Как подобрать сечение перемычек заземления медных под ток короткого замыкания

Перемычки заземления — это короткие проводники, которые соединяют заземляемые части электрооборудования с магистралью заземления или между собой. Их ставят на вводных щитах, между корпусом и дверцей шкафа, на трансформаторных подстанциях и в распределительных устройствах. Казалось бы, что может быть проще: взял кусок провода нужной длины — и готово. Но при коротком замыкании через эту перемычку за доли секунды протекает ток в тысячи ампер. Неправильно выбранное сечение приведёт к тому, что перемычка сгорит, как плавкая вставка, и заземление оборудования исчезнет. В этой статье мы подробно разберём, как подобрать сечение медных заземляющих перемычек, как рассчитать их по току короткого замыкания и какие нормативные требования при этом нужно учитывать.

Что такое заземляющая перемычка и зачем она нужна

Заземляющая перемычка — это короткий гибкий или жёсткий проводник, предназначенный для электрического соединения заземляемых частей электроустановки. Её главное отличие от обычного заземляющего проводника — малая длина и, как правило, гибкое исполнение (плетёный медный тросик или специальная лента).

Перемычки ставят в тех местах, где есть движение или вибрация. Классический пример — соединение заземляющей шины, установленной на неподвижной части щита, с дверцей, на которой смонтированы приборы. Дверца открывается и закрывается, и жёсткий проводник быстро сломается от усталости металла. Поэтому используют гибкую медную перемычку.

Другой пример — соединение корпуса трансформатора с заземляющим контуром. Трансформатор постоянно вибрирует с частотой 50 герц, и жёсткое соединение может разрушиться от вибрации. Гибкая перемычка эту вибрацию гасит.

Третье важное применение — создание видимого разрыва на время ремонтных работ. Перемычки временного заземления (переносные) используются для безопасного заземления отключённого участка электроустановки.

При коротком замыкании через перемычку протекает аварийный ток. Задача перемычки — выдержать этот ток без разрушения в течение времени, необходимого для срабатывания защиты. Если сечение перемычки окажется недостаточным, она расплавится и разорвётся, и защитное заземление исчезнет.

Нормативные требования к сечению заземляющих перемычек

Правила устройства электроустановок (пуэ) устанавливают минимальные сечения заземляющих проводников, к которым относятся и перемычки. Эти нормы зависят от материала проводника и наличия механической защиты.

Для медных заземляющих проводников при открытой прокладке минимальное сечение составляет 4 квадратных миллиметра. Для проводников без механической защиты (например, гибкая плетёнка на дверце) минимальное сечение может быть увеличено до 16 квадратных миллиметров из соображений механической прочности.

Однако эти цифры — абсолютный минимум для нормального режима. Для режима короткого замыкания нужно большее сечение, рассчитываемое по тепловому импульсу. Также пуэ требуют, чтобы все заземляющие проводники были устойчивы к коррозии. Медь этому требованию удовлетворяет, а сталь — только при наличии антикоррозионного покрытия.

Для переносных заземляющих перемычек (которые временно устанавливаются на отключённых линиях) требования иные. Их сечение определяется током короткого замыкания в той точке сети, где они устанавливаются, но не менее 16 квадратных миллиметров для меди.

Физика процесса: что происходит с перемычкой при коротком замыкании

При коротком замыкании через перемычку заземления протекает ток, который может в десятки раз превышать номинальный. Этот ток выделяет в проводнике огромное количество тепла. Если сечение недостаточно, температура перемычки быстро поднимется до температуры плавления меди (1083 градуса цельсия) или даже выше, что приведёт к расплавлению и разрыву.

Но даже если перемычка не расплавится, высокая температура может вызвать отжиг меди. Отожжённая медь становится мягкой и менее прочной. При последующих вибрациях или изгибах она может порваться.

Кроме теплового воздействия, на перемычку действуют электродинамические усилия. Два параллельных проводника с током притягиваются или отталкиваются с силой, пропорциональной квадрату тока. При токах в десятки килоампер эти усилия могут разорвать перемычку механически, даже если она не успела нагреться.

Поэтому перемычка должна быть не только термически стойкой, но и электродинамически стойкой. Для плетёных гибких перемычек электродинамическая стойкость обеспечивается специальной конструкцией: проволоки сплетены так, что они не могут разойтись в стороны.

