Методический материал для преподавателя по дисциплине «Безопасность технологических процессов и технических средств на железнодорожном транспорте».

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1

«РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ КОНТУРА ЗАЗЕМЛЕНИЯ ОРУ110 КВ

ПО НОРМАМ ДОПУСТИМОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ РАСТЕКАНИЯ»

В практике проектирования существует несколько методов расчёта зазем­ляющих устройств электроустановок. Применение того или иного из них диктует­ся целями, которых необходимо достичь в результате расчёта: критерий, по кото­рому должен вестись расчёт, требуемая точность расчёта, набор исходных дан­ных, которыми располагает расчётчик, и т.д.

Один из методов расчёта, дающий первичный приближённый результат – так называемый ИНЖЕНЕРНЫЙ МЕТОД РАСЧЁТА СОПРОТИВЛЕНИЯ РАС­ТЕКАНИЯ ЗАЗЕМЛЯЮЩЕГО УСТРОЙСТВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОЭФ­ФИЦИЕНТА ИС-ПОЛЬЗОВАНИЯ.

Этим методом необходимо решить предлагаемую задачу. По исходным данным, приведённым в табл.1, необходимо рассчитать пара­метры заземляющего устройства ОРУ-110 кВ по условию НЕПРЕВЫШЕНИЯ его сопротивления величины, норми-руемой ПУЭ:

-выбрать тип заземляющего устройства (контурное, протяжённое);

-выбрать конструкцию заземлителей (электродов): материал, размеры;

-выбрать способ размещения электродов в земле: глубину заложения, расстоя­ние между электродами.

Исходные данные для расчёта надлежит выбрать по одному из 10 столбцов табл.1 в соответствии с последней цифрой зачётной книжки.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАСЧЁТА

1. Определяются материал, размеры электродов, схема размещения их в земле по одному из вариантов, указанных в табл.2. При этом, исходя из практики проектирования и сооружения заземляющих устройств открытых РУ110-220 кВ подстанций, рекомендуется:

1.1.Принимать в качестве расчётной схему ЗУ с вертикально погруженными в грунт электродами с заглублением их вершин на 60-80 см ниже поверхности грунта.

1.2.Длину электрода «l » принимать не менее 2,5м.

1.3.В качестве заземлителя рекомендуется применять групповой заземлитель, так как одиночный в подавляющем числе случаев не позволяет получить тре­буемую ПУЭ величину сопротивления растекания грунта.

2. В соответствии с выбранными конструкцией электродов, их размерами по
соответствующей формуле из табл.2 рассчитывается сопротивление R_в растеканию тока с одиночного заземлителя. При этом удельное объёмное сопротивление «r » грунта, заданное в исходных данных (строка 2 табл.1), следует откорректировать с учётом коэффициента сезонности «Y » (табл.3) в соответствии с условиями задачи (стр.2 и 3 табл.1): r_ф=r_исх ×Y.

3. В общем случае количество вертикальных электродов группового заземли­теля рассчитывается методом последовательных приближений по формуле:

 

 

где R_b - рассчитанное сопротивление растеканию вертикального заземлителя;

R_доп - нормативное значение сопротивления растеканию заземляющего устройства;

n - количество электродов в заземляющем устройстве;

h_в - коэффициент использования вертикальных заземлителей.

Физический смысл h_в – учёт влияния друг на друга полей растекания оди­ночных электродов в групповом заземлителе. При расстояниях между электрода­ми 40м и более (2х20) м влияние полей растекания электродов друг на друга не проявляется и h_в =1, при уменьшении расстояния (менее 40м) h_в, снижается.

С учётом этого явления расстояние «а » между соседними электродами рекомен-дуется принимать равным: для схемы размещения электродов в линию а =(2-3) l, т.е. у = (2 - 3); а для схемы размещения по контуру а=31. т. е. у = 3, где l – длина вертикального электрода, м.

Ориентировочно количество электродов в групповом заземлителе выбира­ется по табл.4, исходя из соотношения Г|_в.п=-^- и принятого 7. При несовпадении рассчитан-ного соотношения h_в ×n с табличными значениями коли­чество электродов «n » опре-деляется способом интерполяции с округлением полу­ченной величины до ближайшего целого числа в сторону уменьшения.

