Черкасов В.Н., Костарев Н.П. Пожарная безопасность электроустановок: Учебник

Подождите немного. Документ загружается.

255

корпусов. Особенно опасна задержка отключения токов однофазного КЗ во

взрывоопасных зонах, приводящая к возникновению длительной дуги и

повреждению (прожигу) оболочки, панели с зажимами или труб электро-

проводки с последующим выбросом пламени в окружающее пространство.

Так, двухдюймовая труба может прогореть через 3 с при токе 500 А, а при

токе 350 А – через 5 с. Поэтому

лучшим решением следует считать приме-

нение во взрывоопасных зонах не предохранителей (за исключением спе-

циальных быстродействующих, например ПНБ5), а автоматов с электро-

магнитными или полупроводниковыми расцепителями, срабатывающими

мгновенно и отключающими все три фазы, что предотвращает пожаро-

опасный режим работы электродвигателей на двух фазах.

Во время срабатывания защиты на зануленных металлических

частях

могут кратковременно создаваться значительные и даже опасные потен-

циалы. Однако в цепях со встроенными или близко расположенными под-

станциями и насыщенных технологическим оборудованием напряжение

прикосновения при замыканиях на корпус не превосходит безопасного

значения и нередко равно 10-12 В. Это объясняется включением парал-

лельно с нулевым проводом проводников большой проводимости; зазем-

ленных

металлических частей электроустановок, металлических оболочек

кабелей, трубопроводов, технологического оборудования, металлических

конструкций зданий и т.п., а также выполненного по ПУЭ повторного за-

земления нулевого провода (r

, см. рис. 7.8).

Устройство дополнительных местных очагов повторного заземления

нулевого провода, выполняемых по контуру здания или установки, являет-

ся наиболее эффективным способом снижения опасности, особенно для

удаленных от подстанций установок. При таком способе удается во время

аварийных режимов уравнять потенциалы пола (земли) и оборудования.

Повторные заземления нулевого провода снижают опасность возникнове

ния пожаров от токов замыкания и потенциалов на заземленных корпусах

в случае обрыва нулевого провода (см. 1 на рис. 7.8).

Как уже указывалось, при обрыве нулевого провода и замыкании на

корпус прикосновение к любой присоединенной к нулевому проводу ме-

таллической части равносильно присоединению к токоведущему проводу,

а прохождение токов замыкания по

случайным путям может быть причи-

ной пожара. Однако полное совпадение обрыва нулевого провода с замы-

канием на корпус маловероятно, тем более что речь идет о магистральных

проводах. Если раньше произойдет обрыв, он быстро обнаружится, так как

обрыв нулевого провода вызывает отключение или ненормальный режим

работы электроламп и других однофазных электроприемников. Если

же

раньше произойдет замыкание на корпус, оно должно отключиться защи-

256

той. Кроме того, если в осветительной сети нулевой провод используется в

качестве рабочего, потенциал на оборудование может быть вынесен через

нить электрической лампочки светильника или сопротивление нагрева-

тельного прибора даже при отсутствии замыкания на корпус. Поэтому це-

лостности нулевого провода придается большое значение. Если нулевой

провод используется в качестве защитного, в

его цепи запрещается приме-

нять разъединяющие аппараты (рубильники, выключатели и т.п.), предо-

хранители или автоматы. В воздушных линиях повторные заземления ре-

комендуется устраивать на концах линий (или ответвлений) длиной более

200 м, а также на вводах в здания, внутри которых применяется зануление,

и у прожекторных мачт.

Общее сопротивление растеканию заземлений

всех повторных зазем-

лений нулевого рабочего провода каждой воздушной линии в любое время

года должно быть не более 5, 10, 20 Ом соответственно при линейных на-

пряжениях 660, 380, 220 В. Сопротивление растеканию заземлителя каждо-

го из повторных заземлений должно быть не более 15, 30, 60 Ом соответ-

ственно при тех же напряжениях. Для повторных заземлений следует мак-

симально

использовать естественные заземлители (см. параграф 7.3). Чем

больше повторных заземлений защитного нулевого провода и чем ниже их

сопротивление, тем ниже напряжение прикосновения и напряжение по от-

ношению к земле как при замыканиях на корпус, так и при обрыве нулево-

го провода.