Формула расчёта сечения по току короткого замыкания

Основной расчёт сечения заземляющей перемычки ведётся по тепловому импульсу короткого замыкания. Формула для медного проводника без изоляции имеет вид: s = (корень из i² × t) / k, где s — сечение проводника в квадратных миллиметрах, i — действующее значение тока короткого замыкания в амперах, t — время протекания тока короткого замыкания (время срабатывания защиты) в секундах, k — коэффициент, зависящий от материала.

Для неизолированной меди в пуэ приведено значение коэффициента k = 159. Это коэффициент, учитывающий разность допустимых температур нагрева при коротком замыкании и в нормальном режиме.

На практике это означает, что для каждого конкретного объекта нужно знать расчётный ток короткого замыкания и время его отключения. Эти данные можно получить либо расчётным путём, либо по паспортным данным трансформатора и автоматических выключателей.

Например, для трансформатора 1000 кВА с напряжением короткого замыкания 6 процентов ток кз на шинах 0,4 кВ составит около 20 килоампер. Если вводной автомат имеет время отключения 0,3 секунды (учитывая время срабатывания и отключения), то тепловой импульс составит 20 000² × 0,3 = 120 000 000 квадратных ампер в секунду. Корень из этой величины равен примерно 10954. Делим на k=159, получаем сечение около 69 квадратных миллиметров.

Выбор сечения с учётом времени отключения защиты

Время отключения короткого замыкания складывается из нескольких составляющих: время срабатывания релейной защиты (или теплового расцепителя автомата), время гашения дуги в выключателе и, для предохранителей, время плавления вставки.

Для автоматических выключателей с тепловыми и электромагнитными расцепителями время отключения при токах короткого замыкания составляет 0,02-0,05 секунды для электромагнитного расцепителя. Если же срабатывает тепловой расцепитель (при перегрузке), время может достигать нескольких секунд, но для короткого замыкания это нехарактерно.

Для селективных автоматических выключателей с выдержкой времени на вышестоящей ступени время отключения может быть 0,2-0,4 секунды. Для предохранителей время отключения при больших токах составляет сотые доли секунды.

Чем меньше время отключения, тем меньше требуемое сечение перемычки. Например, при том же токе 20 килоампер, но времени отключения 0,05 секунды, тепловой импульс будет 20 000² × 0,05 = 20 000 000. Корень — 4472. Делим на 159, получаем 28 квадратных миллиметров — почти в 2,5 раза меньше.

Поэтому при выборе перемычки нужно знать реальные параметры защиты, а не брать «среднее по больнице». Лучше запросить паспортные данные у производителя автоматов.

Практические значения сечения для типовых случаев

На основе расчётов и многолетней практики сложились типовые значения сечений медных заземляющих перемычек для различных объектов.

Для бытовых щитов в частных домах и квартирах ток короткого замыкания обычно не превышает 3-5 килоампер. Время отключения автомата класса с (характеристика «с») — 0,1 секунды. Расчётное сечение получается около 6-10 квадратных миллиметров. С учётом механической прочности используют перемычку сечением 10-16 квадратных миллиметров.

Для вводных щитов многоквартирных домов и небольших офисных зданий токи короткого замыкания достигают 10-15 килоампер. При времени отключения 0,2-0,3 секунды требуется сечение 25-40 квадратных миллиметров. Стандартное решение — перемычка 35 или 50 квадратных миллиметров.

Для промышленных цехов и трансформаторных подстанций с токами короткого замыкания 20-30 килоампер и временем отключения 0,3-0,4 секунды требуется сечение от 50 до 100 квадратных миллиметров. Наиболее распространены перемычки 70, 95 и 120 квадратных миллиметров.

Для особо ответственных объектов (электростанции, крупные подстанции) токи короткого замыкания могут достигать 40-50 килоампер, а время отключения — 0,5-1 секунды (селективная защита). Здесь требуются перемычки сечением до 150-240 квадратных миллиметров.

Гибкие перемычки: особенности выбора сечения

Гибкие медные перемычки (плетёнки или шины из тонких пластин) имеют свои особенности расчёта сечения. По меди они не отличаются от жёстких проводников, но есть нюанс: в плетёнке проволоки имеют малый диаметр, и при коротком замыкании они могут перегорать по отдельности быстрее, чем монолитная жила того же сечения.