4. По принятой схеме размещения электродов в земле подсчитывается длина горизонтальной соединительной полосы L_г, м и рассчитывается сопротив­ление растеканию тока с неё:

4.1.При расположении заземлителей в ряд длина полосы L =(n-l)× a, при расположении их по контуру- L = 1,05× n×а.

4.2.Сопротивление горизонтального заземлителя растеканию тока R_r определяется по соответствующей формуле из табл.2.

5.По вычисленным сопротивлениям растеканию одиночного вертикально­го и горизонтального заземлителей с учётом соответствующих коэффициентов исполь-зования вертикального h_в и горизонтального h_г заземлителей и принятого количества вертикальных электродов «n » рассчитывается результирующее сопро­тивление растеканию тока группового заземлителя по формуле:

 

 

Значения коэффициентов использования h_в и h_г принимаются по табл.4 и 5. Полученное значение сопротивления растеканию тока группового заземлите­ля R_{з.у .} не должно превышать нормативного значения R_доп. по ПУЭ, а отклоне­ние его в меньшую от нормативного значения сторону не должно превышать 10% нормативной величины R_доп.. во избежание неоправданных экономических затрат на сооружение заземляющего устройства.

Если это условие при расчёте не достигнуто, необходимо изменить парамет­ры заземляющего устройства: размеры электродов, расстояние между ними (один или оба параметра) и расчёт повторять до получения приемлемого результата.

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 2.

«ВЫБОР СРЕДСТВ ЗАЩИТЫПРИ ЗАМЫКАНИЯХ НА КОРПУС

В ТРЁХФАЗНОЙ ЧЕТЫРЁПРОВОДНОЙ СЕТИ С НУЛЕВЫМ

ЗА­ЩИТНЫМ ПРОВОДНИКОМ »

 

Расчет систем защитного зануления имеет целью определить условия, при которых оно надёжно выполняет свои функции, а именно: обеспечивает надёжное ж быстрое отключение повреждённого участка или элемента электроустановки от сети и безопасность прикосновения человека к занулённому оборудованию в ава­рийный период работы электроустановки.

В соответствии с этими функциями систему защитного зануления рассчи­ты-вают:

- на отключающую способность защитного аппарата;

- на безопасность прикосновения к корпусу при замыкании фазы на зем­лю (расчёт заземления нейтрали);

- на безопасность прикосновения к корпусу при замыкании фазного про­водника на корпус (расчёт повторного заземления нулевого защитного провода).

В задании предлагается провести расчёт системы защитного зануления электроустановки только по одному критерию – на отключающую способность защит-ного аппарата, иначе – по результатам расчёта тока короткого замыкания на корпус подобрать соответствующий защитный аппарат.

По заданным в табл.6 параметрам электроустановки необходимо подоб­рать аппараты защиты, обеспечивающие отключение потребителя от электриче­ской сети при однофазном замыкании на занулённый корпус электрообрудования. Вариант исходных данных для задания берётся по последней цифре номера за­чётной книжки студента (строка 1 табл. 6).

Питание потребителей электроэнергии осуществляется от РУ- 0,4 кВ трансфор-маторной подстанции кабелем, проложенным в земле. Расстояние от ТП до электроп-риёмника l =150 м. Электрические характеристики двигателей при­ведены в табл.7.

УКАЗАНИЯ К РАСЧЁТУ

Решение задачи в конечном счёте сводится к подбору по результатам рас­чёта тока короткого замыкания параметров защитного аппарата: номинального тока плавкой вставки предохранителя или автомата, параметров фазных и нулево­го защитного проводников (материал и сечение жил кабеля), обеспечивающих ток однофазного короткого замыкания достаточной для срабатывания защиты вели­чины.

Принципиальная электрическая схема электроустановки выглядит следующим образом:

 

 

Рис.2.1

Согласно ПУЭ, проводимости фазных и нулевого защитного проводни­ков долж-ны обеспечивать выполнение условия: I_{к.з .}³ I_пр.ном.×k, где «k »- коэффи­циент кратности тока срабатывания защиты; I_пр.ном. – номинальный ток плавкой вставки предохранителя.

1.Определяется рабочий ток в фазном проводе:

 

 

Рассчитанный ток является основанием для подбора номинального тока выби-раемого аппарата защиты.

