СИП, освещение и электробезопасность

Вниманию читателей этого блога предлагается следующая задача на тему электробезопасности, которая, как это модно писать, основана на реальных событиях…

Для электроснабжения одноквартирных жилых домов и уличного освещения запроектирована воздушная линия (ВЛИ) на напряжении 0,4 кВ с самонесущим изолированным проводом (СИП) марки СИП2-3х95+1х95+1х25 кв.мм. Выход из трансформаторной подстанции (ТП) на опору ВЛИ предполагается выполнить кабельным. Электроснабжение жилых домов выполнено от распределительного устройства 0,4 кВ (РУ-0,4 кВ) трансформаторной подстанции (ТП); электроснабжение уличного освещения — от шкафа управления наружным освещением (ШУНО), установленным в ТП. ШУНО запитан от РУ-0,4 кВ ТП. Подключение фазных проводов и совмещенного нулевого провода (3х95+1х95 кв.мм.) ВЛИ к РУ-0,4 кВ выполняется 4-жильным кабелем марки АВБбШв-4х120 кв.мм.

Внимание, вопрос: «Каким образом должно выполняться подключение фазного провода ВЛИ, предназначенного для питания уличного освещения (1х25 кв.мм.)?»

Решение

Принципиальная электрическая схема к условию задачи изображена на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема к условию задачи.

Красной пунктирной линией со знаком вопроса обозначен кабельная линия (КЛ2) с неизвестным количеством жил и способом подключения в ШУНО и на опоре. По условию задачи необходимо определить её исполнение и способ подключения.

Вариант №1

Исполнение кабеля: АВБбШв-2х25 кв.мм.

Принципиальную электрическую схему и способ подключения кабеля на опоре см. на рис. 2а и 2б.

Рис. 2а. Принципиальная электрическая схема: 2-жильный кабель.

Рис. 2б. Схема электрических соединений на опоре: 2-жильный кабель.

Система заземления рассматриваемого участка сети принята TN‑C. Светильники уличного освещения подключаются к дополнительному проводу 1х25 (фаза А2, см. рис. 2б) и PEN ВЛИ двумя проводниками.

Этот вариант подключения нарушает требование ПУЭ, изд. 7, п. 1.7.132:

Не допускается совмещение функций нулевого защитного и нулевого рабочего проводников в цепях однофазного и постоянного тока. В качестве нулевого защитного проводника в таких цепях должен быть предусмотрен отдельный третий проводник. Это требование не распространяется на ответвления от ВЛ напряжением до 1 кВ к однофазным потребителям электроэнергии.

В однофазных сетях в качестве нулевого защитного проводника (PE) следует использовать отдельный третий проводник. Рассмотрим преимущества разделения PEN (совмещённого нулевого проводника) на N (рабочий нулевой проводник) и PE (защитный нулевой проводник):

• в нормальном режиме ток в PE‑проводнике отсутствует, следовательно, он не подвержен «отгоранию» из-за плохого контакта в месте соединения и не создает дополнительный потенциал на корпусе электроприёмников, вызванный падением (потерями) напряжения в нём при протекании тока;
• легко выполнить защитное заземление корпуса электроприёмников, подключаемых через штепсельный разъём;
• появляется возможность защиты человека от прикосновения к токоведущим и токопроводящим частям электроустановок при помощи дифференциальных выключателей (УЗО).

Применительно к рассматриваемому случаю, критичным может стать только факт «отгорания» нулевого PEN‑проводника (PEN2, см. рис. 2б), так как он подсоединён параллельно к PEN‑проводнику основного питающего кабеля (PEN1). Ток в PEN-проводнике ВЛИ разделяется и протекает по проводникам PEN1 и PEN2. Отношение токов в этих проводниках обратно пропорционально отношению полных сопротивлений PEN-проводников кабельных линий: PEN1 (КЛ1) и последовательно соединённых PEN2 (КЛ2) и PEN3 (КЛ3). Таким образом, при определённых условиях ток в проводнике PEN2 может превысить его длительно-допустимую величину для данного сечения, что может привести не только к «отгоранию» проводника в месте соединения, но и к пожару в ТП.

