Сеть постоянного тока с заземленным полюсом

Заземленная электрическая система: что это такое, примеры, особенности

Заземленная электрическая система (earthed system) — это электрическая система, в которой одна из частей, находящихся под напряжением, заземлена (определение согласно ГОСТ 32966-2014 [1]). Данный термин имеет короткое название «заземленная система».

Примечания к определению [1]:

1. В трехфазной четырехпроводной и однофазной трехпроводной электрических системах переменного тока заземляют нейтрали. В трехфазной трехпроводной и однофазной двухпроводной электрических системах переменного тока, в которых нет нейтралей, заземляют фазные проводники.
2. В трехпроводной электрической системе постоянного тока заземляют среднюю часть, находящуюся под напряжением. В двухпроводной электрической системе постоянного тока, в которой нет средней части, находящейся под напряжением, заземляют полюсный проводник.

Проанализировав соответствующую нормативную документацию и, в частности, приведенное опредееление, Харечко Ю.В. сделал следующий вывод [2]:

« Таким образом, процитированное определение однозначно идентифицирует все заземленные электрические системы и переменного, и постоянного тока, а примечания к нему содержат исчерпывающие пояснения к наиболее распространенным их видам. »

« Термин «заземленная электрическая система» лишь в общих чертах определяет электрическую систему и ее элементы. Более конкретную характеристику низковольтной электрической системе устанавливают посредством типов заземления системы, требования к которым изложены в подразделе 312 стандарта МЭК 60364‑1 и в разработанном на его основе ГОСТ 30331.1. »

Согласно требованиям стандарта МЭК 60364‑1 и ГОСТ 30331.1 [3] к заземленным электрическим системам относят системы распределения электроэнергии, которые имеют типы заземления системы TN‑S, TN‑C‑S, TN‑C и TT.

Примеры

Ниже на рис. 1–9 показаны примеры трехфазных трех- и четырехпроводных и однофазных двухпроводных заземленных электрических систем переменного тока, а на рис. 10–13 – трехпроводных заземленных электрических систем постоянного тока.

На этих рисунках не представлены двухпроводные электрические системы постоянного тока и не показаны аккумуляторные батареи.

Заземленные электрические системы переменного тока:

Рис. 1. Система TN-S трехфазная четырехпроводная с разделенными нейтральным проводником и защитным проводником во всей системе (на основе рисунка 31А1 из [3]) Рис. 2. Система TN-S трехфазная трехпроводная с разделенными заземленным фазным проводником и защитным проводником во всей системе (на основе рисунка 31А2 из [3]) Рис. 3. Система TN-C-S трехфазная четырехпроводная, в которой PEN-проводник разделен на защитный проводник РЕ и нейтральный проводник N на вводе электроустановки (на основе рисунка 31B2 из [3]) Рис. 4. Система TN‑C трехфазная четырехпроводная, в которой функции нейтрального и защитного проводников объединены в одном проводнике во всей системе (на основе рисунка 31C из [3]) Рис. 5. Система ТТ трехфазная четырехпроводная с заземленным защитным проводником и нейтральным проводником во всей системе (на основе рисунка 31F из [3]) Рис. 6. Система TN-S однофазная двухпроводная с разделенными заземленным фазным проводником и защитным проводником по всей системе (на основе рисунка 6 из [2] автора Харечко Ю.В.) Рис. 7. Система TN‑C‑S однофазная двухпроводная, в которой PEL-проводник разделен на защитный проводник PE и заземленный фазный проводник LE на вводе электроустановки (на основе рисунка 7 из [2] автора Харечко Ю.В.) Рис. 8. Система TN‑C однофазная двухпроводная, в которой функции фазного и защитного проводников объединены в одном PEL-проводнике во всей системе (на основе рисунка 8 из [2] автора Харечко Ю.В.) Рис. 9. Система TT однофазная двухпроводная с заземленным защитным проводником и заземленным фазным проводником во всей системе (на основе рисунка 9 из [2] автора Харечко Ю.В.)

Заземленные электрические системы постоянного тока:

Рис. 10. Система TN-S постоянного тока трехпроводная (на основе рисунка 31H из [3]) Рис. 11. Система TN-C постоянного тока трехпроводная (на основе рисунка 31J из [3]) Рис. 12. Система TN-C-S постоянного тока трехпроводная (на основе рисунка 31K из [3]) Рис. 13. Система TT постоянного тока трехпроводная (на основе рисунка 31L из [3])

Особенности

Харечко Ю.В. выделяет некоторые особенности [2]:

