Защитные меры в электроустановках

Защита от возможности случайного прикосновения к токоведущим частям.

Электрические сети и установки должны быть выполнены так, чтобы токоведущие части их были недоступны для случайного прикосновения.

Недоступность токоведущих частей достигается путем их надежной изоляции, применения защитных ограждений (кожухов, крышек, сеток и т.д.), расположение токоведущих частей на недоступной высоте.

В установках напряжением до 1000 В достаточную защиту обеспечивает применение изолированных проводов. В случае, когда невозможно достигнуть надежной изоляции или ограждения токоведущих частей, применяются блокировки (электрические и механические) для автоматического отключения опасного напряжения при попадании человека в опасную зону. Конструктивное выполнение ограждений зависит от напряжения установки. Ограждения должны быть выполнены так, чтобы снять их и открыть можно было при помощи ключей или инструмента. Не допускаются сетчатые ограждения токоведущих частей в жилых, общественных и других бытовых помещениях. Ограждения должны быть здесь сплошные.

ПУЭ предусматривает различные виды испытаний и контроля изоляции

1. Приемосдаточные испытания изоляции. Все электрические машины и аппараты напряжением до 1000 В испытываются напряжением 1000 В в течении одной минуты.
2. Периодический контроль изоляции. Осуществляется путем измерения сопротивления изоляции мегаомметром. Измерение производится на отключенной установке, периодичность измерений не реже 1 раза в год. Сопротивление изоляции сети до 1000 В должно быть не ниже 0,5 МОм.

Постоянный контроль изоляции (ПКИ). ПКИ осуществляется в сетях c изолированной нейтралью. В практике применяются приборы постоянного контроля типов: на постоянном оперативном токе и вентильные. Вентильная схема контроля изоляции приведена на рис. 12.1.

 

Рис. 12.1. Вентильная схема

Прибор измеряет сопротивление изоляции всей сети:

RU3 =	R1R2R3	.
R1R2 + R2R3 + R3R1

Недостатки схемы:

при неисправности прибора он показывает ¥, т.е. исправную изоляцию;

точность измерения зависит от колебаний напряжения сети и от степени несимметрии сопротивлений изоляции.

Преимущества: простота, не требуется оперативного постоянного тока.

Схема контроля изоляции на трех вольтметрах приведена на рис. 12.2.

Рис.12.2. Схема трех вольтметров

 

Схема контроля изоляции на трех вольтметрах позволяет судить не только об ухудшении изоляции, но и о замыканиях на землю (глухих).

Существуют для таких цепей и схемы на напряжение нулевой последовательности или на ток нулевой последовательности.

Применение малых напряжений. ПТЭ и ПТБ устанавливают ограничения напряжения ручных токоприемников для помещений различных категорий.

Для помещений особо опасных:

• ручной инструмент - напряжение 42 В;
• переносные светильники - напряжение 12 В;
• шахтерские лампы - напряжение 2,5 В.

Для помещений с повышенной опасностью:

• ручной инструмент - напряжение 42 В;
• светильники - напряжение 42 В.

При невозможности применять напряжение 42 В ПТБ разрешает использовать электроинструмент на U = 220 В при наличии устройства защитного отключения или надежного заземления корпуса электроинструмента с обязательным использованием защитных средств (перчатки, коврики).

В качестве источников малых напряжений используются трансформаторы. Для уменьшения опасности при переходе высшего напряжения в сеть низшего вторичная обмотка трансформатора заземляется. Применение автотрансформаторов в качестве источников малого напряжения для питания переносного электроинструмента запрещается.

Двойная изоляция. При двойной изоляции, кроме основной рабочей изоляции токоведущих частей, применяют еще один слой изоляции, которым покрываются металлические нетоковедущие части, могущие оказаться под напряжением. Возможно изготовление корпусов электрооборудования из изолирующего материала (пластмассы, капрон). Широкое использование двойной изоляции ограничивается ввиду отсутствия пластмасс и покрытий стойких к механическим повреждениям. Поэтому область применения двойной изоляции ограничена. Она используется в электрооборудовании небольшой мощности (инструмент, переносные токоприемники, бытовые приборы).

