Михнюк Т.Ф. Охрана труда

Подождите немного. Документ загружается.

191

называется зоной растекания тока (рис.4.4.).

Для того, чтобы обеспечить достаточно безопасное значение напряжения

прикосновения, т.е. не более 42 В, при длительности воздействия t

≥1с,

необходимо, как видно из выражения

ззпр

RIU

⋅

, уменьшать значение

сопротивления заземляющего устройства

R (

.. уз

R ). Так как ток, протекающий

через заземлитель

, не может быть более 10 А в сетях напряжением до 1000

В, то

R должно быть не более 4 Ом. Допускается 10 Ом при суммарной

мощности источников напряжения сети до 100 кВ

⋅А.

Рис.4.4. Гиперболический закон распределения потенциала

на основании земли в зависимости от расстояния (X) до заземлителя.

Чтобы получить заземление, обеспечивающее безопасность, т.е. напряжение

прикосновения не более 42 В, применяют сложные групповые заземлители.

Если расстояние между отдельными электродами (одиночными

заземлителями) меньше 20 м, то их поля растекания накладываются, то есть

они экранируют друг друга (рис.4.5), что выражается величиной коэффициента

экранирования

Общее сопротивление группового заземлителя определяется как

сопротивление всех параллельно соединенных одиночных заземлителей с

учетом коэффициента экранирования по формуле:

⋅

зод

уз

где

..зод

R – сопротивление одиночного заземлителя; n – количество одиночных

заземлителей.

Заземляющие устройства (заземления) бывают двух типов – выносные и

контурные (распределенные) или выполненные в ряд.

Выносные заземления устраиваются при отсутствии возможности разместить

заземлитель в пределах защищаемой площадки, высоком сопротивлении грунта

на этой территории и наличии сравнительно на небольшом удалении мест с

повышенной проводимостью, а также при рассредоточенном размещении

заземляемого оборудования.

192

Рис.4.5. Экранирование одиночных заземлителей

группового заземляющего устройства.

При выносном заземлителе коэффициент напряжения прикосновения (

)

близок или равен единице, то есть заземление защищает в данном случае

только за счет малого сопротивления заземления. Поэтому этот тип

заземлителя чаще всего применяется при малых токах замыкания на землю(

I ).

К достоинству выносных заземлений можно отнести возможность выбора

места размещения электродов с наименьшим сопротивлением грунта.

Контурное (распределенное) заземляющее устройство применяется в случаях,

когда необходимо выровнять потенциал на защищаемой площадке с

возможными потенциалами заземленных частей оборудования и тем самым

уменьшить напряжение прикосновения (и напряжение шага) до безопасных

значений.

Для заземления электроустановок

в первую очередь должны использоваться

естественные заземлители –– водопроводные и другие трубопроводы,

проложенные в земле (за исключением трубопроводов горючих жидкостей,

горючих или взрывоопасных газов и смесей), металлические и железобетонные

конструкции зданий и сооружений, находящиеся в соприкосновении с землей,

свинцовые оболочки кабелей, проложенные в земле, нулевые (нейтральные)

провода воздушных линий напряжением до 1000 В

, рельсовые пути

магистральных неэлектрифицированных железных дорог и др.

Защитное заземление применяется в сетях, изолированных от земли

(трехфазные трехпроводные сети с изолированной от земли нейтралью,

двухпроводные сети переменного и постоянного тока с изолированными от

земли проводами или полюсами).

Заземлению подлежат корпуса и другие части электрооборудования, на

которых может оказаться напряжение, во

всех случаях при величине

номинального напряжения электропитания 380 В переменного тока и 440 В

постоянного тока и выше; при номинальных напряжениях равных и выше 42 В

(50 Гц) и 110 В помещениях с признаками повышенной и особой опасности и

в наружных условиях; во взрывоопасных помещениях при любых значениях

постоянного и переменного напряжения.

193

Конструктивно заземляющее устройство состоит из вертикальных электродов,

которые соединяются между собой горизонтальным электродом (полосой).

В качестве вертикальных электродов обычно используют стальные стержни

диаметром 10–16 мм и длиной до 10 м, угловую сталь от 40

×40 до 60×60 мм и,

как исключение, стальные трубы диаметром 50–60 мм с толщиной стенок не

менее 3,5 мм длиной 2,5–3,0 м. Для электрического соединения вертикальных

электродов применяют полосовую сталь шириной 20–40 мм и толщиной 4 мм, а

также сталь круглого сечения диаметром 10–12 мм.

