Система TN: защита от косвенного прикосновения

Материал из Руководство по устройству электроустановок

Перейти к: навигация , поиск
Общие правила проектирования электроустановок
Подключение к распределительной сети высокого напряжения
Подключение к низковольтной распределительной сети
Руководство по выбору архитектуры сети высокого и низкого напряжения
Распределение в системах низкого напряжения
Защита от поражения электрическим током
Выбор сечения и защита проводников
Низковольтная распределительная аппаратура
Защита от перенапряжений в низковольтных сетях
Энергоэффективность в электрических сетях
Компенсация реактивной мощности и фильтрация гармоник
Управление гармониками
Особые источники питания и нагрузки
Электроустановки жилых помещений и коттеджей
Электромагнитная совместимость (ЭМС)


Содержание

Методы определения уровней тока короткого замыкания

Обычно используются три метода расчета:

  • метод полных сопротивлений, основанный на векторном суммировании полных сопротивлений системы;
  • композиционный метод;
  • традиционный метод, основанный на предполагаемой величине падения напряжений и использовании специальных таблиц.

В системах заземления TN по цепи замыкания на землю будет в принципе всегда проходить ток достаточной величины для срабатывания устройства максимальной токовой защиты.

Сопротивления источника питания и питающей сети гораздо ниже, чем сопротивление цепей электроустановки, поэтому любое ограничение величины токов замыкания на землю будет, в основном, вызываться проводниками этой электроустановки (длинные гибкие провода, идущие к бытовым электроприборам, значительно увеличивают сопротивление цепи замыкания и, соответственно, снижают величину тока короткого замыкания).

Самая новая рекомендация МЭК в отношении защиты от косвенного прикосновения в системах заземления TN лишь устанавливает соотношение между максимально допустимым временем отключения и номинальным напряжением системы (рис. F13 в подразделе Автоматическое отключение в системе TN).

Указанные рекомендации основаны на том, что для повышения потенциала открытой проводящей части до 50 В или выше ток, который должен протекать в цепях системы TN, будет настолько большим, что может случиться следующее:

  • цепь замыкания перегорит практически мгновенно;
  • произойдет металлическое короткое замыкание проводника, и ток будет достаточной величины, чтобы вызвать срабатывание устройства максимальной токовой защиты.

Чтобы в последнем случае обеспечить правильное срабатывание устройств защиты от сверхтока, на этапе проектирования объекта необходимо провести достаточно точную оценку уровней токов замыкания на землю.

Тщательный анализ предусматривает применение метода симметричных составляющих к каждой цепи по очереди. Данный метод является несложным, но объем вычислений является чрезмерно большим, особенно с учетом того, что на типовой электроустановке низкого напряжения очень трудно определить полные сопротивления нулевой последовательности с приемлемой степенью точности.

Более предпочтительны другие упрощенные методы, обеспечивающие приемлемую точность. Ниже описаны три таких практических метода:

  • Метод полных сопротивлений, основанный на суммировании всех полных сопротивлений (только прямой последовательности) каждого элемента цепи замыкания на землю.
  • Композиционный метод, представляющий собой оценку тока короткого замыкания на дальнем конце цепи при известном уровне тока короткого замыкания на ближнем конце этой цепи.
  • Традиционный метод расчета минимальных уровней токов замыкания на землю с использованием таблиц значений для получения быстрых результатов.

Эти методы дают надежные оценки лишь для случая, когда кабели, составляющие цепь замыкания на землю, находятся в непосредственной близости друг от друга и не разделены ферромагнитными материалами.

Метод полных сопротивлений

Современная практика выполнения расчетов предусматривает использование программного обеспечения, разрешенного уполномоченными национальными органами и основанного на методе полных сопротивлений, например Ecodial 3. Как правило, национальные органы публикуют свои рекомендации, в которых приводятся типовые значения, длины проводников и т.п.

В этом методе суммируются полные сопротивления прямой последовательности для каждого элемента цепи замыкания на землю (кабеля, PE-проводника, трансформатора), на основе чего определяется ток короткого замыкания на землю по следующей формуле:

I=\frac{U}{\sqrt{\left ( \sum R \right )^2 + \left ( \sum X \right )^2 } }\ ,

где:
(ΣR) 2 - сумма всех активных сопротивлений в цепи замыкания на этапе проектирования строящегося объекта;
(ΣX) 2 - сумма всех индуктивных реактивных сопротивлений в цепи замыкания;
U - номинальное фазное напряжение в системе.

