Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общие положения. Обзор требований современной нормативной база к обеспечению электробезопасности установок 16
1.1. Статистика смертельного электротравматизма в электроустановках ..
1.2. Основные принципы нормирования максимально допустимого времени отключения
1.3.Основные принципы защиты от электропоражения 24
1.3.1. Защитные меры при прямом прикосновении 27
1.3.2. Защитные меры при косвенном прикосновении 28
1.4 Особенности защиты при косвенном прикосновение в системе TN... 30
1.5. Выводы по первой главе 34
Глава 2. Определение минимального тока короткого замыкания для проверки обеспечения защиты при косвенном прикосновении
2.1. Типовые задачи расчета тока КЗ 36
2.2. Особенности расчетов минимальных токов КЗ 39
2.3. Оценка влияния способа прокладки фазного и PE(PEN) проводника на величину минимального тока КЗ 43
2.4. Сравнительный анализ методов расчета токов КЗ в электроустанов ках переменного тока напряжением до 1 кВ
2.5. Разработка алгоритма расчета минимального тока КЗ на основании ГОСТ 28249-93
2.5.1. Расчет периодической составляющей тока однофазного КЗ к моменту срабатывания аппарата защиты.
2.5.2. Учет изменения активного сопротивления проводников пр коротком замыкании
2.5.3. Учет сопротивления электрической дуги "
2.6. Анализ результатов расчета минимального тока КЗ "4
2.7. Упрощенные методы расчета минимального тока КЗ в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ
2.7.1. Метод петли фаза-нуль '
2.7.2. Анализ погрешности при алгебраическом и геометрическом суммировании элементов цепи фаза-нуль
2.8. Выводы по второй главе 0 .
Глава 3. Исследование однофазных КЗ в сетях до 1кВ типа TN на примере предприятия нефтехимической промышленности 83
3.1 Особенности построения схемы электроснабжения предприятия нефтехимической промышленности
3.2. Расчетно-эксперементальное исследование методов расчета тока однофазного КЗ
3.3. Пример расчета токов металлических и дуговых однофазных КЗ по разработанной методике
3.4. Оценка влияния различных факторов на величину минимального. тока КЗ
3.4.1. Тепловой спад тока КЗ 95
3.4.2. Учет сопротивления дуги 97
3.4.3. Сопротивление токовых катушек автоматических выключателей
3.5. Сопоставление результатов расчета тока КЗ по исследуемым методам
3.6. Выводы по третей главе И2
Глава 4. Разработка методики проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении при проектировании систем электроснабжения
4.1. Общие положения 114
4.2. Методика расчетной проверки линии на быстродействие автоматического отключения питания 115
4.3. Дополнительные мероприятия по обеспечению защиты при косвенном прикосновении
4.4. Программный комплекс «Выбор кабелей в сетях до 1 кВ» 132
4.4.1. Выполняемые функции 132
4.4.2. Структура и ведение баз данных нормативно-технической информации
4.4.3. Входные данные 135
4.4.4. Выходные данные 138
4.5. Выводы по четвертой главе 140
Заключение 142
Список литературы 143
Приложение 152
- Статистика смертельного электротравматизма в электроустановках
- Оценка влияния способа прокладки фазного и PE(PEN) проводника на величину минимального тока КЗ
- Особенности построения схемы электроснабжения предприятия нефтехимической промышленности
- Методика расчетной проверки линии на быстродействие автоматического отключения питания
Введение к работе
В связи с активной интеграцией России в мировое сообщество в нашей стране интенсивно обновляется нормативная база, регламентирующая правила безопасности и устройства электроустановок. В основном нормативная база вводится путем «обложечного» перевода стандартов МЭК на русский язык и пересмотром российских нормативных документов (например, ПУЭ) в соответствии с этими стандартами. За период с 1999 г. по 2002 г. издано и утверждено более ПО новых нормативных документов в области электротехники на федеральном уровне и большое число ведомственных документов. С 1995 года введены в действие более двадцати новых государственных стандартов, входящих в состав комплекса ГОСТ Р 50571 «Электроустановки зданий» (МЭК 364), в частности ГОСТ Р50571.3-94.2 «Требования по обеспечению безопасности. Защита от поражения электрическим током». С 1 января 2003 года введена в действие глава 1.7 «Заземление и защитные меры электробезопасности» ПУЭ 7-ого издания. Новые требования вводят новые термины и требуют пересмотра существующих подходов к обеспечению безопасности электроустановок.
Наиболее значимым, по мнению автора, является ужесточение требований к времени автоматического отключения питания в сетях до 1 кВ. При фазном напряжении 220 В время автоматического отключения питания не должно превышать 0,4 с. В предыдущем издании ПУЭ [42] критерием успешности автоматического отключения питания являлось обеспечение определенной кратности тока короткого замыкания к номинальным токам плавких вставок предохранителей и расцепителям автоматических выключателей. Такой подход устанавливал степень надежности отключения повреждений, но не гарантировал быстрого их отключения. В табл. В.1 представлена сравнительная характеристика требований [42] и [43] к автоматическому отключению питания.