Производители гибких перемычек указывают для них допустимые токи короткого замыкания с учётом этой особенности. Как правило, они соответствуют стандартным значениям для медных проводников, но с коэффициентом 0,9-0,95. Поэтому при расчёте можно брать небольшой запас.

Важный параметр гибкой перемычки — длина. Слишком короткая перемычка будет натянута и не сможет поглощать вибрацию. Слишком длинная — будет провисать и создавать дополнительные электродинамические усилия. Оптимальная длина гибкой перемычки для соединения дверцы с корпусом шкафа — на 10-20 процентов больше расстояния между точками крепления при закрытой дверце.

Соединение перемычки с оборудованием

Даже если сечение перемычки рассчитано правильно, слабое место может оказаться в месте её присоединения. Контактные соединения перемычек с заземляемыми частями должны быть надёжными и не разрушаться при коротком замыкании.

На концах гибких перемычек должны быть наконечники (медные лужёные пластины) с отверстиями под болты. Наконечники должны быть приварены или опрессованы с перемычкой. Просто скрутить проволоки и зажать под болт — нельзя.

Площадь контакта наконечника должна быть достаточной, чтобы при токе короткого замыкания не происходило локального перегрева. Рекомендуется использовать наконечники шириной не менее 20-25 миллиметров для сечений до 50 квадратных миллиметров и шириной 30-40 миллиметров для больших сечений.

Болтовые соединения должны быть затянуты с правильным моментом и зафиксированы от самооткручивания (пружинными шайбами или контргайками). При вибрации ослабленный контакт искрит, что приводит к перегреву и разрушению как контакта, так и самой перемычки вблизи наконечника.

Для соединений в агрессивных средах необходимо использовать лужёные наконечники и медные шайбы. Не допускается соединение меди непосредственно с алюминием или сталью без переходных элементов из-за гальванической коррозии.

Расчёт для переносных заземляющих перемычек

Переносные заземляющие перемычки используются для безопасного заземления отключённых участков электроустановки при ремонтных работах. Они должны выдерживать ток короткого замыкания в той точке, где установлены, в течение времени, пока работает вышестоящая защита.

Требования к переносным перемычкам жёстче, чем к стационарным. Они должны быть видимыми, чтобы персонал мог убедиться в наличии заземления. Их сечение рассчитывается по максимально возможному току короткого замыкания в данной точке сети.

Правила безопасности рекомендуют следующие минимальные сечения медных переносных перемычек в зависимости от напряжения. До 1000 вольт — не менее 16 квадратных миллиметров. От 1 до 35 кВ — не менее 25-35 квадратных миллиметров. От 35 кВ и выше — не менее 50-70 квадратных миллиметров.

Однако эти значения — минимальные. При больших мощностях трансформаторов и протяжённых линиях токи короткого замыкания могут потребовать большего сечения. В любом случае переносная перемычка должна иметь маркировку с указанием допустимого тока короткого замыкания.

Примеры из практики

Первый пример. Вводной щит частного дома. Вводной автомат на 50 ампер с характеристикой «с». Ток короткого замыкания на вводе, определённый расчётом, составляет 4,5 килоампера. Время отключения автомата при таком токе — 0,02 секунды (электромагнитный расцепитель). Тепловой импульс: 4500² × 0,02 = 405 000. Корень — 636. Делим на 159, получаем 4 квадратных миллиметра. С учётом механической прочности и удобства монтажа выбрана медная гибкая перемычка сечением 10 квадратных миллиметров с лужёными наконечниками для соединения дверцы щита с корпусом.

Второй пример. Главный заземляющий провод на трансформаторной подстанции 10/0,4 кВ. Ток трёхфазного короткого замыкания на шинах 0,4 кВ — 22 килоампера. Вводной автомат на 4000 ампер имеет время отключения 0,3 секунды. Тепловой импульс: 22 000² × 0,3 = 145 200 000. Корень — 12 052. Делим на 159, получаем 76 квадратных миллиметров. Установлена медная гибкая перемычка сечением 95 квадратных миллиметров с запасом.