Применение данного метода иногда затрудняется тем, что должны быть известны значения всех параметров системы и характеристики элементов цепи замыкания. Национальные нормативные документы могут содержать рекомендации по типовым значениям параметров.


Композиционный метод

Данный метод позволяет определить ток короткого замыкания на дальнем конце цепи по известной величине тока короткого замыкания на ближнем конце этой цепи с помощью формулы:

I=I_{sc}\cdot\frac{U}{U+Z_sI_{sc} }\ ,

где:
Isc - ток короткого замыкания на вышестоящем участке цепи;
I - ток короткого замыкания на дальнем конце цепи;
U – номинальное фазное напряжение в системе;
Zs – полное сопротивление цепи.

Примечание: в отличие от предыдущего метода полных сопротивлений, в данном методе полные сопротивления отдельных элементов суммируются арифметически [1].

Традиционный метод

Этот метод позволяет достаточно точно определить максимально допустимую длину кабелей.

Принцип

Принцип данного метода основан на расчете тока короткого замыкания и предполагает, что на входе рассматриваемой цепи (т.е. в месте установки УЗО), напряжение остается на уровне 80% или более от номинального фазного напряжения. Эта величина вместе с величиной полного сопротивления цепи используется для расчета тока короткого замыкания.

Данный коэффициент учитывает все падения напряжения на участках, расположенных выше по цепи от рассматриваемой точки. В низковольтных кабелях, когда все проводники трехфазной четырехпроводной цепи находятся близко друг к другу (что является нормальным случаем), индуктивное сопротивление как самих проводников, так и между ними пренебрежимо мало по сравнению с активным сопротивлением кабеля.

Такое допущение считается справедливым для кабелей с сечением до 120 мм2. Пример: см. рис. F39.

При превышении этой длины активное сопротивление R увеличивается следующим образом:

Максимальная длина любой цепи электроустановки при использовании системы заземления TN: \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}Lmax=\frac{0,8\ Uo\ Sph}{\rho \left ( 1+m \right )Ia}


Площадь сечения жилы (мм2) Величина активного сопротивления
S = 150 мм2 R+15%
S = 185 мм2 R+20%
S = 240 мм2 R+25%

Максимальная длина любой цепи электроустановки при использовании системы заземления TN определяется формулой:

Lmax=\frac{0,8\ Uo\ Sph}{\rho \left ( 1+m \right )Ia}\ ,

где:
Lmax – максимальная длина кабеля в метрах;
Uo – фазное напряжение в вольтах (230 В для системы напряжением 230/400 В);
ρ – удельное электрическое сопротивление при нормальной рабочей температуре в Ом•мм2/м (22,5 х 10-3 для меди и 36 х 10-3 для алюминия);
Ia – уставка по току отключения для режима мгновенного срабатывания автоматического выключателя или

Ia – ток, при котором гарантировано срабатывание используемого защитного плавкого предохранителя в течение нормативного времени.

m=\frac{Sph}{SPE}\ ,

где:
Sph – площадь сечения фазных проводников соответствующей цепи в мм2;
SPE – площадь сечения рассматриваемого защитного проводника в мм2

(см. рис. F39).


Рис F39.jpg


Рис. F39 : Расчет L max для системы заземления TN с использованием традиционного метода

Таблицы

В следующих таблицах указана длина цепи, которая не должна превышаться, с тем чтобы можно было обеспечить защиту людей от косвенного прикосновения с помощью защитных устройств

Приведенные ниже таблицы для систем TN были составлены с помощью описанного выше традиционного метода.

В них указана максимальная длина цепей, при превышении которой омическое сопротивление проводников ограничит величину тока короткого замыкания до уровня ниже того, который требуется для срабатывания автоматического выключателя (или плавкого предохранителя), защищающего эту цепь, с достаточной быстротой, чтобы обеспечить безопасность от косвенного прикосновения.

