Федеральное агентство образования Самарский Государственный

Федеральное агентство образования
Самарский Государственный технический университет
Ю.Ф. Лыков
РЕЖИМЫ НЕЙТРАЛИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
НАПРЯЖЕНИЕМ НИЖЕ 1000 В
Учебное пособие
Самара 2006
1. Основные понятия и определения
Токоведущие части. Совокупность проводников, предназначенных
для передачи электроэнергии, включающая в себя и нейтраль.
Открытая проводящая часть (корпус) - доступная прикосновению
проводящая часть электроустановки, нормально не находящаяся под
напряжением, но могущая под ним оказаться при повреждении
основной изоляции (Л1, 1.7..9).
Первое замыкание на корпус - контакт токоведущей части с корпусом в результате единственного повреждения изоляции (Л1, 1.7.14,
1.7.58).
Двойное замыкание на корпус - появление замыкания другой
токоведущей части на корпус в то время, как первое замыкание еще не
устранено.
Прямое прикосновение - электрический контакт человека с токоведущей частью, находящейся под напряжением (Л1, 1.7.11).
Косвенное прикосновение - электрический контакт человека с
корпусом,
оказавшимся под напряжением при повреждении
изоляции. (Л1, 1.7.12).
Напряжение прикосновения - напряжение между двумя проводящими частями или между проводящей частью и землей при одновременном прикосновении к ним человека (Л1, 1.7.24).
Сверхнизкое (малое) напряжение (СНН) - напряжение, не превышающее 50 В переменного и 120 В постоянного гока (Л1.7.43).
Глухозаземленная нейтраль - нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная к заземляющему устройству непосредственно
или через малое сопротивление (например, через трансформатор тока)
(Л1, 1.7.5).
Изолированная нейтраль - нейтраль трансформатора или генератора, не присоединенная к заземляющему устройству или присоединенная к нему через приборы сигнализации, измерения, защиты,
имеющие большое сопротивление (Л1, 1.7.6).
Нулевой рабочий (нейтральный) проводник - проводник, соединенный с нейтралью генератора или трансформатора, используемый
для питания электроприемников; обозначается «N» ( neutre).
Защитный заземляющий проводник. Проводник, соединяющий
корпуса с заземлителем (cети TT,IT); обозначается «PE» (protection
earth) (Л1, 1.7.34).
Нулевой защитный проводник - защитный проводник в электроустановках до 1 кВ (сеть TNS), предназначенный для присоединения
открытых проводящих частей (корпусов) к глухозаземленной
нейтрали источника питания; обозначается «PE» (Л1, 1.7.34).
Совмещенные нулевой защитный и нулевой рабочий проводники - проводник в электроустановках напряжением до 1 кВ, совмещающий функции нулевого защитного и нулевого рабочего
проводников, обозначается "PEN" (Л1, 1.7.36).
Двойная изоляция - включает в себя основную изоляцию, необходимую для защиты от прямого прикосновения и дополнительную,
призванную защитить также и от косвенного прикосновения.
Устройство защитного отключения (УЗО) на токе нулевой последовательности
(
токе
утечки).
Устройство
защитного
автоматического отключения, реагирующее на действующее значение
векторной суммы токов, проходящих по всем токоведущим
проводникам цепи. (В исправной цепи, как известно, эта сумма всегда
равна нулю). В переводной литературе УЗО часто называют
дифференциальным реле от "relais differentiel" (фр.).
2. Действие электрического тока на организм человека
Основная опасность прохождения тока через тело заключается в воздействии его на две жизненно важные функции организма: дыхательную и двигательную.
Следует учесть при этом также опасность ожогов.
Ощущение прохождения тока
Порог
чувствительности
неодинаков у разных людей: один
ощущает прохождение 0.6 мА, другой не чувствует 1.5 мА, но 2 мА
чувствуют уже все.
Сокращение и судороги мышц
Судорожное сокращение мышц и эффект неотпускания наступают
при токе 6-20 мА .
Остановка дыхания
При токе 20-30 мА наступают судороги дыхательных мышц, что
может привести к остановке дыхания.
Фибрилляция сердца
Пороговое значение тока фибрилляции равно примерно 70-100 мА.
Оно не может быть определено с достаточной точностью, так как за-
висит от физического состояния человека и от условий несчастного
случая (пути тока через тело, времени его прохождения и приложенного напряжения).
Ожоги
Существует два типа ожогов: от электрической дуги, часто
сопровож-дающей аварии в электроустановках (термический ожог) и
электротер мический ожог, вызванный резким повышением
температуры участков тела под действием проходящего тока.
3. УЗО на токе нулевой последовательности
3.1. Назначение
УЗО на токе нулевой последовательности или на токе утечки (далее
везде - просто УЗО) призвано выполнять три основные функции:
а) защита персонала от опасности косвенного прикосновения;
б) защита материальных ценностей от повреждений и уничтожения в
результате протекания тока однофазного короткого замыкания;
в) дополнительная защита персонала от опасности прямого прикосновения.
3.2. Принцип действия
Рассмотрим действие УЗО на примере трехфазного несимметричного
электроприемника (ЭП), питаемого по четырехпроводной схеме от источника с глухозаземленной нейтралью. При исправной изоляции токоведущих частей от корпуса векторная (геометрическая) сумма всех
четырех токов равна нулю (можно сказать, возвращается тока ровно
столько, сколько приходит). Сумма четырех МДС в сердечнике
трансформатора тока нулевой последовательности ТТНП также равна
нулю, напряжение на исполнительный
орган ИО (катушку
отключения) не подается, выключатель Q остается во включенном
состоянии ( рис 3.1,а).
Рис. 3.1. Принцип действия УЗО
а -нормальный режим; б -однофазное замыкание на корпус
Если изоляция одной из фаз (например, А) повреждена, появляется
ток утечки Iз, проходящий к ЭП через ТТНП, но возвращающийся к
нейтрали источника по пути корпус-земля (можно сказать, что
возвращается тока меньше, чем приходит). Сумма четырех МДС
пропорциональна току утечки, на ИО поступает сигнал, выключатель
Q отключает поврежденный ЭП (рис 3.1 b).
3.3. Конструкция
В зависимости от конструкции различают УЗО магнитного и электромагнитного действия. Схема магнитного УЗО (УЗО прямого действия) приведена на рис 3.2.
Рис. 3.2. Магнитное УЗО
а)
В нормальном режиме обмотки 2 обтекаются одним и тем же током Iвх =
Iвых, их МДС равны и встречно направлены, результирующий магнитный поток равен нулю, якорь 4 находится в верхней позиции, контакты 1
замкнуты.
При замыкании на корпус внутри
ЭП 7 появляется ток утечки на землю
Iз= Iвх - Iвых, пропорционально ему
возрастает результирующий магнитный поток, якорь 4 притягивается к
магнитопроводу 3, контакты 1
размыкаются
под
действием
пружины 6.
Схема электромагнитного УЗО
(УЗО
косвенного
действия)
приведена на рис.3.3.а. Основным
узлом данного УЗО является
трансформатор тока нулевой последовательности (ТТНП), состоящий из магнитопровода 3, двух
первичных (2) и одной вторичной
Рис.3.3. Электромагнитное УЗО
(4) обмоток. ЭДС и ток обмотки 4 пропорциональны току утечки Iз.
При определенной величине тока утечки происходит срабатывание ма
гнитоэлектрической защелки 5,6, что вызывает размыкание контактов 1 под действием пружины 8.
Магнитоэлектрическая защелка (рис.3.3.б) включает в себя магнитопровод с постоянным магнитом, обмотку и якорь. При отсутсвии
тока утечки якорь притянут к магнитопроводу под действием
постоянного магнита. При появлении тока утечки якорь отпускается,
что вызывает срабатывание УЗО.
3.4. Характеристики и классификация УЗО
Током срабатывания УЗО I Δn называется наименьшая величина тока
утечки, вызывающая его срабатывание.
Чувствительностью УЗО называется способность реагировать на наименьшие токи утечки. В зависимости от чувствительности все УЗО делятся на три группы:
а) высокой чувствительности- I Δn  30 мА;
б) средней чувствительности- 30 мА  I Δn  300 мА;
в) низкой чувствительности- I Δn  300 мА.
В зависимости от разрывной мощности контактов различают:
УЗО- выключатель, разрывная мощность контактов которого
позволяет отключать ток короткого замыкания (КЗ);
УЗО- выключатель нагрузки, разрывная мощность которого ниже
мощности КЗ в рассматриваемой цепи.
В зависимости от способности реагировать на ток утечки,
содержащий постоянную составляющую, УЗО делятся на три класса:
Класс АС (alternating current) - реагирует только на переменный ток.