Третий пример. Ремонт воздушной линии 10 кВ. Для заземления отключённой линии используется переносная перемычка. Ток короткого замыкания в точке установки перемычки (на шинах подстанции) составляет 15 килоампер. Время отключения вышестоящей защиты — 0,5 секунды. Расчётное сечение: 15 000² × 0,5 = 112 500 000. Корень — 10 607. Делим на 159, получаем 66,7 квадратных миллиметров. Принята переносная перемычка сечением 70 квадратных миллиметров.

Частые ошибки

Ошибка первая — выбор перемычки «на глаз» без расчёта. Монтажники часто ставят перемычку из куска провода 6 квадратных миллиметров, не задумываясь о токе короткого замыкания. При серьёзной аварии эта перемычка сгорит как плавкая вставка, и заземление исчезнет.

Ошибка вторая — игнорирование времени отключения. Принимают время отключения 0,02 секунды, хотя на вышестоящей защите может быть селективная выдержка 0,3-0,5 секунды. Расчётное сечение в этом случае занижается в 3-5 раз.

Ошибка третья — использование жёсткой перемычки на подвижных частях. Медный пруток 10 квадратных миллиметров на дверце щита сломается через несколько сотен открываний, так как медь быстро устаёт при изгибах. Нужна только плетёная гибкая перемычка.

Ошибка четвёртая — неправильное присоединение. Зажим медной перемычки под болт без наконечника или плохая затяжка контакта. При коротком замыкании это место перегревается и разрушается первым.

Ошибка пятая — соединение меди с алюминием без лужения. Влажный воздух создаёт гальваническую пару, алюминий разрушается, контакт ослабевает и искрит.

Ошибка шестая — слишком длинная или короткая перемычка. Короткая натянута как струна и не гасит вибрацию. Длинная провисает, и при коротком замыкании электродинамические усилия могут вырвать её из зажимов.

Подбор сечения медных перемычек заземления под ток короткого замыкания — это не теоретическое упражнение, а прямая обязанность проектировщика и монтажника. От правильного выбора зависит жизнь людей и сохранность оборудования.

Основной расчёт ведётся по тепловому импульсу короткого замыкания: s = корень(i² × t) / k, где для неизолированной меди k = 159. Ток короткого замыкания i берётся из расчёта электроустановки, время t — из паспорта автоматического выключателя или релейной защиты.

Для бытовых щитов с токами кз 3-5 килоампер и временем 0,02-0,1 секунды достаточно сечения 10-16 квадратных миллиметров. Для вводных щитов зданий (токи 10-15 кА, время 0,2-0,3 с) требуется 25-50 квадратных миллиметров. Для трансформаторных подстанций и цехов (токи 20-30 кА, время 0,3-0,5 с) — 70-120 квадратных миллиметров.

Гибкие плетёные перемычки предпочтительнее для подвижных и вибрирующих узлов (дверцы, трансформаторы). Жёсткие перемычки можно использовать только на неподвижных частях. Концы перемычек должны быть снабжены наконечниками с надёжным креплением.

Всегда берите запас по сечению 15-20 процентов от расчётного — это компенсирует неопределённость в параметрах защиты и ухудшение контактов со временем. И помните: правильно выбранная перемычка незаметна, но работает на безопасность каждую секунду. Ошибка в выборе — это не «мелочь», а потенциальная катастрофа.

Похожие материалы:

РФ занимает лидирующие позиции по сооружению торговых центров
Российские строители запланировали на период 2014-2015 годов сдать в эксплуатацию порядка четырех миллионов квадратных метров торговых площадей. Как сообщают эксперты, если ...

Новая конструкция электрической лампочки
Очень неприятная ситуация, когда дома внезапно гаснет свет. Это доставляет множество неудобств и может привести к материальным потерям. К примеру, не успев сохранить файлы на ...

Оглашен список претендентов на получение дешевого жилья
Министерство строительства России огласило список категорий граждан, которые вполне могут рассчитывать на приобретение недорогих квадратных метров для жилья. Чиновники предлагают ...

«Арена Химки» может потонуть во тьме
На стадионе «Арена Химки» Мосэнергосбыт отключил подачу электроэнергии. Сергей Фузеев, который является заместителем генерального директора ОАО «Химэнергосбыт» заявил, что ...

Новые цифры об импорте и экспорте элекроэнергии Украины
За 2016 год Украиной не было осуществлено импортирование из российских регионов ни одной единицы энергоресурса. Это было заявлено министром энергетики и угольной промышленности ...