Для установки вертикальных заземлителей предварительно роют траншеи

глубиной 0,7 – 0,8 м, после чего их заглубляют специальными

механизмами

(копры, гидропрессы, вибраторы и т.п.). Расстояние между соседними

вертикальными электродами (если позволяют размеры, отведенные под

заземление площадки) берут не менее 2,5 м. Для заземлителей, расположенных

в ряд, отношение этого расстояния к длине электрода предпочтительно

выбирать равным 2–3, а при расположении электродов по контуру – равным 3.

Расчет защитного заземления в установках до 1000

В выполняется по

допустимому сопротивлению заземляющего устройства растеканию тока (4 или

10 Ом). При расчете определяют количество, размеры и схему размещения

электродов в земле.

Если на территории проектируемого заземляющего устройства имеются

естественные зеземлители, которые можно использовать, то общее

сопротивление заземляющего устройства

.. уз

будет складываться из

сопротивления естественных

.ест

R и искусственных

.иск

R заземлителей:

...

.. допуз

искест

уз

R <

⋅

где

... допуз

R – требуемое (допустимое) значение сопротивления заземляющего

устройства.

Зануление представляет собой преднамеренное электрическое соединение к

неоднократно заземленному защитному проводнику сети нетокопроводящих

частей оборудования (например, металлического корпуса), которые могут

оказаться под напряжением в результате замыкания электропитания на эти

части или корпус (рис.4.6).

194

Рис.4.6. Электрическая схема зануления:

а) в трехфазной трехпроводной сети с заземленной нейтралью;

б) в двухпроводной сети постоянного тока с заземленным полюсом.

При наличии зануления опасность электропоражения при прикосновении к

зануленным частям (корпусу) оборудования и при замыкании на них

питающего напряжения сети устраняется отключением оборудования от сети в

результате срабатывания отключающего

устройства (например, перегорания

плавкой вставки предохранителя), вызванного большим током короткого

замыкания.

Так, при замыкании фазы 3 (рис. 4.6а) на зануленный корпус установки

образуется цепь короткого замыкания третьей фазы, а возникший большой ток

в этой цепи приведет к перегоранию плавкой вставки и отключит

поврежденную установку от сети.

Так как плавкие предохранители и

автоматические выключатели с тепловой

защитой срабатывают в течение нескольких секунд, то для снижения

напряжения, действующего на человека в течение этого времени, обязательно

применение повторного заземления защитного проводника

повт

r . При этом

напряжение прикосновения уменьшится до значения:

1...

⋅

повтповтrпр

rIU ,

где

..повтr

I – ток, протекающий через повторное заземление;

–

коэффициент напряжения прикосновения.

Для надежной работы зануления необходимо обеспечить следующие

требования:

а) Ток короткого замыкания

кз

I должен в несколько раз превышать

номинальный ток

I срабатывания защиты, т.е.

нкз

IкI

⋅

≥ ,

где

– коэффициент кратности.

Для плавких предохранителей он выбирается равным 3 (во

взрывоопасных помещениях 4). При использовании автоматических

выключателей

к ≥1,25 (для автоматов с номинальным током до 100 А к ≥1,4).

195

б) Полная проводимость защитного проводника должна составлять не

менее 50% проводимости фазных проводов.

в) Чтобы обеспечить непрерывность цепи зануления, запрещается

установка в зануляемый проводник предохранителей и выключателей.

г) Для уменьшения опасности поражения персонала током, возникающей

при обрыве защитного проводника, обязательно применение повторного его

заземления.

Сопротивление току растекания повторных заземлений не должно

превышать

5, 10 или 20 Ом при напряжениях в сети соответственно 660/380,

380/220 и 220/127 В.

д) Зануление однофазных потребителей должно осуществляться

специальным проводником (или жилой кабеля), который не может

одновременно служить проводником для рабочего тока. Его сопротивление, как

и заземляющего проводника при защитном заземлении не должно превышать

0,1 Ома.

Зануление применяется только в сетях с заземленной

нейтралью (или

заземленным полюсом и проводом в двухпроводных сетях), т.к. в противном

случае при аварийном режиме работы сети, когда одна из фаз сети замыкает на

землю через незначительное сопротивление (

зм

r ), человек, касающийся корпуса

зануленной установки окажется под фазным (в трехфазных сетях), а при пробое

питающего напряжения (одной фазы) на корпус (до срабатывания защиты) –

под линейным напряжением (рис.4.7)

Рис.4.7. Схема зануления в трехфазной сети с изолированной нейтралью.