Класс А- реагирует на пульсирующий ток; обозначается нормализованным знаком, расположенным на этикетке рядом с током уставки IΔn (рис. 3.4).
Класс В- реагирует на все виды токов, в том
Рис. 3.4. Знак класса А.
числе – на чисто постоянный ток.
Энергия, воздействующая на механизм отключения УЗО, весьма
незначительна и есть опасность несрабатывания этого механизма в
результате его старения. Поэтому УЗО снабжаются устройствами
тестирования, состоящими из кнопки «Тест» и сопротивления Rт,
величина которого подобрана так, чтобы обеспечить протекание тока
Iт, равного уставке УЗО In (рис. 3.5). При нажатии на кнопку «Тест»
ток Iт проходит через ТТНП и возвращается через Rт, минуя ТТНП.
При этом исправное УЗО должно сработать.
Селективность- это координация работы УЗО на разных ступенях
схемы электроснабжения, позволяющая обеспечить срабатывание только одного УЗО, ближайшего к месту повреждения. Например, селективность между УЗО Q и Q1 (рис.3.6) означает, что при однофазном
замыкании за Q1 только он должен отключиться; выключатель Q должен остаться в работе. Для этого время выдержки t УЗО Q должно
быть больше времени t1 срабатывания УЗО Q1.
Рис. 3.5. Проверка УЗО.
Рис. 3.6. Селективность УЗО.
Такая координация по времени достигается либо искусственным замедлением УЗО Q, либо подбором время - токовых характеристик
УЗО (пологих или круто падающих).
Ложным отключением называется любое отключение УЗО при токе
утечки, не представляющем никакой опасности ни для персонала, ни
для имущества.
Ложные отключения не только наносят вред, нарушая бесперебойность электроснабжения; они могут вынудить эксплуатационный персонал вывести из работы такие УЗО, несмотря на весь риск этого решения.
Обычно ложные отключения вызываются токами переходных
процессов, проходящими через емкости сети на землю.
Различают 3 основные причины ложных отключений:
- Атмосферные перенапряжения;
-
Коммутационные перенапряжения;
- Включение в работу цепи, обладающей значительной емкостью по
отношению к земле;
- Большие фоновые токи утечки;
- Ошибки в схеме включения.
Грозовые атмосферные явления наводят в распределительных сетях
волны перенапряжения с крутыми фронтами. В электроустановках н/н
под действием этих волн через емкости изоляции на землю протекают
токи переходного процесса, что может привести к ложному отключению УЗО.
Коммутационные перенапряжения связаны с включением и отключением индуктивных нагрузок. При этом также могут возникать токи
утечки на землю небольшой продолжительности.
Включаемая под напряжение цепь может иметь значительную емкость по отношению к земле (например, длинные кабельные линии,
антипаразитные фильтры компьютеров и т.п.). В этом случае во время
переходного режима к земле протекают токи утечки.
Простым и эффективным способом борьбы с ложными отключениями, вызванными тремя первыми причинами, является замедление
действия УЗО. Т.к. продолжительность переходных процессов обычно
не превышает 30 – 40 mS, выдержка времени порядка 50 mS в большинстве случаев достаточна.
Следует также обратить внимание на чувствительность используемых УЗО. Есть очевидная зависимость: чем выше чувствительность,
тем больше вероятность ложных отключений и поэтому установка
УЗО высокой чувствительности должна быть обоснована.
Распространенной ошибкой в схеме включения УЗО является
соединение нейтрали с землей за (ниже) УЗО по ходу энергии.
Устранение ложных отключений позволяет соединить высокие уровни бесперебойности и безопасности электроснабжения в одной установке.
4. Режимы нейтрали: обозначение, классификация,
характеристика
4.1. Обозначения и классификация
Нейтраль. Общая точка трех различных цепей трехфазной системы.
Режим нейтрали. Позиция нейтральной точки по отношению к
земле.
Международное обозначение режима нейтрали в электрических
сетях н/н состоит из двух или трех латинских букв (Л1, 1.7.3).
Первая буква обозначает позицию нейтрали по отношению к земле:
Т - глухозаземленная нейтраль, от Terre- земля (фр.);
I - изолированная нейтраль, от Isole- изолированный (фр.).
Вторая буква обозначает позицию корпусов по отношению к земле:
Т - корпуса заземлены, N- корпуса соединены с нейтралью источника
(занулены), от Neutre- нейтраль (фр).
Третья буква определяет схему соединения нейтрального (N) и защитного (PE) проводников:
С - проводники N и PE совмещены (PEN), от Confondu (фр.),
S - проводники N и PE существуют раздельно, от Separe (фр).
В сетях н/н различают три режима нейтрали:
1. ТТ – нейтраль заземлена, корпуса заземлены при помощи заземляющего устройства, электрически независимого от заземленной нейтрали источника.
2. TN:
а) TNC – нейтраль заземлена, корпуса занулены с помощью совмещенного проводника PEN (4-х проводная схема).
б) TNS – нейтраль заземлена, корпуса занулены с помощью нулевого
защитного проводника PE (5-ти проводная схема).
3. IT – нейтраль изолирована от земли, корпуса заземлены.
4.2. Режим TT –нейтраль и корпуса присоединены
к разным заземляющим устройствам
Рис. 4.1. Режим ТТ
-
Характеристика:
нейтраль глухо заземлена;
-
корпуса соединены между собой и с землей;
-
автоматическое отключение при однофазном замыкании не может
быть обеспечено максимально - токовой защитой (МТЗ) от
коротких замыканий (КЗ), так как ток замыкания ограничен двумя
сопротивлениями заземляющих устройств (корпусов и нейтрали
источника), включенными последовательно;
- прямое прикосновение всегда опасно, так как напряжение прикосновения равно фазному напряжению сети;
- косвенное прикосновение может быть опасно, однофазные замыкания должны автоматически отключаться;
- необходима установка УЗО, хотя бы одного в голове сети, а лучше
на всех отходящих линиях (Л1, 1.7.59).
Преимущества:
- простота проектирования и эксплуатации, т.к. нет необходимости
проверять сопротивление петли «фаза-нуль» с целью обеспечить срабатывание МТЗ, достаточно лишь периодически проверять исправность УЗО;
- не требуется постоянный эксплуатационный надзор;
- меньшая по сравнению с TN опасность вызвать пожар и порчу
оборудования, т.к. ток однофазного замыкания невелик.
Недостатки:
- низкая степень бесперебойности электроснабжения, т.к. отключение питания происходит при однофазном замыкании на корпус (70 –
85% всех повреждений в сети);
Обязательное применение УЗО, которые имеют достаточно высокую стоимость.
В настоящее время ПУЭ допускают применение системы TT
"только в тех случаях, когда условия электробезопасности в системе
TN не могут быть обеспечены" (Л1, 1.7.59).
4.3. Режим TN- нейтраль заземлена, корпуса занулены
Четырехпроводная сеть TNC c совмещенным проводником PEN
показана на рис. 4.2 .
Рис. 4.2. Четырехпроводная сеть TNC
Пятипроводная сеть TNS с нейтральным рабочим (N) и нулевым защитным (РЕ) проводниками показана на рис. 4.3.
Характеристика сетей TNC, TNS.
- нейтраль глухо заземлена;
- корпуса присоединены к проводнику PEN (система TNC) или к
проводнику РЕ (система TNS), последний присоединен к нейтрали
источниника и в нескольких точках - к заземляющему устройству;
- автоматическое отключение должно быть обеспечено МТЗ; для
этого ток однофазного короткого замыкания должен быть достаточно
большим, а сопротивление петли «фаза-нуль»- весьма малым;
- прямое прикосновение всегда опасно, т.к. напряжение прикосновения равно фазному напряжению сети;
-
Рис. 4.3. Пятипроводная сеть TNS
- косвенное прикосновение может быть опасно, однофазные замыкания необходимо автоматически отключать;
- проверка надежности срабатывания МТЗ производится при проектировании путем расчета, а в эксплуатации - путем измерения сопротивления петли «фаза-нуль».
Преимущества.
- экономия за счет возможного отказа от УЗО;
- экономия в схеме TNC благодаря устранению одного полюса выключателей и одного проводника;
- не требуется постоянный эксплуатационный надзор.
Недостатки.
- низкая степень бесперебойности электроснабжения, т.к. при однофазном замыкании на корпус (70 – 85% всех повреждений в сети)
происходит отключение питания;
- высокая степень пожарной опасности из-за большого тока КЗ;
- необходимость проверки сопротивления петли «фаза-нуль» при
проектировании и в эксплуатации, для этого персонал должен
иметь достаточную квалификацию.
В настоящее время ПУЭ рекомендуют преимущественное применение системы TN для электроснабжения жилых, общественных, промышленных зданий и наружных установок (Л1, 1.7.57).
4.4. Режим IT-нейтраль изолирована, корпуса заземлены (рис. 4.4)
