Защитные меры при аварийном режиме работы электроустановки

Аварийным считается такой режим, когда появляется опасность для человека в следствии разрушения изоляции и замыкания фазы на землю или корпус электроустановки. При этом безопасность обеспечивают применение защитного заземления или зануления корпусов электроустановок, защитное отключение и другие мероприятия.

Защитное заземление. Наиболее распространенной и надежной мерой защиты от поражения электрическим током является защитное заземление – преднамеренное электрическое соединение с землей металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.

С помощью заземлителя уменьшается напряжение на корпусе (в случае случайного замыкания на него тока), а также напряжение прикосновения и шаговое напряжение в зоне растекания этого тока.

Если корпус не заземлен, то на нем будет потенциал фазы и человек, прикоснувшейся к «пробитому» корпусу окажется под фазным напряжением относительно земли (рис.3.5.6, а). Прикосновение к нему столь же опасно как и к токоведущей части. Так в сети 380В с изолированной нейтралью при сопротивлении изоляции R_из = 7кОм ток через человека будет , что является опасным для человека.

При заземлении корпуса через малое сопротивление R_з = 0,01кОм ток через человека окажется равным , т.е.

неопасный ощутимый ток. И чем меньше сопротивление заземления, тем меньше будет ток через человека. Сущность защитного заземления состоит в том, что все металлические конструкции соединяются с землей через малое сопротивление, во много раз меньшее сопротивления тела человека, чтобы большая часть тока прошла через заземлитель, а напряжение прикосновения снизилось до безопасного значения (рис.3.5.6, б).

Защитное заземление, как способ защиты, применяют в сетях с изолированной нейтралью, где ток замыкания на землю ограничивается в основном величиной сопротивления изоляции (R_из >> R_з ), а также в сетях выше 1000В с любым режимом работы нейтрали источника питания.

В сетях напряжением до 1000В с заземленной нейтралью защитное заземление неэффективно, т. к. ток замыкания зависит от величины сопротивления заземления и с уменьшением его ток возрастает.

Сопротивление растеканию тока нормируется в зависимости от напряжения питающей сети. Поскольку заземление должно обеспечивать безопасность при прикосновении к нетоковедущим частям, случайно оказавшимся под напряжением, а также при воздействии шагового напряжения, нормированию подлежат наибольшие безопасные значения напряжения прикосновения и напряжение относительно земли U_пр £ U_дл.доп . За длительно допустимое принимается напряжение прикосновения согласно Международного стандарта 42В. В сетях до 1000В даже при плохом состоянии изоляции и значительной емкости ток однофазного замыкания на землю не превышает 10А. Поэтому сопротивление заземления не должно превышать величину

.

При малой мощности источника ( до 100кВА) протяженность сети мала и ток замыкания не превышает 2А, допускается увеличение сопротивления заземления до 10 Ом.

Для выполнения этих требований при проектировании производят расчет заземляющего устройства, а после монтажа – проверку защитного заземления путем измерения сопротивления.

В зависимости от расположения заземлителей по отношению к заземляющему оборудованию заземления бывают выносные (или сосредоточенные) и контурные (или распределенные). Первые располагают сосредоточенно, на некотором расстоянии от оборудования за пределами зоны растекания тока замыкания на землю. Напряжение прикосновения для выносного заземлителя определяется напряжением корпус-земля: , где I_з – ток, протекающий через заземлитель при замыкании фазы на корпус.

Таким образом, выносное заземление обеспечивает безопасность, когда напряжение на корпусе не превышает допустимого. При больших токах замыкания на землю невозможно получить допустимое напряжение прикосновения путем снижения сопротивления заземления. В этих случаях применяют контурное заземление.

Заземлители контурного заземления располагают по периметру и внутри площадки, на которой расположено заземляемое оборудование (рис.3.5.7). Все заземлители электрически соединены друг с другом. При замыкании на корпус происходит стекание тока в землю и благодаря системе заземлителей на поверхности площадки появляется повышенный потенциал

В качестве заземлителей могут использоваться электропроводящие части строительных и производственных конструкций, имеющие хороший контакт с землей, например арматура железобетонных конструкций, трубопроводы (кроме трубопроводов для транспортировки горючих и взрывчатых жидкостей и газов), металлические оболочки кабелей (кроме алюминиевых), обсадные трубы и др. Это так называемые естественные заземлители, которые используются в первую очередь для заземления. Искусственные заземлители – это специально устраиваемые для заземления стальные металлоконструкции в виде вертикальных электродов, связанных с горизонтальным электродом (стальной полосой). Соединенные сваркой между собой вертикальные и горизонтальные электроды образуют магистраль заземления, к которой подключаются корпуса заземляемого оборудования. Последовательное подключение корпусов оборудования к магистрали заземления запрещено.

Защитное зануление. Зануление в электроустановках до 1000В – это преднамеренное соединение частей электроустановок, нормально не находящихся под напряжением, с глухо заземленной нейтралью источника питания.

Зануление является эффективной мерой защиты при питании электрооборудования от четырехпроводных сетей с заземленной нейтралью питающего трансформатора напряжением 380/220В. В соответствии с ПУЭ зануление корпусов выполняют в тех же случаях, что и защитное заземление.

При соединении корпусов электроустановок с нулевым проводом питающей сети замыкание фазы на корпус превращается в однофазное короткое замыкание. Возникающий при этом большой ток должен обеспечить срабатывание устройства защиты, которое автоматически отключит поврежденную электроустановку от питающей сети.