Выравнивание потенциала. Этот метод находит применение при работах на линиях электропередач, подстанциях. На подстанциях высокого напряжения выравнивание потенциалов осуществляется расположением заземлителей по контуру вокруг заземленного оборудования на небольшом расстоянии друг от друга, а внутри контура прокладывают в земле горизонтальные полосы (рис. 12.3).

Рис. 12.3. Заземлитель с выравниванием потенциала

 

Расстояние от границ заземлителя до ограды электроустановки с внутренней стороны должно быть не менее 3 м. Поля растекания заземлителей накладываются, и любая точка на поверхности грунта внутри контура имеет значительный потенциал. Вследствие этого разность потенциалов между точками, находящимися внутри контура, снижена и коэффициент напряжения прикосновения a намного меньше единицы. Коэффициент напряжения шага также меньше максимально возможной величины.

Защита от опасности перехода напряжения с высшей стороны на низшую. Появление в сети напряжения, намного превышающего номинальное, может привести как к выходу из строя токоприемников, изоляция которых не рассчитана на это напряжение, так и к поражению персонала током, так как при этом обычно происходит замыкание на корпус и появляются опасные напряжения прикосновения и шага.

Защита сетей напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью от возможного перехода в эту сеть высшего напряжения осуществляется при помощи установки пробивного предохранителя (рис. 12.4).

Рис. 12.4. Схема включения пробивного предохранителя

 

Рассмотрим два случая при U_1л = 6000 В, U_2ф = 220 В.

1. Замыкание на высокой стороне. Пробивной предохранитель П отсутствует. При замыкании напряжение между нейтральной точкой и землей будет равно

.

Напряжение фазных проводов сети 380 В будет U_2Ф = 3460 + 220 = 3680 В.

Последствием этого случая может быть пробой изоляции и появление на корпусе напряжения 3680 В.

1. Замыкание на высокой стороне. Нейтраль с низшей стороны заземлена через пробивной предохранитель П. Согласно ПУЭ сопротивление заземления должно быть RЗ 125 / IЗ, это значит, что напряжение между нейтральной точкой и землей при замыкании не превышает 125 В. Напряжение фазных проводов сети 380 В будет

U_2Ф = 125 + 220 = 345 В.

При этом пробоя изоляции не будет. В сетях с заземленной нейтралью предохранители не устанавливаются. Безопасность в них обеспечивается правильным выбором сопротивления заземления R_З.

Защита от потери внимания, ориентировки и неправильных действи й. Эта защита осуществляется путем применения блокировок, сигнализации, специальной окраски оборудования, маркировки, знаков безопасности.

 

Контрольные вопросы

1. Объясните, какими параметрами характеризуются помещения по опасности поражения электрическим током. Приведите параметры помещений: с повышенной опасностью; без повышенной опасности; особо опасные.
2. Как осуществляется контроль изоляции в электроустановках?
3. Перечислите защитные меры в электроустановках.
4. Объясните физическую сущность выравнивания потенциалов, защиту от перехода напряжения с высокой стороны на низкую.

Лекция N 13

Защитное заземление

Защитное заземление – преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Цель защитного заземления - снизить до безопасной величины напряжение относительно земли на металлических частях оборудования, нормально не находящихся под напряжением. В результате замыкания на корпус заземленного оборудования снижается напряжение прикосновения и, как следствие, ток проходящий через человека, при прикосновении к корпусам.

U_ПР = * U_З; I_Ч = U_ПР/R_Ч.

Защитное заземление может быть эффективным только в том случае, если ток замыкания на землю не увеличивается с уменьшением сопротивления заземления растеканию тока в земле. Это возможно только в сетях с изолированной нейтралью, где при коротком замыкании ток I_з почти не зависит от сопротивления R_з, а определяется в основном сопротивлением изоляции проводов.

