Неправильное определение проектом аппаратов защиты и сечения проводов (кабелей) электрической сети зданий приводит впоследствии к пожару или к взрыву во взрывоопасных помещениях и гибели людей.

Защита электрических сетей напряжением до 1000В в жилых и общественных зданиях должна выполняться в соответствии с гл. 3.1; 1.7; 7.1; разделом 6 ПУЭ и СП 31-110-2003 п.11.1.

Аппараты защиты (автоматические выключатели и предохранители) в сетях с глухозаземленной нейтралью напряжением 380/220В должны:

• согласно ПУЭ по своей отключающей способности соответствовать максимальному значению тока КЗ (и обеспечивать надежное отключение одно- и многофазных замыканий);
• быть выбраны по расчетному току сети (номинальному току и с учетом пускового тока электроприемника, и напряжению сети) и не отключать установку: при перегрузках (одновременное включение: нескольких электродвигателей, группы ламп, пики технологических нагрузок, токи при самозапуске и т.п);
• соответствовать требованиям селективности.

Как известно, КЗ, при котором все три фазы замыкаются между собой является 3-х фазным; КЗ 2-х фаз между собой - 2-х фазным (различают 2-х фазное КЗ в одной точке и 2-х фазное КЗ с одновременным замыканием точки на землю) и КЗ одной фазы на нуль или на землю - однофазным, которое имеет место только в 3-х фазных сетях с глухозаземленной нейтралью. Относительная вероятность различных видов КЗ, по статистическим данным, характеризуется следующими величинами: 3-х фазное-5%; 2-х фазное на землю-30% и однофазное-65%.

Требование о наименьшем времени отключения обеспечивается правильным выбором аппаратов защиты, их конструкцией и защитной характеристикой. Защита должна отключать аварийный участок при КЗ в конце защищенной линии. В линиях питания электроприемников I категории по надежности эл.снабжения по режиму КЗ должны проверяться аппараты защиты. При этом автоматические выключатели должны быть устойчивыми токам КЗ (СП 31-110-2003 п.12.1).

Для обеспечения автоматического отключения питания (ПУЭ изд.7 п.п.1.7.38, 1.7.78, 1.7.161, 7.1.72) должно быть применено: устройство защиты от сверхтоков в сочетании с УЗО. По ГОСТ: 30331.5-95 и Р 50571.5-94 для КЗ продолжительностью до 5с время t, в течение которого превышение температуры проводников от наибольшего значения допускаемой температуры в нормальном режиме до предельно допустимой температуры (см. ПУЭ изд.6 п.1.4.16) подсчитывается по формуле:

где t - продолжительность, с;
S - сечение мм²;
I - действующее значение тока КЗ, А;
К = 115 - для медных проводников с ПВХ изоляцией;
К = 135 - для медных проводников с резиновой изоляцией и изоляцией из сшитого полиэтилена;
К = 74 – для алюминиевых проводников с ПВХ изоляцией;
К = 87 – для алюминиевых проводников с резиновой изоляцией и изоляцией из сшитого полиэтилена.

При КЗ, когда значение тока недостаточно для срабатывания максимальной токовой защиты, возникает опасность возникновения пожара. Значения сконцентрированной тепловой мощности порядка 60 Вт и более считаются пожароопасными. УЗО с током срабатывания до 300мА обеспечивает надежную защиту от пожара (см. ПУЭ изд.7 п.7.1.84 и ТСН ПТ-99 МО).