Сравнительная характеристика требований к автоматическс меры безопасности» ПУЭ 7-ого и 6-ого издания
ПУЭ 6-ого издания
В электроустановках до 1кВ с глухозаземленной нейтралью для обеспечения автоматического отключения питания аварийного участка проводимость фазных и нулевых защитных проводников должна быть выбрана такой, чтобы при замыкании на корпус возникал ток КЗ, 1( к, превышающий для нормальных установок не менее чем в 3 раза (см. п. 1.7.79 [42]) и в 6 раз для взрывоопасных установок (см п. 7.3.139 [42]) номинальный ток нерегулируемого расцепителя автоматического выключателя или уставку тока регулируемого расцепителя автоматического выключателя, имеющего обратно зависимую от тока характеристику:
1к =3х1уст. авт.; ІК =6x1 уст. АВТ.
Таблица В. 1. отключению питания главы 1.7 «Заземление и защитные
ПУЭ 7-ого издания
В системе TN время автоматического отключения питания не должно превышать значений, указанных в таблице 1.7.1.
Наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения для системы TN
Таблица 1.7.1
В цепях, питающих распределительные, групповые, этажные и др. щиты и щитки, время отключения не должно превышать 5 с.
При определенных условиях допускаются значения времени отключения более указанных в таблице 1.7.1 , но не более 5 с в цепях, питающих только стационарные электроприемники.
Как показано в [74,75] при относительно низких значениях токов однофазных КЗ (удаленность нагрузки от источников питания, малое сечение провода и т.д) время отключения, при применение стандартных аппаратов защиты, существенно больше указанного в таблице 1.7.79 [43], хотя при этом могут выполняться требования [43] по обеспечению определенной кратности тока КЗ. Таким образом, использование на этапе проектирования методов выбора и проверки сечений кабелей до 1 кВ и уставок автоматических выключателей (изложенных в [4, 39,]), основанных на требованиях преведущих изданий ПУЭ недопустимо.
Методики расчетной проверки линии на автоматическое отключение питания разрабатывались в 60-70-ых годах прошлого века [34,35,57,24] и не менялись в течении последних 40 лет. В [57] были впервые сформулированы критерии отключения линии.
Критерий первый - расчетное сопротивление цепи КЗ (zK. расч) каждой проверяемой линии должно быть равно или менее максимально допустимого сопротивления (zK. Макс) этой линии, при котором может возникнуть ток однофазного КЗ, достаточный для отключения ближайшего защитного аппарата: 2к.расч — 2к.макс' (В.1)
При ЭТОМ _ иФ 2к.макс = Г-' С". 2) к-1„ где \]ф — фазное напряжение сети, В; 1н - номинальный ток плавкой вставки предохранителя или теплового расцепителя автоматического выключателя (АВ), А; к - коэффициент кратности, нормируемый предыдущими изданиями ПУЭ, в зависимости от среды, в которой проложена проверяемая линия (см. табл. В.1). к. расч о = ^ + 5Ху.і-1і> (В-3)
7 где Zf - полное сопротивление питающего трансформатора, Ом; 1, - длина участка линии, км; zny.i -полное удельное сопротивление участка цепи фаза-нуль, ом/км; п - количество участков кабельной линии до предполагаемого места КЗ. В [57] выражение (ВЛ) рекомендуется применять при использовании в качестве проводников зануления профилей из стали. Критерий второй - фактическое удельное сопротивление гп.у.факт цепи фаза-нуль на 1 км проверяемой линии должно быть равно или меньше максимального допустимого удельного сопротивления znyMaKC, при котором может возникнуть ток однофазного КЗ, достаточный для отключения ближайшего защитного аппарата: п.у.факг.— п.у.макс" \--"у
Значения zn.y^aifr для заданного сечения проверяемой линий, приведенны в [8,57,24]; zn.y.MaKc определяется по выражению: 2п.у.макс =~7v т I-/' №->) к-Ін 3
В [57] выражение (В.5) рекомендуется применять в случае, если линия не удовлетворяет требованиям ПУЭ к кратности тока однофазного КЗ и для обеспечения отключения нужно найти повышенное сечение нулевого и/или фазных проводов.
Критерий третий - фактическая длина проверяемой линии 1 должна быть равна или меньше максимально допустимой длины условной линии 1макс, при которой обеспечивается отключение выбранного аппарата защиты: l^Uc- (В.6)
При этом ^шю^, (В7) 2п.у.факт К'*н -*
Следует отметить, что третий критерий получил наибольшее распространение в силу удобства и наглядности его использования.
