Для проведения расчетов токов однофазных к. з. с учетом нагрузки необходимо учитывать различие в величине сопротивлений элементов электроустановки (трансформаторов, генераторов, линий, электродвигателей и т. п.) токам различных последовательностей. Различие в величине активных и индуктивных сопротивлений токам различных последовательностей наблюдается только в элементах электроустановок, имеющих магнитную связь между фазами. В этом случае токи различных последовательностей создают специфические магнитные потоки, определяющие активные и индуктивные сопротивления. Магнитные потоки, создаваемые токами прямой и обратной последовательностей, симметричны и отличаются только порядком следований фаз, поэтому статические элементы имеют одинаковые сопротивления токам прямой и обратной последовательностей:
; 
Магнитные потоки, создаваемые токами нулевой последовательности, резко отличаются от потоков прямой и обратной последовательности в силу одинакового направления токов нулевой последовательности во всех трех фазах. Это обусловливает специфику сопротивлений нулевой последовательности даже для статических элементов, у которых магнитная связь неизменна во времени (распределительные сети, силовые трансформаторы, реакторы, измерительные трансформаторы и т. п.).
Динамические элементы электрических установок характеризуются подвижной взаимосвязью магнитосвязанных элементов (электрические двигатели, генераторы, фазовращатели и т. п.). Такие элементы обладают различным входным сопротивлением токам прямой, обратной и нулевой последовательностей. Например, в асинхронном электродвигателе напряжение разных последовательностей играет различную роль. Напряжение прямой последовательности создает вращающееся магнитное поле, увлекающее ротор. Аналогично и система напряжений обратной последовательности создает круговое вращающееся поле, направленное в обратную сторону. Сопротивления ротора прямо пропорциональны частоте, поэтому токи, создаваемые в роторе системой напряжений прямой последовательности, имеют частоту ω1:
где ω — частота питающего напряжения; ωрот — частота вращения ротора.
Аналогично токи, создаваемые в роторе системой напряжений обратной последовательности, имеют собственную частоту 02:
Суммарное входное сопротивление асинхронного электродвигателя состоит из активных и индуктивных сопротивлений статора и вносимых сопротивлений ротора. Следовательно, асинхронный электродвигатель обладает различным входным сопротивлением токам прямой и обратной последовательностей:
Система напряжений нулевой последовательности создает не вращающееся поле, а пульсирующие потоки, замыкающиеся по воздуху вокруг статорных обмоток, не задевая ротор. Следовательно, сопротивление нулевой последовательности электродвигателя определяется только сопротивлением статора и отличается от сопротивлений прямой и обратной последовательностей: 
Остановимся подробнее на оценке сопротивлений некоторых элементов электроустановок.
Трехфазные силовые трансформаторы относятся к статическим элементам, поэтому их входные сопротивления токам прямой и обратной последовательности равны
.
Численные значения сопротивлений прямой и обратной последовательностей можно рассчитать на основании паспортных данных трансформаторов:
Кроме того, с некоторой погрешностью сопротивления прямой и обратной последовательности можно принять равными сопротивлению короткого замыкания.
Сопротивления трансформаторов токам нулевой последовательности зависят от конструкции, схемы соединения обмоток и режима нейтрали.
Для нашей задачи интерес представляют только схемы соединения обмоток, в которых вторичная обмотка соединена в звезду и заземлена. Первичная обмотка может иметь три схемы соединения: треугольник, звезда с изолированной от земли нейтралью и звезда с заземленной нейтралью. Очевидно, что величина вносимого сопротивления со стороны обмотки высшего напряжения будет зависеть от схемы ее соединения. При соединении обмоток в звезду создается возможность циркуляции в ней токов нулевой последовательности (рис. 4-20, а). Создаваемые ими потоки уравновешиваются потоками, создаваемыми токами нулевой последовательности во вторичной обмотке. Аналогичная ситуация возникает при соединении первичных обмоток в звезду с заземленной нейтралью (рис. 4-20,б).
Эквивалентная схема для трансформатора, в котором схемы соединения обмоток создают возможность прохождения токов нулевой последовательности со стороны высшего и низшего напряжения, представлена на рис. 4-20, в. Суммарное сопротивление токам нулевой последовательности из эквивалентной схемы определяется выражением
(4-87)
где Ζ1, Ζ2 — сопротивления токам нулевой последовательности первичной и вторичной обмоток трансформатора (численно равные сопротивлениям токов других последовательностей); Zμ0 — сопротивление взаимной индукции, обусловленное токами нулевой последовательности.
Рис. 4-20. Расчетная схема трансформаторов, в которых токи нулевой последовательности проходят в первичной I и вторичной II обмотках.
а, б — схемы соединения обмоток; в — эквивалентная схема.
Величина сопротивления взаимной индукции зависит от конструкции сердечника трансформатора. Если сердечники каждой обмотки не взаимосвязаны (т. е. трехфазный трансформатор представляет соединение трех однофазных), магнитный поток, создаваемый током нулевой последовательности, замыкается по сердечнику аналогично токам других последовательностей. В трёхстержневых трансформаторах (рис. 4-21) потоки нулевой последовательности в силу совпадения фазных потоков по амплитуде и направлению не могут замыкаться по сердечнику.
Замыкаясь через воздух и стенки бака, потоки нулевой последовательности заметно ослабляются и тем самым уменьшается сопротивление взаимной индукции нулевой последовательности. Однако для рассматриваемого случая в силу взаимной компенсации потоков нулевой последовательности, создаваемых токами в первичной и вторичной обмотках трансформатора, сопротивление взаимной индукции практически равно сопротивлению при прохождении токов прямой и обратной последовательностей.