Характеристика.
- нейтраль изолирована от земли или присоединена к ней через большое сопротивление;
- корпуса соединены между собой и с землей;
- Напряжение прямого прикосновения в исправной сети меньше
фазного; прямое прикосновение может быть опасно при большой
емкости сети или при плохой изоляции;
Рис. 4.4. Режим IT
- косвенное прикосновение безопасно, т.к. ток однофазного замыкания весьма мал, быстрое отключение при первом замыкании не
требуется;
- первое замыкание сигнализируется с помощью устройства контроля
изоляции (УКИ), включенного между нейтралью и землей;
- получив такой сигнал, персонал отыскивает и устраняет повреждение в нерабочее для потребителей время;
- при двойном замыкании установка автоматически отключается с помощью МТЗ;
- проверка надежности отключения при двойном замыкании осуществляется путем расчетов или замеров.
Преимущества.
- высокая степень бесперебойности электроснабжения;
- высокая степень электробезопасности как при прямом, так и при
косвенном прикосновениях (при условии хорошей изоляции
остальных фаз и нейтрали);
- отсутствие пожарной опасности при первом замыкании;
- экономия за счет отказа от УЗО.
Недостатки.
- необходим эксплуатационный надзор;
- эксплуатационный персонал должен иметь достаточную квалификацию, чтобы отыскивать место первого замыкания на корпус;
- этот персонал должен быть дисциплинирован, чтобы не допускать
длительной работы сети с заземленной фазой или нейтралью;
- необходим высокий уровень изоляции сети; для этого протяженные
сети делят на участки; ЭП с плохой изоляцией подключают через
разделительные трансформаторы и т.п.;
- прямое прикосновение в поврежденной (с заземленной фазой), но
работающей сети более опасно, чем в сетях TT и TN, т.к. напряжение
прикосновения равно линейному;
- повышенная вероятность перенапряжений.
В настоящее время ПУЭ рекомендуют применять систему IT для
потребителей, требующих высокой степени бесперебойности питания
(Л1, 1.7.58).
5. Защита от прямого прикосновения
Различают три способа защиты персонала от прямого прикосновения
(Л1, 1.7.50):
1. С помощью предупредительных мероприятий.
Предупредительные мероприятия направлены на то, чтобы сделать
недоступными токоведущие части электроустановки:
- изоляция токоведущих частей, например изолирующая крышка
выключателя, изолирующая оболочка кабеля и т.п.;
- ящики, шкафы, кожухи. Доступ внутрь таких оболочек возможен
только с помощью ключей или специальных инструментов, или
только после снятия напряжения, или после постановки
дополнительных экранов.
-
отдаление токоведущих частей, установка препятствий.
2. Использование сверхнизкого (малого) напряжения (СНН).
Прямое прикосновение не опасно, если номинальное напряжение
электроустановки не превышает сверхнизкого (малого) напряжения
(СНН). Недостатком этого напряжения, ограничивающим его
применение, является малая передаваемая мощность.
3. УЗО высокой чувствительности в качестве дополнительной защиты.
Некоторые электроустановки могут представлять особую опасность
из-за возможной порчи изоляции, возможности обрыва заземляющего
защитного провода и т.п. В таких случаях рекомендуется устанавливать дополнительную защиту – УЗО высокой чувствительности
( In30 mA). Такие УЗО обеспечивают отключение установки,
реагируя на ток прямого прикосновения, т.е. на ток, протекающий
через тело человека.
6. Защита от косвенного прикосновения.
6.1. Классификация мер защиты от косвенного прикосновения
Различают две группы мер защиты (Л1, 1.7.51).
1. Защита без отключения питания:
- использование СНН (сверхнизкого напряжения);
- гальваническое разделение цепей;
- использование оборудования с двойной изоляцией и класса II;
- дополнительная изоляция установки;
- отдаление и установка препятствий;
- непроводящие (изолирующие) помещения, зоны, площадки;
- уравнивание и выравнивание потенциалов.
2. Защита посредством автоматического отключения питания.
Автоматически должна быть отключена та часть установки, где произошло повреждение изоляции, причем полное время отключения не
должно превышать значений, нормируемых ПУЭ (1.7.79, 1.7.81) и
МЭК 60 364.
Наибольшее время (с) защитного автоматического отключения при
напряжении прикосновения 50 В.
Номинальное
Сеть TN,
Сеть IT c
линейное
сеть IT без
распределенной
напряжение сети, В
нейтрали
нейтралью
220
380
660
Более 660
0,8
0,4
0,2
0,1
5
0,8
0,4
0,2
Общим требованием при этом является необходимость соединения
между собой и заземления всех доступных для прикосновения корпусов и токопроводящих конструкций. Два элемента, доступные для одновременного прикосновения, должны быть присоединены к одному
заземляющему устройству.
6.2. Использование СНН
Используемое СНН не должно превышать предельного Uпд для данного типа помещения (см. таблицу). Понижающие трансформаторы
НН/СНН должны обеспечивать гальваническое разделение цепей,
поэтому использование автотрансформаторов недопустимо.
Uпд, В
Тип помещения
Нормальн. условия
Повышен. влажность
Присутствие воды
Переменный ток
50
25
12
Постоянный ток
120
60
30
6.3. Гальваническое разделение
цепей одного напряжения
Такое разделение делается в целях
обеспечения повышенной безопасности. Для этого используются одно и
трехфазные трансформаторы НН/НН.
Вторичная обмотка трехфазного трансформатора включается по схеме IT;
обе клеммы вторичной обмотки однофазного трансформатора также изолиРис. 6.2. Разделение цепей
руются от земли. (Л1, 1.7.85). Косвенное прикосновение во вторичных цепях этих трансформаторов безопасно, т.к. ток первого замыкания
пренебрежимо мал (Рис. 6.2).
6.4. Использование оборудования с двойной изоляцией и класса II
Если однофазное замыкание происходит внутри ЭП, снабженного
двойной изоляцией, то косвенное прикосновение к нему не опасно
(см. разд. 1).
Существует также электрооборудование класса II- это шкафы и
ящики, корпуса которых изготовлены из изолирующих материалов.
Прикосновение к таким корпусам безопасно, даже если внутри
произошло однофазное замыкание, т.е. защита от косвенного прикосновения обеспечена. Преимущество распределительных шкафов
класса II состоит в том, что они обеспечивают защиту от косвенного
прикос-новения в части цепи от ввода до выхода отходящих линий из
шкафа. Это позволяет отказаться от установки УЗО на вводе и
ограничиться их установкой только на отходящих линиях, что ведет к
экономии средств и улучшает селективность защиты, т.е.
бесперебойность электроснабжения.
6.5. Отдаление и установка препятствий
Если человек касается одновременно
двух корпусов, находящихся под разными потенциалами, он может оказаться
под опасным напряжением. Чтобы исключить эту опасность, нужно отдалить
второй корпус или установить препятствие из изолирующего материала (рис. 6.3).
Рис. 6.3. Отдаление и
препятствие
6.6. Непроводящие (изолирующие) помещения, зоны и площадки
В отдельно взятом помещении все корпуса и проводящие элементы
конструкций соединяются между собой, но не заземляются. Если
происходит однофазное замыкание, то все корпуса оказываются под
каким-то потенциалом, но разность потенциалов между одновременно
доступными корпусами равна нулю и человек не может оказаться под
опасным напряжением. Двойное замыкание приводит к отключению
посредством МТЗ (Л1, 1.7.86).
7. Защита от косвенного прикосновения с помощью
автоматического отключения питания
Автоматическое отключение электроустановки происходит неодинаково в сетях с разными режимами нейтрали.
7.1. Автоматическое отключение в сети ТТ
В сети с режимом нейтрали ТТ защита от косвенного прикосновения осуществляется при помощи УЗО. Расчет уставки УЗО или допустимого сопротивления заземляющего устройства производится
исходя из предельного напряжения безопасности Uпд, которое может существовать на корпусе в течение длительного времени, не
представляя опасности для человека(Л1, 1.7.59).
Рис. 7.1. Автоматическое отключение в сети ТТ
Допустим, что в сети ТТ имеет место косвенное прикосновение, т.е.
рабочий, стоящий на земле, касается корпуса ЭП, внутри которого
произошло однофазное замыкание, (рис. 7.1). Потенциал корпуса
поврежденного ЭП равен падению напряжения на сопротивлении
заземления корпусов Rа, вызванному протеканием тока замыкания I з:
Uкорп = I з * Rа.
Если рабочий стоит на точке с нулевым потенциалом, то напряжение
прикосновения равно потенциалу корпуса: Uп = Uкорп. Нормы требуют, чтобы напряжение прикосновения было не выше Uпд:
Iз * Rа  Uпд.
Если УЗО, реагирующее на ток замыкания I з, имеет известную чувствительность I n, то, подставив в последнее неравенство I n вместо I з,
можно определить максимальную величину сопротивления заземления:
I n * Rа  Uпд, Rа  Uпд / I n.
Можно поставить и обратную задачу. Дано сопротивление Rа. Нужно определить максимальную уставку УЗО, при которой напряжение
прикосновения не превысит Uпд: I n  Uпд / Rа.
Пример 1. УЗО, установленное в помещении с нормальными условиями (Uпд=50 В), имеет уставку I n=0,03 А. Определить максимально
допустимую величину сопротивления заземления.
Rа  U пд / I n , Rа  50 / 0,03=1660 Ом.
Пример 2. Помещение с повышенной влажностью (Uпд=25 В),
сопротивление Rа = 10 Ом. Определить максимально допустимую
уставку УЗО.
I n  Uпд / Rа, I n  25 / 10 = 2,5 А.
Таблица сопротивлений Rа (Ом) в зависимости от чувствительности
(уставки) I n и напряжения Uпд выглядит следующим образом.
I n, А
Uпд, В
0,03
0,3
3
50
1660
166
16,6
25
830
83
8,3
12
400
40
4
Следует отметить, что нормы стран Западной Европы, где система
ТТ широко применяется для городских и сельских сетей, требуют
обеспечивать Ra не более 60 Ом (Л2); по ПУЭ требуется иметь Ra не
более 10 Ом.
Если все корпуса соединены между
собой и подключены к одному заземляющему устройству, то нормы додопускают установку только одного
УЗО в голове сети.
Если УЗО устанавливаются на отходящих линиях, то селективность их работы может быть построена на одном из
двух принципов- горизонтальном или
вертикальном . Горизонтальный принРис. 7.2. Горизонтальная
цип применяется, если выключатели
селективность
вводной и отходящих линий расположены в одном распредустройстве
(шкафу) и заключается в отказе от установки УЗО на вводном выключателе (рис. 7.2).При однофазном замыкании срабатывает только УЗО
поврежденной линии, соседние УЗО при этом не реагируют.
Проблема вертикальной селективности возникает, если ток замыкания протекает последовательно через два УЗО (см. рис. 3.6). При этом
только одно из них, ближайшее к месту повреждения, должно
сработать.
7.2. Автоматическое отключение в сети TN
В сети TN безопасность персонала при косвенном прикосновении
обеспечивается с помощью защиты от коротких замыканий (автоматических выключателей и предохранителей). Быстрое автома-
тическое отключение однофазного замыкания обязательно. Ток повреждения – ток однофазного короткого замыкания (ОКЗ) должен
быть большим настолько, чтобы вызвать надежное срабатывание
максимально - токовой защиты.
При этом требуется соблюдение следующих условий:
- I к  I м – для автоматических выключателей,
- I к  3 * I н – для предохранителей,
где: I к – ток однофазного короткого замыкания; его величина зависит
от сопротивления петли «фаза – нуль»;
I м – ток уставки электромагнитного (или аналогичного) расцепителя автомата;
I н – номинальный ток плавкой вставки предохранителя.
Сопротивление петли «фаза – нуль» зависит от длины проводов и кабелей. Увеличение их длины приводит к росту сопротивления и снижению тока ОКЗ. Таким образом для определенного защитного аппарата можно указать максимальную длину кабеля Lмакс, при которой
этот аппарат еще будет работать, т.е. условие I к  I м превращается в
условие L  Lмакс. Существуют справочные таблицы, где для каждого
сечения кабеля можно найти его максимальную длину, при которой
выключатель с известной уставкой обеспечивает защиту от поражения
током при косвенном прикосновении.
Если условие I к  I м (L  L макс) не выполнено, то можно рекомендовать проведение следующих мероприятий:
1) выбрать выключатель с меньшей уставкой расцепителя;
2) увеличить сечение кабеля. Увеличение сечения ведет к снижению
сопротивления и возрастанию тока I к. Сечение проводника PE (PEN)
доводят до фазного (если оно меньше), либо увеличивают сечение
всех проводников;
3) установить УЗО. Применение УЗО является самым эффективным
средством, позволяющим обнаружить и отключить ток однофазного
замыкания, недостаточный для срабатывания мгновенного расцепителя автомата. Для УЗО, напротив, этот ток весьма велик и поэтому применение устройств низкой чувствительности (1 – 3 А) бывает вполне
достаточным. Установка УЗО также позволяет отказаться от контроля
сопротивления петли «фаза – нуль»; она особенно рекомендуется для
конечных участков сети, подверженных изменениям в эксплуатации, и
для участков, питающих розетки, к которым подключаются кабели
неизвестной длины;
4) выполнить равнопотенциальную связь между всеми металлическими элементами, доступными для одновременного прикосновения;
5) перейти на систему ТТ (Л1, 1.7.59).
7.3. Автоматическое отключение в сети IT
В сети IT однофазное замыкание вызывает небольшой ток I з (рис.
8.2). Если изоляция здоровых (исправных) фаз находится в хорошем
состоянии, то ток I з имеет емкостный характер и его величина не
превышает нескольких десятков миллиампер. Этот ток, проходя по
сопротивлению заземляющего устройства Rа, вызывает совершенно
неопасное напряжение прикосновения. Поэтому нормы требуют
лишь сигнализировать появление первого замыкания на корпус с
целью его дальнейшего устранения.
Поиск места первого замыкания на корпус в сети IT представляет
непростую задачу. Использование, например, самого простого
метода поочередного отключения фидеров неприемлемо для
"чувствительных" потребителей, для которых применяется система
IT.
Для решения этой задачи в настоящее время разработана и выпускается зарубежными фирмами аппаратура контроля изоляции и локализации места первого замыкания на корпус.
Примером может служить гамма Vigilohm System французской фирмы Merlin Gerin. Непрерывный контроль изоляции и локализация
места первого замыкания на корпус производятся без отключения
ЭП с помощью наложения сигнала низкой частоты (2,5 Гц) на ток
промышленной частоты и измерения токов утечки 2,5 Гц на землю.
Существуют различные варианты построения системы контроля.
а) Измерение уровня изоляции всей сети, общий сигнал первого замыкания, локализация места замыкания "вручную" с помощью
специальных токовых клещей.
б) Измерение уровня изоляции всей сети, общий сигнал первого замыкания, локализация поврежденного фидера с помощью стационарных детекторов.
в) Измерение уровня изоляции всей сети, сигнал первого замыкания
с автоматической локализацией поврежденного фидера и передачей
сообщения на супервизор АСУЭ.
г) Измерение уровней изоляции всей сети и по фидерам, сигналы их
снижения ниже заданных уровней (раздельно по фидерам). Предус-
мотрено задание двух уровней сопротивления изоляции - предупреждающий и аварийный.
д) Измерение уровней изоляции всей сети и по фидерам, сигналы их
снижения ниже заданных уровней (раздельно по фидерам), передача
информации на компьютер АСУЭ.
Системы контроля, построенные по вариантам "г,д" позволяют диагностировать состояние изоляции и производить предупредительные
ремонты того электрооборудования, которое в этом нуждается.
В сети IT необходима установка разрядника F между нейтралью
трансформатора и землей (или между фазой и землей, если нейтраль
недоступна) (Л1, 1.7.63). Этот разрядник предназначен для защиты
сети НН от опасного повышения напряжения в случае пробоя изоляции между первичной и вторичной обмотками трансформатора Т.
Автоматическое отключение должно происходить только при двойном замыкании. В этом случае напряжение косвенного прикосновения может быть опасным и МТЗ должно обеспечить отключение
хотя бы одного из двух поврежденных участков.
Если нейтральный провод не распределен по сети (распределены
три фазы и проводник РЕ), то ток двойного замыкания I к– это ток
двухфазного (междуфазного) КЗ.
Если рабочий нейтральный провод распределен, то возможно
двойное замыкание между нейтральным и фазным проводами
(однофазное КЗ), тогда ток I к - ток однофазного КЗ, он меньше тока
междуфазного КЗ. Кроме того, этот ток может быть примерно вдвое
меньше соответствующего тока в аналогичной сети TN. Действительно, если два одинаковых ЭП, в которых произошли замыкания
на корпус (в первом - фазы, во втором - нейтрали) равноудалены от
источника питания, то длина и сопротивление петли фаза - нуль будут вдвое больше, чем для одного ЭП в сети TN, а ток I к - примерно
вдвое меньше (пренебрегая сопротивлением источника). Именно
этот ток должен быть принят за расчетный для проверки