Авторы, занимающиеся проблемой автоматического отключения питания в последующие годы, разрабатывали на основании представленных в [24,34,35,57] методик и справочных материалов удобные для практического применения таблицы, линейки и т.д., позволяющие проектировщику осуществлять проверку автоматического отключения линии без трудоемких аналитических расчетов (вероятно, необходимость таких работ была вызвана низким уровнем вычислительной техники). Рассмотрим некоторые из них в хронологическом порядке.
В [32] определены максимально допустимые длины проводников (в табличном виде) по условию отключения тока однофазного КЗ. В [67,72] отмечается, что таблицы [32] дают хорошие результаты при радиальной схеме питания, в случае смешанной схемы питания их можно применять лишь частично. Этого недостатка лишены графики и номограммы, приведенные в [67,72]. Они позволяют проверять надежность срабатывания защитных аппаратов при любых схемах питания, с учетом разброса их срабатывания. При радиальной схеме питания необходимо для определения максимальной длины линии воспользоваться графиком пограничных прямых срабатывания защитных аппаратов, полученную длину нужно умножить на поправочный коэффициент, учитывающий мощность и схему соединения трансформатора. При магистральной схеме, сначала нужно определить длину линии по графику пограничных кривых надежности для условного алюминиевого кабеля сечением 3x70+1x35, затем воспользоваться номограммой взаимного перевода длин сечений кабелей, далее длину уже проводника реального сечения умножают на поправочный коэффициент, учитывающий мощность и схему соединения трансформатора. Таким образом, вряд ли эту методику проверки можно назвать упрощенной и удобной в использовании.
На основании работы [32] в [28] предложена линейка для выбора максимальных длин кабеля по условию отключения однофазных КЗ, позволяющая без расчетов определять максимальную длину 4-х жильного кабеля с алюминиевыми жилами. Линейка состоит из корпуса и движка,
9 выполнена на бумаге и наклеена на картон. Для вычисления максимальной длины кабеля необходимо установить верхнее отверстие движка против выбранного сечения и соответствующего тока расцепителя, тогда в нижнем отверстии будет указана максимальная длина по условию отключения однофазного КЗ.
Все вышеперечисленные работы имеют один недостаток, они не учитывают переходных сопротивлений контактов и дуги в месте КЗ, активных сопротивлений катушек автоматических выключателей, которые, как известно, могут достигать в сетях до 1 кВ значительных величин, что приводит к завышению расчетного значения тока однофазного КЗ и допустимой длины кабеля. Кроме того, при токе однофазного КЗ равного шести номинальным токам аппарата защиты, время работы коммутационного аппарата (например, ВА57-35, 100 А) может составлять от 0,7 до 18 с в зависимости от режима его работы до КЗ. Таким образом, при таких временах работы обязательным условием расчета тока однофазного КЗ является учет теплового спада тока КЗ вследствие увеличения активных сопротивлений проводников при КЗ, что также не сделано в [24,28,32,39,67,72,34,35,57].
Обследование сетей собственных нужд электростанций Кузбассэнерго [6] показало, что уставки срабатывания защитных аппаратов и сечения кабелей, рассчитанные на срабатывание при металлических КЗ в начальный момент времени, как правило, [77] не обеспечивают достаточной чувствительности к токам дугового КЗ к моменту отключения, что в свою очередь приводит к чрезмерно большим временам их срабатывания, либо к несрабатыванию вовсе. Экспериментальные исследования металлических и дуговых КЗ в сетях собственных нужд электростанций Сибири [77,35] показали, что дуговое КЗ может быть устойчивым, прерывистым или самопогасающимся, характер изменения активного сопротивления дуги зависит от типа электроустановки, причин и места КЗ, формы проводников и междуфазных расстояний, вида КЗ, значения тока КЗ и других факторов. Учет комплексного влияния разнообразных факторов КЗ на изменение параметров КЗ возможен лишь с
10 помощью вероятностных характеристик зависимостей активного сопротивления дуги от тока КЗ, полученных в [77] в результате обработки экспериментальных данных опытов КЗ и представленных в [8]. Сравнение результатов расчетов дуговых КЗ по методу [8] и упрощенным методам [24,34,35,57] и др. не проводилась, в связи с этим сделать выводы о достоверности полученных максимальных длин невозможно.
С разработкой ГОСТ 12.1.038-82 стало возможным определение предельных длины электрических сетей по условию надежного отключения тока однофазного КЗ с одновременным выполнением требований к электробезопасности человека, что и было сделано в [69,76]. Для того чтобы были выдержаны критерии электробезопасности для человека, оказавшегося под напряжением прикосновения, ток однофазного КЗ должен быть равен, согласно [69,76]:
С>(10-И4)-Ін (В.8)
Однако широкого распространения данная расчетная проверка проводников по предельно допустим напряжениям прикосновениям не получила, вероятно, в силу того, что значения предельно допустимых напряжений прикосновения и/или токов, протекающих через тело человека в зависимости от времени его действия, не нашли отражения в ПУЭ (шестого издания) и не было разработано единой простой методики выполнения зануления по критерию обеспечения электробезопасности. В [3,33] подчеркивается, что выполнение требований [42] не гарантирует обеспечения требований ГОСТ 12.1.038-82, то есть проблема обеспечения электробезопасности при проектировании электроустановок существовала и на уровне советских стандартов, еще до вступления в силу [13,43].
