Трефилов В. (ред.) Методы и средства защиты человека от опасных и вредных производственных факторов

Подождите немного. Документ загружается.

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

нф.пр

(7.24)

при этом сопротивления трансформатора Z

, проводов фазного Z

ф.пр

и нулевого

PEN Z

имеют активную и индуктивную составляющие.

PEN

Рис. 7.27. Принципиальная схема зануления.

Если принять

фф.пр

=+ , то ток короткого замыкания

()

нф

•

. (7.25)

Например, если сопротивление Z

=0,2 ОМ (В сетях напряжением

380/220 В обычно это сопротивление значительно меньше), то ток короткого

замыкания

= 220/0,2 = 1100 А. Очевидно, что при таком токе защита должна сработать.

При наличии повторного заземления нулевого PEN-провода напряжение

корпуса относительно земли

RIU ⋅=

••

, (7.26)

где R

— сопротивление повторного заземления нулевого провода.

Ток замыкания на землю определяется из схемы, приведений на

•

рис.7.27:

()

по

•

, (7.27)

где

•

U — падение напряжения в нулевом проводе, приложенное к последо-

вательно соединенным сопротивлениям R

и R

;

– сопротивление заземления нейтрали источника питания.

Из закона Ома

ZIU ⋅=

••

или с учетом

()

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=⋅

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

•

нф

. (7.28)

130

Решая совместно уравнения, получаем при замыкании на корпус напря-

жение корпуса относительно земли:

()

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⋅

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

•

по

. (7.29)

Аналогично определяем напряжение нейтрали относительно земли:

()

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⋅

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

•

по

. (7.30)

Повторное заземление нулевого PEN-провода снижает напряжение на

корпусе в момент короткого замыкания, особенно при обрыве нулевого прово-

да. Если повторное заземление отсутствует (R

→∞), выражения и принимают

вид:

••

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

= U

; . 0=

•

При наличии повторного заземления второй множитель в выраже-

нии (7.29) меньше единицы, в выражении (7.30) — больше нуля, т. е. потенциал

корпуса меньше, чем величина U

, а потенциал нейтрали больше нуля. Если

принять Z

и R

, то потенциалы

оз

== ,

при U=220 В, U

=55 В, что допустимо в течение 1 с.

Рис. 7.28. Распределение потенциалов вдоль нулевого PEN-провода:

I — без повторного заземления; II — с повторным заземлением; 1—5 —

корпуса

131

Без повторного заземления нулевого PEN-провода (R

→∞) в случае за-

мыкания на корпус его потенциал

кз

== при U=220 В, U

=110 В, а потен-

циал нейтрали равен нулю.

Таким образом, повторное заземление при замыкании на корпус умень-

шает его потенциал и тем самым повышает безопасность. На рис. 7.28 показано

распределение потенциалов вдоль нулевого PEN-провода между повторным за-

землением (а значит, и корпусом) и заземлением нейтрали. Эти потенциалы

существуют в течение времени срабатывания защиты.

В случае обрыва нулевого провода при замыкании на корпус короткого

замыкания не произойдет. При этом потенциалы определяются из (7.29) и

(7.30), причем Z

→∞:

[]

по

;

()

по

⋅

= .

При этих условиях все корпуса, соединенные с нулевым проводом за ме-

стом обрыва, оказываются под напряжением относительно земли, равным U

Те корпуса, которые занулены до места обрыва, находятся под напряжением,

равным U

. Такой режим принципиально не отличается от замыкания на зазем-

ленный корпус в сети с глухозаземленной нейтралью. Очевидно, этот режим

опасен. Но при отсутствии повторного заземления нулевого провода опасность

возрастает еще больше, так как замыкание происходит на корпус, не имеющий

ни зануления, ни заземления. Корпуса электрооборудования, соединенные с

корпусом с поврежденной изоляцией, оказываются под фазным напряжением

относительно земли (рис. 7.29).