автоматического отключения.
Таким образом, ток двойного замыкания зависит от сопротивления
цепи замыкания:
- сеть без нейтрали: первая фаза, первый корпус, проводник PE,
второй корпус, вторая фаза;
- сеть с нейтралью: фаза, первый корпус, проводник РЕ, второй
корпус, нейтраль.
Для надежного отключения установки необходимо обеспечить
условие: либо I к  I м – для выключателя с мгновенным расцепителем, либо I к  3 * Iн – для предохранителей.
Если это условие не выполняется (например, для сети с распределенным нейтральным проводом), то установка УЗО низкой
чувствительности позволяет решить проблему.
Также как и в сети TN условие I к  I м может быть заменено на
L  Lмакс. В справочнике можно найти таблицу максимальных длин
Lмакс для двойного замыкания в сети IT в зависимости от сечения
кабеля и уставки выключателя.
В сети IT также может потребоваться установка УЗО в голове сети,
если корпуса электроприемников и корпус трансформатора присоединены к разным заземляющим устройствам (рис. 7.3).
Рис. 7.3. Необходимость установки УЗО в сети IT
Допустим, что первое замыкание произошло во вторичной обмотке трансформатора Т, а второе – в одном из ЭП. Ток замыкания Iз
будет проходить через два сопротивления заземляющих устройств Rа
и Rb, включенные последовательно. Поэтому он будет недостаточно
велик, чтобы заставить сработать мгновенный расцепитель выключателя. Отключение произойдет под действием УЗО.
8. Расчет тока замыкания и напряжения прямого и косвенного
прикосновений
Величина тока однофазного замыкания сильно зависит от режима
нейтрали: она минимальна в сети IT, более значительна в сети TT и
максимальна в сети TN.
Напряжение прямого прикосновения одинаково в сетях TT и TN –
это фазное напряжение сети. В исправной сети IT напряжение
прямого прикосновения зависит от сопротивления изоляции и может
меняться от нуля до фазного напряжения. В поврежденной (работающей с заземленной фазой) сети IT оно достигает линейного
напряжения.
Напряжение косвенного прикосновения в сети IT весьма мало и
безопасно для персонала. В сети TT оно зависит от соотношения
сопротивлений заземляющих устройств корпусов Rа и нейтрали Rn.
Оно близко к нулю, если Rа Rn, и к фазному, если Rа  Rn. В
сети TN напряжение косвенного прикосновения зависит от соотношения сопротивлений фазного и защитного (PE или PEN) проводников, а также от соотношения сопротивлений Rа и Rn. Оно лежит в
пределах от нуля до 66% фазного.
8.1. Прямое прикосновение в сетях TT и TN
Человек, касающийся фазного проводника, оказывается включенным в электрическую цепь, схема которой представлена на рис. 8.1,
а
б
Рис. 8.1 Сети ТТ и TN: а- принципиальная схема; б- эквивалентная схема
где: Uф – фазное напряжение;
Zт – внутреннее сопротивление одной фазы трансформатора 6-20/0,40,66 кВ;
Zл – сопротивление проводника одной фазы линии;
Rч – сопротивление тела человека;
Rк – сопротивление переходного контакта ноги – земля;
Rn – сопротивление заземления нейтрали трансформатора.
Ток, протекающий через тело человека:
Uф
Iч =
, где Z = (R T + R л + R Ч + R К + R n )2 + (XT + X л )2
Z
- полное сопротивление цепи.
Напряжение прямого прикосновения: U Ч = I Ч  R Ч .
Составляющие полного сопротивления сильно отличаются друг от
друга по величине и для упрощения формулы Z некоторыми из них
вполне можно пренебречь.
Расчет составляющих полного сопротивления. Активное
Rт и реактивное Xт сопротивления трансформатора в симметричном
режиме определяются его номинальными параметрами:
Sn – номинальная мощность, кВ*А;
Un – номинальное вторичное напряжение (линейное), В;
Uк – напряжение короткого замыкания, %;
Pк – номинальные потери в меди, кВт.
ZT =
U К % * U 2n
ΔPК  U 2n
; RT =
; X T = Z 2т + R 2т .
100  S n
S 2n
Полное сопротивление трансформатора в несимметричном режиме
(например, при однофазном КЗ) зависит от схемы соединения его обмоток. Для схемы Δ / Υ оно равно сопротивлению симметричного
режима, а для схемы Υ / Υ оно увеличивается в 4  8 раз.
Активное сопротивление проводника линии Rл определяется удельным сопротивлением его материала  , Ом* мм2 /м (медь:  = 0,0225,
алюминий:  = 0,036), его длиной L, м и его сечением S, мм2 .
L
R л = ρ Ом .
S
Реактивное сопротивление линии X л рассчитывается исходя из ее
удельного реактивного сопротивления X л = X 0  L .
Удельное реактивное сопротивление X 0 зависит от конструкции
линии (воздушная или кабельная) и от режима (симметричный/ несимметричный) и почти не зависит от сечения. Например, для симметричного режима:
-
воздушная линия Xo  0,4 Ом/км,
кабельная линия Xo  0,1 Ом/км.
Для однофазного (несимметричного) режима:
-
воздушная четырехпроводная линия Xo  0,4  0,8 Ом/км,
кабельная четырехпроводная линия Xo  0,1  0,15 Ом/км.
Полное сопротивление линии Z л = R 2л + X 2л .
Если Xл  0,3*Rл, то Zл  Rл, т.е. если реактивное сопротивление не
превышает 30% активного, то им можно пренебречь. Практически это
означает, что реактивным сопротивлением кабельных линий,
имеющих сечение менее 70 мм2 (медь) и 95 мм2 (алюминий) можно
пренебречь.
Сопротивление тела человека Rч меняется в широких пределах в
зависимости от индивидума, состояния кожи, внутреннего физикобиологического состояния, психического состояния, от приложенного
напряжения, от времени прохождения тока и т.п. Пределы его
изменения Rч  0,8  20 кОм. Для расчетов примем Rч = 2,5 кОм.
Числовой пример. Человек касается фазного провода в конце кабельной линии с медными проводниками L = 60 м, S = 35 мм2 .
Трансформатор: треугольник-звезда, Sn = 250 кВ*А, Un = 400 В,
Рк = 3,8 кВт, Uк = 5%.
Rк = 0, Rч = 2500 Ом, Rn = 2 Ом.
Определить напряжение прямого прикосновения.
Решение.
Сопротивление трансформатора
Uк% * Un 2
5  400 2
ZT =
=
= 0,032 Ом;
100  Sn
100  250 103
ΔPк  Un 2 3,8 103  400 2
RT =
=
= 0,0097 Ом;
Sn 2
250 2 106
X T = Z 2т  R Т2 = 0,032 2  0,0097 2 = 0,03 Ом.
Сопротивление линии
L
60
Rл = ρ = 22,5 10 3  = 0,0386 Ом;
S
35
3
Xл = X0  L = 0.1 10  60 = 0,006 Ом.
Результирующее сопротивление:
R = R T + Rл + Rч + Rк + Rn = 0,0097 + 0,0386 + 2500 + 2 = 2502 ,048 Ом
X = X T + Xл = 0,03 + 0,006 = 0,036 Ом;
Z = R 2 + X2 = 2502,0482 + 0,036 2 = 2502,048 Ом.
Очевидно, что сопротивлениями трансформатора и линии можно
пренебречь:
Z = Rч + Rn = 2500 + 2 = 2502 Ом;
Uф 230
=
= 0,092 A = 92 mA;
Z
2502
Uч = Iч  Rч = 230 В.
Вывод. При расчете напряжения прямого прикосновения в сетях TT
и TN можно пренебречь сопротивлениями трансформатора, линии и
почти всегда – также сопротивлением заземления нейтрали трансформатора. В этих сетях напряжение прямого прикосновения равно
фазному напряжению сети.
Iч =
8.2. Прямое прикосновение в сети IT
Нейтраль вторичной обмотки трансформатора Т изолирована от земли и путь возврата тока Iч через нейтраль отрезан. Ток Iч вынужден
возвращаться к источнику (вторичной обмотке трансформатора) по
пути, имеющем большее сопротивление - через емкости проводов
линии L по отношению к земле.
Метод расчета. На рис. 8.2.a представлена исходная принципиальная схема, на которой:
Еа, Ев, Ес - фазные напряжения относительно нейтрали;
Ua, Uв, Uc - фазные напряжения относительно земли;
Un - напряжение нейтрали относительно земли (напряжение смещения
нейтрали);
Iа, Iв, Ic, In - токи, протекающие через емкости С провод-земля.
Для перехода к более простой и наглядной расчетной схеме рис.
8.2.б предположим вначале, что имеет место первое замыкание фазы
С на землю.
Рис. 8.2. Первое замыкание в сети IT: а-принципиальная схема,
б-расчетная схема прямого прикосновения
На рис. 8.3 представлены две векторные диаграммы:
а) нормальный режим;
b) первое замыкание фазы С на землю.
Токи Iа, Iв, In опережают на 90 градусов напряжения Uа, Uв, Un. Для
их расчета пренебрегаем сопротивлениями трансформатора, линии и
земли, т.к. они намного меньше емкостных сопротивлений Хс.
Предполагаем также, что активное сопротивление изоляции сети
намного больше ее емкостного сопротивления.
Uф
Uл
Ia = Ib=
,
In=
, где
Xc
Xc
Uл, Uф - линейное и фазное напряжения;
Хс - емкостное сопротивление изоляции одного провода, Хс = 1 / C.
Рис. 8.3. Векторные диаграммы
Ec + Un – Uc = 0,
Uc = 0,
Un = - Ec
Ea + Un – Ua = 0,
Ua = Ea + Un,
Eв + Un – Uв = 0,
Uв = Eв + Un,
Геометрическая сумма трех токов Ia, Ib, In равна току Iз со знаком
минус. Модуль тока Iз:
Uф
Uл
Iз = Ia  Cos30 0 + Ib  Cos30 0 + In = 2
 Cos30 0 +
=
Xc
Xc
3  Uф
Uф UФ
Uф
Uф
3 Uф
2

