Охрана труда. Электробезопасность. Ч

11

ее проводимость Y , См:

Y =1/ r + j ω c ,

где ω – угловая частота переменного тока, ω = 2πf = 2π 50 = 314 c-1; c – емкость проводов относительно земли, Ф;

j – множитель мнимой части комплексного числа, j = −1 ;

1 – емкостноесопротивлениепроводовотносительноземли,Ом; j ω c

r – сопротивление изоляции проводов, Ом.

Рисунок 2.2 – Прикосновение человека к проводу трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью при нормальном режиме работы

Приняв, что сопротивления изоляции относительно земли всех трех фаз равны между собой и при нормальной работе изолированная нейтраль источника питания сети не имеет напряжения, – трехфазная сеть работает в симметричном режиме, то есть все фазные напряжения одинаковые.

При контакте человека с фазой 1 симметрия нарушается и нейтраль источника питания оказывается под напряжением относительно земли. Ток будет проходить по цепи: фаза 1 – тело человека – земля – проводимость фаз 2 и 3. Напряжение фазы 1 уменьшается до величины, равной напряжению, под воздействием которого окажется пострадавший. Значение этого тока определяется по формуле

	Ih =	Uф
		Rh + Z /3

12

В действительной форме этот ток равен:

I h =	U ф				1
					r (r + 6 Rh )
	Rh			+
	1
					9 Rh2 (1 + r 2 ω2 c 2	)

В коротких воздушных сетях емкости практически отсутствуют, и при равенстве сопротивлений изоляции ток, проходящий через человека, будет определяться по формуле

	Ih =	Uф		.
		Rh + r/3

При равенстве емкостей и весьма больших сопротивлениях изоляции, что может иметь место в кабельных сетях, ток, проходящий через человека в комплексной форме, будет равен:

	I h	=	U	ф	.
			Rh + 1/3 jωc

В действительной форме ток равен:

	I h =	U	ф 3 ω c		.
		9 Rh2 ω2 c2		+ 1

При анализе последних зависимостей видим, что в сетях с изолированной нейтралью опасность для человека, прикоснувшегося к одному из фазных проводов в период нормальной работы сети, зависит от сопротивления проводов относительно земли: с увеличением сопротивления опасность уменьшается.

При аварийном режиме работы сети, когда возникает замыкание фазы на землю через малое активное или заземленное оборудование, сопротивление rзм, проводимость двух других фаз можно принять равными нулю и rзм << Rh (так обычно бывает на практике). В результате получим

Uпр ≈ Uф 3 ,

т. е. человек окажется под линейным напряжением сети.

В действительных условиях rзм всегда больше нуля, поэтому напряжение, под которым оказался человек, прикоснувшийся в аварийный период к исправной фазе трехфазной сети с изолированной нейтралью, будет значительно больше фазного и несколько меньше линейного напряжения сети.

При нормальном режиме работы сети пострадавший окажется под фазным напряжением и в этом случае цепь тока, проходящего через чело-

13

века, включает сопротивление пола, обуви и заземление нейтрали источника тока, т.к. сопротивление заземления нейтрали r0 значительно меньше, чем активное и емкостное сопротивления проводов относительно земли.

2.3.3 Однофазное прикосновение человека в трехфазной четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Прикосновение человека к проводу в трехфазной четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью

Ток, проходящий через человека, равен:

Ih = Rh + rпU+фro + rоб ;

где rп – сопротивление пола; rоб – сопротивление обуви.

При этой схеме включения человека в электрическую цепь исключительно большое значение имеют сопротивления полов и обуви для безопасности людей.

При аварийном режиме, когда одна из фаз сети замкнута на землю через малое активное сопротивление rзм , напряжение, под которым оказывается человек, прикоснувшийся в аварийный период к исправному проводу, всегда меньше линейного, но больше фазного:

Uл > Uпр > Uф.

Таким образом, прикосновение человека к исправному фазному проводу сети с глухозаземленной нейтралью в аварийный период более опасно, чем при нормальном режиме.