« Электроустановку здания, подключаемую к наиболее распространенной низковольтной распределительной электрической сети общего назначения, имеющей три фазных проводника и PEN-проводник (см. рисунки 3 этой статьи, а также 20.2 и 31B2 ГОСТ 30331.1), как правило, выполняют с типом заземления системы TN‑C‑S. Систему TN‑C применяют реже, поскольку требованиями п. 312.2.1.1 ГОСТ 30331.1 запрещено выполнять электроустановки жилых и общественных зданий, торговых предприятий и медицинских учреждений с типом заземления системы TN‑C. »

« При подключении к указанной распределительной электрической сети возможно выполнить электроустановку здания с типом заземления системы TT. При этом PEN-проводник линии электропередачи будет выполнять только функции нейтрального проводника. »

Если электроустановку здания подключают к низковольтной распределительной электрической сети, имеющей три фазных проводника, нейтральный проводник и защитный проводник, или если трансформаторная подстанция встроена в здание, электроустановку здания следует выполнять с типом заземления системы TN‑S.

Электроустановки зданий, как правило, являются низковольтными электроустановками переменного тока. Однако некоторые электроустановки зданий могут иметь части, функционирующие на постоянном токе. Эти части обычно выполняют с типами заземления системы TN‑S и TT.

В большинстве случаев электроустановки зданий входят в состав систем распределения электроэнергии, которые имеют непосредственно заземленные нейтрали или другие части источников питания, находящихся под напряжением. Иными словами, электроустановки зданий являются частями заземленных электрических систем. Поэтому для электроустановок зданий, как правило, применяют следующие диапазоны напряжения переменного и постоянного тока, установленные стандартом ГОСТ 32966-2014 для заземленных электрических систем [1]:

2) Напряжение между фазами – напряжение между двумя фазными проводниками в заданной точке электрической цепи.

3) Напряжение между полюсом и землей – напряжение между полюсным проводником и эталонной землей в заданной точке электрической цепи.

4) Напряжение между полюсами – напряжение между двумя полюсными проводниками в заданной точке электрической цепи.

Источник

Системы заземления TN-S, TN-C, TNC-S, TT, IT

При проектировании, монтаже и эксплуатации электроустановок, промышленного и бытового электрооборудования, а также электрических сетей освещения, одним из основополагающих факторов обеспечения их функциональности и электробезопасности является точно спроектированное и правильно выполненное заземление. Основные требования к системам заземления содержатся в пункте 1.7 Правил устройства электроустановок (ПУЭ). В зависимости от того, каким образом, и с каким заземляющими конструкциями, устройствами или предметами соединены соответствующие провода, приборы, корпуса устройств, оборудование или определенные точки сети, различают естественное и искусственное заземление.

Естественными заземлителями являются любые металлические предметы, постоянно находящиеся в земле: сваи, трубы, арматура и другие токопроводящие изделия. Однако, ввиду того, что электрическое сопротивление растеканию в земле электротока и электрических зарядов от таких предметов плохо поддается контролю и прогнозированию, использовать естественное заземление при эксплуатации электрооборудования запрещается. В нормативной документации предусмотрено использование только искусственного заземления, при котором все подключения производятся к специально созданным для этого заземляющим устройствам.

Основным нормируемым показателем, характеризующим, насколько качественно выполнено заземление, является его сопротивление. Здесь контролируется противодействие растеканию тока, поступающего в землю через данное устройство — заземлитель. Величина сопротивления заземления зависит от типа и состояния грунта, а также особенностей конструкции и материалов, из которых изготовлено заземляющее устройство. Определяющим фактором, влияющих на величину сопротивления заземлителя, является площадь непосредственного контакта с землей составляющих его пластин, штырей, труб и других электродов.

Виды систем искусственного заземления

Основным документом, регламентирующим использование различных систем заземления в России, является ПУЭ (пункт 1.7), разработанный в соответствии с принципами, классификацией и способами устройства заземляющих систем, утвержденных специальным протоколом Международной электротехнической комиссии (МЭК). Сокращенные названия систем заземления принято обозначать сочетанием первых букв французских слов: «Terre» — земля, «Neuter» — нейтраль, «Isole» — изолировать, а также английских: «combined» и «separated» — комбинированный и раздельный.

• T — заземление.
• N — подключение к нейтрали.
• I — изолирование.
• C — объединение функций, соединение функционального и защитного нулевых проводов.
• S — раздельное использование во всей сети функционального и защитного нулевых проводов.

В приведенных ниже названиях систем искусственного заземления по первой букве можно судить о способе заземления источника электрической энергии (генератора или трансформатора), по второй – потребителя. Принято различать TN, TT и IT системы заземления. Первая из которых, в свою очередь, используется в трех различных вариантах: TN-C, TN-S, TN-C-S. Для понимания различий и способов устройства перечисленных систем заземления следует рассмотреть каждую из них более детально.

