Устройства защиты в системах электроснабжения жилых и общественных зданий

Устройства защиты в системах электроснабжения жилых и общественных зданий

Короткое замыкание (КЗ) относится к аварийным режимам и бывает одно-, двухи трехфазным. Самым тяжелым является трехфазное КЗ, но оно возникает значительно реже, чем однофазное или двухфазное. Причинами КЗ являются:

• пробой изоляции;

• перекрытие изоляции;

• неправильная сборка схемы;

• ошибки обслуживающего персонала.

Рис. 12. Карта средней за год продолжительности гроз (ч) для территории РФ

Токи КЗ, во много раз превышающие номинальные токи присоединенных электроприемников и допустимые токи проводников, оказывают динамическое и термическое действие на токоведущие части, вызывая выход их из строя, поэтому КЗ необходимо локализовать и быстро отключить поврежденный участок сети.

Если КЗ являются аварийным режимом, то перегрузки относятся к анормальным режимам, так как сопровождаются прохождением по электрооборудованию и токоведущим проводникам повышенных токов, вызывая ускоренное старение изоляции, что может привести к КЗ.

В качестве аппаратов защиты электросетей и электроустановок жилых и общественных зданий применяют автоматические выключатели или предохранители. Допускается при необходимости использование реле косвенного действия для обеспечения требований чувствительности, быстродействия или избирательности (селективности).

Если применяется защита с помощью реле косвенного действия, то в зависимости от режима работы и условий эксплуатации электроустановки релейную защиту выполняют с действием на сигнал или отключение.

В целях удешевления электроустановок вместо автоматических выключателей и релейной защиты используют плавкие предохранители, если они соответствуют следующим требованиям:

• могут быть выбраны по номинальным току и напряжению, номинальному току отключения и др.;

• обеспечивают требуемые избирательность и чувствительность;

• не препятствуют применению автоматики (АПВ, АВР и т. п.).

Если релейная защита имеет цепи напряжения, то необходимо предусмотреть устройства, автоматически выводящие защиту из действия при отключении автоматических выключателей, перегорании предохранителей, а также устройства, сигнализирующие о нарушении этих цепей.

Коэффициент чувствительности Кч релейной защиты, определяемый для максимальных токовых защит по формуле:

должен быть примерно равен 1,5 для основных защит и 1,2 для резервных.

Здесь I_{к.з. min}— минимальное значение тока короткого замыкания;

I_с.з. — ток срабатывания максимальной токовой защиты.

Электрические сети жилых и общественных зданий должны иметь защиту от токов КЗ, обеспечивающую наименьшее время отключения и выполнение

требований избирательности действия. Защита должна отключать поврежденный участок при КЗ в конце защищаемой линии:

• одно-, двухи трехфазных — в сетях с глухозаземленной нейтралью;

• двухи трехфазных — в сетях с изолированной нейтралью.

Аппараты защиты выбирают и размещают так, чтобы они срабатывали с выдержкой времени по мере их удаления в сторону источника питания. Этим обеспечивается избирательность действия защиты, которая не всегда может быть достигнута в сетях до 1 кВ при использовании автоматических воздушных выключателей и предохранителей. Последнее объясняется разбросом характеристик аппаратов защиты, особенно предохранителей.

Достоинствами плавких предохранителей являются простота устройства, относительно малая стоимость, быстрое отключение цепи при КЗ (меньше одного периода), способность предохранителей типа ПК ограничивать ток в цепи при КЗ.

К недостаткам плавких предохранителей относятся следующие моменты: предохранители срабатывают при токе, значительно превышающем номинальный ток плавкой вставки, и поэтому избирательность отключения не обеспечивает безопасность отдельных участков сети; отключение сети плавкими предохранителями связано обычно с перенапряжением; возможны однофазное отключение и последующая анормальная работа установок; одноразовость срабатывания предохранителя и, как следствие, значительное время на замену предохранителя.

Наиболее распространенными предохранителями, используемыми для защиты установок напряжением до 1 кВ, являются: ПР — предохранитель разборный, НПН — предохранитель насыпной неразборный, ПНР — предохранитель насыпной разборный. Шкала номинальных токов предохранителей — 15–1000 А. Для жилых и общественных зданий основной характеристикой защиты является быстрота действия.