Рис. 7.29. Замыкание на корпус при обрыве нулевого провода.

Потенциалы зануленных корпусов при однофазном коротком замыкании

зависят от длины участка нулевого PEN-провода между нейтралью источника и

местом присоединения корпуса к нулевому проводу. При замыкании на один из

132

корпусов по участку нулевого провода между этим корпусом и нейтралью

трансформатора проходит ток короткого затыкания. Падение напряжения на

этом участке определяется из закона Ома:

нкк

ZIU

⋅

. Поскольку сопротивление

нулевого провода при постоянном сечении пропорционально его длине, паде-

ние напряжения также пропорционально длине. Поэтому при отсутствии по-

вторного заземления потенциал корпуса, на который происходит короткое за-

мыкание, равен падению напряжения в нулевом проводе [см. выражение

(7.28)].

Потенциалы по длине нулевого PEN-провода пропорциональны расстоя-

нию от нулевой точки источника (см. рис. 7.28, кривая I). Корпуса 1, 2 и 3 так-

же находятся под напряжением относительно земли, равным потенциалам ну-

левого провода в точках присоединения каждого корпуса. Потенциал корпуса 5

равен потенциалу корпуса 4, на который произошло замыкание, так как за ме-

стом короткого замыкания в нулевом проводе тока нет, а значит, и падение на-

пряжения отсутствует.

Если нулевой PEN-провод имеет повторное заземление (см. рис. 7.28,

кривая II), то потенциал нейтрали не равен нулю; он равен падению напряже-

ния на сопротивлении заземления нейтрали. Потенциал корпуса поврежденного

потребителя равен падению напряжения на повторном заземлении. Разность

этих потенциалов равна U

. Потенциалы в нулевом проводе распределяются по

прямолинейному закону. Потенциал корпуса 3 ниже потенциала корпусов 5 и 4.

Корпус 2 находится в данном случае под нулевым потенциалом.

Устройство защитного зануления и требования к нему. Основное назна-

чение защитного зануления - обеспечить срабатывание максимальной токовой

защиты при замыкании на проводящую часть электроустановки (корпус) за

время, не вызывающее опасности для людей и животных.

Согласно ПУЭ п. 1.7.79 в системе TN время автоматического отключения

питания не должно превышать значений, указанных в табл. 7.6.

Таблица 7.6

Наибольшие допустимые времена защитного автоматического отключения

для системы TN

Номинальное фазное напряжение

, В

Время отключения, с

127

220

380

Более 380

0,8

0,4

0,2

0,1

Приведенные значения времени отключения считаются достаточными

для обеспечения электробезопасности, в том числе в групповых цепях, питаю-

щих передвижные и переносные электроприемники и ручной элект-

роинструмент класса 1.

В цепях, питающих распределительные, групповые, этажные и др. щиты

и щитки, время отключения не должно превышать 5 с.

133

Для обеспечения указанного времени отключения питания ток короткого

замыкания должен значительно превышать уставку защиты или номинальный

ток плавких вставок. Ток однофазного короткого замыкания должен превышать

не менее чем в три раза номинальный ток плавкой вставки ближайшего предо-

хранителя или ток срабатывания расцепителя автоматического выключателя с

обратно зависимой от тока характеристикой. При защите сети автоматическими

выключателями, имеющими только электромагнитный расцепитель (отсечку),

нулевой защитный провод должен быть выбран таким образом, чтобы в цепи

«фаза-нуль» обеспечивался ток короткого замыкания, равный величине тока

уставки мгновенного срабатывания, умноженный на коэффициент, учитываю-

щий разброс (по заводским данным), и на коэффициент запаса 1,1. При отсут-

ствии заводских данных для автоматов с номинальным током до 1000 А крат-

ность тока короткого замыкания относительно величины уставки следует при-

нимать равной 1,4; для автоматов с номинальным током более 125 А она со-

ставляет 1,25.