По каталожным и информационным материалам заводов-изготовителей аппараты защиты характеризуются:

1. для предохранителей предельным током отключения (I_пто), номинальным током (наибольший ток, на который рассчитаны токоведущие части предохранителей), номинальным током плавкой вставки (наибольший ток, при котором плавкая вставка работает неопределенное время без расплавления);
2. для автоматических выключателей током предельной коммутационной способности (I_пкс) и током одноразовой предельной коммутационной способности (I_опкс), а также номинальным током автоматического выключателя (пропускная способность его контактных частей или номинальный ток наибольшего теплового расцепителя); номинальным током теплового расцепителя, током, который он выдерживает неограниченно долго; уставкой номинального тока теплового расцепителя - настройка его на выбранное значение тока трогания; наименьшим током или током трогания - током срабатывания, при котором отключается автоматический выключатель; уставкой тока электромагнитного расцепителя – отсечка (мгновенное срабатывание).

Пример: на вводе здания (в ВРУ) предусматриваются предохранители типа ПН-2-400-I_пто-25кА, а после предохранителей устанавливаются автоматические выключатели типа ВА-51-31 с номинальным током I_н=100А и номинальным током расцепителя I_р=50А с I_пкс=6кА, (I_опкс=12кА), при этом, по расчетным данным ток КЗ=5кА. Предохранители и автоматические выключатели удовлетворяют требованиям ПУЭ (каждый I_пто и I_пк больше или равен I_КЗ). Необходимо отметить, что практически ток КЗ снижается по сравнению с расчетными данными из-за переходных сопротивлений контактов, поэтому допустимо выбор автоматических выключателей производить по I_опкс, когда аппарат может выполнять коммутационную операцию один раз без пожара или выхода из строя электроустановки, даже, если после этого потребуется ремонт аппарата.

Аппараты защиты, последовательно включенные в сеть, должны отключать участки сети селективно (избирательно). При больших значениях токов КЗ возможны неселективные срабатывания защиты. Поэтому необходимо при проектировании решать вопрос, что важнее: добиваться быстроты отключения или соблюдать селективность (особенно это относиться к зданиям с большим количеством людей: торговые центры, школы, больницы, музеи, театры, кинотеатры и т.п.), при этом приоритет необходимо отдавать быстрому отключению сети. Во внутренних сетях жилых и общественных зданий, как правило, следует применять автоматические выключатели с комбинированными расцепителями (СП 31-110-2003 п.11.3).

Согласно вышеперечисленным требованиям расчетные формулы для выбора аппаратов защиты осветительных и силовых сетей указаны в таблице №1.

Таблица №1.
Расчетные формулы для выбора аппаратов защиты в осветительных и силовых сетях

Примечания к таблице № 1:
I_з –защитный аппарат (номинальный ток плавкой вставки предохранителя или уставка номинального тока теплового расцепителя автоматического выключателя), А;
I_у.эр. – номинальное значение тока уставки электромагнитного расцепителя мгновенного действия (отсечки), А;
I_p - расчетный ток нагрузки А;
I_p.гр.эл. - расчетный ток нагрузки группы эл.приемников, А;
I_н – номинальный ток электроприемника, А;
I_п – пусковой ток электроприемника, А;
I¹_p – расчетный ток остальных электроприемников в данной группе (без расчетного тока наибольшего электроприемника), А;
I¹_п - наибольший пусковой ток одного электроприемника в данной группе ( при одновременном запуске группы электродвигателей – суммарный пусковой ток этой группы), А;
α - коэффициент, зависящий от условий и длительности пускового периода электродвигателя (электродвигателей), равный – 2,5 (за исключением линий с длительностью пускового периода более 2-2,5сек. - крупные вентиляторы с большими маховыми массами, лифты и т.п.). При установке автоматических выключателей на линиях к силовым электроприемникам, не оборудованным электродвигателями, коэффициенты не учитываются. Номинальные токи комбинированных расципителей автоматических выключателей или плавких вставок предохранителей для защиты групповых линий и вводов квартир, включая линии к электроплитам, должны выбираться в соответствии с расчетными накрузками СП31-110-2003 п.11.5.