Электрические сети внутри зданий, выполненные открыто проложенными проводниками с горючей наружной оболочкой или изоляцией, защищают от перегрузки. Кроме того, от перегрузки защищают сети внутри зданий, а именно:

• осветительные сети жилых и общественных зданий, торговых помещений, включая сети для бытовых и переносных электроприемников (утюгов, чайников, комнатных холодильников, стиральных машин и т. п.);

• силовые сети жилых и общественных зданий, торговых помещений только в случаях, когда по режиму работы сети может возникать длительная перегрузка проводников.

Обычно в жилых и общественных зданиях в силовых сетях таких режимов не существует, поэтому они защищаются только от КЗ. Исключение составляют электрические сети к лифтам, противопожарным устройствам и т. п., относящиеся к I категории надежности питания, при установке устройств АВР (например, на ВРУ). Такие сети защищают и от перегрузки.

В электрических сетях, защищаемых от перегрузки, проводники выбирают по расчетному току. В этом случае аппараты защиты должны иметь по отношению к длительно допустимым токовым нагрузкам, приведенным в таблицах гл. 1.3 ПУЭ, кратность не более:

• 80 % для номинального тока плавкой вставки или тока вставки автоматического выключателя, имеющего только максимальный мгновенно действующий расцепитель (отсечку), — для проводников с поливинилхлоридной, резиновой или аналогичной по тепловым характеристикам изоляцией;

• 100 % для номинального тока плавкой вставки или тока вставки автоматического выключателя, имеющего только максимальный мгновенно действующий расцепитель (отсечку), — для кабелей с бумажной изоляцией;

• 100 % для номинального тока расцепителя автоматического выключателя с нерегулируемой обратно зависящей от тока характеристикой (вне зависимости от наличия или отсутствия отсечки) — для проводников всех марок;

• 100 % для тока трогания расцепителя автоматического выключателя с регулируемой обратно зависящей от тока характеристикой — для проводников с поливинилхлоридной, резиновой или аналогичной по тепловым характеристикам изоляцией;

• 125 % для тока трогания расцепителя автоматического выключателя с регулируемой обратно зависящей от тока характеристикой — для кабелей с бумажной изоляцией и изоляцией из вулканизированного полиэтилена.

Силовые электроприемники (электродвигатели переменного тока) защищают от многофазных КЗ, а в сетях с глухозаземленной нейтралью и от однофазных КЗ. Кроме того, электродвигатели защищают от токов перегрузки (максимальная токовая защита), если она имеет место, и от понижения напряжения (защита минимального напряжения).

Для защиты электродвигателей от КЗ используют предохранители или автоматические воздушные выключатели. Для надежного отключения КЗ на зажимах электродвигателя с легкими условиями пуска отношение пускового тока электродвигателя к номинальному току плавкой вставки должно быть не более 2,5, а для электродвигателей с тяжелыми условиями пуска (частые пуски и т. п.) — 1,6–2,0.

Защита двигателей от КЗ может осуществляться с помощью максимальных реле тока типа РЭВ (РЭВ-200, РЭВ-750 и др.) в виде токовой отсечки (ТО).

Автоматические выключатели являются более совершенными аппаратами защиты по сравнению с предохранителями.

Автоматические воздушные выключатели могут снабжаться следующими встроенными в них расцепителями:

• электромагнитным или электронным максимального тока;

• мгновенного или замедленного действия с практически не зависящей от тока скоростью срабатывания (защита от токов КЗ);

• электротермическим или тепловым (обычно биметаллическим) или электронным инерционным максимального тока с зависящей от тока выдержкой времени (защита от токов перегрузки);

• минимального напряжения.

Места установки аппаратов защиты выбирают, руководствуясь следующими указаниями ПУЭ.

Аппараты защиты должны располагаться в доступных для обслуживания местах так, чтобы исключить возможность их механических повреждений и опасность для обслуживающего персонала.

Аппараты защиты следует устанавливать в местах сети, где сечение проводника уменьшается (по направлению к месту потребления электроэнергии) или где это необходимо для обеспечения чувствительности и избирательности защиты.