1.1.При выборе номинального тока плавкой вставки предохранителя необходимо принимать в расчёт пусковой ток двигателя I_{дв.пуск.}, который в несколько раз превышает его установившийся рабочий ток I_дв.ном^.. Соотношение пускового и номинального тока I_{дв.пуск.}/ I_дв.ном.= k_кр. для двигателей различной мощности приведено в табл.7.

1.2.Найденное значение корректируется в зависимости от частоты включения двигателей коэффициентом «a »,который принимается равным 1,6-1,8 для двигателей с частыми включениями, например, на крановых установках, и 2,0-2,5 для двигателей с редкими включениями, например, калориферы и вентиля­торы аккумуляторных батарей тяговых подстанций.

1.3.Требуемый номинальный ток, определяющий стандартный номиналь­ный ток плавкой вставки предохранителя с учётом коэффициента кратности и коэффициента частоты включения «a », определится выражением:

I_пр.ном. = I_дв.ном.×k_кр×a

Предохранитель выбирается с номинальным стандартным током, равным рассчитанному, или ближайшим большим номиналом, но никак не меньшим рассчи-танного во избежание перегорания вставки от тока на­грузки. Характеристики некоторых типов предохранителей приведены в табл.9.

2.Надёжность отключения повреждённого участка сети (однофазного к.з.) пере-горанием плавкой вставки предохранителя, согласно ПУЭ, должна быть обеспечена условием I_к.з. ³3 I_пр.ном., где I_пр.ном. номинальный ток плавкой вставки выбранного предохранителя.

Таким образом, следующий этап расчёта- расчёт минимального тока ко­роткого замыкания. При расчёте принимаются следующие допущения:

2.1.Источник питания- неограниченной мощности;

2.2.Расчётный режим- однофазное короткое замыкание.

Эти допущения позволяют составить расчётную схему электрической се­ти в максимально упрощённом виде:

 

 

Рис.2.2.

Здесь Z t – полное сопротивление обмоток трансформатора (табл. 10); Zф = Rф + jXф – полное сопротивление фазного проводника, Zh – то же нулевого защит-ного проводника; Хп – внешнее индуктивное сопротивление петли «фаза- нуль». Ток однофазного короткого замыкания в цепи определяется выражением:

 

Здесь Zn - полное сопротивление цепи «фаза- нуль»;

Zn= (R4> +Rh)² +(Хф+Хн+Хп)²; Хф, Хн - внутренние индуктивные сопротив­ления соответственно фазного и нулевого проводников.

У проводников из меди и алюминия эти сопротивления исчезающе малы по сравнению с внешним сопротивлением петли «фаза - нуль» и их в расчётах не при-нимают во внимание; таким образом, Zn =^{R_t + R_Hf + Хп².

Активные сопротивления фазного и нулевого проводников, как и внешнее индуктивное сопротивление петли «фаза - нуль» Хп, определяются по их погон­ным сопротивлениям R^,R^l_n,X\, приведённым в табл. 10.

3.Проверяется соответствие полученного значения тока короткого замыкания I_к.з.. условию I_к.з. ³3 I_пр.ном..

В случае несоответствия полученного тока короткого замыкания этому условию намечаются и проверяются повторными расчётами варианты решения, которые, в конце концов, обеспечат выполнение условия. В качестве вариантов могут рассматриваться:

- уменьшение расстояния от распределительного щита до потребителя, если это позволяет сделать конструкция электроустановки;

- увеличение сечения питающего кабеля;

- замена предохранителей автоматическими выключателями. Характеристики некоторых типов автоматических выключателей приведе­ны в табл. 11.

 

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Сибаров Ю. Г. Сколотнев Н. Н. Филипченко М. П. Чаплинский И. Л. Шумский В. М. Средства защиты электробезопасности: Учеб. пособие.- М.: Изд-во МИИТа, 1999.-46 с.

2. Долин П. А. Основы техники безопасности в электроустановках.- М.: Изд-во «Энергия», 1984.-448 с.

3. Правила устройства электроустановок.- Красноярск: Рекламно-
издательский магазин «Красный Яр», 1998.-656 с.

4. Кузнецов Р. С. Аппараты распределения электрической энергии на на­пряжении до 1000 вольт.- М.: Изд-во «Энергия», 1970.-468 с.