В электроустановках с глухозаземленной нейтралью напряжением 380-

220 В запрещается применение защитного

заземления без одновременного

зануления, а также применение земли в качестве нулевого проводника, так

как при этом в случае повреждения изоляции заземленного оборудования

возникли бы те же опасные условия, что и при обрыве нулевого провода.

В электроустановках с глухозаземленной нейтралью защита от опас-

ности, связанной с переходом высшего напряжения в цепь низшего

(см. рис. 7.8), достигается заземлением нейтрали трансформатора r

. При

этом повышение напряжения в цепи низшего напряжения ограничивается

малым значением r

. Напряжение нейтрали относительно земли получается

равным U

. Величина r

не должна превосходить значение, опреде-

ляемое выражением (7.7).

Зануление – одна из первых защитных мер в электроустановках. Зану-

ление имеет как экономические (проще и дешевле заземлители, исполь-

зуемые в системе зануления), так и качественные преимущества перед за-

щитным заземлением – оно снимает напряжение с поврежденных частей

электроустановки. Выполнение зануления в соответствии с правилами [1]

обеспечивает его высокую надежность. Однако зануление имеет ряд прин-

ципиальных недостатков, например:

257

не обеспечивает безопасности при непосредственном прикосновении

человека к токоведущим частям электроустановки;

нулевой защитный проводник обеспечивает вынос потенциала (даже

при отсутствии замыкания на корпус) на все зануленные электропотреби-

тели, что представляет опасность поражения и создает помехи радиоэлек-

тронному оборудованию;

в сети с занулением нельзя использовать заземление отдельных элек-

тропотребителей (без соединения их

с нулевым защитным проводником),

так как при замыкании на заземленный корпус зануленные электропотре-

бители оказываются под опасным напряжением в течение длительного

времени;

одновременное прикосновение к токоведущим частям электроуста-

новки и ее зануленному корпусу, а также к незануленному и зануленному

электрооборудованию представляет большую опасность;

ошибки при монтаже и подключении электропотребителя могут

при-

вести к тому, что его корпус окажется непосредственно подключенным к

фазе через нулевой защитный проводник;

перегорание плавкой вставки одного предохранителя при замыкании

на корпус не обеспечивает полного отключения от сети трехфазного по-

требителя, и он (например, трехфазный электродвигатель) окажется в по-

жароопасном неполнофазном режиме работы;

токи КЗ, токи утечки, искры

при замыкании на корпус, перегрев трех-

фазных потребителей при работе на двух фазах, обусловленные наличием

зануления, могут создать пожароопасную ситуацию;

трудности выполнения требований ПУЭ к занулению по формулам

(3.12) и (3.13) в протяженных сетях и при занулении мощных потребителей;

трудности контроля (целостности цепи зануления).

Перечисленные недостатки показывают, что зануление уже не соот

ветствует современному уровню электрификации страны и нуждается в

принципиальной переработке или замене более совершенными мерами за-

щиты, например устройством защитного отключения УЗО (см. пара-

граф 3.5).

7.3. УСТРОЙСТВО ЗАЗЕМЛЕНИЙ И ЗАНУЛЕНИЙ

Заземление или зануление применяют во всех случаях при напряже-

нии 380 В (и выше) переменного и 440 В и выше постоянного тока. В по-

мещениях с повышенной опасностью, особо опасных, в наружных уста-

новках эти защитные меры применяют при напряжениях выше 42 В

переменного и 110 В постоянного тока.