1. Системы с глухозаземлённой нейтралью (системы заземления TN)

Это обозначение систем, в которых для подключения нулевых функциональных и защитных проводников используется общая глухозаземленная нейтраль генератора или понижающего трансформатора. При этом все корпусные электропроводящие детали и экраны потребителей следует подключить к общему нулевому проводнику, соединенному с данной нейтралью. В соответствии с ГОСТ Р50571.2-94 нулевые проводники различного типа также обозначают латинскими буквами:

• N — функциональный «ноль»;
• PE — защитный «ноль»;
• PEN — совмещение функционального и защитного нулевых проводников.

Построенная с использованием глухозаземленной нейтрали, система заземления TN характеризуется подключением функционального «ноля» — проводника N (нейтрали) к контуру заземления, оборудованному рядом с трансформаторной подстанцией. Очевидно, что в данной системе заземление нейтрали посредством специального компенсаторного устройства — дугогасящего реактора не используется. На практике применяются три подвида системы TN: TN-C, TN-S, TN-C-S, которые отличаются друг от друга различными способами подключения нулевых проводников «N» и «PE».

Система заземления TN-C

Система заземления TN-C

Как следует из буквенного обозначения, для системы TN-C характерно объединение функционального и защитного нулевых проводников. Классической TN-C системой является традиционная четырехпроводная схема электроснабжения с тремя фазными и одним нулевым проводом. Основная шина заземления в данном случае – глухозаземленная нейтраль, с которой дополнительными нулевыми проводами необходимо соединить все открытые детали, корпуса и металлические части приборов, способные проводить электрический ток..

Данная система имеет несколько существенных недостатков, главный из которых – утеря защитных функций в случае обрыва или отгорания нулевого провода. При этом на неизолированных поверхностях корпусов приборов и оборудования появится опасное для жизни напряжение. Так как отдельный защитный заземляющий проводник PE в данной системе не используется, все подключенные розетки земли не имеют. Поэтому используемое электрооборудование приходится занулять – соединять корпусные детали с нулевым проводом. .

Если при таком подключении фазный провод коснется корпуса, из-за короткого замыкания сработает автоматический предохранитель, и опасность поражения электрическим током людей или возгорания искрящего оборудования будет устранена быстрым аварийным отключением. Важным ограничением при вынужденном занулении бытовых приборов, о чем следует знать всем проживающим в помещениях, запитанных по системе TN-C, является запрет использования дополнительных контуров уравнивания потенциалов в ванных комнатах.

В настоящее время данная система заземления сохранилась в домах, относящихся к старому жилому фонду, а также применяется в сетях уличного освещения, где степень риска минимальна.

Система TN-S

Система заземления TN-S

Более прогрессивная и безопасная по сравнению с TN-C система с разделенными рабочим и защитным нолями TN-S была разработана и внедрена в 30-е годы прошлого века. При высоком уровне электробезопасности людей и оборудования это решение имеет один, но достаточно очень существенный недостаток — высокую стоимость. Так как разделение рабочего (N) и защитного (PE) ноля реализовано сразу на подстанции, подача трехфазного напряжения производится по пяти проводам, однофазного — по трем. Для подключения обоих нулевых проводников на стороне источника используется глухозаземленная нейтраль генератора или трансформатора.

В ГОСТ Р50571 и обновленной редакции ПУЭ содержится предписание об устройстве на всем ответственных объектах, а также строящихся и капитально ремонтируемых зданиях энергоснабжения на основе системы TN-S, обеспечивающей высокий уровень электробезопасности. К сожалению, широкому распространению и внедрению системы TN-S препятствует высокий уровень затрат и ориентированность российской энергетики на четырехпроводные схемы трехфазного электроснабжения.

Система TN-C-S

Система заземления TN-C-S

С целью удешевления оптимальной по безопасности, но финансово емкой системы TN-S с разделенными нулевыми проводниками N и PE, было создано решение, позволяющее использовать ее преимущества с меньшим бюджетом, незначительно превышающим расходы на энергоснабжение по системе TN-C. Суть данного способа подключения состоит в том, что с подстанции осуществляется подача электричества с использованием комбинированного нуля «PEN», подключенного к глухозаземленной нейтрали. Который при входе в здание разветвляется на «PE» — ноль защитный, и еще один проводник, исполняющий на стороне потребителя функцию рабочего ноля «N».

Данная система имеет существенный недостаток — в случае повреждения или отгорания провода PEN на участке подстанция — здание, на проводнике PE, а, следовательно, и всех связанных с ним корпусных деталях электроприборов, появится опасное напряжение. Поэтому при использовании системы TN-C-S, которая достаточно распространена, нормативные документы требуют обеспечения специальных мер защиты проводника PEN от повреждения.