При заземленной же нейтрали в аварийном состоянии сети и нормальном

режиме установки, напряжение, действующее на человека (

пр

U ) без учета

повторного заземления будет равно:

rIU

зм

rпр

⋅

=⋅=

что значительно ниже U

Применение защитного заземления в сетях с заземленной нейтралью

196

(заземленным полюсом или проводом в двухпроводных сетях)

малоэффективно, так как при замыкании питающего напряжения (одной фазы в

трехфазных сетях) на корпус напряжение на нем по отношению к земле

достигнет значения превышающего или равного половине фазного (в

трехфазных сетях при

= ):

зз

RIU ⋅

=⋅=

В этом случае ток замыкания на землю (

I ) через защитное заземление

(

R ) будет недостаточен для срабатывания защиты (рис. 4.7).

Для определения условия надежной работы зануления производится

расчет его на отключающую способность и на безопасность прикосновения к

корпусу при замыкании фазы на землю (в этом случае производится расчет

заземления нейтрали) и замыкании на корпус (в этом случае производится

расчет повторного заземления нулевого провода – защитного

проводника).

Расчет заземлений осуществляется по методике, аналогичной расчету

защитного заземления.

Расчет на отключающую способность заключается в проверке

правильного выбора проводимости защитного проводника (нейтрали) и всей

петли «фаза-ноль», то есть соблюдения условия надежности срабатывания

защиты:

нкз

IкI

⋅

≥ .

Значение

кз

I зависит от

U и сопротивления цепи «фаза-ноль» и

определяется следующим выражением:

пнфтр

кз

XjZZZ

⋅+++

•

&&&

где

тр

– полное сопротивление трансформатора;

– полное

сопротивление фазного проводника;

– полное сопротивление нулевого

защитного проводника (нейтрали);

X – внешнее индуктивное сопротивление

петли (контура) «фаза-ноль».

Комплексное значение полного сопротивления петли «фаза-ноль» (

)

равно:

.пнфп

XjZZZ ⋅++=

&&&

Модульное значение этого сопротивления определяется по формуле:

)()(

пнфнфп

XXXRRZ ++++=

где

– соответственно активные и индуктивные значения

сопротивлений фазного и нулевого проводников.

Теперь ток короткого замыкания можно рассчитать по формуле:

)()(3/

пнфнфтр

кз

XXXRRZ

+++++

Сопротивление трансформатора (

тр

Z ) зависит от его мощности,

197

напряжения в сети и схемы соединения его обмоток, а также конструктивного

его исполнения (выбирается из технических характеристик трансформатора).

Сопротивление

R и

R определяется по сечению (S ), длине (l ) и

материалу проводников. Для цветных металлов по формуле

= , а для

стальных проводников – по справочнику (где

– удельное сопротивление

металла). Значения

X и

X для медных и алюминиевых проводников

сравнительно малы (около 0,0156 Ом/км) и ими можно пренебречь.

Для стальных проводников

X и

можно определить по справочникам.

Значение

можно рассчитать по известной в электротехнике формуле:

lLX

⋅

ωω

где

– угловая частота ( f

2 ), рад/с; L – индуктивность линии, Г;

–

относительная магнитная проницаемость среды;

– магнитная постоянная

(

104

−

⋅

г/м); l – длина линии, м;

– расстояние между проводами линии, м; d

– диаметр проводника, м.

Для воздушной линии длиной 1 км (

=1) при частоте f =50 Гц (

=314

рад/с):

ln1256,0

ln10

104

314

=⋅

⋅

−

Из этого выражения следует, что

X в основном зависит от D (расстояния

между проводами сети). Поэтому защитные проводники прокладываются

совместно или в непосредственной близости от фазных проводников.

При малых значениях

D , соизмеримых с d , сопротивлением

X можно

пренебречь, так как оно в этом случае не превышает 0,1 Ом/км.

Защитное отключение представляет собой устройство, автоматически

отключающее установку или участок электрической сети при возникновении в

них опасности поражения человека электрическим током.

Такая опасность может возникнуть при замыкании электропитания

установки на ее корпус, снижении сопротивления изоляции проводов

электрической сети относительно земли ниже допустимого значения,

появления в сети более высокого напряжения, при прикосновении человека к

токоведущим частям при выполнении работ под напряжением и т.п. При этом

имеет место изменение некоторых электрических параметров сети или

электроустановки. Например, могут измениться напряжение корпуса установки

относительно земли, ток замыкания с корпуса на землю, напряжение фаз

относительно земли и т.п.

Эти изменения параметров используются в устройствах защитного

отключения (

УЗО) как входные сигналы, вызывающие срабатывание этих

устройств и автоматическое отключение установки или опасного участка

электрической сети от питающего напряжения. Эти сигналы называются

уставкой.