Заземлять или занулять необходимо следующие части

электроустано-

вок: корпуса трансформаторов; рамы и приводы выключателей и других

258

коммутационных аппаратов; вторичные обмотки измерительных транс-

форматоров; каркасы распределительных щитов и щитков, пультов и щи-

тов управления, шкафов с электрооборудованием. Съемные или откры-

вающиеся части щитов и шкафов должны быть занулены отдельным гиб-

ким проводником, если на этих частях установлено электрооборудование

напряжением выше 42 В переменного или 110 В постоянного тока. Зану-

ляют

также металлические оболочки и броню кабелей, проводов, металли-

ческие кабельные конструкции и муфты, стальные трубы электропроводки,

тросы, на которых подвешены провода, кожухи шинопроводов, короба и

лотки, арматуру железобетонных опор и проволочные оттяжки любых

опор, а также все другие металлоконструкции, связанные с установкой

электрооборудования.

ПУЭ не требуют заземлять или занулять что-

либо в помещениях без

повышенной опасности поражения электрическим током, в частности в

жилых и общественных помещениях с деревянными или пластиковыми

полами, если номинальное напряжение электрооборудования 220 В и ни-

же. Зануление здесь только повысило бы опасность при случайном при-

косновении одновременно к токоведущим частям и к зануленным, т. е. к

связанному с

землей корпусу электрооборудования. Не требуется также

занулять в кухнях, ванных комнатах и туалетах квартир металлические

корпуса стационарно установленного осветительного электрооборудова-

ния и переносных электроприборов и машин мощностью до 1,3 кВт (сти-

ральные и швейные машины, холодильники, утюги и т. п.).

Заземляющие и нулевые защитные проводники подразделяются на

магистральные и ответвления от них к отдельным электроприемникам.

Там, где это допустимо, в качестве нулевых защитных проводников в пер-

вую очередь используют нулевые рабочие проводники. Для заземлений и

занулений электроприемников рекомендуется применять отдельные жилы

кабелей и провода электропроводок (четвертая жила, четвертый и третий

провод), открыто проложенные проводники, преимущественно

стальные;

металлические конструкции различного назначения; алюминиевые обо-

лочки кабелей (но не броню). Защитными проводниками, в частности, мо-

гут служить: металлические конструкции зданий (фермы, колонны и т. п.);

металлические конструкции производственного назначения (подкрановые

пути, каркасы распределительных устройств, шахты лифтов и подъемни-

ков и т. п.); стальные трубы, металлические короба и лотки электропрово

дов; металлические стационарные открыто положенные трубопроводы

всех назначений, кроме трубопроводов для горючих газов и жидкостей,

канализации, центрального отопления и бытового водоснабжения. Они мо-

гут служить единственными защитными проводниками только в том слу-

259

чае, если удовлетворяют требованиям ПУЭ в отношении сечения или про-

водимости, а также если обеспечена их непрерывность.

Защитные проводники по условиям механической прочности и стой-

кости к коррозии должны иметь минимальные размеры (табл. 7.2).

Таблица 7.2

Сталь

Проводники Медь

Алю-

миний

в зда-

ниях

в наружных

установках

в земле

Голые при открытой прокладке:

сечение, мм

диаметр, мм

Изолированные провода, мм

Заземляющие и нулевые жилы

кабелей и многожильных прово-

дов в общей защитной оболочке

с фазными жилами, мм

Полосовая сталь:

сечение, мм

толщина, мм

Угловая сталь:

толщина полок, мм

Водогазопроводные трубы:

толщина стенок, мм

Тонкостенные трубы

по ГОСТ 10704-63:

толщина стенок, мм

⎯

1,5*

⎯

2,5

⎯

2,5

1,5

⎯

2,5

⎯

3,5

Не допус-

кается

* При прокладке проводов в трубах допускаются медные нулевые защитные про-

водники сечением 1 мм

, если фазные проводники имеют то же сечение.

С учетом условий безопасности и особой надежности, которую долж-

ны иметь защитные проводники, к ним предъявляются дополнительные

требования.