+
=3
+
=4
=
;
Xc
2
Xc
Xc
Xc
Xc (Xc / 4)
Последнее выражение соответствует расчетной схеме рис. 8.2.b. В
этой расчетной схеме эквивалентное емкостное сопротивление
Хсэ=Хс/4 включено между нейтралью и землей. Если нейтральный
провод отсутствует, то Хсэ=Хс/3.
Предположим теперь, что в отсутствие первого замыкания человек
касается провода фазы С – прямое прикосновение в исправной сети IT
(рис.8.2.в). Ток Iч будет протекать через тело человека, имеющего
сопротивление Rч и эквивалентное сопротивление изоляции сети
Хс/4 и, включенные последовательно:
Uф
Uф
Iч =
=
.
Z
(Xc/4)2 + Rч 2
Напряжение прямого прикосновения Uч = Iч * Rч.
Если емкостное сопротивление Хс/4 велико (Хс/4>>Rч), то напряжение прямого прикосновения близко к нулю, Uч  0. Практически
это имеет место в кабельной сети небольшой протяженности или в
воздушной сети так как емкости таких сетей весьма незначительны.
Если, напротив, емкость сети настолько велика, что Хс/4<< Rч, то
напряжение прямого прикосновения близко к фазному напряжению. В
общем случае можно утверждать, что в исправной сети IT напряжение
прямого прикосновения меньше фазного.
Числовой пример. Определить напряжение прямого прикосновения
в сети IT с распределенной нейтралью, номинальное напряжение сети
Un = 380 В. Сеть выполнена кабелями, имеющими удельную емкость
одной жилы относительно заземленной оболочки Со = 0,35 F/км. Rч
= 2500 Ом.
Расчет сделать для двух вариантов суммарной длины кабелей:
1) L = 10 м; 2) L = 1000 м.
Решение.
1. Xc =
1
1
1 106
=
=
= 910 103 Ом ,
ω  C ω  C0  L 314  0,35  0,01
Z = Rч 2 + (Xc / 4) 2 = 2,52 + (910 / 4) 2 = 228 кОм,
Uф
230
=
= 0,001A = 1 mA,
Z
228  103
Uч = Iч  Rч = 0,001  2500 = 2,5 В.
Iч =
2. Xc =
1
1
1 106
=
=
= 9,1 кОм,
ω  C ω  C0  L 314  0,35 1
Z = Rч 2 + (Xc / 4) 2 = 2,52 + (9,1 / 4) 2 = 3,38 кОм,
Uф
230
=
= 0,068 A = 68 mA,
Z
3,38  103
Uч = Iч  Rч = 0,068  2500 = 170 В.
Длина кабелей, т.е. их емкость сильно влияет на напряжение прямого
прикосновения. Это напряжение может быть безопасным при
небольшой длине, как например, Uч = 2,5 В в первом варианте.
Замечание. Приведенные расчеты сделаны в предположении что изоляция сети находится в хорошем состоянии: ее сопротивление превышает 0,5 Мом. При плохой изоляции полученные результаты не
будут справедливы: для получения правильных результатов нужно
будет принять в расчет активное сопротивление изоляции, что приведет к увеличению напряжения прикосновения..
Iч =
8.3. Косвенное прикосновение
Напряжение косвенного прикосновения – это разность потенциалов
между корпусом поврежденного ЭП и землей. Если корпус ЭП
заземлен, то ток однофазного замыкания Iз стекает с него в землю и
создает падение напряжения на сопротивлении заземляющего устройства Rа: Ua = Iз * Ra. Если ступни человека, касающегося корпуса,
находятся на точке с нулевым потенциалом, то напряжение прикосновения Uч будет максимальным Uч = Ua (рис. 8.4,а, где  - распределение потенциала по поверхности земли).
Рис. 8.4 а.- удаленный заземлитель; б.- близкий заземлитель
Если (рис. 8.4,б) ступни человека находятся близко к заземлителю, их
потенциал также близок к потенциалу корпуса и заземлителя, при
этом разность потенциалов (которая и образует напряжение прикосновения) невелика. При расчетах напряжения прикосновения
рассматривают самый неблагоприятный случай: ступни находятся в
точке с нулевым потенциалом и хорошо контактируют с землей.
Косвенное прикосновение в сети ТТ
Ток замыкания (рис. 8.5.а) протекает по цепи, образованной проводником фазы А, имеющим сопротивление Zл - место замыкания защитный заземляющий проводник РЕ(Zpe) - защитное заземляющее
устройство (Ra) – заземляющее устройство нейтрали (Rn).
Человек оказывается включенным в схему параллельно сопротивлению (Zpe + Ra).
Комплекс результирующего сопротивления цепи будет (рис. 8.5.б)
Z = Rт + jXт + Rл + jXл + (Rре + jXре + Ra) || Rч + Rn, где знак ||
означает параллельное сложение сопротивлений.
Последнее выражение можно упростить, если учесть следующие соотношения
Zpe + Ra  Rч,
Zт + Zл  Ra + Rn.
Тогда Z  Ra + Rn.
Рис. 8.5. а - принципиальная схема; б - эквивалентная схема
Ток замыкания Iз = Uф / Z.
Напряжение косвенного прикосновения
Uч = Iз * (Ra + Zpe) ll Rч  Iз * Ra.
Ток замыкания Iз обычно оказывается меньше номинального тока
плавкой вставки или уставки расцепителя автомата (Q2, рис.8.5.а) и
защитный аппарат не срабатывает. Поэтому использование УЗО является обязательным.
Числовой пример. Трехфазный асинхронный двигатель (ЭП2, рис.
8.5.а) Рн = 10 кВт, Un = 380 В, In = 20 A питается от сети через
автоматический выключатель Q2, имеющий тепловой расцепитель на
25 А и мгновенный расцепитель на 200 А. Питание осуществляется по
кабельной линии S = 35 мм2 от трансформатора S n = 250 кВ*А (см.
раздел 8.1). Сечение защитного проводника РЕ Spe = 25 мм2, помещение с нормальными условиями (Uпд = 50 В), сопротивление заземляющего устройства корпусов Ra = 18 Ом.
Рабочий касается корпуса двигателя, работающего на холостом ходу,
в тот момент, когда внутри произошло однофазное замыкание.
Определить:
- ток замыкания Iз;
-
напряжение прикосновения Uч;
- максимальный ток уставки УЗО In, при котором будет обеспечена
защита от поражения током.
Решение.
а).Точный метод.
Z T = 0, 0097 j0 , 03 Ом ; Zл= 0, 04 j0 , 006 Ом ,