Поправочный коэффициент m

На рис. F40 представлен поправочный коэффициент, который должен применяться к значениям, указанным на рис. F42 - F44, с учетом отношения Sph/SPE, типа цепи и материалов проводников.

В этих таблицах учитывается:

  • тип защиты: автоматические выключатели или плавкие предохранители;
  • уставки по току срабатывания;
  • площадь сечения фазных и защитных проводников;
  • тип системы заземления (рис. F45);
  • тип автоматического выключателя (т.е. B, C или D).

Эти таблицы можно использовать для систем напряжением 230/400 В.

Эквивалентные таблицы для защиты с помощью автоматических выключателей Compact и Multi 9 включены в соответствующие каталоги.


Цепь Материал проводника m = Sph/SPE (или PEN)
m = 1 m = 2 m = 3 m = 4
3 фазы + нейтраль или фаза + нейтраль Медь 1 0,67 0,50 0,40
Алюминий 0,62 0,42 0,31 0,25


Рис. F40 : Поправочный коэффициент для цепей, приведенных в таблицах F40 - F43 для систем TN

Цепи, защищенные автоматическими выключателями общего назначения

(рис. F41)

Номинальное сечение проводников Отключающий ток Im при мгновенном срабатывании выключателя или срабатывании с короткой выдержкой времени (А)
мм2 50 63 80 100 125 160 200 250 320 400 500 560 630 700 800 875 1000 1120 1250 1600 2000 2500 3200 4000 5000 6300 8000 10000 12500
1,5 100 79 63 50 40 31 25 20 16 13 10 9 8 7 6 6 5 4 4                    
2,5 167 133 104 83 67 52 42 33 26 21 17 15 13 12 10 10 8 7 7 5 4                
4 267 212 167 133 107 83 67 53 42 33 27 24 21 19 17 15 13 12 11 8 7 5 4            
6 400 317 250 200 160 125 100 80 63 50 40 36 32 29 25 23 20 18 16 13 10 8 6 5 4        
10     417 333 267 208 167 133 104 83 67 60 53 48 42 38 33 30 27 21 17 13 10 8 7 5 4    
16         427 333 267 213 167 133 107 95 85 76 67 61 53 48 43 33 27 21 17 13 11 8 7 5 4
25             417 333 260 208 167 149 132 119 104 95 83 74 67 52 42 33 26 21 17 13 10 8 7
35               467 365 292 233 208 185 167 146 133 117 104 93 73 58 47 36 29 23 19 15 12 9
50                 495 396 317 283 251 226 198 181 158 141 127 99 79 63 49 40 32 25 20 16 13
70                       417 370 333 292 267 233 208 187 146 117 93 73 58 47 37 29 23 19
95                           452 396 362 317 283 263 198 158 127 99 79 63 50 40 32 25
120                               457 400 357 320 250 200 160 125 100 80 63 50 40 32
150                                 435 388 348 272 217 174 136 109 87 69 54 43 35
185                                   459 411 321 257 206 161 128 103 82 64 51 41
240                                       400 320 256 200 160 128 102 80 64 51


Рис. F41 : Максимальная длина цепи (в метрах) для медных проводников различного сечения в зависимости от уставки по току мгновенного отключения при использовании автоматических выключателей общего назначения в системе TN напряжением 230/240 при m = 1


Промышленные и бытовые цепи, защищенные автоматическими выключателями Compact[2] или Multi 9 [2]

(рис. F42 - F44)


Sph Номинальный ток (А)
мм2 1
2  3 4  6 10 16  20 25 32 40  50 63 80 100 125
1,5 1200 600 400  300  200 120 75 60 48 37 30 24 19 15 12 10
2,5   1000 666 500  333 200 125 100  80 62 50 40 32  25 20 16
4      1066  800 533 320 200 160 128 100 80 64 51  40 32  26
6       1200 800  480 300 240 192 150 120 96 76 60  48 38 
10              800 500 400  320 250 200 160 127 100  80  64
16                  800 640 512 400  320  256  203 160 128 102
25                        800 625 500 400 317 250 200 160
35                             875 700  560 444  350 280 224 
50                                 760  603 475 380 304