Казалось бы, для защиты PEN2 от токовой перегрузки в ШУНО на линию КЛ2 можно установить 2‑полюсный автоматический выключатель, имеющий тепловой расцепитель в обоих полюсах – фазном и нулевом. При перегрузке в одном из полюсов выключатель срабатывает и разрывает цепь. Но перегрузки в PEN2 могут быть систематическими (зависит от режима включений потребителей), что приведет к постоянным срабатываниям автоматического выключателя и отключению питания линии уличного освещения.

Следует заметить, что идея объединения PEN-проводников на опоре ВЛИ плохая, так как при «отгорании» PEN-проводника КЛ1 (PEN1) через PEN‑проводник КЛ2 будет протекать ток PEN‑проводника ВЛИ, а через PEN-проводник КЛ3 (PEN3) – суммарный ток нейтрали, обусловленный несимметрией нагрузки жилых домов и уличного освещения. И наоборот, при «отгорании» PEN-проводника линии КЛ3 (PEN3) суммарный ток нейтрали пойдёт через PEN‑проводники линий КЛ1 (PEN1) и КЛ2 (PEN2).

Под суммарным током нейтрали в данном случае подразумевается векторная сумма токов, протекающих по PEN-проводнику ВЛИ и PEN-проводникам линий уличного освещения, отходящих от ШУНО.

Очевидно, что наиболее критичными являются неполнофазные (1- и 2-фазные) режимы электроснабжения, следовательно, сечения PEN-проводников рассматриваемых кабельных линий должны быть выбраны по наиболее неблагоприятному режиму работы. Чтобы не завышать сечения фазных проводников, для рассмотренного случая целесообразно PEN‑проводники прокладывать отдельными одножильными кабелями. Однако это противоречит требованиям ПУЭ, изд. 7, п.2.3.52:

В четырехпроводных сетях должны применяться четырехжильные кабели. Прокладка нулевых жил отдельно от фазных не допускается…,

следовательно, необходимо завышать сечения фазных проводников линии КЛ1 и, наверное, линии КЛ2, хоть она и не 4-проводная. Сохраним интригу и рассмотрим более подробно это требование ПУЭ немного позже.

Вариант №2

Исполнение кабеля: АВБбШв-3х25 кв.мм.

Попробуем выполнить требование ПУЭ, изд. 7, п. 1.7.132, и разделим в ШУНО совмещённый нулевой PEN‑проводник в цепи однофазного тока на N и PE проводники (см. рис. 3а и 3б).

Рис. 3а. Принципиальная электрическая схема: 3-жильный кабель.

Рис. 3б. Схема электрических соединений на опоре: 3-жильный кабель.

Эти проводники (PE2 и N2) опять объединяются между собой на опоре ВЛИ, что нарушает требование ПУЭ, изд. 7, п. 1.7.135:

1.7.135. Когда нулевой рабочий и нулевой защитный проводники разделены, начиная с какой-либо точки электроустановки, не допускается объединять их за этой точкой по ходу распределения энергии.

И действительно, все преимущества, которые дает разделение проводников в ШУНО, при их объединении на опоре ВЛИ сводятся на нет (более подробно см. вариант №1), а значит и само разделение этих проводников бессмысленно.

Вариант №3

Исполнение кабеля: АВБбШв-4х25 кв.мм.

Раз не получилось разделить PEN‑проводник линии (см. вариант №2), то сделаем финт ушами и попробуем обойти требование п. 1.7.132 с другой стороны, а именно, проложим от ШУНО до опоры ВЛИ 4‑жильный кабель – 3 фазы + PEN (см. рис. 4а и 4б).

Рис. 4а. Принципиальная электрическая схема: 4-жильный кабель.

Рис. 4б. Схема электрических соединений на опоре: 4-жильный кабель.

В этом кабеле (КЛ2) рабочими являются только два проводника – А2 и PEN2, а проводники В2 и С2 находятся в так называемом «резерве». То есть формально они есть, но ни к чему не подключены, поэтому ток по ним не протекает. Собственно, этот вариант в точности повторяет вариант №1 со всеми его недостатками, поэтому подробно его разбирать нет смысла.

Получается интересная ситуация: вариант №1 противоречит ПУЭ, но при определённом подходе (увеличении сечения PEN‑проводников) его можно применить в проекте; вариант №3 формально не противоречит ПУЭ, при том физика процесса идентична варианту №1.