Данные стандарта МЭК 60479-1, послужили основанием для нормирования в стандарте [13,43] величин максимально допустимого времени автоматического отключения питания в электроустановках с различными типами системы заземления. В тоже самое время является действующим и
ГОСТ 12.1.038-82, в котором, как и в стандарте МЭК 60479-1, нормируется максимально допустимая продолжительность воздействия напряжения прикосновения на тело человека в зависимости от величины этого напряжения. Однако при сравнении данных [7] и [86] можно заметить, что они имеют существенные расхождения. Это означает, что ГОСТ 12.1.038-82 является «несовместимым» с недавно введенными отечественными нормами и нуждается в пересмотре и изменений. В силу вышесказанного, работы [69,76] не могут быть применены, также требует проверки возможность использования принятого в [76] недифференцированного учета сопротивления дуги, равного 15 мОм при расчете тока однофазного КЗ; каких-либо сведений о способе учета электрической дуги в [69] не приводится.
В работах, посвященных выбору кабелей и расчету уставок аппаратов защиты, вышедших после введения в действие [13,43] конкретной методики обеспечения требуемого времени отключения нет, а представленные решения, по крайней мере неоднозначны и порой некорректны. Несмотря на то, что во введении [54] говорится о повышенных требованиях к выбору кабелей и защит для электродвигателей, вызванных необходимостью обеспечения времени отключения 0,4 с для фазного напряжения 220 В, в разделе, посвященному выбору параметров срабатывания автоматических выключателей защиты электродвигателей, предлагается коэффициент чувствительности к однофазным КЗ на землю проверять по следующим условиям: о) 10)кч = —— > 3 для невзрывоопасных помещений, (В.9) (.) 1(,) кч =—— >6 для взрывоопасных помещений, (В. 10) что недопустимо.
В [65] выбранное сечение проводника предлагается проверять на обеспечение нормированного [43] времени отключения поврежденной цепи защитно-коммутационным аппаратом. Сама формулировка вопросов не
12 вызывает, однако в расчетом примере выбора кабеля к электродвигателю, при проверке расчетного времени отключения аппаратом защиты тока однофазного КЗ, за нормируемое время принято 5 с, которое согласно [43] допускается (т.е. данное решение может быть применено в виде исключения как вынужденное согласно п. 1.1.17 [43]) при условии обеспечения напряжения на корпусах электроприемников при повреждении изоляции не более 50 В. Проверки допустимости этого времени в примере не сделано. Кроме того, расчет тока однофазного КЗ проводился по [4,24] без учета требований [8] к учету сопротивлений дуги и контактов аппаратов и теплового спада тока КЗ. Проверка обеспечения времени отключения выполнялась после выбора сечения по нагреву, при реальном процессе проектирования сопоставление время-токовых характеристик аппаратов и однофазных токов КЗ для каждого фидера невозможно.
Таким образом, на сегодняшний день в России отсутствует единая, имеющая достаточное теоретическое и экспериментальное обоснование, методика обеспечения электробезопасности в сетях до 1кВ на этапе проектирования, а существующие до этого методы оценки эффективности автоматического отключения основывались на расчетах токов однофазных КЗ без учета ряда факторов (или неполного учета), значительно влияющих на результаты расчета: увеличение сопротивления проводников при КЗ; сопротивление контактов и катушек расцепителей; токоограничивающие влияние дуги.
Новая нормативная база, регламентирующая правила безопасности и устройства электроустановок [13,43] с более жесткими требованиями к обеспечению электробезопасности, требует пересмотра применяемой коммутационно-защитной аппаратуры, методик выбора кабелей и изменения существующих подходов к проектированию систем электроснабжения в целом, что и подтверждает актуальность проблемы.
13 Целью работы является разработка методики проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении ориентированной на широкий круг электриков, проектировщиков и наладчиков, позволяющей практически реализовать требования современной нормативной базы.
Достижение конечной цели диссертации осуществляется путем последовательного решения следующих задач:
1. Исследование существующих методов оценки эффективности автоматического отключения питания.
Сравнение требований главы 1.7 ПУЭ 6-ого и 7-ого издания и формирование новых критериев проверки обеспечения защиты при косвенном прикосновении.
Сравнение существующих методов расчета токов однофазных КЗ в сетях до 1кВ базирующихся на методе симметричных составляющих и выявление метода, наиболее полно учитывающего сопротивление цепи КЗ.
Разработка алгоритма определения минимального тока однофазного КЗ для проверки обеспечения защиты при косвенном прикосновении.