В сетях с изолированной нейтралью сечение заземляющих проводни-

ков должно составлять не менее 1/3 сечения фазных, а проводимость про-

водников из разных металлов должна быть не менее 1/3 проводимости

фазных.

В сетях с глухим заземлением

нейтрали для надежного автоматическо-

го отключения аварийного участка нулевые защитные проводники должны

быть выбраны таким образом, чтобы при замыкании на корпус возникал ток

КЗ, который удовлетворял бы требованиям формул (3.12) и (3.13). Это тре-

бование обычно удовлетворяется, если проводимость нулевых защитных

проводников составляет не менее 50 % проводимости фазного провода.

При медных и алюминиевых

проводах сечение нулевого защитного

провода принимают не менее 50 % фазного. Если же фазный провод мед-

ный или алюминиевый, а защитный – стальной, как это часто бывает в

260

промышленных установках (за исключением взрывоопасных), защитный

провод нельзя выбирать, исходя из сечения фазного, так как сопротивление

стальных проводников относительно велико, а при переменном токе со-

противление зависит также от тока и конструкции проводника (одно- или

многожильная). Кроме того, следует считаться с внешним индуктивным

сопротивлением, так как стальные защитные проводники (за исключением

прокладки в стальных трубах) монтируются на некотором, иногда значи-

тельном, расстоянии от фазных.

В табл. 7.3 приведены рекомендуемые минимальные сечения провод-

ников из полосовой стали и диаметры труб электропроводки, примерно

соответствующие по проводимости сечениям медных и алюминиевых про-

водов для зануления в сетях напряжением 660, 380 и 220 В.

Таблица 7.3

Сечение, мм

медного фаз-

ного провода

алюминиевого

фазного провода

стальной полосы

для зануления

Диаметр водогазопроводной трубы

для зануления, дюймы

6 и ниже

120

10 и ниже

120

15 х 3

20 х 4

40 х 3

50 х 4

80 х 4

100 х 4

100 х 8

100 х 8*

1/2

3/4

1⋅1/2

2⋅1/2

* Может применяться только при алюминиевом фазном проводе.

Использование естественных проводников в качестве нулевых рабо-

чих проводников допускается в нормальных помещениях только для груп-

повой сети освещения и при условии, что они не находятся в непосредст-

венной близости от сгораемых частей зданий или конструкций.

Нулевыми и защитными проводниками могут служить алюминиевые

оболочки кабелей, так как они всегда имеют необходимую

проводимость

(табл. 7.4).

Таблица 7.4

Трехжильный кабель, сечение, мм

, Четырехжильный кабель, сечение, мм

жил оболочки жил оболочки

261

3 х 6

3 х 10

3 х 16

3 х 25

3 х 35

3 х 50

3 х 70

3 х 95

3 х 120

3 х 150

3 х 185

3 х 240

105

120

149

165

186

3 х 6 + 1 х 4

3 х 10 + 1 х 6

3 х 16 + 1 х 10

3 х 25 + 1 х 16

3 х 35 + 1 х 16

3 х 50 + 1 х 25

3 х 70 + 1 х 25

3 х 95 + 1 х 35

125

140

157

Применение свинцовых оболочек кабелей в качестве нулевых и за-

щитных проводников запрещается.

Соединения нулевых защитных проводников между собой должны

обеспечивать надежный контакт и выполняются сваркой. Эти проводники

присоединяются к частям оборудования, подлежащим занулению, сваркой

или болтовым соединением. Присоединение должно быть доступно для

осмотра. Открыто проложенные нулевые защитные проводники должны

иметь отличительную

окраску – по зеленому фону желтые полосы.

Заземлители. Для заземляющих устройств любого назначения ис-

пользуются естественные и искусственные заземлители или их сочетание.