198

В зависимости от того, что является уставкой применяются следующие

схемы УЗО:

- на напряжении корпуса относительно земли;

- на токе замыкания на землю;

- на токе нулевой последовательности;

- на напряжении нулевой последовательности и др.

Схема УЗО на напряжении корпуса относительно земли показана на

рис. 4.8.

Данное УЗО предназначено для устранения опасности электропоражения

при возникновении на заземленном корпусе повышенного напряжения и

представляет собой дополнительную меру к защитному заземлению.

Уставкой здесь является напряжение срабатывания реле напряжения

(РН):

′

⋅=

рруст

ZIU ,

где

– ток, протекающий по обмотке реле;

– полное сопротивление

обмотки реле.

Ток реле может определяться предельно допустимым напряжением на

корпусе относительно земли в зависимости от быстродействия реле, то есть:

вспp

прпд

;

где

всп

- сопротивление вспомогательного заземления.

Тогда

пр

уст

ПД

⋅

всп

Рис.4.8. Упрощенная электрическая схема УЗО

на напряжении корпуса относительно земли.

Обозначения:

I – ток, протекающий через защитное заземление;

R – сопротивление

защитного заземления;

ВСП

R – сопротивление вспомогательного заземления;

– реле напряжения;

– полное сопротивление РН; OK – отключающая

катушка автоматического выключателя.

199

Если напряжение на корпусе относительно земли окажется равным или

более

уст

U , заранее установленного в зависимости от

ПД

пр

U , то реле напряжения

сработает и включит в сеть электромагнитный расцепитель (контактор) и тем

самым отключит установку от сети.

Эта схема УЗО пригодна для применения в сетях с изолированной

нейтралью как дополнительная мера защиты к защитному заземлению.

Схема УЗО на токе замыкания на землю показана на рис.4.9.

Уставкой в этой схеме

УЗО является величина тока, при которой

срабатывает реле тока (РТ) и отключает установку от сети.

выключателя.

Значение уставки определяется величиной допустимого напряжения

между корпусом установки и землей, то есть:

зp

пр

уст

ПД

;

где

R - сопротивление защитного заземления, в разрыв электрической

цепи которого включается РТ.

Рис.4.9. Упрощенная электрическая схема УЗО

на токе замыкания на землю.

Обозначения:

– реле тока;

Z – полное сопротивление реле тока;

R –

сопротивление защитного заземления;

OK – отключающая катушка

автоматического УЗО на токе замыкания на землю применяется как в сетях с

изолированной нейтралью, так и в сетях с заземленной нейтралью. В последнем

случае реле тока включается в цепь зануления.

В обоих случаях это УЗО является дополнительной мерой защиты к

защитному заземлению и занулению.

На рис. 4.10. представлена схема

УЗО на токе нулевой

последовательности.

Датчиком в схеме УЗО этого типа служит трансформатор тока нулевой

последовательности (

TTH

). Наибольшее распространение получила

конструкция

TTH

с магнитопроводом тороидальной формы. Первичными

обмотками трансформатора служат фазные проводники (1, 2, 3), пропущенные

200

через окно магнитопровода, вторичная обмотка равномерно расположена на

магнитопроводе и нагружена на входное сопротивление преобразователя и

усилителя.

УЗО на токе нулевой последовательности используется в сетях с

различным режимом нейтрали относительно земли для защиты персонала как в

случае прикосновения к корпусу электроустановки, оказавшемуся под

напряжением, так и при прикосновении непосредственно к фазе

сети.

Рис.4.10. Принципиальная схема УЗО

на токе нулевой последовательности.

Обозначения:

– трансформатор тока нулевой последовательности;

– выходное

реле.

Ток уставки этого типа УЗО может регулироваться с помощью усилителя

от 10мА до 1,0А.

Устройства защитного отключения применяются, главным образом, в

передвижных установках и для ручного электрифицированного инструмента, а

также в других случаях, где условия эксплуатации оборудования не позволяют

обеспечить безопасность защитным заземлением, занулением и другими

способами защиты

4.3 Защита от статического электричества

4.3.1 Условия возникновения и накопления электростатических

зарядов

Статическая электризация веществ имеет сложную природу. Существует

несколько механизмов образования статического электричества: контактная

электризация, электрохимический механизм, асимметричное заряжение в

результате индукции в сильном электростатическом поле и др. образование

электростатических зарядов при контактной электризации происходит при

разделении контактирующих поверхностей (разрыве контакта). Величина

образовавшегося заряда определяется зарядами двойного слоя, электрическим

сопротивлением материала и

скоростью отрыва поверхностей (интенсивностью

технологического процесса). В обычных же условиях при контакте двух