Обобщение существующих упрощенных методов расчета токов однофазных КЗ, выявление областей их возможного применения и оценка достоверности получаемых результатов.
Анализ влияния способа прокладки защитного (РЕ) проводника на величину тока однофазного КЗ.
Разработка методики практической проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении в сетях до 1кВ и комплекса программных средств автоматизирующих процесс проектирования.
Научная новизна
На основании проведенного анализа методов расчета токов КЗ в сетях до 1 кВ разработан алгоритм расчета минимального значения тока однофазного КЗ для проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении.
На основании расчетного эксперимента определены методические погрешности расчетов токов однофазных КЗ в сетях до 1 кВ по упрощенным
14 формулам и определены области их использования с точки зрения требуемой точности расчета и удобства использования.
3. Разработаны методика и реализованный на ее основе программный комплекс для проверки обеспечения защиты при косвенном прикосновении в сетях до 1кВ на этапе проектирования систем электроснабжения.
Практическая ценность работы и ее реализация состоят в том, что разработанная методика позволяет выбирать параметры схемы электроснабжения электроприемников до 1кВ по критерию обеспечения защиты при косвенном прикосновении как того требует современная нормативная база (ПУЭ 7-ого издания, ГОСТ Р 50571). Реализованный на основе методики комплекс программных средств позволяет сокращать сроки проектирования за счет автоматизации процесса выбора сечения токоведущих жил кабелей напряжением до 1кВ. Разработанная методика ориентирована на широкий круг пользователей и может использоваться в проектных, научно-исследовательских и других профильных организациях.
Разработанная методика и комплекс программ внедрены в практику проектирования научно-исследовательского института ОАО «ВНИПИнефть» г. Москва.
Достоверность результатов
Исследования, проведенные в диссертационной работе, базируются на использовании методов математического моделирования, теории электрических цепей, электрических машин, численных методов решения систем нелинейных дифференциальных и алгебраических уравнений, теории функций комплексных переменных. Комплекс программ разработан с использованием программы Delphi, версия 7. Базы данных разработаны на Access-2000. Расчетный эксперимент проводился в среде программного комплекса «Mathcad Professional».
Апробация работы Основные результаты диссертационной работы были доложены на XII международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика» (г.
15 студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика» (г. Москва, 2005 г.) и на научных семинарах кафедры «Электроснабжения промышленных предприятий» МЭИ.
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 4 печатных работах.
Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 151 странице основного текста, содержит 33 иллюстрации и 17 таблиц. Список использованной литературы включает в себя 92 наименования.
Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цели и задачи диссертации, охарактеризована ее структура, показана научная новизна работы и ее практическая ценность.
В первой главе приведен обзор современной нормативной базы в области электробезопасности. Сформулированы основные принципы защиты от электропоражения. Сопоставлены требования главы 1.7 ПУЭ 6-ого и 7-ого издания.
Во второй главе рассматриваются вопросы расчетов минимальных токов КЗ в целях проверки обеспечения защиты при косвенном прикосновении.
В третьей главе приводиться расчетно-эксперементальное исследование методов расчетов тока КЗ в сетях до 1кВ.
В четвертой главе приведены разработанная методика проверки эффективности работы защиты при косвенном прикосновении и комплекс программ «Выбор кабелей в сетях до 1 кВ», позволяющий автоматизировать процесс выбора кабеля в сетях до 1 кВ по критерию обеспечения защиты при косвенном прикосновении.
В заключении сформулированы основные выводы и результаты.
Статистика смертельного электротравматизма в электроустановках
Важнейшей проблемой современной электротехники является создание безопасных электроустановок. Несмотря на многочисленные усилия электротехников, в настоящие время от поражения электрическим током в электроустановках зданий в России ежегодно погибает более 4,5 тыс. человек. Таким образом, проблема обеспечения безопасности является не только сложной научной проблемой. Это проблема, определяющая качество жизни населения страны, является социально значимой [25].
К числу факторов, влияющих на количество случаев смертельного электротравматизма можно отнести: образование населения; уровень жизни, который влияет на число электроприборов в быту; применение изоляционных материалов; меры, используемые для защиты от поражения электрическим током и, наиболее значимый, стандарты, регламентирующие требования к электробезопасности электроустановок и электрооборудования.
Анализ статистических данных Госкомстата СССР за период с 1952 по 1988г. [25] позволил установить, что ежегодное число смертельных поражений электрическим током в жилых зданиях страны в течении рассматриваемого периода подчиняется зависимости: S(AT) = (l + ct + (3AT)YAT-S0, (1.1) где S(AT) - число смертельных поражений за рассматриваемый год (1952+ AT); So =621 - число таких поражений в 1952г.; ДТ=Т-1952 - число лет, прошедших с 1952г. до рассматриваемого года Т; a, Р, у - постоянные коэффициенты, равные соответственно 0,0349, 7,55 10"4; 1. После подстановки численных значений коэффициентов в (1.1) получим: 8(АТ) = (1,0349 + 7,55-10-4-АТ)дт-621. (1.2)
Число смертельных электротравм в жилых зданиях в СССР с 1952 г монотонно возрастало и в 1988 г. достигло 5435.