Система заземления TT

Система заземления TT

При подаче электроэнергии по традиционной для сельской и загородной местности воздушной линии, в случае использования здесь небезопасной системы TN-C-S трудно обеспечить надлежащую защиту проводника комбинированной земли PEN. Здесь все чаще используется система TT, которая предполагает «глухое» заземление нейтрали источника, и передачу трехфазного напряжения по четырем проводам. Четвертый является функциональным нолем «N». На стороне потребителя выполняется местный, как правило, модульно-штыревой заземлитель, к которому подключаются все проводники защитной земли PE, связанные с корпусными деталями.

Совсем недавно разрешенная к использованию на территории РФ, данная система быстро распространилась в российской глубинке для энергоснабжения частных домовладений. В городской местности TT часто используется при электрификации точек временной торговли и оказания услуг. При таком способе устройства заземления обязательным условием является наличие приборов защитного отключения, а также осуществление технических мер грозозащиты.

2. Системы с изолированной нейтралью

Во всех описанных выше системах нейтраль связана с землей, что делает их достаточно надежными, но не лишенными ряда существенных недостатков. Намного более совершенными и безопасными являются системы, в которых используется абсолютно не связанная с землей изолированная нейтраль, либо заземленная при помощи специальных приборов и устройств с большим сопротивлением. Например, как в системе IT. Такие способы подключения часто используются в медицинских учреждениях для электропитания оборудования жизнеобеспечения, на предприятиях нефтепереработки и энергетики, научных лабораториях с особо чувствительными приборами, и других ответственных объектах.

Система IT

Система заземления IT

Классическая система, основным признаком которой является изолированная нейтраль источника – «I», а также наличие на стороне потребителя контура защитного заземления – «Т». Напряжение от источника к потребителю передается по минимально возможному количеству проводов, а все токопроводящие детали корпусов оборудования потребителя должны быть надежно подключены к заземлителю. Нулевой функциональный проводник N на участке источник – потребитель в архитектуре системы IT отсутствует.

Надежное заземление — гарантия безопасности

Все существующие системы устройства заземления предназначены для обеспечения надежного и безопасного функционирования электрических приборов и оборудования, подключенных на стороне потребителя, а также исключения случаев поражения электрическим током людей, использующих это оборудование. При проектировании и устройстве систем энергоснабжения, необъемлемыми элементами которых является как функциональное, так и защитное заземление, должна быть уменьшена до минимума возможность появления на токопроводящих корпусах бытовых приборов и промышленного оборудования напряжения, опасного для жизни и здоровья людей.

Система заземления должна либо снять опасный потенциал с поверхности предмета, либо обеспечить срабатывание соответствующих защитных устройств с минимальным запаздыванием. В каждом таком случае ценой технического совершенства, или наоборот, недостаточного совершенства используемой системы заземления, может быть самое ценное — жизнь человека.

Источник

Заземление на стороне постоянного тока

Решение о заземлении положительного или отрицательного полюса должно основываться на полярности питания аппаратуры и учитываться электрохимическая коррозия заземлителя. Существующие системы заземления цепей постоянного тока показаны на рисунке 16. Условные обозначения соответствуют схеме рис. 15.

Возможны и другие варианты заземления.

а) Система TN- S ; б) Система TN-C; в) Система TT; г) Система IT

Рисунок 16 – Заземление на стороне постоянного тока

Устройство заземлений

Заземляющие устройства делят на защитное и рабочее. Рабочее заземление предназначено для создания нормальных условий работы электроустановки. За

щитное заземление – электрическое соединение части электроустановки, нормально не находящейся под напряжением с заземляющим устройством, обеспечивающим электробезопасность персонала. Для выполнения заземлений различных назначений и разных напряжений рекомендуется применять одно общее заземляющее устройство, удовлетворяющее требованиям к заземлению этих установок /5/.

Заземляющее устройство состоит из заземлителя и заземляющих проводников.

В качестве заземлителей используются в первую очередь естественные заземлители: проложенные в земле стальные водопроводные трубы, стальная броня и свинцовые оболочки силовых кабелей, проложенных в земле, металлические конструкции зданий и сооружений, имеющие надежный контакт с землей.

Если естественных заземлителей недостаточно, то применяют искусственные заземлители.

Конструктивно искусственный заземлитель выполняется в виде одного – двух рядов горизонтальных и вертикальных электродов. Для электродов искусственных заземлителей применяются забиваемые в землю отрезки труб диаметром 50. 75 мм, стержни. Электроды должны иметь длину 2,5…5 м. Верхний конец каждого электрода должен находиться на глубине не менее 0,5…0,8 м от поверхности почвы. Электроды располагаются друг от друга на расстоянии не менее

2,5…3 м и соединяются между собой горизонтальными полосами /6/.