Вариант №4

Исполнение кабеля: АВБбШв-1х25 кв.мм.

Если соединение двух PEN-проводников КЛ1 и КЛ2 (PEN1 и PEN2) вызывает такие проблемы (см. выше), то было бы логично от PEN2 отказаться вообще, и линию КЛ2 выполнить одножильным кабелем (см. рис. 5а и 5б).

Рис. 5а. Принципиальная электрическая схема: 1-жильный кабель.

Рис. 5б. Схема электрических соединений на опоре: 1-жильный кабель.

Но и с этим решением не всё гладко из-за раннее упомянутого п. 2.3.52 ПУЭ, изд. 7 (см. вариант №1), который запрещает прокладывать нулевые жилы отдельно от фазных. С одной стороны, в этом пункте речь идёт о 4-проводных сетях, а в нашем случае сеть (цепь) 2-проводная, в которой фазный проводник сети освещения (А2) проложен отдельно от нулевого совмещённого проводника (PEN1), идущего в составе линии КЛ1. С другой стороны, нашу сеть также можно назвать 5-проводной, в которой есть фазные проводники проложены вместе с нулевым проводником, и есть отдельный фазный проводник. В общем, формулировка п. 2.3.52 ПУЭ, изд.7, не совпадает в точности с нашей ситуацией.

Попробуем разобраться, в чём состоит суть требований ПУЭ. Если PEN‑проводник будет проложен отдельно от фазных проводников то:

• ухудшаются условия для срабатывания аппаратов защиты, так как ток однофазного короткого замыкания (КЗ) фазного проводника на «землю» может быть значительно ниже тока однофазного КЗ на PEN‑проводник;
• при прокладке проводников внутри замкнутых металлических конструкций происходит нагрев этих конструкций вихревыми токами, образованными некомпенсированным магнитным потоком фазных и нулевого проводников, что может привести к местному перегреву изоляции кабеля и нарушению её целостности;
• незакреплённые или плохо закреплённые отдельно проложенные проводники, находящиеся друг от друга в непосредственной близости (при расстоянии между ними до одного диаметра кабеля), при больших значениях тока КЗ могут смещаться друг относительно друга под действием возникающих электродинамических сил.

Теперь рассмотрим эти нюансы применительно к рассматриваемой ситуации. Действительно, есть сложности обеспечения отключения тока однофазного КЗ в линии КЛ2 за нормативное время (см. ПУЭ, изд.7, п. 1.7.79) из-за большого сопротивления в точке КЗ, так как нулевой проводник отсутствует. Теоретически, этого можно избежать, если бы одножильный кабель имел исполнение в металлической оболочке (например, алюминиевой или свинцовой), и при этом оболочка была бы соединена только к PEN-шине ШУНО, а на опоре ВЛИ была бы изолирована от PEN‑проводника, чтобы часть тока PEN‑проводника ВЛИ не протекала по оболочке кабеля КЛ2. Увы, в этом случае оболочка кабеля будет нагреваться вихревыми токами со всеми вытекающими.

Раз не удаётся найти одножильный кабель в металлической оболочке, может быть тогда одножильный кабель можно проложить в металлической трубе? Но в этом случае опять получаем нагрев трубы вихревыми токами.

Чтобы не углубляться в расчёты нагрева оболочки или трубы вихревыми токами, процитирую требования ГОСТ Р 50571.5.52‑2011:

521.5 Цепи переменного тока. Электромагнитные эффекты (предотвращение вихревых токов)

521.5.1 Проводники, заключенные в ферромагнитные оболочки, должны прокладываться таким образом, чтобы все проводники каждой цепи, включая защитный проводник каждой цепи, находились в одной оболочке. В местах, где электропроводки проходят через ферромагнитный контур, они должны быть расположены так, чтобы все проводники были окружены ферромагнитным материалом.

521.5.2 Одножильные кабели, бронируемые стальной проволокой или стальной лентой, не должны использоваться для цепей переменного тока».

Хоть это требование и относится к «выбору и монтажу электропроводок», а не кабельных линий, зато в нём предельно ясно указана суть, которую можно применить для аналогичных ситуаций, не так очевидно прописанных в ПУЭ. Ну, и возвращаясь к ситуации с 2-жильным кабелем КЛ2 из варианта №1, на основании вышесказанного делаем заключение, что завышать сечение фазного проводника всё-таки придётся.