До 2003 г. основным документом, регламентирующим электробезопасность электроустановок, являлось ПУЭ 6-ого издания. В основу построения [42] и предыдущих изданий положен принцип «разумной достаточности», подразумевающей «технико-экономическую целесообразность» проектных решений. Принцип «технико-экономической целесообразности» предполагает выдвижение на первое место требований, обеспечивающих рабочие характеристики «экономичных электроустановок». Использование этих принципов позволило получить существенную экономию проводникового материала и трудозатрат при электрификации зданий. Однако платой за эту экономию был рост смертельного электротравматизма в электроустановках зданий с 621 в 1952 г. (СССР) до 4557 в 1996 г. (Россия) [25].
Указанное обстоятельство позволяет сделать вывод о том, что требования предыдущих изданий ПУЭ являются, по меньшей мере, недостаточными для создания безопасных электроустановок.
За десятилетие (1972-1982г.) частота смертельно электротравматизма (ЧСЭТ), определяющаяся как отношение числа случаев смертельного электротравматизма к численности населения страны, в использующих стандарты МЭК странах снизилась: в США - в 1,1, в ФРГ - в 1,7, в Японии - в 3,2 раза. В среднем за рассматриваемое десятилетие ЧСЭТ в этих странах снизилась в 2 раза. Среднее значение ЧСЭТ по 20 странам, правила и нормы которых основаны на стандартах МЭК составило 2,85 10"6. В [25] отмечается, что если темпы снижения ЧСЭТ сохранятся, то в настоящее время он должен составить по этим 20 странам не более 1,5 10"6. Предполагается, что это в значительной степени обусловлено массовым применением УЗО и увеличением использования изоляционных конструкционных материалов, включая трубопроводы. Применение последних снижает вероятность контакта человека с частями, имеющими потенциал земли, что уменьшает опасность образования пути тока через тело человека.
Важно отметить, что в ряде стран ЧСЭТ уже к началу 80-х годов была существенно ниже указанного среднего значения 1,5-10 6. Так, в 1981 г. в Японии ЧСЭТ снизилась до 0,87-10"6, в 1982 г. в Испании - до 0,96 10"6, а в Нидерландах - до 0,42 10"6. При этом среднее значение ЧСЭТ в жилых зданиях в этих странах в настоящее время не превышает 0,3 10"6.
В СССР ЧСЭТ в жилых зданиях за 30 лет выросла с 3,1 Ю"6 (1952г) до 12 10"6 (1982г), в Германии за этот же период она уменьшилась с 3 10"6 до 1 10"6. К сожалению, в России в жилых зданиях ЧСЭТ продолжает расти: в 1988г. она составила 18 10 6, а в 1998 г. 31 10"
Оценка влияния способа прокладки фазного и PE(PEN) проводника на величину минимального тока КЗ
В качестве РЕ-проводника согласно [43] в электроустановках напряжением до 1 кВ могут использоваться:
1. специально предусмотренные проводники: - жилы многожильных кабелей; - изолированые или неизолированные провода в общей оболочке с фазными проводами; - стационарно проложенные изолированные или неизолированные проводники.
2. открытые проводящие части электроустановок: - алюминиевые оболочки кабелей; - стальные трубы электропроводок; - металлические оболочки и опорные конструкции шинопроводов и комплектных устройств заводского изготовления.
3. некоторые сторонние проводящие части: - металлические строительные конструкции зданий и сооружений (фермы, колонны и т.п.); - арматура железобетонных строительных конструкций при условии выполнения требований [43]; - металлические конструкции производственного назначения (подкрановые рельсы и т.д.);
Полное сопротивление цепи фаза - РЕ проводник представляет собой геометрическую сумму активных и индуктивных сопротивлений отдельных участков цепи фаза - РЕ проводник от трансформатора до места КЗ. Полное сопротивление цепи фаза- РЕ проводник в общем случае зависит от: - конструктивного выполнения сети в целом (кабель, воздушная линия, проводки в стальных трубах и т.д.); - от взаимного расположения фазных и нулевого проводников; - от материала, длины, температуры проводников и размера их сечений; - от наличия в цепи иных токопроводящих частей, соединенных с системой зануления и снижающих ее сопротивление.