Наименьшие площади поперечного сечения защитных проводников

должны соответствовать табл. 7.5.

Площади сечений приведены для случая, когда защитные проводники из-

готовлены из того же материала, что и фазные проводники. Сечения защитных

проводников из других материалов должны быть эквивалентны по проводимо-

сти приведенным.

Допускается, при необходимости, принимать сечение защитного провод-

ника менее требуемых, если оно рассчитано по формуле (только для времени

отключения ≤ 5 с):

k/tIS ≥ ,

где S — площадь поперечного сечения защитного проводника, мм

;

I — ток короткого замыкания, обеспечивающий время отключения по-

врежденной цепи защитным аппаратом в соответствии с табл. 7.6 или за время

не более 5 с, А;

t — время срабатывания защитного аппарата, с;

k— коэффициент, значение которого зависит от материала защитного

проводника, его изоляции, начальной и конечной температур. Значение k - для

защитных проводников в различных условиях приведены в ПУЭ.

Значения максимальной температуры при определении сечения защитно-

го проводника не должны превышать предельно допустимых температур нагре-

ва проводников при КЗ, а для электроустановок во взрывоопасных зонах соот-

ветствовать ГОСТ 22782.0 «Электрооборудование взрывозащищенное. Общие

технические требования и методы испытаний».

Во всех случаях сечение медных защитных проводников, не входящих в

состав кабеля или проложенных не в общей оболочке (трубе, коробе, на одном

лотке) с фазными проводниками должно быть не менее:

2,5 мм

— при наличии механической защиты;

4 мм

— при отсутствии механической защиты.

Сечение отдельно проложенных защитных алюминиевых проводников

должно быть не менее 16 мм

134

В системе TN для обеспечения требований нулевые защитные проводни-

ки рекомендуется прокладывать совместно или в непосредственной близости с

фазными проводниками.

Нулевой защитный провод должен иметь надежные соединения, и должна

обеспечиваться непрерывность цепи от каждого корпуса до нейтрали источни-

ка. Поэтому соединения нулевого провода до защищаемого корпуса выполня-

ются сварными. Нулевой защитный провод соединяется со всеми заземленны-

ми металлическими конструкциями, создающими параллельные цепи коротко-

го замыкания: металлическими конструкциями зданий, подкрановыми путями,

стальными трубами электропроводок, свинцовыми и алюминиевыми оболочка-

ми кабелей, металлическими трубопроводами, проложенными открыто, исклю-

чая трубопроводы для горючих и взрывоопасных смесей. Эти проводники мо-

гут служить единственным нулевым проводом, если по проводимости они

удовлетворяют приведенным выше требованиям.

Чтобы обеспечить непрерывность цепи зануления, запрещается установка

в нулевой PEN (PE)-провод предохранителей и выключателей. Это допускается

только в том случае, если выключатель вместе с нулевым PEN-проводом раз-

мыкает и все фазные провода.

Зануление однофазных потребителей, например светильников, должно

осуществляться специальным защитным проводником (или жилой кабеля), ко-

торый не может одновременно служить проводом для рабочего тока (см. рис.

7.27, корпус 2). Повторные заземления нулевого провода должны выполняться

на концах ответвлений воздушных линий или ответвлений длиной более 200 м,

также на вводах в здания, электроустановки которых подлежат занулению.

Сопротивление заземляющих устройств, к которым присоединены ней-

трали трансформаторов или генераторов, в любое время года должно быть не

более 2, 4 и 8 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В

источника трехфазного тока. Общее сопротивление растеканию заземлителей

всех повторных заземлений нулевого рабочего провода каждой воздушной ли-

нии в любое время года должно быть не более 5, 10 и 20 Ом соответственно при

линейных напряжениях 600, 220, 127 В. При этом сопротивление растеканию

заземлителя каждого из повторных заземлений нулевого рабочего провода

должно быть не более 15, 30 и 60 Ом соответственно при тех же напряжениях.

