароопасном помещении:

• 532,3 А? 6•143 А;
• 532,2 А? 858 А — неравенство неверное.

Условие безопасного отключения не выполняется для автоматов с обратно зависимой от тока характеристикой. Проверяем неравенство для безынерционных автоматических выключателей с электромагнитными расцепителями при номинальном токе свыше 100 А:

• 532,3 А? 1,25•143 А;
• 532,3 А? 178,75 А — неравенство верное.

Условие обеспечения надежного отключения аварийного участка сети выполняется для безынерционных автоматических выключателей с электромагнитными расцепителями при номинальном токе свыше 100 А при параметрах сети 3Ч25 + 1Ч16, мм² [5].