5. Межотраслевые правила по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации электроустановок.- М.: Изд-во «НЦ ЭНАС», 2001.- 210 с.

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

к контрольной работе № 1 (таблицы 1-5)

Таблица 1

Исходные данные для выбора варианта задачи № 1 «Характеристики грунтов»

 

	Последняя цифра номера зачётной книжки
Харак-терис-тика грунта, Ом×м	Глина	Сугли- нок	Песок	Супесь	Торф	Черно- зём	Камень	Скала	Песок	Сугли- нок
Клима-тич. зона	I	I	III	III	IV	II	II	IV	I	III
Влажн. земли	Повыш.	Повыш.	Повыш,	Норм.	Норм.	Норм.	Норм.	Малая	Малая	Малая

 

 

Таблица 2

Расчётные формулы для определения сопротивления одиночных

заземлителей в однородном грунте

 

Тип заземлителя	Схема	Расчётная формула	Условия применен.
Стержневой круглого сече­ния (труба) или угол­ковый на поверхности зем­ли			l >> d для уголка с шириной полки " b » d = 0,95 b
То же в земле			l > d; t 0 =0,5м для уголка с шириной пол­ки «b » d =0,95 b
Протяжённый в земле (стержень, труба, полоса, ка-бель и т.п.)			l >> d l >>4 t для полосы шириной «b » d =0,5 b

 

ПРИМЕЧАНИЕ: " r " в формулах – удельное сопротивление грунта Ом×м; все размеры в метрах; сопротивление " R " в омах.

 

Таблица 3

Коэффициенты сезонности «Y » для однородной земли

 

Климатическая зона	Состояние земли во время измерения ее сопротивления при влажности:
Повышенной	Нормальной	Малой
Вертикальные электроды длиной 3 м
I	1,9	1,7	1,5
II	1,7	1,5	1,3
III	1,5	1,3	1,2
IV	1,3	1,1	1,0
Вертикальные электроды длиной 5 м
I	1,5	1,4	1,3
II	1,4	1,3	1,2
III	1,3	1,2	1,1
IV	1,2	1,1	1,0
Горизонтальные электроды длиной 10 м
I	9,3	5,5	4,1
II	5,9	3,5	2,6
III	4,2	2,5	2,0
IV	2,5	1,5	1,1
Горизонтальные электроды длиной 50 м
I	7,2	4,5	3,6
II	4,8	3,0	2,4
III	3,2	2,0	1,6
IV	2,2	1,4	1,12

 

Примечания. 1.При проектировании заземляющих устройств в качестве расчётного не­обходимо брать наибольшее возможное в течение года значение «Y ».

2. Заглубление электрода, т.е. расстояние от поверхности земли до верхнего конца вер-тикаль­ного электрода, или до горизонтального электрода, принимать равным 0,7-0,8 м.

 

 

Таблица 4

Коэффициенты использования «h_в » вертикальных электродов в зависимости от их количества «n » без учёта соединительной полосы

 

a/l	При размещении в ряд	При размещении по контуру
hв × n	n	hв	hв × n	n	hв
	1.70		0.85	2.76		0.69
2.34		0.78	3.66		0.61
2.92		0.73	5.50		0.55
3.50		0.70	9.40		0.47
3.90		0.65	16.40		0.41
5.90		0.59	23.40		0.39
8.10		0.54	36.00		0.36
9.60		0.48	-	-	-
	1.82		0.91	3.12		0.78
2.61		0.87	4.38		0.73
3.32		0.83	6.80		0.68
4.05		0.81	12.60		0.63
4.62		0.77	23.20		0.58
7.40		0.74	33.00		0.55
10.50		0.70	52.00		0.52
13.40		0.67	-	-	-
	1.88		0.94	3.4		0.85
2.73		0.91	4.8		0.80
3.56		0.89	7.5		0.76
4.35		0.87	14.2		0.71
5.10		0.85	26.4		0.66
8.10		0.81	38.4		0.64
11.70		0.78	62.0		0.62
15.20		0.76	-	-	-

 

 

Таблица 5

Коэффициенты использования «h_г » горизонтальной соединительной полосы

 

 

 