Проводники для повторных заземлений нулевого провода должны иметь про-

пускную способность не менее 25 А.

Расчет зануления производится с целью определить сечение нулевого за-

щитного провода, удовлетворяющее условию срабатывания максимальной то-

ковой защиты. Уставка защиты определяется мощностью подключенной элек-

троустановки. Согласно требованиям ПУЭ, ток короткого замыкания должен

превышать уставку защиты. Например, ток короткого замыкания, необходимый

для перегорания плавкой вставки предохранителя, определяется как I

≥ 3·I

где I

— номинальный ток плавкой вставки.

Расчетная величина тока короткого замыкания определяется из выраже-

ния (1) с учетом сопротивления петли «фаза — нуль»:

нф.прп

ZZZ += ;

135

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Таблица 7.8

Расчетные сопротивления сухих трансформаторов

при вторичном напряжении 400/230 В

Мощность

трансформа-

тора, кВ·А

Схема соеди-

нения обмо-

ток

,Ом

Мощность

трансформа-

тора, кВ·А

Схема соеди-

нения обмо-

ток

,Ом

Мощность

трансформа-

тора, кВ·А

Схема соеди-

нения обмо-

ток

,Ом

160 Δ/Y

0,055 320 Y/Y

0,0847 630 Δ/Y

0,014

180 Y/Y

0,151 400 Δ/Y

0,022 750 Y/Y

0,0364

250 Δ/Y

0,0354 560 Y/Y

0,0434 1000 Δ/Y

0,009

Сопротивления трансформаторов приведены в табл. 7.8. Приведенные в

ней данные следует рассматривать как приближенные, пригодные для практи-

ческих расчетов, не требующих высокой точности. Следует отметить, что у

трансформаторов с соединением обмоток Δ/Y

сопротивление ниже, чем у

трансформаторов с соединением обмоток Y/Y

. Это следует учитывать при вы-

боре трансформаторов.

Сопротивление петли «фаза — нуль»

()

нфп

XRRZ ++= ,

где R

— активное сопротивление фазного провода;

— активное сопротивление нулевого защитного провода;

— индуктивное сопротивление петли «фаза — нуль».

Для медных и алюминиевых проводов активное сопротивление определя-

ется из формулы

⋅

пров

Индуктивное сопротивление петли «фаза-нуль» равно сумме реактивных

сопротивлений фазного Х

и нулевого Х

проводов и сопротивления взаимоин-

дукции Х'

между этими проводами (внешнее сопротивление):

пнфп

XXXX

′

++= .

Индуктивные сопротивления медных и алюминиевых проводов малы и

ими можно пренебречь. Для стальных проводов активные и реактивные сопро-

тивления принимаются по справочным таблицам при соответствующих плот-

ностях тока. Сопротивление взаимоиндукции между проводами

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅ωμ

′

где μ

— магнитная проницаемость воздуха, равная 4·10

-7

Гн/м;

l — длина линии, м;

d — расстояние между проводами, м;

D — диаметр провода, мм.

136

Обычно при отдельно проложенных нулевых проводах принимают

′

—

0,6l; при прокладке кабелем или в стальных трубах значением можно пре-

′

небречь.

В практике проектирования принято величины

и Z

складывать ариф-

метически. Это дает небольшую погрешность (до 5%) в сторону уменьшения

тока короткого замыкания, т. е. в сторону запаса.