В качестве естественных заземлителей можно использовать проложенные

в земле водопроводные трубы и другие металлические трубопроводы, за

исключением трубопроводов горючих жидкостей и газов; обсадные трубы

различного назначения: металлические и железобетонные конструкции

зданий и сооружений, имеющие надежное соединение

с землей; металли-

ческие шпунты гидротехнических сооружений; свинцовые оболочки кабе-

лей, проложенных в земле. Если оболочки кабелей служат единственными

заземлителями, учитывать их в расчете заземляющих устройств можно

только при числе кабелей не менее двух.

Преимуществом протяженных естественных заземлителей является их

малое сопротивление растеканию тока, а также отсутствие специальных

затрат на их

устройство. Недостаток естественных заземлителей – доступ-

ность неэлектротехническому персоналу. При ремонтных работах могут

быть нарушены соединения между отдельными элементами протяженных

заземлителей, а главное – между заземляющими проводниками и заземли-

тетелями.

Если естественных заземлителей нет или их использование не дает

нужных результатов, применяют искусственные заземлители – вертикаль-

но забитые стержни (электроды) из круглой или

угловой стали из газово-

допроводных (некондиционных) труб, а также горизонтально проложен-

262

ные стальные полосы или круглую сталь. Стержни из круглой стали для

вертикальных заземлителей рекомендуются диаметром 10 мм и длиной

5 м. Применяют также угловую сталь 50 х 50 х 5 мм длиной 3 м. Исполь-

зуются трубы диаметром 50 мм и длиной 2,5 - 3 м. Чтобы уменьшить коле-

бания сопротивлений заземлителей, связанные с изменениями внешней

температуры и влажности грунта,

их располагают ниже уровня земли на

0,5-0,8 м. Еще меньше подвергаются атмосферным влияниям углубленные

заземлители из полосовой или круглой стали, закладываемые на дно кот-

лованов при сооружении фундаментов зданий цехов, подстанций и т.д.

Горизонтальные полосовые заземлители из полосовой стали шириной

30 - 50 мм и толщиной не менее 4 мм применяют для связи вертикальных

заземлителей и в качестве самостоятельных. Рекомендуемая глубина их

погружения 0,5 - 0,8 м.

Сопротивление заземлителей зависит от ряда факторов: свойств и со-

стояния грунта; конструктивных особенностей элементов (угловая, поло-

совая сталь, труба), глубины их заложения; количества и взаимного распо-

ложения элементов.

Электрические свойства грунта характеризуются удельным сопротив-

лением

ρ, измеряемым в Ом⋅м или Ом⋅см. Оно зависит от состава грунта

(песок, суглинок, глина, чернозем и т. д.), содержания влаги и растворен-

ных веществ, а также от температуры.

Перед расчетом заземляющих устройств рекомендуется измерять

удельное сопротивление грунта в реальных условиях на площадке, предна-

значенной для сооружения заземлителя. Методы измерения могут быть

разные. Удельное сопротивление грунта,

полученное измерением, умно-

жают на коэффициент

К (табл. 7.5), учитывающий климатические условия

перед измерением: ρ

расч

= ρ

изм

К.

Для средней полосы России применяют:

— в том случае, если грунт влажен и измерениям предшествовали

большие осадки;

— если грунт средней влажности и измерениям пред-

шествовали небольшие осадки;

— если грунт сухой и перед измерения-

ми не было осадков.

Таблица 7.5

Повышающие коэффициенты

Тип заземлителей Глубина залегания, м

Поверхностный

То же

Углубленный

(труба, уголок, стержень)

0,5

0,8

6,5

3,0

2,0

5,0

2,0

1,5

4,5

1,6

1,4

263

Для заземлителей, лежащих ниже глубины промерзания, коэффициен-

ты не применяют.

Если непосредственные измерения отсутствуют, можно пользоваться

приближенными средними значениями удельных сопротивлении грунта,

которые приводятся в литературе. Точность расчета при этом снижается.