Для определения номинальных токов следующих электроприемников необходимо знать их расчетные нагрузки. Как известно:

1. для электродвигателей при длительном режиме работы и продолжительности включения в относительных единицах ПВ=1 фактически потребляемая активная мощность Р_ф=Р_п⁄η (кВт), где Р_п –паспортная активная мощность, η - коэффициент полезного действия;
2. для электродвигателей повторно-кратковременного режима работы (электрические краны, тельферы, лифты,пожарные насосы и т.п.) (кВт), где Р_н – номинальная мощность , ПВ-номинальная (паспортная) продолжительность включения, выраженная в долях единицы;
3. для трансформаторов электропечей Р_н=S_пcos φ (кВт), где S_п - паспортная мощность трансформатора (кВА);
4. для трансформаторов сварочных машин и аппаратов и сварочных трансформаторов ручной сварки (кВт), при этом номинальный ток плавкой вставки для защиты сварочного аппарата ;
5. для защиты линии, питающей компенсационную конденсаторную установку, номинальный ток плавкой вставки , где Q_re - мощность компенсационной конденсаторной установки (квар), U_н - номинальное линейное напряжение (В).

Необходимо отметить, что в некоторых случаях возможно включение электроприемников (мощных металлогалогенных ламп, рентгеновских аппаратов, прожекторов и т.п.) на линейное напряжение, а при существенной неравномерности нагрузки небходимо определить линейные токи и сечения проводников отдельно для каждой фазы: при прямом следовании фаз А-В-С), так для фазы А:

Сечения проводов и кабелей выбираются в соответствии с гл.1.3 ПУЭ по условию нагрева длительным расчетным током в нормальном и послеаварийном режимах и должны проверяться по потере напряжения, соответствию току выбранного аппарата защиты, условиям окружающей среды (СП 31-110-2003 п.11.6).

Длительно допустимые токи проводов (кабелей) – I_д.табл. указаны в таблицах ПУЭ.

Выбор сечений проводов (кабелей) выполняется:

1 условие: по допустимому нагреву - I_д.табл.≥I_р⁄К_п, где I_р – расчетный ток нагрузки, А; К_п – поправочный коэффициент на температуру окружающей среды (ПУЭ таблица 1.3.3);

2 условие: соответствие соблюдений соотношений между токами защитных аппаратов и длительно допустимыми токами проводов (кабелей), т.е. пропускной способностью проводов (кабелей): I_д.табл≥I_зК_з, где I_з – номинальный ток плавкой вставки предохранителя или номинальный ток трогания (срабатывания) автоматического выключателя, или номинальное значение тока уставки электромагнитного расцепителя мгновенного действия (отсечки); К_з - кратность длительно допустимого тока провода (кабеля) по отношению к соответствующему току защтного аппарата; см. таблицу №2. В сетях, защищаемых от перегрузки, эти соотношения являются определяющими.

Защиту от токов короткого замыкания (КЗ) должны иметь все электрические сети с наименьшим временем отключения.

Согласно ПУЭ изд.6 п. 3.1.9 допускается не выполнять расчетной проверки кратности тока КЗ, если обеспечено условие, чтобы по отношению к длительно допустимым токовым нагрузкам проводников аппараты защиты имели кратность, указанную в данной таблице №2.

Необходима защита сетей также от перегрузки согласно ПУЭ изд.6 п.3.1.10

3 условие: проверка на: допустимую потерю напряжения сети, отклонение напряжения на зажимах электроприемников, снижение напряжения, вызванное включением электродвигателей;

4 условие: в зданиях (см. ПУЭ изд.7, глава 7.1) следует применять кабели и провода с медными жилами (сечением от 10мм2 и ниже), при этом однофазные 2-х и 3-х проводные линии, а также 3-х фазные 4-х и 5-ти проводные линии при питании однофазных нагрузок, должны иметь сечение нулевых рабочих (N) проводников, равное сечению фазных проводников.