Количест-во верти-каль­ных электро-дов	Способ размещения электродов в земле
В один ряд при a/l, равном:	По контуру при a/l равном:
	0.85	0.94	0.96	-	-	-
	0.77	0.89	0.96	0.45	0.95	0.70
	0.72	0.84	0.88	0.40	0.48	0.64
	0.67	0.79	0.85	0.36	0.43	0.60
	0.62	0.75	0.82	0.34	0.40	0.56
	0.42	0.56	0.68	0.27	0.32	0.45
	0.31	0.46	0.58	0.24	0.30	0.41
	-	-	-	0.22	0.29	0.39
	0.21	0.36	0.49	0.21	0.28	0.37
	-	-	-	0.20	0.27	0.36
	-	-	-	0.20	0.26	0.35
	-	-	-	0.19	0.23	0.33

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

К контрольной работе № 2 (таблицы 6-11)

Таблица 6

Исходные данные для выбора варианта задачи №2

 

Посл. цифра зач. книжки
Мощность тр-ров ТП, кВА
Мощность Эл. двиг., кВт	4.0	7.5	7.5

 

Таблица 7

Электрические характеристики электродвигателей единой серии 4А

 

Тип двигателя	Мощность, кВт	Cos j	Iдв.пуск./ Iдв.ном.
4А 1002	4.0	0.87	5.5
4А112М2	7.5	0.88	7.5
4А1602		0.91	7.5
4A180S2		0.91	7.5
4А200М2		0.90	7.5
4А225М2		0.90	7.5

 

Таблица 8

Номинальные токи стандартных предохранителей

 

Тип предо­хранителя	Номинальный ток (ток пл. вставки) Iпр.ном., А
НПН 15	6; 10; 15.
НПН 60М	20; 25; 35; 45; 60.
ПН 2-100	30; 40; 50; 60; 80; 100.
ПН 2-250	80; 100; 120; 150; 200; 250.
ПН 2-400	200; 250; 300; 350; 400.
ПН 2-600	300; 400; 500; 600.
ПН 2-1000	500; 600; 750; 800; 1000.

 

Таблица 9

Полные сопротивления Zт обмоток силовых трансформаторов

 

Мощность тр-ра, кВА	Номин.напряжение обмоток ВН, кВ	Zт, Ом при схеме соединения обмоток:
Y / Yo	D/ Yo и Y/Zo
	6-10	0.799	0.226
	6-10	0.487	0.141
	6-10	0.312	0.090
	6-10	0.195	0.056
	6-10	0.129	0.042
	6-10	0.081	0.027
	0.077	0.032

 

 

Таблица 10

 

Погонное активное R и внешнее индуктивное Хп сопротивления

Ом×км фазных и нулевых защитных проводников при частоте тока 50 Гц

 

	R провода или жил кабеля при t=20°С	Хп алюминиевых и сталеалюминиевых проводов ВЛ при среднем расстоянии между проводами мм	Х„ проводов и кабелей
Пло­щадь сече-ния, мм2	Мед-ных	Алю-ми­-ниевых или сталеа-люм.						Откры­тая прок­ладка прово­дов	Провод в тру-бах или ка­бель
	1.64 1.20 0.74 0.54 0.39	3.14 1.96 1.27 0.91 0.63	- 0.374 0.362 0.349 0.339	- 0.389 0.376 0.364 0.354	- 0.411 0.398 0.388 0.377	- 0.480 0.407 0.404 0.395	- 0.442 0.417 0.412 0.409	0.31 0.29 0.27 0.26 0.25	0.07 0.07 0.07 0.06 0.06

 

Таблица 11

 

Характеристики трёхполюсных автоматических выключателей серии А 3100

 

Тип автома­та	Номин. ток А	Номин. напряж., В	Номин. ток тепло­вых расцепи-телей, А	Нерегулируемые уставки на ток срабатывания расцепителей А
				электромагнитных	теплового
				Не сраба-тывает при	Срабаты-ва­ет при (на перем. то­ке)	Не сраба­тывает при	Сраб. в теч. не более 1часа при
А 3163			15, 20,25, 30, 40, 50	нет	нет	1.1 Iн	1.35 Iн
А3110			15, 20, 25 30, 40, 50 60,80,100	7 Iн	13 Iн	1.1 Iн	1.45 Iн
А3120			15,20,25 30,40,50.60, 80,100
А3130			120, 150, 200	5.8 Iн	8 Iн
А3140			250, 300, 400, 500, 600.	6 Iн	8 Iн