При устройстве заземлителей следует избегать размещения их в мес-

тах, где возможна пропитка грунта маслами, нефтью и т. п., а

также вблизи

трубопроводов горячей воды, пара и других сооружений, вызывающих вы-

сыхание почвы. В этих случаях сопротивление заземлителей резко возрас-

тает.

7.4. РАСЧЕТ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ

При проектировании заземляющих устройств прежде всего необходи-

мо использовать естественные заземлители. Если их сопротивление расте-

канию тока

, полученное измерением или по данным аналогичных случа-

ев, окажется достаточным, другие заземлители не требуются. При недоста-

точном сопротивлении естественных заземлителей сопротивление искус-

ственных заземлителей определяется по формуле

иск

≤ r

/(r

-r

), (7.11)

где

— требуемое сопротивление растеканию тока заземляющего устрой-

ства по ПУЭ (см. параграф 7.2).

При невозможности или нецелесообразности использования естест-

венных заземлителей сопротивление искусственных заземлителей должно

удовлетворять требованию

иск

≤ r

. Так как проводимость искусственных

заземлителей складывается из проводимости вертикальных и горизонталь-

ных заземлителей, то

иск

= r

/(r

). (7.12)

Сопротивление одиночного цилиндрического электрода может быть

подсчитано по формуле

о.в

= 0,366 (ρ

расч

)

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

, (7.13)

где ρ

расч

- расчетное удельное сопротивление грунта, Ом⋅м;

- длина тру-

бы или стержня, м; d - наружный диаметр трубы или стержня; t - глубина

заложения, равная расстоянию от поверхности земли до середины трубы

или стержня, м.

Если одиночный заземлитель обычно представляет собой трубу диа-

метром 0,05 м и длиной 2,5 м, забиваемую на глубину 0,7 м, считая от по-

верхности земли до верха

трубы (t = 0,7 + 1,25=1,95), то

264

о.т

≈ 0,3ρ

расч

(7.14)

Обычно вместо труб используют более дешевые заземлители из угло-

вой стали. Сопротивление растеканию таких электродов определяется по

формуле (7.13) с введением вместо d эквивалентного диаметра заземлителя

из угловой стали d

. Эквивалентный диаметр d

угловой стали рассчиты-

вают, исходя из активной поверхности растекания тока, по формуле

= 0,95 b, (7.15)

где b - ширина полки уголка.

Если пользоваться упрощенной формулой (7.14), сопротивление оди-

ночного электрода длиной 2,5 м получается равным:

для угловой стали 50 х 50 х 5 мм

о.y

= 0,318ρ

расч

; (7.16)

для угловой стали 60 х 60 х 6 мм

о.у

= 0,298ρ

расч

. (7.17)

Сопротивление растеканию тока протяженных горизонтальных зазем-

лителей определяют по формулам

о.п

= 0,366 (ρ

расч

) lg(2

/bt); (7.18)

о.кр

= 0,366 (ρ

расч

) lg(

/dt), (7.19)

где r

о.п

и r

о.кр

– соответственно сопоставления полосового и круглого гори-

зонтальных заземлителей, Ом.

Из сопоставления формул (7.18) и (7.19) следует, что одинаковые со-

противления растеканию тока дает круглая сталь диаметром d и полоса

шириной 2d.

Обычно устраивают сложные заземлители из нескольких (а иногда из

большого количества) вертикальных электродов, которые соединяют па-

раллельно металлической полосой, являющейся также электродом

. Элек-

троды такого заземлителя располагаются на расстоянии друг от друга,

обычно равном 1-3 длинам электрода, из-за чего возникает так называемое

взаимное экранирование электродов. Явление экранирования происходит в

результате наложения электрических полей при растекании тока в землю.

Сопротивление каждого электрода при этом растет. Экранирование приво-

дит к существенному увеличению их сопротивления.

Таким образом, сопротивление сложного заземлителя (при располо-

жении электродов в ряд или по контуру) следует определять с учетом вза-

имного экранирования одиночных вертикальных электродов и горизон-

тальных соединительных полос.