Заземляющее устройство бывает выносным и контурным. Выносное заземляющее устройство применяют при малых токах замыкания на землю, а контурное - при больших.

Согласно ПУЭ заземление установок необходимо выполнять:

• при напряжении 380 В и выше переменного тока, 440 В и выше постоянного тока - во всех электроустановках;
• при напряжении выше 42 В, но ниже 380 В переменного тока и от 110 В до 440 В постоянного тока в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных установках;
• во взрывоопасных помещениях при всех напряжениях.

Для заземляющих устройств в первую очередь должны быть использованы естественные заземлители:

• водопроводные трубы, проложенные в земле;
• металлические конструкции зданий и сооружений, имеющие надежное соединение с землей;
• металлические оболочки кабелей (кроме алюминиевых);
• обсадные трубы артезианских скважин.

Запрещается в качестве заземлителей использовать трубопроводы с горючими жидкостями и газами, трубы теплотрасс.

Естественные заземлители должны иметь присоединение к заземляющей сети не менее чем в двух разных местах.

В качестве искусственных заземлителей применяют:

• стальные трубы с толщиной стенок 3.5 мм, длиной 2 - 3 м;
• полосовую сталь толщиной не менее 4 мм;
• угловую сталь толщиной не менее 4 мм;
• прутковую сталь диаметром не менее 10 мм, длиной до 10 м и более.

Все элементы заземляющего устройства соединяются между собой при помощи сварки, места сварки покрываются битумным лаком. Допускается присоединение заземляющих проводников к корпусам электрооборудования с помощью болтов.

Расчет защитного заземления. Расчет защитного заземления имеет целью определить число вертикальных заземлителей и их размеры; размещение заземлителей; длины соединительных горизонтальных проводников и их сечения. Расчет заземления может производиться как по допустимому сопротивлению растекания тока заземлителя, так и по допустимым напряжениям прикосновения и шага.

В настоящее время расчет заземлителей производится в большинстве случаев по допустимому сопротивлению заземлителя. При этом, в основном применяется способ коэффициента использования (когда земля считается однородной) и реже - способ наведенных потенциалов (когда земля принимается двухслойной).

Порядок расчета.

1. Уточняют исходные данные: тип установки, виды основного оборудования, рабочие напряжения, план электроустановки с указанием всех основных размеров оборудования, формы и размеры электродов заземляющего устройства, удельное сопротивление грунта, характеристика климатической зоны, данные об естественных заземлителях, расчетный ток замыкания на землю, расчетные значения допустимых напряжений прикосновения и шага, и время действия защиты, если расчет производится по напряжениям прикосновения и шага.
2. Определяют требуемое сопротивление растеканию заземляющего устройства R_з по таблице 13.1.

Таблица 13.1. Сопротивления защитных заземлителей в электрических установках

 

Характеристика установок	Допустимое сопротивление заземлителей RЗ, Ом
Установки напряжением выше 1000 В. Защитное заземление в установках с большими токами замыкания на землю (IЗ > 500 А)	RЗ 0,5
Заземляющее устройство одновременно используется для установок напряжением до и выше 1000 В (Iз < 500 А)	RЗ = 125 / IЗ 4
Заземляющее устройство используется только для установок выше 1000 В и током замыкания на землю IЗ < 500 A	RЗ = 250 / IЗ 10
Электроустановки напряжением 380 / 220 В	RЗ 4

1. Определяют путем замера или расчетом возможное сопротивление растеканию естественных заземлителей R_Е.

Если R_Е < R_Е, то устройство искусственного заземления не требуется. Если RЕ > RЗ, то необходимо устройство искусственного заземления. Сопротивление, Ом, растекания искусственного заземления R_И = R_З R_Е / (R_Е – R_З). Далее расчет ведется по R_И.

1. Определяют удельное сопротивление грунта из справочников. При производстве расчетов эти значения должны умножаться на коэффициент сезонности К_С, зависящий от климатических зон и вида заземлителей. Расчетное удельное сопротивление грунта для стержневых заземлителей (вертикальных заземлителей _РАСЧ. В = К_С ; для протяженного заземлителя _РАСЧ. П = К’_С ).
2. Определяют сопротивление, Ом, растеканию одного вертикального заземлителя – стержневого круглого сечения (трубчатый или уголковый) в земле (рис. 13.1.)