В открытых распределительных устройствах с напряжением выше 1 кВ вокруг площади, занятой оборудованием, прокладывается замкнутый контур из горизонтальных заземлителей, к которому присоединяется оборудование.

Заземляемые части соединяются с заземлителем проводниками. В качестве заземляющих проводников могут использоваться специально предусмотренные для этой цели проводники, сечения которых не менее установленных в /5/, или металлические конструкции зданий, подкрановые пути, каркасы распределительных устройств, стальные трубы электропроводок, алюминиевые оболочки кабелей, металлические кожухи шинопроводов, короба, лотки, открыто проложенные трубопроводы, кроме трубопроводов горючих и взрывоопасных веществ, канализации и центрального отопления. В электроустановках выше 1 кВ с эффективно заземленной нейтралью сечение заземляющих проводников проверяется по термической стойкости.

Расчет заземляющего устройства сводится к выбору числа и диаметра заземляющих стержней в зависимости от типа грунтов и формы электродов. Для определения сопротивления заземляющего устройства сначала рассчитывается величину сопротивления одиночного заземлителя R_В. В качестве заземлителя можно

принять стальную трубу, забитую вертикально в грунт на некоторую глубину h (рис 17, а). Сопротивление R_В зависит от удельного сопротивления грунта r

Ом×см (сопротивление образца грунта объемом 1 см 3 ), длина трубы см, находя

а) вертикальный электрод; б) горизонтальный электрод

Рисунок 17 – Расположение заземлителей в грунте

щейся в грунте, наружного диаметра трубы d см и определяется по формуле /14/:

где t –расстояние от поверхности земли до середины трубы (электрода), см.

Большое влияние на сопротивление R_В оказывает сезонное колебание прово-

димости верхних слоев грунта в зависимости от влажности и температуры воздуха. Чтобы уменьшить это влияние, необходимо трубу забивать в землю на глубину h=0,5…1,5 м от поверхности грунта до верхнего конца трубы (рис. 17, а).

Сопротивление заземлителя из стальной полосы прямоугольного сечения, уложенной горизонтально (рис.13, б.), определяется по формуле

где – длина полосы, см; b – ширина полосы, см (b=4…6 см); h – глубина заложения полосы, см (h=40…60 см).

Наиболее важным фактором, влияющим на сопротивление растекания тока в земле, является удельное сопротивление грунта Ом×см. При проек-

тировании заземления величину r определяют опытным путем для того грунта,

где будет сооружено заземляющее устройство, а коэффициент сезонности h_С

выбирают по таблицам. Наименьшее значение h_С =1 – для марта, наибольшее значение h_С =1,75…2,2 – для июля.

Согласно /5/ в электроустановках напряжением до 1 кВ и выше с изолированной нейтралью сопротивление заземляющего устройства в любое время года допускается , но не более 4 Ом, где I₃ – расчетный ток замыкания на землю, в амперах. Если в нейтраль включен заземляющий резистор, то за расчетный ток принимают ток, равный 125% его номинального тока (1,25I)

В установках до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью применяется защитное зануление — металлическая связь защищаемых частей электроустановки с нейтралью источника. Заземление нейтрали источника является рабочим, и сопротивление его не должно превышать 4 и 8 Ом соответственно при линейных напряжениях 380 и 220 В источника трехфазного тока. Соединение нейтрали трансформатора или генератора с заземлителем осуществляется специальным проводником, сечение которого не меньше допустимого по /5/. Заземлитель нейтрали должен рас-

полагаться вблизи трансформатора (генератора), а для внутрицеховых подстанций около стены здания.

Нулевой рабочий проводник от трансформатора до распределительного шкафа выполняется шиной, жилой кабеля, алюминиевой оболочкой кабеля, проводимость которых, должна составлять не менее 50% проводимости фазных проводов.

В качестве нулевых защитных проводников используются изолированные и неизолированные проводники, нулевые жилы кабелей и проводов, полосовая и угловая сталь, а также металлические конструкции зданий, подкрановые пути, стальные трубы электропроводок, металлические кожухи шинопроводов и др. На

воздушных линиях зануление осуществляется специальным проводом, проложен-ным на тех же опорах, что и фазные провода. Нулевой рабочий провод должен повторно заземляться: на концах воздушных линий длиной более 200 м; на от

ветвлениях от воздушной линии; на вводах от воздушной линии к электроустановке.

Сопротивление каждого повторного заземлителя не должно превышать 30, 60 Ом, а общее сопротивление всех повторных заземлителей – не более 10, 20 Ом для электроустановок 380, 220 В, соответственно. При выполнении повторных заземлений в первую очередь используются естественные заземлители (подземные части опор, грозозащитные заземления).