Пример для определения выбора защиты и cечения проводника к электродвигателю

Данные: асинхронный электродвигатель марки 4А180S2У3, Р_ном.=22кВт; I_н.=43А; I_п.=7,5 х 43А=322,5А; температура в помещении составляет 25°С; линия подлежит защите от КЗ; условия пуска легкие.

Решение:

1) по длительно допустимому току провода, прокладываемому в трубе: I_д.табл.≥I_н⁄К_п.=43/1, тогда I_д.табл.=47А>43А и провод АПВ-4(1х10)мм² (3 фазы + РЕ) ПУЭ изд.7 п.7.1.45.

2) при защите предохранителями по 2-м условиям: I_з≥I_н; I_з≥I_п/а

I_з=63А и I_п.=322,5А⁄2,5=129А; принимаем предохранитель ПН-2-250 с номинальным током плавкой встаки I_з=160А.

3) проверяем принятое сечение по таблице № 2: I_д.табл.≥I_зК_з=0,33х160А=52,8А условие не выполняется для провода АПВ-4(1х10)мм². Принимаем сечение провода АПВ-4(1х25)мм², где I_д.табл.=80А≥I_з=63А.

4) при защите автоматическим выключателем серии АЕ-20: принимаем номинальный ток теплового расцепителя регулируемого автоматического выключателя по 2-м условиям (см. таблицу № 1):

I_з≥1,25I_н=1,25 х 43=53,75А;

I_у.эр≥1,2I_п=1,2 х 322,5=387А.

Принимаем 3-х полюсный автоматический выключатель типа АЕ-2050М на номинальный ток 100А, с номинальным током теплового расцепителя I_y.н.т.р=63А и уставкой номинального тока расцепителя (защита): I_уст= 0,9I_y.н.т.р=0,9 х 63=56,7А.

Ток уставки электромагнитного расцепителя мгновенного действия по току срабатывания в зоне КЗ (ток отсечки) для всех выключателей серии АЕ-20 равен 12-ти кратному номинальному току теплового расцепителя, т.е I_у.эр.=12 х 63=756А, тогда I_у.эр≥1,2I_п или 756А>387А.

Проверяем принятое сечение на соответствие защитному аппарату, определив при этом ток срабатывания, который выполняется по формуле I_ср.=1,25 х I_yст, т.е. I_ср.=1,25 х 56,7= 70,9А.

Согласно таблице № 2 (соответствие защитному аппарату) при защите от тока КЗ допустимый ток проводника I_д.табл≥0,8I_ср=0,8 х 70,9 = 56,7А.

Таким образом, I_д.табл≥56,7А, т.е. ближайший допустимый ток нагревания проводника по ПУЭ составляет I_д.табл=60А при сечении провода марки АПВ –4(1х16). Определяющим является значение сечения, выбранное по таблице№2.

Таблица №2.
Наименьшие значения коэффициента К_з при защите сетей предохранителями и автоматическими выключателями

Примечания:

1. у автоматических выключателей, имеющих одновременно тепловой и электромагнитный расцепители, К_з проверяется только для теплового расцепителя;
2. сечения проводов и кабелей для ответвлений к короткозамкнутым электродвигателям в сетях, проложенных во невзрывоопасных помещениях и защищаемых от перегрузки, выбира- ются по номинальным токам электродвигателей (во взрывоопасных: I_д.табл.≥1,25I_н.);
3. если требуемая допустимая токовая нагрузка проводника, определяемая по данной таблице № 2 не совпадает I_д.табл по ПУЭ, то допускается применение проводника ближайшего меньшего сечения, при этом допустимый ток проводника не должен быть меньше расчетного тока линии.

И.В. ПАСТУХОВА,
начальник отдела экспертизы инженерного обеспечения ГУ МО «Мособлгосэкспертиза»

Л.Г. НАСАНОВСКИЙ,
глав. специалист отдела экспертизы инженерного обеспечения ГУ МО «Мособлгосэкспертиза»

ГУ МО «Мособлгосэкспертиза» «Информационный вестник» №2(13)