Рис. 13.1. Расположение вертикального заземлителя в земле

 

.

При этом l >> d; to >> 0,5 м; для уголка с шириной полки b получают d = 0,95b. Все размеры даны в метрах, а удельное сопротивление грунта в Ом x м.

1. Установив характер расположения заземлителей в ряд или контуром, определяют число вертикальных заземлителей n_в = R_Е/( _ЕR_И), где _Е - коэффициент использования вертикальных заземлителей, зависящий от количества заземлителей и расстояния между ними.
2. На площади установки заземлителей размещают вертикальные заземлители nв и определяют длину соединительной полосы lп = 1,1 n_в * а, где а - расстояние между вертикальными заземлителями (обычно отношение расстояния между вертикальными заземлителями к их длине принимают равным а / l = 1; 2; 3).

Расчет на этом можно закончить и не определять сопротивление соединительной полосы, поскольку длина ее относительно невелика (в этом случае фактическая величина сопротивления заземляющего устройства будет несколько завышена).

Зануление

Зануление – преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Нулевой защитный проводник - проводник, соединяющий зануляемые части с нейтральной точкой обмотки источника тока или ее эквивалентом.

Зануление применяется в сетях напряжением до 1000 В с заземленной нейтралью. В случае пробоя фазы на металлический корпус электрооборудования возникает однофазное короткое замыкание, что приводит к быстрому срабатыванию защиты и тем самым автоматическому отключению поврежденной установки от питающей сети. Такой защитой являются: плавкие предохранители или максимальные автоматы, установленные для защиты от токов коротких замыканий; автоматы с комбинированными расцепителями.

При замыкании фазы на зануленный корпус электроустановка автоматически отключается, если ток однофазного короткого замыкания IЗ удовлетворяет условию I_З к * I_Н, где I_Н – номинальный ток плавкой вставки предохранителя или ток срабатывания автоматического выключателя, А; к - коэффициент кратности тока.

Для автоматов к = 1,25 – 1,4. Для предохранителей к = 3.

Проводимость нулевого защитного проводника должна быть не менее 50 % проводимости фазного провода. В качестве нулевых защитных проводников применяют голые или изолированные проводники, стальные полосы, кожухи шинопроводов, алюминиевые оболочки кабелей, различные металлоконструкции зданий, подкрановые пути и т.д.

При обрыве нулевого провода и замыкании фазы на корпус за местом обрыва, при отсутствии повторного заземления, напряжение между корпусами и землей будет ровно фазному напряжению.

При наличии повторного заземления напряжение на корпусах за местом обрыва снизится до значения

U_З = I_З * R_П = U_Ф * R_П / (R_З + R_П),

где R_з – сопротивление заземления нейтрали,

R_п – сопротивление повторного заземления. Зануление рассчитывается на отключающую способность; на безопасность прикосновения к корпусу при замыкании фазы на землю (расчет заземления ейтрали); на безопасность прикосновению к корпусу при замыкании фазы на корпус (расчет повторного заземления нулевого защитного проводника).

Расчет на отключающую способность проводится для наиболее удаленных в электрическом смысле точек сети

I_З = U_Ф/(Z_ТР/3 + Z_П),

где U_Ф – фазное напряжение сети, В;

Z_ТР/3 – сопротивление фазы трансформатора, Ом;

Z_П – полное сопротивление петли фаза - нуль линии до наиболее удаленной точки сети, для трансформаторов мощностью более 630 кВА сопротивление фазы трансформатора можно принять равным нулю.

,

где R_Ф, R_О - активные сопротивления фазного и нулевого защитного проводника;

X_Ф, X_О - индуктивные сопротивления фазного и нулевого защитного проводника;

X_П - сопротивление взаимоиндукции петли фаза - нуль.