При повреждении изоляции в установке с глухозаземленной нейтралью возникает однофазное короткое замыкание (КЗ), ток которого равен

где U_Ф – фазное напряжение сети; — полное сопротивление петли фаза – нулевой провод; Z_Т – полное сопротивление трансформатора при за

мыкании на корпус, значение которого приведены в таблице 6.

Таблица 6 – Полное сопротивление КЗ трансформатора

Мощность трансформатора, кВ ×А	40	63	100	160	250	400	630	1000
Расчетное сопротивление, ZT, Ом	0,65	0,413	0,26	0,162	0,104	0,065	0,043	0,027

С допустимой для практики точностью принята алгебраическая сумма Z_П и Z_Т вместо геометрической. Ток I_К , протекающий по петле фаза – нулевой проводник, должен привести к немедленному отключению поврежденного участка, для этого кратность тока КЗ к току уставки автоматического выключателя (номинальному току расцепителя I_НР) или номинальному току плавкого элемента ближайшего предохранителя I_Н.ВСТ должна иметь нормируемую величину , которая приведена в таблице 7.

Таблица 7 — Кратность тока КЗ в сетях зануления

Вид защитного

аппарата

Кратность k в помещениях

В качестве нулевых защитных проводников применяются те же элементы, что и для заземляющих проводников, но к ним предъявляются дополнительные требования.

Расчет зануления заключается в определении сопротивления фазных и нулевых проводников по схеме сети, подсчете тока КЗ по (1) и сравнении кратности тока КЗ с нормируемой величиной. Сопротивления петли фаза – нуль шинопроводов, кабелей, стальных труб, полос и других проводников, применяемых для зануления, можно определить и найти в /6,7/.

Дата добавления: 2019-01-14 ; просмотров: 375 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Практикум. Подбор защитного оборудования для сетей постоянного тока

Постоянный ток (DC — от англ DirectCurrent) — один из главных способов передачи и распределения электрической энергии. Сегодня он широко используется в следующих областях:

• преобразование различных видов энергии в электрическую (например, фотогальванические станции);
• транспорт (трамвайные линии, железные дороги и пр.);
• питание систем аварийного предупреждения, а также систем собственных нужд;
• промышленные установки (электролитические процессы и т.п.).

Сети постоянного тока довольно специфичны, поэтому для того, чтобы грамотно выбрать коммутационное оборудование, необходимо следовать определённой последовательности действий.

ШАГ 1. Определение топологии сети

Отключение постоянного тока связано с существенными трудностями при гашении дуги. Проблема обусловлена тем, что в системах постоянного тока отсутствует естественный переход кривой зависимости I(t) через ноль и необходимо принудительно снижать значение тока. Характер уменьшения указанной величины до нуля зависит от напряжения источника питания, параметров электроустановки и сопротивления, возникающего во время гашения дуги. Чем больше соединённых последовательно полюсов, тем выше сопротивление дуги, и больше максимальный коммутируемый ток короткого замыкания (КЗ). Для улучшения работы автоматических выключателей в условиях КЗ в зависимости от напряжения электроустановки и топологии сети необходимо использовать специальные комбинации соединения полюсов. Эта информация позволяет оценить возможные неисправности, после чего выбрать подходящий тип соединения полюсов выключателя с учётом характеристик электроустановки (ток КЗ, напряжение питания, номинальная величина нагрузки и т.д.).

Рассмотрим три основные системы распределения на постоянном токе.

1. Сеть, изолированная от земли (IT)

Рис. 1. Система IT постоянного тока

Описание. Все токоведущие части источника питания изолированы, открытые проводящие части заземлены.

Топологии повреждения Самая Опасная для IT неисправность — короткое замыкание между положительным и отрицательным полюсами.

Соединение полюсов оборудования. Зависит от напряжения источника питания и требуемой отключающей способности.

NB!

Возможность двойного замыкания на землю (первое — замыкание одного из полюсов со стороны источника питания, второе — замыкание другого полюса со стороны нагрузки) не рассматривается. Однако следует использовать устройство контроля изоляции сети относительно земли.

2. Сеть с одной заземлённой полярностью

Рис. 2. Система ТТ (слева) и TN-C-S (справа) постоянного тока
для сети с одной заземлённой полярностью

Описание. Один из полюсов сети соединён с землёй. Такой тип системы может привести к перенапряжениям вследствие статического электричества, стекающего через землю.

Топология повреждений. В данном случае основное повреждение — это короткое замыкание между двумя полярностями. Но необходимо брать в рассмотрение также замыкание между незаземлённой полярностью и землёй, поскольку ток может течь под полным напряжением.

