Определение границ действия защиты от однофазных КЗ в сети с асинхронными двигателями

В [1] предписывается ряд мер для повышения электро- и взрывобезопасности электроустановок напряжением до 1000 В. В соответствии с [1, §7.3.140] требуется проверка полного сопротивления цепи фаза-нуль для всех электроприемников, расположенных во взрывоопасных зонах В-I и В-II, и выборочно (но не менее 10 % от общего количества) для электроприемников, расположенных во взрывоопасных зонах классов В-Iа, В-Iб, В-Iг и В-IIа и имеющих наибольшее сопротивление фаза-нуль.

В настоящее время в литературе отсутствуют сведения о границах действия защиты от однофазных КЗ в зависимости от мощности электродвигателя (или одного электроприемника), а приводятся лишь таблицы, линейки и т. п. для определения границ действия защиты в зависимости от сечения проводов и кабелей. Таблицы 7…10 дают возможность определить границы действия защиты для всей шкалы мощностей асинхронных электродвигателей серий 4А, ВА02, АИР при защите линий к электродвигателям автоматическими выключателями с комбинированным расцепителем.

Таблица 8

Предельные длины линий к электродвигателям
с короткозамкнутым ротором для проверки кратности тока
однофазного КЗ по отношению к номинальному току
расцепления автомата

Номинальная мощность электро-двигателя, кВт	Критическая длина линии, м
Алюминиевый кабель	Медный кабель
Невзрыво-опасная зона = 3 Iнр	Взрывоопасная зона В-Iб, В-Iг, = 6 Iнр	Взрывоопасная зона В-II,В-IIа, = 6 Iнр	Взрывоопасная зона = 6 Iнр
0,37 0,75 1,1 1,5 2,2 3,0 4,0 5,5 7,5 18,5			-- --	-- --

Остальные условия аналогичны приведенным для таблицы 8.

Таблица 10 рассчитана для трансформаторов мощностью 1000 кВ·А со схемами соединений «треугольник-звезда» и «звезда-звезда».

Правила пользования таблицами

1. Определяется суммарное расстояние от источника питания до электродвигателя по трассе токопровода независимо от того, подключен ли электродвигатель непосредственно к распределительному щиту источника питания или питается через промежуточные силовые пункты, ШСУ, распределительные или магистральные шинопроводы.

2. В зависимости от зоны, в которой установлен электродвигатель, и его номинальной мощности по таблице находится критическое расстояние, в пределах которого соблюдаются требования [1] в отношении кратности тока однофазного КЗ. Это расстояние сравнивается с суммарным расстоянием от источника питания до электродвигателя.

Если длина трассы токопровода меньше или равна критическому расстоянию, то проведенный расчет тока однофазного КЗ для данного электродвигателя производить не следует, а если больше, то необходим проверочный расчет с учетом конкретных параметров питающей сети.

3. Если проверочный расчет показал, что кратность тока однофазного КЗ недостаточна, необходимо принимать специальные меры, к которым относятся:

3.1. Увелечение сечения питающего кабеля.

3.2. Проектирование специальной защиты от однофазных замыканий.

Таблица 10 дает возможность определить границы действия защиты для асинхронных двигателей серий 4А, 4АН при защите линий к электродвигателям автоматическими выключателями с электромагнитным расцепителями.

Таблицы рассчитаны по формуле:

, (49)

где L – предельная длина линии, м; Zцу – полное удельное сопротивление цепи фаза-нуль, Ом/км; – минимальный ток однофазного КЗ, А.

Расчет таблиц проводился для следующих условий:

1. Источником питания является трансформатор мощностью 1600 кВ·А со схемой соединения «треугольник-звезда».

2. Уставки автоматов принимались в соответствии с каталожными данными электродвигателей серий 4А, В, АИР, ВА02.

3. Кабели приняты четырехжильные с пластмассовой или резиновой изоляцией. Сечение кабелей соответствует номинальному току двигателей при ПВ 100 % для одиночной прокладки кабелей по [1, табл. 1.3.6, 1.3.7]. Согласно номенклатуре на кабельную продукцию кабели с сечением фазной жилы 70 мм² и выше имеют сечение нулевой жилы менее 50 % сечения фазной жилы. Это дает некоторый запас при определении границ действия защиты в случае применения кабелей с жилами равного сечения.

4. Сопротивления кабелей принимались по Приложениям.

5. Переходное сопротивление контактов – 0,02 Ом.

Условные обозначения:

I⁽¹⁾к – ток однофазного замыкания на землю; Iнр – номинальный ток комбинированного распределителя автомата; Iн – уставка на ток мгновенного срабатывания электромагнитного расцепителя.

Таблица 9

Предельные длины линий к электродвигателям с короткозамкнутым ротором для проверки кратности тока однофазного КЗ
по отношению к номинальному току расцепления автомата

Номинальная мощность электродвигателя, кВт	Критическая длина линии, м
Алюминиевый кабель	Медный кабель
Невзрыво-опасная зона I(1)к = 3 Iнр	Взрывоопасная зона В-Iб, В-Iг I (1)к = 6 Iнр	Взрывоопасная зона В-II,В-IIа I(1)к = 6 Iнр	Взрывоопасная зона В-I, В-Iа I (1)к = 6 Iнр
0,37 0,75 1,1 1,5 2,2 3,0 4,0 5,5 7,5 18,5			-- --	-- --

Таблицы 8, 9, 10 могут быть распространены и на случаи, когда питающие трансформаторы имеют мощность более 1600 кВ·А, с любой схемой соединения обмоток, а также когда трансформаторы мощностью 250 кВ·А и выше имеют схему соединения обмоток «треугольник-звезда».