Индуктивные сопротивления медных и алюминиевых проводников малы, и ими можно пренебречь.

Расчет зануления на безопасность прикосновения к корпусу при замыкании фазы на землю или корпус сводится к расчету заземления нейтральной точки трансформатора и повторных заземлителей нулевого защитного проводника. Согласно ПУЭ сопротивление заземления нейтрали должно быть не более: 8 Ом при 220/127 В; 4 ОМ при 380/220 В; 2 Ом при 660/280 В.

Сопротивление повторных заземлителей должно быть не более: 20 Ом при 220/127 В; 10 Ом при 380/220 В; 5 Ом при 660/280 В.

Методика расчета количества вертикальных и горизонтальных заземлителей нейтрали и повторных заземлителей аналогична методике расчета заземления. Согласно ПУЭ повторные заземлители выполняются на концах воздушных линий и их ответвлений, а также на вводах в здания, установки которых подлежат занулению.

Защитное отключение

Защитное отключение – это система защиты, автоматически отключающая электроустановку при возникновении опасности поражения человека электрическим током (при замыкании на землю, снижении сопротивления изоляции, неисправности заземления или зануления). Защитное отключение применяется тогда, когда трудно выполнить заземление или зануление, а также в дополнение к нему в некоторых случаях.

В зависимости от того, что является входной величиной, на изменение которой реагирует защитное отключение, выделяют схемы защитного отключения: на напряжение корпуса относительно земли; на ток замыкания на землю; на напряжение или ток нулевой последовательности; на напряжение фазы относительно земли; на постоянный и переменный оперативные токи; комбинированные.

Одна из схем защитного отключения на напряжение корпуса относительно земли приведена на рис. 13.2.

Рис. 13.2. Схема защитного отключения на напряжение корпуса относительно земли

 

Основным элементом схемы является защитное реле Р_З. При замыкании на корпус одной фазы корпус окажется под напряжением выше допустимого, сердечник реле Р_З втягивается и замыкает цепь питания катушки автоматического выключателя АВ, в результате чего электроустановка отключается.

Достоинством схемы является простота. Недостатки: необходимость иметь вспомогательное заземление R_В; неселективность отключения в случае присоединения нескольких корпусов к одному заземлению; непостоянство уставновки при изменениях сопротивления R_В. Устройства защитного отключения, реагирующие на ток нулевой последовательности, применяют для любых напряжений как с заземленной, так и с изолированной нейтралью.

Принцип действия УЗО как защитного выключателя, реагирующего на ток утечки, поясняется схемой (рис. 13.3).

Рис. 13.3. Схема электроустановки с УЗО

 

До тех пор пока утечка отсутствует, т.е. нет пробоя или повреждения изоляции электроприемника или нет прямого прикосновения человека к токоведущим частям, токи в прямом (1) и обратном (2) проводниках нагрузки (3) равны и наводят в магнитном сердечнике (4) трансформатора тока УЗО равные, но встречно направленные магнитные потоки Ф₁ и Ф₂, в результате чего ток во вторичной обмотке (5) равен нулю и не вызывает срабатывание чувствительного элемента - магнитоэлектрической защелки (6). При возникновении утечки, например, прикосновение человека к фазному проводнику, баланс токов и магнитных потоков нарушается (I₁=I₂+I_ут, Ф₁ Ф₂), во вторичной обмотке появляется ток небаланса I , который вызывает срабатывание защелки (6), воздействующей в свою очередь на механизм расцепителя (7) и контактную систему (8). Электромеханическая система УЗО рассчитывается на срабатывание при определенных значениях - “уставках” тока утечки. Наиболее широко применяются УЗО с уставками 10, 30 и 100 мА.

Устройства, реагирующие на напряжение нулевой последовательности, применяются в трехпроводных сетях напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью и малой протяженностью. Устройства защитного отключения, реагирующие на ток замыкания, применяются для установок, корпуса которых изолированы от “земли” (ручной электроинструмент, передвижные установки и т.д.).