Соединение полюсов оборудования. Зависит от напряжения источника питания и требуемой отключающей способности. Заземление должно быть осуществлено со стороны питания автоматического выключателя.

3. Сеть с заземлённой средней точкой источника питания

Рис. 4. Система ТТ (слева) и TN-C-S (справа) постоянного тока
для сети с заземлённой средней точкой

Описание. Средняя точка источника питания соединена с землёй. Основной недостаток данного соединения в сравнении с другими типами заключается в том, что замыкание между любой из полярностей и землёй вызывает ток с приложенным напряжением, равным половине напряжения питания.

Топология повреждений Основное повреждение, как и в предыдущем случае — короткое замыкание между двумя полярностями НО необходимо брать в рассмотрение также замыкание между полярностью И землёй, поскольку ток может течь под напряжением, равным U / 2.

Соединение полюсов оборудования. Необходимо устанавливать автоматические выключатели таким образом, чтобы на каждую полярность приходилось по два полюса автоматического выключателя. При возникновении короткого замыкания между двумя полюсами сети напряжение цепи равно номинальному, и такой сверхток отключается четырьмя последовательно соединёнными полюсами автоматического выключателя.

ШАГ 2. Электрические параметры

Для верного выбора защитного устройства в сети постоянного тока необходимо знать несколько электрических параметров, характерных для этого аппарата:

1. Номинальное напряжение установки Un. Оно определяет рабочую величину Ue, которая зависит от соединения полюсов и проверяется соотношением Un ≤ Ue.
2. Ток короткого замыкания в месте установки автоматического выключателя Ik. Он определяет исполнение автоматического выключателя (зависит от типоразмера и соединения полюсов) и проверяется выражением

Номинальный ток, потребляемый нагрузкой Ib. От данной величины зависит номинальный ток В термомагнитного или электронного расцепителя. Должно выполняться следующее соотношение: Ib≤In.

Словарь инженера
Номинальное рабочее напряжение Ue – задаётся из стандартизированного ряда величин, определяющих уровень изоляции сети и электрооборудования.
Номинальный непрерывный ток Iu – величина, которую оборудование может выдерживать в течение долгого времени работы.
Номинальный ток автоматического выключателя In – определяет защитные характеристики аппарата в соответствии с возможными настройками расцепителя.
Предельная отключающая способность автоматического выключателя Icu –максимальный ток КЗ, который аппарат способен отключить однократно при соответствующем номинальном рабочем напряжении, без гарантии сохранения работоспособности.
Номинальная рабочая отключающая способность Ics – максимальный ток КЗ, который аппарат способен отключить три раза 1 при определённом рабочем напряжении (Ue) и определённой постоянной времени. После этого автоматический выключатель должен проводить номинальный ток.
Номинальный кратковременно выдерживаемый ток КЗ – величина, которую автоматический выключатель способен проводить в замкнутом положении в течение определённого промежутка времени. Аппарат должен выдерживать данный ток в течение установленной временной задержки для обеспечения селективности между последовательно стоящими автоматическими выключателями.

ШАГ 3. Обеспечение селективности

Работа аппаратов защиты в цепях постоянного тока координируется путём постепенного повышения порогов токов и задержки срабатывания по мере приближения к источнику питания, то есть обеспечивается так называемая временная селективность. Нужно убедиться, что вышестоящие автоматические выключатели с задержкой срабатывания имеют значение кратковременно выдерживаемого тока, превышающее максимальную величину КЗ, которая может протекать в рассматриваемой части установки.

«Временная селективность обычно реализуется в электроустановках на уровне вводных устройств и главных распределительных щитов (ГРЩ). Для реализации селективности на нижних уровнях электроустановок следует выбрать другой тип координации устройств защиты. Так, например, для аппаратов в литом корпусе серии Tmax XT и Tmax на постоянном токе можно реализовать энергетическую селективность, а для воздушных автоматических выключателей Emax DC осуществляется также и зонная селективность», — дополняет Игорь Мещеряков , менеджер по группе изделий компании АББ, лидера в производстве силового оборудования и технологий для электроэнергетики и автоматизации.

Для обеспечения селективного срабатывания автоматических выключателей на постоянном токе необходимо:

• построить времятоковые характеристики автоматических выключателей с термомагнитными и электронными расцепителями с учётом допусков и поправочных коэффициентов;
• проанализировать построенные характеристики с точки зрения обеспечения функций защиты и селективного срабатывания;
• составить карту уставок с учётом необходимых настроек расцепителей.

В случае необходимости обеспечения высоких предельных токов селективности, подобрать выключатели в соответствие с указаниями таблиц координации.