В общем случае полное сопротивление всей цепи фаза - защитный проводник (или отдельного участка) определяется по формуле [48]: Zn = (Гф+гн)2+(х"ф+х1+х )2 (2.1) где Гф, гн -активные сопротивления фазного и нулевого проводов, мОм; Хф хн — внутреннее индуктивное сопротивление фазного и нулевого провода, зависимое от степени проявления поверхностного эффекта в металле, мОм; х -внешнее индуктивное сопротивление цепи фаза-нуль, зависимые от геометрических размеров проводов и расстояния между ними, мОм; Активное сопротивление кабелей (проводов, шинопроводов) г определяется выражением: г= с0 сс спэ р 1 / s, (2.2) где cu =l+0,004(t-20) - коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления с повышением температуры (t-температура проводника, С); сс = 1,02 — коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления многопроволочных жил проводов и кабелей вследствие скрутки. Для шин и однопроволочных проводов сс = 1; сго -коэффициент поверхностного эффекта при переменном токе. Для медных и алюминиевых проводов и кабелей спэ принимается равным единице, для медных и алюминиевых шин - согласно [49]; р - удельное сопротивление при t=20C (для меди р = 0,0178 Ом мм2/м -провода и шины, для алюминия р = 0,0294 Ом мм /м - провода и кабели, р=0,0325 Ом мм /м - шины из сплава АД31Т1); s - сечение проводника, мм ; 1 - длина проводника, м.
Внутреннее индуктивное сопротивление х цветных металлов незначительно и при расчете согласно [49,57] обычно не учитывается.
Внешнее индуктивное сопротивление х проводов зависит от их сечения и взаимного расположения. При использовании в качестве нулевых проводников четвертых жил проводов и кабелей, алюминиевых оболочек, стальных труб электропроводок внешним индуктивным сопротивлением в практических расчетах можно пренебречь вследствие его малой величины.
Особенности построения схемы электроснабжения предприятия нефтехимической промышленности
Особенностью построения схем электроснабжения нефтехимической промышленности является то, что большинство приемников электроэнергии относятся к I и особой группе I категории надежности электроснабжения, что требует [43] двух независимых источников питания с АВР, а для электропотребителей особой группы должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого источника питания. В качестве третьего независимого источника питания обычно используются агрегаты бесперебойного питания.
Кроме резервирования электроснабжения для обеспечения необходимой непрерывности технологического процесса часто используется технологическое резервирование, т.е. предусматривается установка взаимно резервирующих технологических агрегатов (насосов, вентиляторов и т.д).
В нефтехимических производствах основную часть которых составляют взрывоопасные установки категории В-1а, В-16, В-1г, электрооборудование [43] необходимо выносить за пределы взрывоопасных зон, если это не вызывает особых затруднений при эксплуатации и не сопряжено с неоправданными затратами. В случае установки электрооборудования в пределах взрывоопасной зоны оно должно удовлетворять требованиям по уровню взрывозащиты, что значительно удорожает его стоимость, в месте с тем распределительные устройства до 1кВ и выше, трансформаторные подстанции с электрооборудованием общего назначения запрещается сооружать непосредственно во взрывоопасных зонах любого класса. Они должны располагаться в отдельном электропомещении, расположенном на определенном расстоянии [43] от взрывоопасной зоны.
Такое расположение электрооборудования приводит к практически одноуровневой схеме электроснабжения (II и III уровни практически совпадают), которая имеет ряд особенностей: - значительные длины распределительной сети (100-350м), определяемые размерами установки, приводящие к завышению сечений кабельных линий; - значительные уровни токов КЗ на распределительных щитах II уровня СЭС, сопоставимые со значениями токов КЗ на шинах ГРЩ0,4кВ.
Таким образом, схемы электроснабжения нефтехимических производств преимущественно радиальные, с сетями, имеющими про всей длине неизменное или маломеняющиеся сечения.
Кроме того, согласно [43] во взрывоопасных зонах необходимо: - применять провода и кабели с медными жилами; - использовать в качестве РЕ-проводника отдельную жилу кабеля. Вспомогательные проводники заземления (оболочки кабелей, стальные полосы, металлические конструкции здания) в расчетную схему для расчета однофазного тока КЗ не включаются; - прокладывать нулевые защитные проводники в общих оболочках, трубах, коробах с фазными проводниками.
Все вышеперечисленное накладывает дополнительные требования на выбор коммутационно-защитной аппаратуры, сечений токоведущих жил и т.д.
Целью расчетного эксперимента было: оценить влияние различных параметров цепи фаза-нуль на величину тока однофазного КЗ при точных вычислениях тока КЗ по методике на основе [8]; - определить погрешности результатов расчета тока однофазного КЗ по упрощенным формулам по сравнению с методикой на основе [8] на разных уровнях системы электроснабжения; - на основании выполненного сравнения сделать выводы о возможности применения упрощенных методов для ориентировочных расчетов тока однофазного КЗ на предприятиях нефтехимической промышленности для оценки обеспечения защиты при косвенном прикосновении.
Для исследования была использована принципиальная схема типовой трансформаторной подстанции предприятия нефтехимической промышленности (рис.3.1).
Трансформатор ТІ, главный распределительный щит (ГРЩ) и щит станций управления (ЩСУ) располагаются в отдельном электропомещении. Длина шинопровода Ш1 принимается Юм, кабельной линии КЛ2 - 40м.