Заземление нейтрали и повторные заземления рассчитываются по мето-

дике, изложенной выше. Для определения напряжений относительно земли из

выражений (7.29) и (7.30) принимают:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

++=

фф

XjRZ

;

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

++=

ннн

XjRZ

Устройство зануления проверяется при вводе электроустановки в экс-

плуатацию, периодически в процессе работы и после ремонта. Внешний осмотр

устройства зануления производится аналогично осмотру заземляющего устрой-

ства. Для измерения сопротивления петли «фаза-нуль» можно применить лю-

бой прибор: измеритель параметров цепей «фаза – нуль» и «фаза – фаза» элек-

тросетей MZC- 200 MZC – 303E; для измерения малых сопротивлений — мик-

роомметр MMR – 600, MMR - 610, омметр М372 и др. Сопротивления заземле-

ний нейтрали и повторных заземлений нулевого провода измеряются измери-

телем сопротивления заземляющих устройств, молниезащиты, проводников

присоединения к земле и выравнивания потенциалов MRU – 100, MRU – 101.

Автоматическое отключение с использованием устройств защитного отклю-

чения (УЗО), реагирующих на токи утечки.

Защитное отключение - это быстродействующее автоматическое отклю-

чение всех фаз участка сети, обеспечивающее безопасные для человека сочета-

ния тока и времени его прохождения при замыканиях на корпус или снижении

уровня изоляции ниже определённого значения.

Указанные безопасные сочетания тока и времени установлены ГОСТ

12.1.038 -82 “Электробезопасность. Предельно допустимые уровни напряжений

прикосновения и токов”. Например, при времени воздействия не более 0,1 с до-

пустимый ток через тело человека составляет 500 мА, при 0,2 с - 250 мА, при

0,5 с - 100 мА и т. д. Следовательно, защита обеспечивается быстрым отклю-

чением электроустановки при возникновении в ней опасности поражения элек-

трическим током. Другими словами, электрозащитная функция устройств за-

щитного отключения (УЗО) заключается в ограничении не тока через человека,

а времени его протекания.

Современные устройства защитного отключения (УЗО) имеют быстро-

действие от 0,03 до 0,2 с.

УЗО создаются на различных принципах действия. Наиболее со-

вершенным является УЗО, реагирующее на ток утечки (дифференциальный

ток). Достоинство его состоит в том, что оно защищает человека от поражения

электрическим током не только в случае прикосновения к металлическим кор-

пусам, оказавшимся под напряжением из-за повреждения изоляции (о чём го-

137

ворится в приведённом определении), но и при прямом прикосновении к токо-

ведущим частям. Именно такие УЗО могут быть отнесены одновременно к

средствам защиты, как при косвенных, так и при прямых прикосновениях.

Кроме того, УЗО выполняет ещё одну важную функцию – защиту элек-

троустановок от возгораний, первопричиной которых являются утечки, вызван-

ные ухудшением изоляции. Известно, что более трети пожаров возникает от

неисправностей электропроводок, поэтому вполне справедливо УЗО называют

«противопожарным сторожем».

Применение высокочувствительных УЗО приводит к необходимости под-

держания изоляции электрических сетей и потребителей на должном уровне, то

есть в конечном счёте требует повышения культуры эксплуатации электроуста-

новок. В противном случае неизбежны частые перерывы электроснабжения по-

требителей по причине ложных срабатываний УЗО от естественных (фоновых)

токов утечки.

УЗО состоит из трёх функциональных элементов: датчика, испол-

нительного органа и коммутационного устройства. Датчик улавливает токи

утечки, стекающие с фазных проводов на землю в случае прямого прикоснове-

ния человека или повреждения изоляции. Сигнал о наличии тока утечки посту-

пает в исполнительный орган, где усиливается и преобразуется в команду на

отключение коммутационного устройства.

Исполнительный орган УЗО может работать на двух различных принци-

пах: электронном и электромеханическом. В электронном УЗО исполнитель-

ный орган содержит электронный усилитель, в качестве источника питания ко-

торого используется сама контролируемая сеть. Надёжность работы таких уст-

ройств зависит от наличия и стабильности напряжения сети.

В электромеханическом УЗО вместо электронного усилителя при-

меняется магнитоэлектрическая защёлка, не требующая источника питания.

