КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ В ЭЛЕКТРОПРОВОДКЕ

Возможные причины пожара

   Фишман Владимир

  Источник: http://www.news.elteh.ru/arh/2007/43/15.php 

Нормативные требования

Согласно ПУЭ, электрические сети напряжением до 1 кВ жилых и общественных зданий должны защищаться от токов короткого замыкания и токов перегрузки. Приведем несколько выдержек из ПУЭ [1]: 

                п. 3.1.10. «Сети внутри помещений, выполненные открыто проложенными проводниками с горючей наружной оболочкой или изоляцией, должны быть защищены от перегрузки. Кроме того, должны быть защищены от перегрузки сети внутри помещений: 

                         · осветительные сети в жилых и общественных зданиях, в торговых помещениях, служебно-­бытовых помещениях промышленных предприятий, включая сети для бытовых и переносных электроприемников (утюгов, чайников, плиток, комнатных холодильников, пылесосов, стиральных и швейных машин и т. п.), а также в пожароопасных зонах». 

                 п. 3.1.11. «В сетях, защищаемых от перегрузок (см. 3.1.10), проводники следует выбирать по расчетному току, при этом должно быть обеспечено условие, чтобы по отношению к длительно допустимым токовым нагрузкам, приведенным в таблицах гл. 1.3, аппараты защиты имели кратность не более: 

                         · 80% для номинального тока плавкой вставки или тока уставки автоматического выключателя, имеющего только максимальный мгновенно действующий расцепитель (отсечку), - для проводников с поливинилхлоридной, резиновой и аналогичной по тепловым характеристикам изоляцией; для проводников, прокладываемых в невзрывоопасных производственных помещениях промышленных предприятий, допускается 100%; 

                         · 100% для номинального тока расцепителя автоматического выключателя с нерегулируемой обратно зависящей от тока характеристикой (независимо от наличия или отсутствия отсечки) - для проводников всех марок». 

СХЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Рассмотрим характерную схему электроснабжения жилого здания (рис. 1). Источник питания - это, как правило, отдельно стоящая ПС со своим распределительным щитом 10(6)/0,4/0,23 кВ. На вводе в здание расположено вводно­распределительное устройство - ВРУ­0,4/0,23 кВ. Следующая ступень - этажный групповой распределительный щиток (ГРЩ), последняя ступень - квартирный распределительный щиток (КРЩ). Упомянутые распредустройства связаны между собой проводниками, минимально допустимые сечения которых указаны в ПУЭ. Номинальные токи аппаратов, защищающие кабели и провода как от токов КЗ, так и от перегрузки, выбираются в соответствии c ПУЭ.

УСЛОВИЯ ВОЗГОРАНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДКИ

Возникает вопрос, может ли при выполнении вышеуказанных и других требований ПУЭ произойти возгорание электропроводки при коротком замыкании (КЗ)? Считается, что возгорание электропроводки происходит при достижении проводником определенной температуры, зависящей от типа изоляции кабеля [2]. Так, для кабелей с поливинилхлоридной изоляцией, широко применяемых в настоящее время, эта температура равна: Q = 350 ^оС.

Изменение температуры проводника при протекании тока КЗ описывается формулами, приведенными в [2]. С учетом некоторых особенностей, в частности, кратковременности протекания тока КЗ (о чем будет сказано далее), в рассматриваемых случаях для проводников с медными жилами можно использовать следующую формулу:

Qкон. = Qнач. · ек + 228(ек – 1),

(1)

где    Q_кон. и Q_нач. – соответственно конечная и начальная температуры токоведущей жилы проводника, ^ОС;
                   к – показатель степени:

(1а)

где    t – время протекания тока КЗ, с;
                   S – сечение проводника, мм²;
                    – интеграл Джоуля или тепловой импульс, кА²/с.

В общем случае ток КЗ содержит периодическую и апериодическую составляющие, т.е.:

Однако, как показывает анализ, влияние апериодической составляющей в данном случае невелико ввиду её быстрого затухания (постоянная времени затухания Т  0,003 с). В результате интегрирования на интервале времени действия защитной аппаратуры (0 - 0,02 с) получим:

где I^д – действующее значение периодической составляющей тока КЗ.
Тогда формула (1а) примет вид:

(2)

Анализируя формулы (1) и (2), можно заметить, что температура проводника зависит в первую очередь от величины тока в проводнике при КЗ и в несколько меньшей степени от времени его протекания. Решая эти формулы относительно тока, получим выражения для предельных значений токов КЗ I_пред, при которых возгорание проводника ещё не произойдет:

(3)

 

(4)

Из приведенных формул видно, что предельные значения токов КЗ, при которых возгорание проводника не произойдет, зависят от его сечения и времени отключения КЗ.

ГРАНИЧНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ТОКОВ КЗ

Минимально допустимые значения токов КЗ

Анализируя защитные времятоковые характеристики автоматических выключателей (рис. 2), мы видим две области: область работы отсечки, предназначенной для отключения токов КЗ, и область работы тепловых расцепителей, предназначенных для защиты от перегрузки.