Назначение нулевого защитного провода - создание цепи с малым сопротивлением для тока при замыкании фазы на корпус и превращение его в однофазное короткое замыкание. Он же может служить и рабочим проводником – для питания электроприемников фазным напряжением. В качестве нулевых защитных проводников могут использоваться также естественные заземлители. Рабочее заземление нейтрали источника питания Ro служит для снижения напряжения нулевого защитного провода и соединенных с ним корпусов оборудования относительно земли при замыкании фазы. Повторное заземление нулевого защитного провода позволяет снизить напряжение на корпусах зануленного оборудования особенно при обрыве нулевого провода, когда не происходит отключения от защиты.

Рассмотрим сеть 380В с глухозаземленной нейтралью при нормальном состоянии сети и при обрыве нулевого провода (рис. 3.5.8).

При замыкании фазы С на корпус в первом случае ток будет протекать по «петле» фаза-нуль. Величина тока определяется фазным напряжением и полным сопротивлением цепи короткого замыкания (с учетом индуктивного сопротивления трансформатора и проводов)

(5.6)

Если принять сопротивление (обычно в сетях напряжением 380/220В это сопротивление меньше), то 1100А.

Очевидно, что при таком токе защита должна сработать и отключить установку от сети.

Во втором случае (обрыв нулевого провода или ток Iк недостаточен для срабатывания защиты) появляется напряжение на корпусе относительно земли

и, соответственно, ток замыкания на землю , вызванный падением напряжения в нулевом проводе при протекании в нем тока короткого замыкания Iк и приложении к последовательно соединенным сопротивлениям Rп и Rо (Uк =IкZн).

Таким образом напряжение на корпусе

,

а напряжение на нейтрали

Роль повторного заземления нулевого провода сводится к снижению напряжения на корпусе в момент короткого замыкания, особенно при обрыве нулевого провода. Если повторное заземление отсутствует (Rп=¥), то

При равенстве сопротивлений Zф=Zн и Rп=Rо потенциалы будут равны Uз=Uo=U/4=220/4=55В, что допустимо только в течении 1с. При Rп ® ¥ (обрыв) Uз=U/2=220/2=110В, а Uo=0. В любом случае повторное заземление повышает безопасность. Но при отсутствии повторного заземления нулевого провода опасность возрастает еще больше, т.к. замыкание происходит на корпус, не имеющий ни заземления, ни зануления и поврежденный корпус оказывается под напряжением фазы сети И_ф.

Основное назначение зануления – обеспечить срабатывание защиты при замыкании на корпус. Для этого ток короткого замыкания должен превышать уставку защиты или номинальный ток плавкой вставки предохранителя.

Согласно ПУЭ, проводники зануления следует выбрать так, чтобы при замыкании на корпус или на нулевой провод возникал ток короткого замыкания , превышающий не менее чем в 3 раза номинальный ток плавкой вставки ближайшего предохранителя или расцепителя автоматического выключателя, имеющего обратно зависимую от тока характеристику времени ( теплового расцепителя). При защите сети автоматическими выключателями с электромагнитными расцепителями кратность тока принимается 1,4.

Сопротивление заземляющего устройства (рабочее заземление нейтрали) и сопротивление повторного заземления не должны превышать значения 4 и 10 Ом соответственно.

Для обеспечения непрерывности цепи зануления запрещена установка в нулевой провод коммутирующего аппарата. Допускается применение выключателей, которые одновременно с отключением нулевого провода отключают и все фазные провода.

Если по каким-либо причинам требования ПУЭ не удовлетворяются, отключение при замыканиях на корпус должно обеспечиваться посредством специальных защит, например защитного отключения.

Защитное отключение. Быстродействующая защита, обеспечивающая автоматическое отключение электроустановки при возникновении в ней опасности поражения электрическим током называется защитным отключением (ГОСТ 12.1.009 – 76). Оно применяется в тех случаях, когда заземление и зануление не могут обеспечить условия безопасности в момент прикосновения человека к токоведущей части, при замыкании фазы на корпус электрооборудования, снижении сопротивления изоляции ниже предельно допустимого, неисправностях заземления или зануления. Наиболее целесообразно применение защитного отключения в передвижных электроустановках и при использовании ручного электрифицированного инструмента.

Сущность защитного отключения заключается в немедленном разрыве электрической цепи, как только появится опасность электропоражения. Зануление обеспечивает отключение поврежденного участка лишь за единицы или десятки секунд. Согласно ПУЭ полное время срабатывания защитного отключения не должно превышать 0,2с.

Схемы защитного отключения подразделяются не несколько типов в зависимости от параметра, на который реагирует датчик: напряжения корпуса относительно земли, тока замыкания на землю, напряжения фаз относительно земли, напряжения и тока нулевой последовательности и т.п.

Основные требования, которым должны удовлетворять устройства защитного отключения : высокая чувствительность (способность реагировать на малые изменения входной величины), малое время отключения (время от момента возникновения повреждения до момента отключения напряжения не должно превышать 0,2с), селективность работы (способность отключать напряжение только от поврежденного оборудования), самоконтроль (способность отключать оборудование при неисправности в самом устройстве защитного отключения), надежность (отсутствие ложных отключений).

В качестве примера рассмотрим схему устройства защитного отключения, реагирующего на напряжение корпуса электроустановки относительно земли (рис. 3.5.10).

Датчик – реле напряжения KV с нормально замкнутым контактом, подключается к отдельному заземлителю ВЗ и корпусу электрооборудования Д. При замыкании одной из фаз на корпус образуется цепь: токоведущая часть оборудования, корпус Д, обмотка реле KV, вспомогательный заземлитель ВЗ, земля, сопротивление изоляции Rиз неповрежденных фаз, источник питания. Когда это напряжение достигает уставки реле KV (20-60В) оно сработает и разорвет цепь катушки управления КУ, удерживающий пускатель, и он отключится.

Для проверки исправности защитного отключения предусмотрена кнопка К, нажимая которую имитируют замыкание фазы на корпус.