«Возможностей создать энергетическую систему с учётом требований по селективности на сегодняшний день более чем достаточно, — утверждает Игорь Мещеряков (АББ). — Современные электронные расцепители для постоянного тока, например, такие как PR122/DC — PR123/DC, обладают несколькими селективными задержками от короткого замыкания с обратнозависимой или фиксированной кратковременной задержкой срабатывания. Наличие широкого спектра встроенных защит (от замыкания на землю, превышения температуры, небаланса токов, колебаний напряжения, реверсирования мощности и др.) Позволяет осуществить функции, которые раньше были доступны только для электроустановок переменного тока».

От теории к практике

Пример 1. Рассмотрим выбор автоматического выключателя для сетей постоянного тока на примере автоматических выключателей в литом корпусе серии Tmax.

Параметры установки:
Тип сети: с одной заземлённой полярностью (только отрицательная)
Напряжение установки: Un = 250 В постоянного Тока
Номинальный ТОК, потребляемый нагрузкой: В = 450
Ток короткого замыкания: 40 кА

Для выбранного автоматического выключателя должны выполняться следующие условия:
Ue ≥ Un
Icu ≥ Ik
In ≥ Ib

Как правило, у производителей существуют таблицы для подбора аппаратов постоянного тока, ниже в примерах приведены необходимые выдержки из них.
В соответствии с типом сети необходимо выбрать таблицу, относящуюся к сети с одной заземлённой полярностью (см. табл. 1).

Табл. 1. Варианты соединения полюсов автоматических выключателей в литом корпусе Tmax для работы в сети с одной заземлённой полярностью (в рассматриваемых соединениях заземлена отрицательная полярность)

* Заземление должно быть осуществлено со стороны питания автоматического выключателя

Выбираем столбец с напряжением сети больше или равным напряжению электроустановки. Нужная строка подбирается по номинальному непрерывному току МЕ автоматического выключателя, который должен быть больше или равен току нагрузки. В соответствии с заданными в примере условиями следует выбирать автоматический выключатель Tmax Т5 c Iu=630A.

Исполнение по отключающей способности (НШ и т.д.) определяется с учётом выполнения условия Icu>Ik. В данном случае можно выбрать исполнение S, так как Ik = 40 кА.

Указанным требованиям удовлетворяют две схемы соединения полюсов, если должен отключаться заземлённый полюс сети, то следует выбрать следующий вариант:

Среди номинальных токов, доступных для термомагнитного расцепителя выключателя T5S630, может быть выбран In = 500 A, поэтому допустимо применять трёхполюсный термомагнитный автоматический выключатель T5S630 TMA500. Аппарат использует два полюса, соединённых последовательно на изолированной полярности, и один — на заземлённой. При этом при выборе автоматического выключателя с термомагнитным расцепителем необходимо учитывать поправочный коэффициент срабатывания по КЗ. 2

Пример 2. Рассмотрим выбор воздушного автоматического выключателя на примере серии Emax.

Параметры установки:
Тип сети: изолированная
Напряжение установки: Un = 500 В постоянного Тока
Номинальный ток, потребляемый нагрузкой: In = 1800 А
ток короткого замыкания: 45кA

Выбор автоматического выключателя

В соответствии с типом сети необходимо выбрать таблицу, относящуюся к сети, изолированной от земли (см. табл. 2).

Табл. 2. Соединение полюсов воздушных выключателей Emax для работы в изолированной сети

Исходя из заданной величины номинального напряжения выбираем столбец Un ≤ 500 В. В нём наиболее подходящим по характеристикам тока короткого замыкания является автоматический выключатель E2N (N = 50 кА> IK), но если выбрать этот аппарат, не будет выполняться условие In ≥ Ib.

Согласно таблице 3, относящейся к номинальному непрерывному току, необходимо выбрать автомат типа E3N, т.к. он имеет ток Iu = 2000 A (это значение соответствует In расцепителя) и только в этом случае выполняется соотношение In ≥ Ib.

Табл. 3. Исполнения автоматических выключателей Emax для постоянного тока

Выбран трёхполюсный автоматический выключатель E3N 2000 с расцепителем PR122-123/DC In = 2000A. В таблице 2 показано соединение между трёхполюсным выключателем, нагрузкой и источником питания:

Стоит отметить, что правильный выбор аппаратов защиты для сетей постоянного тока возможен только в случае строгого соблюдения описанных выше рекомендаций. Важно помнить, что некорректно подобранный автоматический выключатель не только не выполнит свои прямые защитные функции, но и в случае неправильно рассчитанной отключающей способности может выйти из строя и оставить электроустановку полностью незащищённой.

1 В соответствии с циклом отключений и включений (О-трет-СО-трет-CO).

2 см. Техническая брошюра «Низковольтные автоматические выключатели АББ для применений на постоянном токе» стр. 33-34.

Источник