При защите сети автоматическими выключателями и предохранителями они должны устанавливаться на всех обычно незаземленных фазах. Установка аппаратов в нулевых проводах исключается.

На квартирных групповых щитках предохранители и автоматические выключатели должны устанавливаться только в фазных проводах. Перед счетчиком ставят двухполюсный выключатель, отключающий фазный и рабочий нулевой провод ввода в квартиру.

Допускается не устанавливать аппараты защиты:

• в месте снижения сечения питающей линии по ее длине и на ответвлении от нее, если защита предыдущего участка линии защищает участок со сниженным сечением или если незащищенный участок линии или ответвления от нее выполнен проводниками с сечениями, составляющими не менее половины сечений защищенных участков;

• на ответвлениях от питающей линии проводников цепей измерения, управления и сигнализации;

• на ответвлениях проводников от шин щита к аппаратам, установленным на том же щите; при этом проводники должны выбираться по расчетному току цепи.

Зашита электродвигателя от перегрузки осуществляется токовой защитой, реагирующей на возрастание тока, а также температурной защитой. Токовая защита осуществляется электромеханическими, полупроводниковыми или электротепловыми реле. Защита двигателей от перегрузки не должна срабатывать при кратковременных перегрузках, поэтому она имеет выдержку времени и может действовать на отключение, сигнал или разгрузку механизма двигателя.

Защиту от перегрузки устанавливают, когда, например, необходимо ограничить длительность пуска или самозапуска двигателей при пониженном напряжении.

Защита от перегрузки, выполняемая с помощью электромагнитных реле, содержит реле тока КА4 и реле времени КТ.

Если защита должна отключать двигатель и при обрыве фазы, то ее делают двухфазной. Двухфазной должна быть защита и при наличии плавких предохранителей, используемых для защиты двигателя от КЗ.

При длительной перегрузке и затянувшемся пуске двигателя реле времени КТ успевает сработать и, размыкая контакт ЛТ в цепи катушки контактора КМ, отключить двигатель.

Расположение проводов на опорах

На опорах допускается любое расположение изолированных и неизолированных проводов ВЛ независимо от района климатических условий. Нулевой провод ВЛ с неизолированными проводами, как правило, следует располагать ниже фазных проводов. Изолированные провода наружного освещения, прокладываемые на опорах ВЛИ, могут размещаться выше или ниже СИП, а также быть скрученными в жгут СИП. Неизолированные и изолированные провода наружного освещения, прокладываемые на опорах ВЛ, должны располагаться, как правило, над PEN(РЕ-) проводником ВЛ.

Устанавливаемые на опорах аппараты для подключения электроприемников должны размещаться на высоте не менее 1,6 м от поверхности земли.

Устанавливаемые на опорах защитные и секционирующие устройства должны размещаться ниже проводов ВЛ.

Расстояния между неизолированными проводами на опоре и в пролете по условиям их сближения в пролете при наибольшей стреле провеса до 1,2 м должны быть не менее:

• при вертикальном расположении проводов и расположении проводов с горизонтальным смещением не более 20 см: 40 см в I, II и III районах по гололеду, 60 см в IV и особом районах по гололеду;

• при других расположениях проводов во всех районах по гололеду при скорости ветра при гололеде: до 18 м/с — 40 см, более 18 м/с — 60 см.

При наибольшей стреле провеса более 1,2 м указанные расстояния должны быть увеличены пропорционально отношению наибольшей стрелы провеса к стреле провеса, равной 1,2 м.

Расстояние по вертикали между изолированными и неизолированными проводами ВЛ разных фаз на опоре при ответвлении от ВЛ и при пересечении разных ВЛ на общей опоре должно быть не менее 10 см.

Расстояния от проводов ВЛ до любых элементов опоры должно быть не менее 5 см.

При совместной подвеске на общих опорах ВЛИ и ВЛ до 1 кВ расстояние по вертикали между ними на опоре и в пролете при температуре окружающего воздуха плюс 15 °С без ветра должно быть не менее 0,4 м.

При совместной подвеске на общих опорах двух или более ВЛИ расстояние между жгутами СИП должно быть не менее 0,3 м.