Итак, этот вариант тоже не подходит.

Вариант №5

Исполнение кабеля: фаза питания уличного освещения в составе КЛ1.

Заменим исполнение кабеля КЛ1 с 4-х на 5-жильный и подсоединим фазный провод питания уличного освещения к пятой жиле этого кабеля (см. рис. 6а и 6б).

Рис. 6а. Принципиальная электрическая схема: фаза питания уличного освещения в составе КЛ1.

Рис. 6б. Схема электрических соединений на опоре: фаза питания уличного освещения в составе КЛ1.

В этой схеме устранены недостатки предыдущего варианта:

• все жилы линии КЛ1 прокладываются в одном кабеле, значит можно рассчитать ток однофазного КЗ и обеспечить нормативное время срабатывание аппаратов защиты;
• магнитные потоки фазных и нулевого проводников КЛ1 компенсируют друг друга, а значит при прокладке внутри замкнутых металлических конструкций не будут возникать вихревые токи, приводящие к нагреву этих конструкций;
• все проводники линии КЛ1 проложены в одной оболочке кабеля, рассчитанной на действие электродинамических сил, возникающих при токах КЗ.

От ШУНО до РУ-0,4 кВ кабель КЛ2 прокладывается по металлическим конструкциям, объединённым с системой уравнивания потенциалов и заземляющим устройством ТП и нейтралью трансформатора, а значит ток однофазного КЗ будет достаточно большим для срабатывания аппарата защиты линии.

Единственным недостатком схемы является несоответствующая ей расцветка кабеля линии КЛ1, так как фазный провод освещения будет маркироваться голубым цветом по всей длине кабеля (при условии, что для PEN будет использоваться жёлто-зелёный цвет), что соответствует нулевому рабочему проводнику. В этом случае изоляцию проводника А2 следует окрасить в цвет, соответствующий фазному проводнику, с обоих концов (в РУ-0,4 кВ и в ШУНО).

Вариант №6

Исполнение кабеля: отсутствует.

Перенесём шкаф управления уличным освещением (ШУНО) из ТП на опору ВЛИ. Схема ШУНО будет отличаться от рассматриваемых ранее, так как коммутировать необходимо только одну фазу (см. рис. 7а и 7б).

Рис. 7а. Принципиальная электрическая схема: кабель отсутствует.

Рис. 7б. Схема электрических соединений на опоре: кабель отсутствует.

В ШУНО устанавливаются автоматический выключатель защиты фазы уличного освещения (QF), управляющий контактор силовой цепи (KM), управляющее устройство с «сухим» контактом (К) для коммутации цепи управления контактора. Устройство (К) может получать управляющий сигнал на по сетям GSM, по радиоканалу или по фазе А1 силовой цепи. В зависимости от содержания полученного сигнала контакт К замыкается или размыкается, и, следовательно, замыкается или размыкается силовая цепь контактора КМ. Устройство, передающее управляющий сигнал, может находиться в ТП или в другом месте.

Можно не использовать сложные электронные устройства и управляющий ключ К вынести в здание ТП. Этот ключ можно выполнить в виде кнопки, или использовать контакт суточного реле времени, или реле датчика освещённости и т.д. В этом случае, от опоры ВЛИ до ТП всё-таки придётся проложить контрольный кабель.

Выводы

1. Все варианты прокладки кабеля от ШУНО, установленного в ТП, до опоры ВЛИ нарушают действующие нормативные требования ПУЭ и ГОСТ.
2. Частичным решением задачи является вариант прокладки фазного проводника питания уличного освещения в составе 5‑жильного кабеля линии КЛ1 (не соответствует условию задачи, так как в исходных условиях кабель указан 4-жильный).
3. Решением задачи является перенос ШУНО из ТП на опору ВЛИ.

Литература

1. Правила устройства электроустановок, изд.7.
2. ГОСТ Р 50571.5.52-2011 / МЭК 60364-5-52:2009 Электроустановки низковольтные. Часть 5-52. Выбор и монтаж электрооборудования. Электропроводки.