Надёжность таких УЗО значительно выше, они продолжают выполнять элек-

трозащитную функцию при обрыве любого из питающих нагрузку проводов.

Достоинством электромеханических УЗО является также отсутствие потребле-

ния электроэнергии в основном, дежурном режиме работы, в то время как каж-

дое электронное УЗО потребляет мощность от 4 до 8 Вт. Однако электромеха-

нические УЗО существенно (в 2 - 2,5 раза) дороже электронных.

Рис. 7.29. Электрическая схема электромеханического УЗО

138

Электрическая схема электромеханического УЗО приведена на рисунке

7.29. Датчиком устройства служит трансформатор тока утечки (I), кольцевой

магнитопровод которого охватывает провода, питающие нагрузку (6) и играю-

щие роль первичной обмотки. При отсутствии тока утечки рабочие токи (1

) в

прямом (фазном) и обратном (нулевом рабочем) проводах равны и наводят в

магнитопроводе равные, но противоположно направленные потоки; результи-

рующий поток равен нулю и поэтому ЭДС во вторичной обмотке отсутствует.

УЗО не срабатывает. При появлении тока утечки (например, при прикос-

новении человека к оголённому фазному проводу) ток в прямом проводе пре-

вышает обратный ток на величину тока утечки; в сердечнике возникает маг-

нитный поток небаланса, а во вторичной обмотке наводится ЭДС, пропорцио-

нальная току утечки. По обмотке магнитоэлектрической защёлки (2) протекает

ток, вызывающий её срабатывание и воздействие на механизм свободного рас-

цепления (3), отключающий контакты (4). УЗО срабатывает. Таково действие

УЗО двухполюсного исполнения в цепи однофазной нагрузки.

Для работы в трёхфазной сети (как трёх-, так и четырехпроводной) УЗО

выполняется четырёхполюсным, то есть магнитопровод охватывает три фазных

и нулевой рабочий проводники. Согласно первому закону Кирхгофа, при любой

асимметрии нагрузки алгебраическая сумма мгновенных значений токов в про-

водах, питающих нагрузку, равна нулю, результирующий поток в магнитопро-

воде и ЭДС во вторичной обмотке отсутствует; УЗО не срабатывает. ЭДС во

вторичной обмотке наводится и УЗО срабатывает лишь от токов, замыкающих-

ся по путям утечки, минуя нагрузку. Другими словами, токи, замыкающиеся

через нагрузку (рабочий ток, сверхток перегрузки), а также токи одно-, двух- ,

трёхфазных коротких замыканий между проводами, питающими нагрузку, не

могут вызвать срабатывание УЗО. Заметим, что двухполюсное прикосновение

человека с изоляцией от земли УЗО воспринимает как нагрузку и не срабатыва-

ет, что является недостатком, принципиально присущим устройствам защитно-

го отключения.

Из сказанного следует, что УЗО не защищает сеть от сверхтоков перегру-

зок и коротких замыканий, то есть применение УЗО не должно означать отказа

от автоматов защиты сети или плавких предохранителей. Некоторые типы уст-

ройств защитного отключения (в основном, зарубежного производства) совме-

щают в себе функции УЗО и автоматического выключателя, что неизбежно ве-

дёт к снижению надёжности и повышению стоимости за счёт усложнения схе-

мы и увеличения количества компонентов.

УЗО применяются в цепях с токами до 80 А, они не чувствительны к

кратковременному возрастанию тока до 250 А. при этом величина тока не ока-

зывает влияние на срабатывание устройства.

По виду рабочего напряжения (тока утечки) УЗО делятся на типы:

АС – только для переменного (синусоидального) напряжения;

А – для синусоидального напряжения и пульсирующего напряжения с по-

стоянной составляющей.

При выборе УЗО следует учитывать, что источником пульсирующего на-

пряжения могут быть стиральные машины, персональные компьютеры, телеви-

зоры, регуляторы источников света.

139