Мощность трансформатора варьировалась от 250 до 2500 кВА, схема соединения принималась Y/Yo и Д/Yo. Мощность системы менялась от 0 до Х с шагом 0,2. Номинальные токи автоматических выключателей АВ1 и АВ2, шинопровода Ш1 принимались в зависимости от номинальной мощности трансформатора ТІ. Сечение кабельной линии марки ВВГ КЛ2 выбиралось исходя из номинального тока АВ2. В таблице 3.1 приведены параметры вышеперечисленных элементов, используемые в последующих расчетах.
Методика расчетной проверки линии на быстродействие автоматического отключения питания
В основе мер защиты при косвенном прикосновении, в независимости от применяемой системы заземления, лежат три базовых положения [89]. Первое из них заключается в заземлении открытых проводящих частей электрооборудования для исключения возникновения при повреждении изоляции опасности соизмеримой с опасностью, имеющей место при прямом прикосновении. Вторым базовым положением является эквипотенциирование (уравнивание потенциалов) проводящих частей, доступных одновременному прикосновению. Электрическое соединение таких проводящих частей позволяет значительно снизить напряжение прикосновения и осуществляется защитными проводниками (РЕ-проводниками). Следует помнить, что уравнивание потенциалов не может быть совершенным во всех точках, поэтому при рассмотрении систем заземления создателями стандартов была принята гипотеза, заключающаяся в том, что напряжение прикосновения (напряжение между двумя проводящими частями при одновременном прикосновении к ним человека (одной из частей обычно является открытая проводящая часть, а другой - основание, на котором стоит человек)) равно напряжению открытой проводящей части относительно земли (т.е. зоны нулевого потенциала) при повреждении изоляции. Такое допущение возможно, поскольку на практике эти величины могут отличаться незначительно. Третье базовое положение заключается в своевременном выявлении возможности повреждения по средствам измерения изоляции оборудования перед включением его под напряжение, или постоянного контроля состояния изоляции в сети с изолированной нейтралью. В случае повреждения изоляции, вызывающего появление опасного напряжения прикосновения, необходимо автоматически отключить поврежденную часть электроустановки. Особенности устранения опасности зависят от типа применяемой системы заземления.
Как уже отмечалось выше, в отечественной практике, как правило, применяется система заземления типа TN [43] и в редких случаях IT. В связи с этим в данной главе разработана методика обеспечения защиты при косвенном прикосновении в системе TN, получившей наибольшее распространение в России.
Как уже отмечалось выше, в России на сегодняшний день отсутствует методика проверки эффективности автоматического отключения питания, что недопустимо. Ниже предлагается комплекс мероприятий для проверки быстродействия автоматического отключения питания.
При системе заземления TN, любое повреждение изоляции превращается в однофазное КЗ между фазным и PE(PEN) проводником из-за непосредственной связи отрытых проводящих частей с глухозаземленной нейтралью источника питания. Таким образом, автоматическое отключение питание эффективно, если ток повреждения изоляции достаточен для срабатывания защиты от сверхтока и время ее работы не превышает максимально допустимого, зависящего от фазного напряжения сети. Это условие должно быть обеспечено на этапе проектирования электроустановки путем наложения минимальных значений тока КЗ на время-токовую характеристику аппарата защиты на всех уровнях системы электроснабжения [50,51].
В случае если время срабатывания предохранителя, при токе 1(1)к находиться в диапазоне 5с t\ to защита при косвенном прикосновении согласно [43] гарантируется только в цепях, питающих групповые щиты.
Проверка возможности применения плавких предохранителей по условию отключения участка сети в течение нормируемого времени требует индивидуальной оценки номинальных параметров каждого предохранителя. Очевидно, что при всем разнообразии электроприемников на напряжении 0,4 кВ, сопоставление время-токовых характеристик предохранителей и токов однофазных КЗ очень трудоемкая задача, затягивающая процесс проектирования.
Если защитный аппарат - автоматический выключатель, то достаточно проверить, что величина тока однофазного КЗ превышает уставку тока срабатывания отсечки (рис 4.1.6): где 1-го - уставка срабатывания токовой отсечки автоматического выключателя, А. В этом случае размыкание контактов автоматического выключателя происходит за время намного меньшее, чем установленное допустимое время в таблице 1.7.79 [43], так полное время отключения токоограничивающих выключателей составляет менее 10 мс (при отключении предельных токов), нетокоограничивающих выключателей - 40 мс.
Селективные автоматические выключатели должны применяться для питания распределительных щитов, так как при этом допустимо использовать регулировку селективной отсечки (обычно от 0,1 до 0,7 с). Следует отметить, что при определении максимального значения уставки срабатывания токовой отсечки автоматического выключателя необходимо учитывать допустимый разброс по току срабатывания, заявленный производителем оборудования.