3 60
Rpe

L22
,5
*
10
* 
0
,054
Ом
;
S
25

3
Xpe

X
L

0
,15
*
10
*
60

0
,009
Ом
;
0*
Zpe

0
,054

j0
,009
Ом
;
Z
э
(Zpe

Ra
)llR
ч

(
0
,054

j0
,009

18
)ll
2500
;
(
18
,
054

j
0
,
009
)
*
2500
45135

j
22
,
5
Z
э



17
,
9

j
0
,
0084
Ом
;
18
,
054

j
0
,
009

2500
2518
,
054

j
0
,
009
Z

Z

Z
л

Z
э

Rn

0
,
0097

j
0
,
03

0
,
04

j
0
,
006

17
,
9

j
0
,
0084

2
;
T
Z

19
,
95

j
0
,
044
Ом
;
2
2
Модуль
Z

19
,
95

0
,
044

19
,
95
Ом
;
U
ф230
I
з
  
11
,52
A
;
.
Z 19
,
95
U
ч

I
з
*
Z
э

11
,
52
*
17
,
9

206
,2
В
б). Приближенный метод.
Zэ  Ra = 18 Ом, Z  Zэ + Rn  Ra + Rn = 18 + 2 = 20 Ом;
Uф 230
=
= 11,5 A;
Z
20
Uч = Iз  Zэ  11,5  18 = 207 В.
Можно констатировать, что результаты, полученные методами «а» и
«б» практически не отличаются друг от друга.
Ток замыкания меньше уставок расцепителей автомата Q2, следовательно, Q2 не может реагировать на это повреждение и остается включенным. Чтобы гарантировать защиту персонала, нужно установить
УЗО с током уставки In  Uпд / Rа, In  50/18 = 2,7 А.
Можно выбрать стандартную уставку In =300 мА или In =1 А.
Косвенное прикосновение в сети TN показано на рис. 8.6. Петля
фаза- нуль образована фазным проводом (Zл), местом повреждения
Iз =
(ЭП2) и защитным проводником (Zpe). Низкое сопротивление петли
вызывает прохождение большого тока однофазного КЗ.
Рис. 8.6. а - принципиальная схема; б - эквивалентная схема
В соответствии с нормами проводник PE(PEN) может быть заземлен
в нескольких местах. На схеме рис. 8.6: Rn – сопротивление заземляющего устройства нейтрали трансформатора, Ra – сопротивление повторного заземления, расположенного поблизости от ЭП2, в котором
произошло повреждение. Человек включен в цепь параллельно сопротивлению Ra, падение напряжения на котором равно напряжению
прикосновения Uч.
Расчет тока однофазного КЗ можно упростить, если учесть следующие соотношения: Rч  Ra, Ra + Rn  Zpe. Тогда
Z = R T + jX T + Rл + jXл + Rpe + jXpe ,
Модуль Z = (R T + Rл + Rpe)2 + (X T + Xл + Xpe) 2 .
Ток однофазного КЗ: Iк = Uф .
Z
Падение напряжения в проводнике PE(PEN):
Upe  Iк  Zpe = Iк  Rpe2 + Xpe 2 .
Ток через тело человека Iч намного меньше, чем ток Ip,
протекающий через заземление Ra. Пренебрегая током Iч, можно
записать
Upe
Ip  Iз =
.
Ra + Rn
Тогда напряжение прикосновения, равное падению напряжения на
Ra, будет
Upe
Upe
Uч = Ip  Ra =
 Ra =
.
Rn
Ra + Rn
1+
Ra
Если Ra  Rn, то Uч  Upe,
если Ra = Rn, то Uч = Upe / 2,
если Ra  Rn, то Uч  0.
Иначе говоря, если сопротивление повторного заземления Ra велико
(или повторного заземления нет), то напряжение прикосновения равно
падению напряжения Upe в проводнике PE(PEN) под действием тока
КЗ Iк. Если же Ra весьма мало, то напряжение прикосновения также
незначительно.
Напряжение Upe можно легко рассчитать, если пренебречь сопротивлениями Zт, Хл и Хре:
Uф
Uф  Rpe
Uф
Iк =
; Upe = Iк  Rpe =
=
.
Rл
Rл + Rpe
Rл + Rpe
+1
Rpe
Если сечения фазного провода и проводника PE равны, то их сопротивления также одинаковы и тогда Upe = Uф / 2. Если сечение PE
составляет половину от фазного, то Rpe = 2 Rл и Upe = 0,67 Uф.
Итак, максимально напряжение прикосновения может достигнуть
67% от фазного, если сечение проводника PE составляет половину
фазного и повторное заземление отсутствует или удалено от места
повреждения.
Чтобы обеспечить защиту персонала от косвенного прикосновения,
выключатель Q2 должен быстро отключиться после появления однофазного КЗ, т.е. I м  I к, где I м – ток уставки мгновенного расцепителя автомата (см. § 7.2).
Вместо проверки этого условия можно проверить, не превышена ли
максимально допустимая длина кабеля
Iк =
Uф
=
Rл + Rpe
Uф
ρ
Lф
Lpe
+ρ
Sф
Spe
=
Uф
Sф