14

2.4 Выбор схемы сети и режима нейтрали

Схема сети и режим нейтрали выбираются по технологическим требованиям и по условиям безопасности.

По технологическим требованиям предпочтение отдается четырехпроводной сети, поскольку она позволяет использовать два любых напряжения – линейное и фазное.

По условиям безопасности выбор одной из двух схем производится с учетом выводов, полученных при рассмотрении этих сетей, а именно: по условиям прикосновения к фазному проводу в период нормального режима работы сети. Более безопасна, как правило, сеть с изолированной нейтралью, а в аварийный период – сеть с глухозаземленной нейтралью.

Сети с изолированной нейтралью целесообразно применять на объектах с повышенной опасностью поражения током и в тех случаях, когда имеется возможность поддерживать высокий уровень изоляции проводов сети относительно земли, то есть короткие сети; не подверженные воздействию агрессивной среды и находящиеся под постоянным надзором электротехнического персонала (сети для передвижных установок, торфяных разработок, шахт и т. д.).

Сети с глухозаземленной нейтралью (четырехпроводные) следует применять там, где невозможно обеспечить хорошую изоляцию проводов (из-за высокой влажности, агрессивной среды, большой протяженности и т. д.), когда нельзя быстро отыскать или устранить поврежденные изоляции или когда емкостные токи замыкания на землю достигают больших значений, опасных для человека (сети крупных промышленных предприятий, городские и сельские сети и т. п.).

3 Способы и средства обеспечения электробезопасности

Для обеспечения защиты от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции, используют следующие способы:

–изоляцию токоведущих частей и контроль изоляции;

–оградительные устройства;

–предупредительную сигнализацию и блокировку;

–знаки безопасности, плакаты;

–малые напряжения;

–электрическое разделение сетей;

–электрозащитные средства;

–защитное заземление;

–выравнивание потенциала;

15

–зануление;

–защитное отключение;

–систему защитных проводов;

–компенсацию токов замыкания на землю.

Все вышеперечисленные способы и средства защиты могут использоваться как отдельно, так и в сочетании друг с другом.

Ниже рассмотрены способы защиты: защитное заземление, зануление и устройство защитного отключения (УЗО).

3.1 Защитное заземление и его расчет

3.1.1 Назначение, принцип действия и область применения. Одно-

фазные замыкания тока, которые могут возникать в электрических машинах, аппаратах, на ЛЭП, опасны тем, что на корпусах и опорах появляются напряжения, достаточные для поражения человека и возникновения пожара. Ток замыкания создает опасные напряжения не только на самом оборудовании, но и возле него, растекаясь соснованийи фундаментов.

Защиту от поражения электрическим током и возгораний можно осуществить защитным отключением (отключают поврежденный участок сети быстродействующей защитой) либо защитным заземлением за счет снижения напряжения прикосновения и шага до безопасных значений (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 – Принципиальная схема защитного заземления в сетях трехфазного

тока

16

В сетях с изолированной нейтралью (см. рисунок 3.1) тока однофазного замыкания недостаточно для надежного отключения аварийного участка, поэтому применяют защитное заземление. Снижение напряжения прикосновения и шага достигается путем уменьшения потенциала заземленного оборудования (уменьшением сопротивления заземлителя), а также путем выравнивания потенциалов основания, на котором стоит человек, и заземленного оборудования (подъем потенциала основания, на котором стоит человек, до значения, близкого к значению потенциала заземленного оборудования).

Защитное заземление следует отличать от рабочего заземления (например, в нейтральных точках обмоток генератора, трансформаторов и заземления молниезащиты).

При замыкании тока на корпус нормально изолированные части электрооборудования окажутся под напряжением. Прикоснувшись к ним, человек попадает под напряжение прикосновения. Оно будет равно разности между полным напряжением φ3 на корпусе, к которому прикасается человек рукой, и потенциалом φх поверхности земли, пола, где он стоит:

U ПР =ϕ3 −ϕх =ϕ3 (1 −ϕх / ϕ3 ) =ϕ3 α1 ,

где α1 – коэффициент прикосновения, учитывающий форму потенциальной кривой, α1 =(1−ϕх /ϕ3 ) ≤1 (где ϕ3 = I3 r3 ).