При совместной подвеске на общих опорах проводов ВЛ до 1 кВ и проводов ВЛ до 20 кВ расстояние по вертикали между ближайшими проводами ВЛ разных напряжений на общей опоре, а также в середине пролета при температуре окружающего воздуха плюс 15 °С без ветра должно быть не менее:

• 1 м — при подвеске СИП с изолированным несущим и со всеми несущими проводами;

• 1,75 м — при подвеске СИП с неизолированным несущим проводом;

• 2 м — при подвеске неизолированных и изолированных проводов ВЛ до 1 кВ.

При подвеске на общих опорах проводов ВЛ до 1 кВ и защищенных проводов ВЛЗ 6–20 кВ расстояние по вертикали между ближайшими проводами ВЛ до 1 кВ и ВЛЗ 6–20 кВ на опоре и в пролете при температуре +15 °С без ветра должно быть не менее 0,3 м для СИП и 1,5 м для неизолированных и изолированных проводов ВЛ до 1 кВ.

Изоляция

Самонесущий изолированный провод крепится к опорам без применения изоляторов.

На ВЛ с неизолированными и изолированными проводами независимо от материала опор, степени загрязнения атмосферы и интенсивности грозовой деятельности следует применять изоляторы либо траверсы из изоляционных материалов.

На опорах ответвлений от ВЛ с неизолированными и изолированными проводами следует, как правило, применять многошейковые или дополнительные изоляторы.

Заземление. Защита от перенапряжений

На опорах ВЛ должны быть выполнены заземляющие устройства, предназначенные для повторного заземления, защиты от грозовых перенапряжений, заземления

электрооборудования, установленного на опорах ВЛ. Сопротивление заземляющего устройства должно быть не более 30 Ом.

Металлические опоры, металлические конструкции и арматура железобетонных элементов опор должны быть присоединены к РЕN-проводнику.

На железобетонных опорах РЕN-проводник следует присоединять к арматуре железобетонных стоек и подкосов опор.

Крюки и штыри деревянных опор ВЛ, а также металлических и железобетонных опор при подвеске на них СИП с изолированным несущим проводником или со всеми несущими проводниками жгута заземлению не подлежат, за исключением крюков и штырей на опорах, где выполнены повторные заземления и заземления для защиты от атмосферных перенапряжений.

Крюки, штыри и арматура опор ВЛ напряжением до 1 кВ, ограничивающих пролет пересечения, а также опор, на которых производится совместная подвеска, должны быть заземлены.

На деревянных опорах ВЛ при переходе в кабельную линию заземляющий проводник должен быть присоединен к РЕN-проводнику ВЛ и к металлической оболочке кабеля.

Защитные аппараты, устанавливаемые на опорах ВЛ для защиты от грозовых перенапряжений, должны быть присоединены к заземлителю отдельным спуском.

Соединение заземляющих проводников между собой, присоединение их к верхним заземляющим выпускам стоек железобетонных опор, к крюкам и кронштейнам, а также к заземляемым металлоконструкциям и к заземляемому электрооборудованию, установленному на опорах ВЛ, должны выполняться сваркой или болтовыми соединениями.

Присоединение заземляющих проводников (спусков) к заземлителю в земле также должно выполняться сваркой или иметь болтовые соединения.

В населенной местности с однои двухэтажной застройкой ВЛ должны иметь заземляющие устройства, предназначенные для защиты от атмосферных перенапряжений. Сопротивления этих заземляющих устройств должны быть не более 30 Ом, а расстояния между ними должны быть не более 200 м для районов с числом грозовых часов в году до 40, 100 м — для районов с числом грозовых часов в году более 40.

Кроме того, заземляющие устройства должны быть выполнены:

• на опорах с ответвлениями к вводам в здания, в которых может быть сосредоточено большое количество людей (школы, ясли, больницы) или которые представляют большую материальную ценность (животноводческие и птицеводческие помещения, склады);

• на концевых опорах линий, имеющих ответвления к вводам, при этом наибольшее расстояние от соседнего заземления этих же линий должно быть не более 100 м для районов с числом грозовых часов в году до 40 и 50 м — для районов с числом грозовых часов в году более 40.