Рис. 21. Схема распределения потоков нулевой последовательности в трехстержневых трансформаторах. 1 — бак; 2 сердечник.
Рис. 4-22. Расчетная схема трансформатора, в котором токи нулевой последовательности не проходят в первичной обмотке. а — схема соединения обмоток; б — эквивалентная схема.
Принимая в (4-87) Ζμ>>Ζ1=Ζ2, получаем: Z0=Z2= Z1 т. е. для рассмотренных схем соединения обмоток трансформатора входные сопротивления токам всех последовательностей равны.
Другая картина складывается в трансформаторах со схемой соединения обмоток
(рис. 4-22,а). В первичной обмотке нет пути для прохождения тока нулевой последовательности, поэтому потоки, создаваемые током во вторичной обмотке, замыкаются по воздуху и через бак трансформатора. Ослабление намагничивающих потоков приводит к уменьшению сопротивления взаимной индукции и его величина становится соизмеримой с величиной сопротивления к. з. Сопротивление нулевой последовательности определяется из эквивалентной схемы (рис. 4-22, б):
Значения сопротивлений токам прямой, обратной и нулевой последовательностей для наиболее распространенных на промышленных предприятиях трансформаторов приведены в приложении 5.
Распределительные сети.
Для питания потребителей электроэнергии на промышленных предприятиях используются распределительные сети различного конструктивного исполнения: кабельные, воздушные, шинопроводы, изолированные провода на изоляторах и в стальных трубах. Величина сопротивлений распределительных сетей токам различных последовательностей в значительной степени зависит от их конструктивного исполнения. С этой точки зрения все распределительные сети можно рассматривать в двух группах: сети с экранирующими оболочками (кабельные и проводки в стальных трубах) и сети без экранирующих оболочек (все остальные виды сетей). Остановимся на определении сопротивлений электропроводок второй группы.
Сопротивление распределительных сетей токам каждой последовательности определяется коэффициентами самоиндукции и взаимной индукции между проводами сети. Рассматривая распределительные сети как статический элемент электроустановок, принимаем:
Из выражений (4-97) видно, что минимальное сопротивление токам нулевой последовательности четырехпроводной линии превышает сопротивление токам прямой последовательности на утроенную величину полного сопротивления нулевого провода току любой последовательности:
Для рассмотренного случая конструктивного исполнения распределительной сети построены графические зависимости индуктивных сопротивлений от расстояния между проводами (рис. 4-25).
Рис. 4-25. Зависимость сопротивлений прямой и нулевой последовательностей четырехпроводной распределительной сети от расстояния между проводами.
d — расстояние между фазными проводами; d0 — расстояние между фазным и нулевым проводами.
Однако на практике сопротивление нулевой последовательности далеко не всегда бывает минимальным. Поэтому наиболее точное его значение можно получить расчетом по уточненной формуле (4-95).
Зная сопротивления трансформаторов, распределительных сетей и нагрузки (по паспортным данным), можно производить расчеты токов однофазного к. з. по уточненной методике, позволяющей учитывать сопротивление статической нагрузки. Остановимся на анализе предложенной методики.
Проводившиеся проектными организациями исследования показали, что защита занулением не всегда эффективна. И хотя понятие «эффективности» зануления до настоящего времени не совсем определено, результаты таких исследований позволяют выявить наиболее слабые участки защиты. Так, по данным ВНИИпроектэлектромонтаж, неудовлетворительные кратности тока однофазного к. з. к номинальному току защитных аппаратов наблюдались в 13% проведенных экспериментов в промышленности, 45% в строительстве и 26% в сельском хозяйстве. Наибольшие длительности отключения наблюдались на мощных потребителях.
Приведенное свидетельствует, с одной стороны, о невозможности обеспечить безопасность существующими нормами на зануление (крупные электродвигатели не отключались даже при соблюдении норм на выполнение зануления) и, с другой стороны, о неудовлетворительной эксплуатации системы зануления как одной из схем защищенного отключения. Остановимся здесь только на резервах повышения эффективности зануления путем изменения существующих норм.
В схемах электроснабжения мощных потребителей электроэнергии можно рекомендовать электрическую связь нейтрали нагрузки с нулевым проводом (зануляющей магистралью). Это позволяет значительно повысить величину тока однофазного к. з. Для получения количественных оценок сравним выражения для тока однофазного к. з. в схеме с изолированной и связанной с нулевым проводом электрической нейтралью нагрузки:
Из сравнения выражений (4-100) и (4-101) следует, что электрическое соединение нейтрали мощной нагрузки с нулевым проводом позволяет повысить кратность тока однофазного к. з. к номинальному току нагрузки на две единицы. Естественно, что с уменьшением мощности нагрузки, на которой произошло замыкание, эффект увеличения тока замыкания сказывается слабее.
Другим эффективным средством увеличения тока однофазного к. з. является применение таких распределительных сетей, которые позволяют значительно уменьшить сопротивление токам нулевой последовательности. В частности, для питания мощных электродвигателей можно рекомендовать четырехжильные кабели. Наконец, для уменьшения напряжений прикосновения необходимо строго регламентировать порядок устройства повторных заземлений независимо от характера исполнения распределительных сетей.
Сочетание перечисленных мероприятий позволяет обеспечить посредством зануления защиту от поражения электрическим током при однофазных замыканиях на корпус, не уступающую по эффективности другим схемам защитного отключения. Наряду с этим зануление имеет преимущества перед другими схемами защитного отключения от однофазных замыканий: не требует установки дополнительных приборов, допускает использование в качестве защитных аппаратов предохранителей и т. п.