В качестве примера рассмотрим принцип расчета токов однофазных КЗ в системе электроснабжения. Для решения задачи требуется иметь однолинейную схему сети 0,4 кВ. С помощью таблицы 8 по описанной выше методике определяют участки сети, для которых необходимо провести полные расчеты тока однофазного КЗ длиной выше критической.

Таблица 10

Предельные длины линий к электродвигателям с короткозамкнутым ротором для проверки кратности тока однофазного КЗ по отношению к номинальному току расцепителя автомата

Мощность электродвигателя, кВт	Критическая длина линии, м.
Кабель с алюминиевыми жилами. Невзрывоопасная зона.
Iн = 12·Iнр	Iн = 5·Iнр	Iн = 10·Iнр
= 1,4·Iн
0,37 0,75 1,1 1,5 2,2 3,0 4,0 5,5 7,5 18,5	222/222 138/138 88/88 88/88 55/55 44/44 35/35 27/27 22/22 21/21 21/20 26/24 26/24 26/23 41/36 36/31	532/532 333/333 213/213 213/213 133/133 106/106 85/85 66/66 53/53 52/51 51/49 63/61 63/61 64/61 102/97 91/86	266/266 167/167 107/107 107/107 67/67 53/53 43/43 33/33 27/27 26/25 25/24 32/30 32/30 -- -- --
= 1,2 Iн
	43/35 31/22 43/30 45/32 35/18 35/18	110/102 31/32 43/30 45/32 35/18 35/18	-- -- -- -- -- --

Примечание. В числителе указаны значения предельных длин при использовании трансформатора со схемой Δ/Yо, в знаменателе – Y/Yо.

Пример 20. Допустим из анализа схемы электроснабжения получили, что суммарная критическая длина токопроводов по таблице 8 к электродвигателю 2М больше критической длины. Для этиго участка сети необходимо произвести расчет тока однофазного замыкания на землю. Рассмотрим проверку на примере.

В таблице 11 приведена расчетная схема и форма расчета сети электродвигателя 2М.

Трансформатор. Расчетное сопротивление трансформатора (Приложение 12): Zт/3 = 0,027 Ом.

Участок 2. Кабель ААШвУ 3х95 длиной 120 м, удельное сопротивление фазной жилы 0,408 Ом/км (Приложение 7). Удельное сопротивление алюминиевой оболочки 0,321 Ом/км (Приложение 7).

Сопротивление в расчете на 120 м: rф = 0,408·0,12 = 0,049 Ом, rн = = 0,321·0,12 = 0,039 Ом.

Участок 3. Кабель ААШвУ 3х95 + 1х35 длиной 150 м. Удельное сопротивление фазовой жилы – то же, что и для участка 1. Удельное сопротивление нулевой жилы и алюминиевой оболочки 0,253 Ом/км (Приложение 7). Сопротивление в расчете на 150 м.: rф = 0,408·0,15 = 0,061 Ом, rн = 0,253·0,15 = 0,038 Ом.

Переходное сопротивление контактов – 0,02 Ом.

Индуктивное сопротивление кабелей не учитываем.

Далее определяется значение суммарного сопротивления цепи и тока КЗ Iк = 940 А, что меньше допустимого – 1500 А.

Для выполнения требований [1] должно быть увеличено сечение кабеля или предусмотрена специальная защита от однофазного КЗ.

Таблица 11

Расчетная схема и форма расчета сети электродвигателя 2М

N участка		Наименование и краткая характеристика участка линии, элемента	Длина участка, км	Сопротивление участка линии, Ом	Сопро-тивление трансфор-матора Zт/3, Ом
r	Х“/Х`	z
		Тр-тор 1000 кВА 10/0,4 кВ					0,027
Переходное сопротивление контактов	0,02
	фаза	Алюм. жила кабеля 95 мм2	0,12	0,049
нуль	Алюм. оболочка кабеля	0,039
	фаза	Алюм. жила кабеля 95 мм2	0,15	0,061
нуль	Алюм. жила кабеля 35 мм2 + оболочка	0,038
		Итого		0,207		0,207	0,027
Iк по условиям срабатывания защитного аппарата	Iк ≥ 6·Iн = 6·250 A = 1500 A
Расчет действительных значений Zн и Iк 940 А > 1500 А	Z = 0,207 Ом = Uф/(Zт/3 + Zн) = = 220/0,234 = 940 А
Расчет сопротивлений отдельно фазного и нулевого проводов (без учета Х) для определения относительной проводимости нулевого провода	Rф = 0,049 + 0,61 = 0,11Ом Rн = 0,039 + 0,038 = 0,077 Ом 0,11/0,077 = 1,43 < 2

В данном примере полная проводимость нулевого проводника удовлетворяет требованиям п. 1.7.79 [1].