В начале и конце каждой магистрали ВЛИ на проводах рекомендуется устанавливать зажимы для присоединения приборов контроля напряжения и переносного заземления.

Заземляющие устройства защиты от грозовых перенапряжений рекомендуется совмещать с повторным заземлением РЕN-проводника.

Требования к заземляющим устройствам повторного заземления и защитным проводникам приведены в пунктах 1.7.102, 1.7.103, 1.7.126 ПУЭ. В качестве заземляющих проводников на опорах ВЛ допускается применять круглую сталь, имеющую антикоррозионное покрытие диаметром не менее 6 мм.

Оттяжки опор ВЛ должны быть присоединены к заземляющему проводнику.

Опоры

На ВЛ могут применяться опоры из различных материалов.

Для ВЛ следует применять следующие типы опор:

• промежуточные, устанавливаемые на прямых участках трассы ВЛ. Эти опоры в нормальных режимах работы не должны воспринимать усилий, направленных вдоль ВЛ;

• анкерные, устанавливаемые для ограничения анкерного пролета, а также в местах изменения числа, марок и сечений проводов ВЛ. Эти опоры должны воспринимать в нормальных режимах работы усилия от разности тяжения проводов, направленные вдоль ВЛ;

• угловые, устанавливаемые в местах изменения направления трассы ВЛ. Эти опоры при нормальных режимах работы должны воспринимать результирующую нагрузку от тяжения проводов смежных пролетов. Угловые опоры могут быть промежуточными и анкерного типа;

• концевые, устанавливаемые в начале и конце ВЛ, а также в местах, ограничивающих кабельные вставки. Они являются опорами анкерного типа и должны воспринимать в нормальных режимах работы ВЛ одностороннее тяжение всех проводов.

Опоры, на которых выполняются ответвления от ВЛ, называются ответвительными; опоры, на которых выполняется пересечение ВЛ разных направлений или пересечение ВЛ с инженерными сооружениями, — перекрестными. Эти опоры могут быть всех указанных типов.

Конструкции опор должны обеспечивать возможность установки:

• светильников уличного освещения всех типов;

• концевых кабельных муфт;

• защитных аппаратов;

• секционирующих и коммутационных аппаратов;

• шкафов и щитков для подключения электроприемников.

Опоры независимо от их типа могут быть свободностоящими, с подкосами или оттяжками.

Оттяжки опор могут прикрепляться к анкерам, установленным в земле, или к каменным, кирпичным, железобетонным и металлическим элементам зданий и сооружений. Сечение оттяжек определяется расчетом. Они могут быть многопроволочными или из круглой стали. Сечение однопроволочных стальных оттяжек должно быть не менее 25 мм2.

Промежуточные опоры должны быть рассчитаны на следующие сочетания нагрузок:

• на одновременное воздействие поперечной ветровой нагрузки на провода, свободные или покрытые гололедом, и на конструкцию опоры, а также нагрузки от тяжения проводов ответвлений к вводам, свободных от гололеда или частично покрытых гололедом;

• на нагрузку от тяжения проводов ответвлений к вводам, покрытых гололедом, при этом допускается учет отклонения опоры под действием нагрузки;

• на условную расчетную нагрузку, равную 1,5 кН, приложенную к вершине опоры и направленную вдоль оси ВЛ.

Угловые опоры (промежуточные и анкерные) должны быть рассчитаны на результирующую нагрузку от тяжения проводов и ветровую нагрузку на провода и конструкцию опоры.

Анкерные опоры должны быть рассчитаны на разность тяжения проводов смежных пролетов и поперечную нагрузку от давления ветра при гололеде и без гололеда на провода и конструкцию опоры. За наименьшее значение разности тяжения следует принимать 50 % наибольшего значения одностороннего тяжения всех проводов.

Концевые опоры должны быть рассчитаны на одностороннее тяжение всех проводов.

Ответвительные опоры рассчитываются на результирующую нагрузку от тяжения всех проводов.

При установке опор на затапливаемых участках трассы, где возможны размывы грунта или воздействие ледохода, опоры должны быть укреплены (подсыпка земли, замощение, устройство банкеток, установка ледорезов).