Рис. F42 : Максимальная длина цепи (в метрах) для медных проводников различного сечения в зависимости от номинального тока автоматических выключателей типа
B[3] в одно-или трехфазной системе TN напряжением 230/240 В при m = 1


Sph Номинальный ток (А)
мм2 1
2  3 4  6 10 16  20 25 32 40  50 63 80 100 125
1,5 600 300 200 150 100 60 37 30 24 18 15 12 9 7 6 5
2,5   500 333 250 167 100 62 50  40 31  25 20 16  12 10
4      533 400  267 160 100 80 64  50 40 32  25  20 16  13 
6       600 400  240 150 120 96 75 60 48  38 30  24  19 
10           677 400 250 200  160 125 100 80 63  50  40  32 
16                 640 400 320 256 200  160  128 101 80 64  51 
25                    625 500 400 312 250 200 159  125 100 80 
35                      875  700 560 437 350  280 222  175 140 112 
50                          760 594 475 380  301  237 190 152 


Рис. F43 : Максимальная длина цепи (в метрах) для медных проводников различного сечения в зависимости от номинального тока автоматических выключателей типа C2 в одно- или трехфазной системе TN напряжением 230/240 В при m = 1


Sph Номинальный ток (А)
мм2 1
2  3 4  6 10 16  20 25 32 40  50 63 80 100 125
1,5 429 214 143 107 71 43  27 21 17 13 11 9 5 3
2,5 714 357 238 179  119 71  45  36  29 22  18  14 11  7 6
4   571 381  286  190 114  71  80 46 36  29  23  18  14 11 9
6   857 571 429 286 171  107  120  69  54  43  34  27  21  17 14
10       952 714 476 284  179  200  114  89  71  57  45  36  29 23
16                762 457  286  320 183 143  114  91  73  57  46 37
25                714 446 500 286  223  179  143  113  89  71 57
35                   625 700 400 313  250  200  159  125  80 100
50                      848 543 424 339 271  215  170  136 109


Рис. F44 : Максимальная длина цепи (в метрах) для медных проводников различного сечения в зависимости от номинального тока автоматических выключателей типа
D[4] в одно-или трехфазной системе TN напряжением 230/240 В при m = 1


Пример:
Трехфазная четырехпроводная электроустановка напряжением 230/400 В выполнена по системе заземления TN-C. Цепь защищена автоматическим выключателем типа B с номинальным током срабатывания 63 А и состоит из кабеля с алюминиевыми жилами с сечением фазных проводников 50 мм2 и нулевого проводника (PEN) сечением 25 мм2.

Какова максимальная длина цепи, ниже которой обеспечивается гарантированная защита людей от опасностей косвенного прикосновения с помощью электромагнитного отключающего реле мгновенного действия, входящего в состав автоматического выключателя?

Из таблицы, приведенной на рис. F42, для сечения проводника 50 мм2 и автоматического выключателя типа B с номинальным током 63 А получаем длину 603 м, к которой должен быть применен поправочный коэффициент 0,42 (рис. F40) для

m=\frac{Sph}{SPE}= 2

Таким образом, максимальная длина цепи составит:603 x 0,42 = 253 м.

Частный случай, когда одна или несколько открытых проводящих частей соединены с отдельными заземлителями

Защита от косвенного прикосновения должна быть обеспечена посредством установки УЗО на вводе любой цепи, питающей бытовой электроприбор или группу бытовых электроприборов, открытые проводящие части которых соединены с отдельным заземлителем.

Чувствительность УЗО должна быть согласована с сопротивлением заземлителя (RA2 на рис. F45). См. технические требования к системе TT.


Рис F45.jpg


Рис. F45 : Отдельный заземлитель


Примечания

[1] Это приводит к тому, что рассчитанная величина тока оказывается меньше фактической. Если уставки максимальной токовой защиты основаны на этой рассчитанной величине, то срабатывание реле или плавкого предохранителя гарантируется.

[2] Изделия Schneider Electric.

[3] Идентификация автоматического выключателя типа B рассматривается в главе Низковольтная распределительная аппаратура (подраздел Основные характеристики автоматического выключателя).

[4] Для идентификации автоматического выключателя типа D см. Низковольтная распределительная аппаратура,подраздел Основные характеристики автоматического выключателя.