Исходя из требований чувствительности, можно определить минимальные значения токов КЗ, при которых будет надежно срабатывать отсечка автоматических выключателей:

I_кзмин. = I_ном · 2 · 5,

где I_ном – номинальный ток автомата;
               2 – коэффициент надежности;
               5 – кратность тока срабатывания отсечки.

Максимально допустимые значения токов КЗ

Для определения максимально допустимых значений токов КЗ, при которых возгорание электропроводки ещё не произойдет, используем формулы (1) и (2). 
Примем начальную температуру проводника Q_нач. = 30 ^оС. В качестве конечной следует принять такую, при которой изоляция электропроводки ещё не теряет своих свойств и позволяет осуществлять дальнейшую эксплуатацию. Для кабелей и проводов с пластмассовой изоляцией эта температура лежит в диапазоне 160 - 250 ^оС [2]. Примем среднее значение Q_кон. = 200^ОС:

При времени отключения 20 мс предельно допустимое значение тока КЗ для медного проводника сечением 1,5 мм² составит:

Если необходимо решить другую задачу – определения минимально допустимого сечения кабеля или провода при заданном токе КЗ и времени его отключения, то можно использовать формулу:

(5)

Для определения максимально допустимого времени работы защиты при заданных токе КЗ и сечении проводника используем:

(6)

ВЛИЯНИЕ ПЕРЕГРУЗКИ ПРОВОДНИКОВ

Перегрузка электрической сети в быту может наступить, в частности, при использовании дополнительных обогревательных электроприборов в холодное время года, в случае аварии в системе водяного отопления и т.п. 

Если, например, автомат выбран в соответствии с требованиями ПУЭ, т.е. его номинальный ток равен длительно допустимому току проводника, то последний может длительно работать с нагрузкой  145% I_доп. При этом его температура может достигать:

Q_р = Q_о + (Q_д – Q_р) · (I_пред / I_р)² = 30 + (65 – 25) 1,45² = 147 ^OС.

Эта величина больше длительно допустимой температуры для кабелей с пластмассовой изоляцией, указанной в ПУЭ и равной 65 ^оС. 

При возникновении КЗ в процессе длительной перегрузки температура проводника превысит предельно допустимое значение 350 ^оС и составит для S = 1,5 мм² при I_кз = 1550 А (1):

Q_кон. = 147 · е^к + 228 (е^к – 1) = 394 ^OС, где к = 0,506.

На основании вышеизложенного напрашивается вывод о том, что для исключения возможного превышения допустимых температур электропроводки при перегрузках и КЗ номинальные токи защитной аппаратуры следует выбирать несколько ниже, чем требует ПУЭ, как, например, для автоматических выключателей: I_{ном.авт.}  80% I_доп.

РЕАЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ТОКОВ КЗ В СХЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЙ

Токи КЗ в системе электроснабжения напряжением до 1 кВ рассчитываются согласно методике, изложенной в ГОСТ 28249­93 [4]. Расчет оказывается более сложным, чем для сетей напряжением 6–35 кВ, что объясняется рядом обстоятельств:

• необходимостью учета не только реактивных, но и активных сопротивлений элементов схемы;
• необходимостью учета сопротивлений контактных соединений;
• необходимостью учета увеличения активных сопротивлений проводника при росте температуры;
• необходимостью учета сопротивления дуги;
• отсутствием точных данных по сопротивлениям нулевой последовательности некоторых элементов системы электроснабжения (кабели с непроводящей оболочкой, силовые трансформаторы со схемой соединения обмоток Y/Yн, Y/Zн).

Рисунок 1 -  Характерная схема электроснабжения жилого здания

а)

б)

Рисунок 2 -  Времятоковые характеристики автоматических выключателей:
a) типа LSN 
б) типа С 60а Merlin Gerin

ВЫВОДЫ

1. В результате коротких замыканий, при значительных величинах тока КЗ и недостаточном быстродействии защитной аппаратуры, существует реальная опасность возгорания или серьезного ухудшения состояния изоляции внутренней электропроводки зданий.

2. Учитывая особую опасность возгорания, целесообразно ввести нормативное требование о выполнении проверки термической стойкости электропроводки в жилых зданиях.

3. Для исключения перегрузок внутренней электропроводки номинальные токи защитных аппаратов необходимо выбирать ниже длительно допустимых токов защищаемых проводников.

4. При выборе защитных аппаратов особое внимание следует уделять надежным автоматическим выключателям с гарантированным быстродействием в зоне мгновенного расцепления 0,02 с и менее.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Правила Устройства Электроустановок, 6­-е и 7-­е изд.
  2. Технический циркуляр №Ц­02­98(э) Департамента стратегии развития и научно­технической политики РАО «ЕЭС России».
  3. ГОСТ Р 50345­99. Автоматические выключатели для защиты от сверхтоков бытового и аналогичного назначения. 
  4. ГОСТ 28249­93. Токи короткого замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ.
  5. Федоровская А.И., Фишман В.С. Силовые трансформаторы 10(6)/0,4 кВ. Области применения различных схем соединения обмоток // Новости ЭлектроТехники. – 2006. – № 5.