=
1
1
Sф
ρL(
+
)
Sф Spe
Uф  Sф
.
Sф
ρ  L  (1 +
)
Spe
При максимальной длине I м = I к. Приближенно сопротивление
трансформатора Zт и реактивные сопротивления Хл и Хре учитываются путем снижения напряжения: U = 0,8 * Uф
0,8  Uф  Sф
0,8  Uф  Sф
Iк = Iм =
; Lmax =
.
Sф
Sф
ρ  Lmax * ( 1 +
)
ρ  Iм  ( 1 +
)
Spe
Spe
Числовой пример.
На основании данных § 8.3 и в соответствии с рис. 8.6 определить:
- ток однофазного КЗ, проверить условие I м ¿ I к;
- напряжение прикосновения Uч для двух величин сопротивления Ra:
a) 18 Ом;
b) 2 Ом;
- максимально допустимую длину кабеля.
Решение.
1. Точный метод.
Zт = 0,0097 + j 0,03; Xл = Xo * L = 0,15 * 10-3 * 60 = 0,009 Ом;
Zл = 0,04 + j 0,009 Ом; Zpe = 0,054 + j 0,009 Ом;
Z = Zт + Zл + Zpe = 0,0097 + 0,04 + 0,054 +j (0,03 + 2 * 0,009) =
=0,104 + j 0,048;
Z = 0,104 2 + 0,048 2 = 0,114 Ом;
Iк = Uф / Z = 230 / 0,114 = 2018 A; Iм = 200 А; Iм < Iк;
200 А < 2018 А;
Upe = Iк * Zpe = 2018 * 0,054 2 + 0,009 2 = 2018 * 0,055 = 110,5 В;
Upe
110,5
110,5
; a). Uч =
= 99,5 В ; b). Uч =
= 55,2 B .
Rn
2
2
1+
1+
1+
Ra
18
2
2. Приближенный метод.
Z  Rл + Rpe = 0,04 + 0,054 = 0,094 Ом,
Uч =
Uф 230
=
= 2447 A ;
Z 0,094
Upe = Iк * Rpe = 2447 * 0,054 = 132 В,
Upe
132
132
Uч =
; a) Uч =
= 119 В ; b) Uч =
= 66 B .
Rn
2
2
1+
1+
1+
Ra
18
2
Iк =
Ошибка приближенного метода недопустимо велика (более 20%).
Для повышения точности можно приближенно учесть потерю
напряжения в трансформаторе и в индуктивных сопротивлениях
проводов: U = 0,8Uф:
0,8  Uф 0,8  230
Iк =
=
= 1957 A ,
Z
0,094
Upe = 1957 * 0,054 = 105,7 B;
105,7
105,7
a) Uч =
= 95,2 B ; b) Uч =
= 52,8 B.
2
2
1+
1+
18
2
Максимальная длина кабеля
0,8  Uф  Sф
0,8  230  35
Lmax =
=
= 600 м.
Sф
35
ρ  Iм  (1 +
) 22,5 10 3  200  (1 + )
Spe
25
Косвенное прикосновение в сети IT показано на рис. 8.7. Ток замыкания протекает по линейному проводу поврежденной фазы, месту
однофазного замыкания, защитному проводнику РЕ, заземляющему
устройству с сопротивлением Ra, по земле и емкостям С. В § 8.2 было
показано, что в эквивалентной схеме все емкости С могут быть
заменены одной, имеющей сопротивление Хс / 4, включенной между
нейтралью и землей.
Если пренебречь сопротивлением трансформатора и проводов,
получим эквивалентную схему, изображенную на рис. 8.7.б. На схеме
видно, что человек (Rч) включен параллельно с сопротивлением Ra.
Рис.8.7. Косвенное прикосновение в сети IT:
а - принципиальная схема; б - эквивалентная схема
Результирующее сопротивление цепи:
Xc
Xc
Z = Ra ll Rч  j
; Z = (Ra ll Rч 2 + ( ) 2 ;
4
4
В большинстве случаев можно пренебречь сопротивлениями Ra ll Rч
по сравнению с сопротивлением Хс/4. Тогда Z ≈ Xc /4 , ток замыкания Iз = Uф /Z = 4 * Uф / Xс и напряжение прикосновения
Uч = Iз (Ra ll Rч) ≈ Iз * Ra.
Числовой пример.На основаниии данных § 8.2 определить напряжение косвенного прикосновения в сети IT, имеющей суммарную
длину кабелей L = 1 км, Ra = 18 Ом.
Решение.
1. Точный метод. Xc = 9,1 кОм, Xс /4 = 2,28 кОм,
Ra ll Rч = Ra  Rч = 18  2500 = 17,9 Ом,
Ra + Rч 18 + 2500
Z = (Ra ll Rч) 2 + (Xc / 4) 2 = 17,9 2 + 2280 2 = 2280,1 Ом ,
Uф
230
=
= 0,1 A , Uч = Iз  (Ra ll Rч) = 0,1  17, 9 = 1,79 B.
Z 2280,1
2. Приближенный метод – при расчете тока пренебрегаем
сопротивлением Ra:
Z = Xc /4 = 2280 Ом,
Uф 230
Iз =
=
= 0,1 A , Uч = Iз  Ra = 0,1  18 = 1,8 B.
Z
2280
Результаты 1 и 2 практически совпадают.
Ток замыкания слишком мал, чтобы быть обнаруженным с помощью
автоматического выключателя Q1 (рис.8.7.а), но в данной ситуации
быстрое автоматическое отключение не требуется, так как напряжение
прикосновения вполне безопасно: 1,8 В.
В некоторых случаях все же требуется отключить однофазное замыкание. Для этой цели может быть использовано УЗО соответствующей
чувствительности: IΔn < Iз. В данном случае, например, следует
выбрать УЗО с током уставки IΔn = 30 mА.
Iз =
Сравнение результатов расчетов тока однофазного замыкания и
напряжений прикосновения (см. числовые примеры).
Режим
Ток
Напряжение
Напряжение
нейтрали
прямого
косвенного
однофазного прикосновения, прикосновения,В
замыкания,А
В
TN
2018
230
99
TT
11,5
230
206
IT, l=1 км
0,1
170
1,8
9. Контроль изоляции в сетях IT
Контроль
изоляции
и
сигнализация
первого
замыкания
осуществляются с помощью УКИ. Существуют УКИ на постоянном
токе и переменном токе низкой частоты (ниже 10 Гц).
УКИ на постоянном токе (рис.9.1) измеряет величину тока утечки
через сопротивление изоляции всей сети. При снижении активного
сопротивления изоляции подается сигнал о замыкании на землю.
Преимущество: Емкость проводников относительно земли не
влияет на результат измерения.
Недостатки: метод не позволяет под напряжением отыскивать место
первого замыкания и измерять сопротивление изоляции отдельно
взятой линии.
Рис.9.1. УКИ на постоянном токе.
УКИ на переменном токе имеет в своем составе генератор низкой
частоты (НЧ), подключаемый между землей и сетью (рис.9.2).
Благодаря низкой частоте, активный и емкостный токи становятся
соизмеримыми по величине. Появляется возможность, измерив угол
сдвига между напряжением и током НЧ, вычислить активную и
емкостную составляющие тока Iуки, а затем и активное сопротивление
изоляции (рис.9.3).
Рис.9.2. УКИ на переменном токе низкой частоты
а) нормальный режим; б) первое замыкание.
С помощью трансформатора тока нулевой последовательности
(ТТНП), установленного на отдельно взятой отходящей линии, можно
также измерить ток утечки НЧ этой линии и сделать расчет активного
и емкостного сопротивлений изоляции этой линии (рис.5).
Наблюдение (мониторинг) за величиной активного сопротивления
изоляции отдельных линий позволяет организовать профилактические
ремонты электрооборудования прогрессивным методом «по
состоянию».
Рис.9.3. Измерение сопротивления изоляции и емкости всей сети IT.
Рис.9.4. Измерение сопротивления изоляции и емкости отдельных линий сети
IT.
При появлении первого замыкания сигнал «Земля в сети»
поступает от УКИ (рис.9.2.б). Поиск поврежденной линии без
отключения питания производится путем измерения токов утечки НЧ
линий с помощью стационарных или переносных ТТНП (специальные
токовые клещи).
Применение
современных
микропроцессорных
приборов
мониторинга сопротивления изоляции отдельных присоединений
позволяет автоматически вести журнал сопротивлений и выдавать
предупредительные сигналы на компьютер диспетчера об их выходе
за назначенные уставки и необходимости профилактического ремонта.
Таким образом удается предупредить появление первого замыкания.
Аппаратура, предназначенная для контроля изоляции и поиска
места первого замыкания без отключения питания выпускается
серийно передовыми электротехническим фирмами, например
Vigilohm System фирмы Шнейдер Электрик.
Вероятности аварийного отключения короткого замыкания,
сопровождаемого опасностью возникновения пожара и потерей
питания потребителей в сетях TN и IT различны. Например, если
однофазное замыкание на землю происходит в среднем один раз в 100
суток, то для сети TN вероятность = 0,01.
В сети IT, не оборудованной системой мониторинга сопротивления
изоляции отдельных линий, где первое замыкание устраняется в
течение одних суток, вероятность неисправного (но рабочего)
состояния сети = 0,01. Вероятность короткого замыкания
(междуфазного КЗ) = 0,012 = 0,0001, то есть аварии, сопровождаемые
большим током, потерей питания потребителей и опасностью
возникновения пожара будут происходить в среднем один раз за 10000
суток. При увеличении продолжительности поиска и ремонта первого
замыкания вероятность междуфазного КЗ увеличивается.
В сети IT, оборудованной системой мониторинга сопротивлений,
вероятность появления первого замыкания будет ниже 0,01, а аварии,
сопровождаемые большим током, будут происходить еще реже.
9. Выбор режима нейтрали
При выборе режима нейтрали учитывают отличительные особенности разных режимов и местные условия, такие как:
- технические характеристики электроустановки;
- эксплуатационные требования и условия;
- условия обеспечения безопасности персонала.
Режим ТТ наиболее прост в проектировании и эксплуатации,
обеспечивает небольшой ток однофазного КЗ, что благоприятствует
пожарной безопасности и сохранности электрооборудования, но
требует большого количества УЗО. Широко распространен в сетях
общего пользования стран Западной Европы (кроме Англии и
Германии) и в Японии.
Режим TN позволяет иметь только одну защиту сети (МТЗ), которая
работает при всех видах коротких замыканий, но большой ток одно-
фазного КЗ является его главным недостатком. Поэтому не следует,
например, его рекомендовать для питания потребителей, где существует высокая пожарная опасность.
Режим TN нашел широкое распространение в Англии, Германии и
США.
Режим IT обеспечивает самые высокие степени бесперебойности
электроснабжения, пожарной и электробезопасности, но это не означает, что его нужно использовать во всех случаях. Невозможно,
например, эксплуатировать сеть IT c электроустановками, которые по
своей природе обладают низким уровнем изоляции (старые, протяженные и т.п.) или сеть с многочисленными абонентами разной
принадлежности.
Режим IT применяется во всех развитых странах для питания
потребителей с высокими требованиями к бесперебойности и электробезопасности, во Франции он нередко используется в заводских сетях,
в Норвегии - для городских сетей. Французские нормы требуют использовать режим IT для питания зрелищных и лечебных учреждений.
Приведенная ниже таблица дает примеры выбора режима нейтрали.
Характеристика сети и
электроприемников
Режим нейтрали
рекомен- возможен не рекомендуется
дуется
Городские электрические сети
ТТ
Больницы с операционными залами
IT
Сети аварийного освещения ………
IT
Шахты и карьеры …………………
IT
Сети в местностях с частыми грозами
TN
ЭП с большими токами утечки ………
TN
Электродвигатели большой мощности
IT
Переносной эл. инструмент ..
TT, TNS,
УЗО
Сети, подверженные частым
модификациям ..............................
TT
Υ
/Υ
Питающий трансформатор
..
TT, IT
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
TN
TT
TT
TT
-
TN
IT
TT, IT
TN
IT, TNC
IT, TN
-
1. Правила устройства электроустановок, издание 7, раздел 1, гл. 1.1,
1.2, 1.7, 1.9, раздел 7, гл. 7.5, 7.6, 7.10, Москва, 2002.
2. Лыков Ю.Ф. Сравнительная характеристика систем заземления
сетей напряжением до 1000 В. Промышленная энергетика, 2003, №12.
3. B. Lacroix, R. Calvas, Les schemas de liaisons a la terre dans le monde
et evolutions, Cahier tehnique № 173, Groupe Schneider.
4. Surveillance et controle de la distribution BT, Distribution basse
tension, catalogue 98/99, Groupe Schneider.
5. Regime de neutre et protection des personnes aux installations
electriques basse tension, par Lykov I., ATFP, Tunisie, 1998.