В местах, где расположены ступени ног, на поверхности земли имеются разные электрические потенциалы (φ1 и φ2) и на длине шага возникает напряжение, соответствующее разности этих потенциалов:

U ш =ϕ1 −ϕ2 =ϕ1 −ϕ1+а ,

где а – длина шага, а = 0,8–1 м.

Напряжение между двумя точками цепи тока, находящимися на расстоянии шага, на которых одновременно может стоять человек, называется напряжением шага Uш.

Защитное заземление является наиболее простой и в то же время эффективной мерой защиты от поражения током в сетях: напряжением до 1000 В переменного тока – трехфазных трехпроводных с изолированной нейтралью, однофазных двухпроводных, изолированных от земли, а также постоянного тока двухпроводных с изолированной средней точкой обмоток источника тока; напряжением выше 1000 В переменного и постоянного тока с любым режимом нейтральной или средней точки обмоток источников тока.

В помещениях с повышенной опасностью и особо опасных, а также в наружных установках заземление обязательно при номинальном напряжении электроустановки выше 42 В переменного и 110 В постоянного тока, а

17

в помещениях без повышенной опасности – при напряжении 380 В и выше переменного и 440 В и выше постоянного тока. Лишь во взрывоопасных зонах всех классов заземление выполняется независимо от значения напряжения электроустановки.

3.1.2 Заземляющие устройства. Заземляющим устройством называется совокупность заземлителя – проводников (электродов), соединенных между собой и находящихся в непосредственном соприкосновении с землей, и заземляющих проводников, соединяющих заземляющие части электроустановки с заземлителем.

Различают два типа заземляющих устройств: выносное и контурное. Выносное заземляющее устройство вынесено за пределы площадки, на которой размещено заземляющее оборудование, коэффициент прикос-

новения α = 1. Поэтому заземляющие устройства этого типа применяются лишь при малых токах замыкания на землю, в частности, в установках до 1000 В, где потенциал заземлителя не превышает значения допустимого напряжения прикосновения.

Кроме того, при большом расстоянии до заземлителя значительно возрастает сопротивление соединительного провода. Выносные заземлители сооружают не далее 2 км от участка, на котором размещено заземляемое оборудование.

Выносное заземление сооружают при невозможности разместить на защищаемой территории: при высоком сопротивлении земли (скалистый грунт), при рассредоточенном расположении заземляющего оборудования (горные выработки) и так далее.

При контурном заземляющем устройстве электроды размещают по контуру (периметру) площадки, на которой находится заземляемое оборудование, или распределяют равномерно на площадке (в виде сетки), и поэтому такое устройство называют распределенным.

Распределенное заземляющее устройство обеспечивает не только уменьшение потенциала заземлителя, но и выравнивает потенциал на защищаемой территории до такого значения, чтобы максимальные напряжения прикосновения и шага не превышали допустимых.

Различают заземлители искусственные, предназначенные только для целей заземления, и естественные – находящиеся в земле металлические предметы иного назначения.

Для искусственных заземлителей применяют обычно вертикальные и горизонтальные электроды.

Для вертикальных электродов используют стальные трубы диаметром от 50 до 60 мм с толщиной стенки менее 3,5 мм и угловую сталь с толщиной полок не менее 4 мм (обычно это угловая сталь размером 40×40 и 60×60 мм) отрезками длиной от 2,5 до 3,0 м, а также прутковую сталь диаметром не менее 10 мм длиной до 10 м, а иногда и более.

18

Для связи вертикальных электродов и в качестве самостоятельного электрода применяют полосовую сталь сечением не менее 4×12 мм и сталь круглого сечения диаметром не менее 6 мм.

Верхние концы вертикальных электродов, погруженные в землю, соединяют стальной полосой или сталью круглого сечения на сварке.

Вкачестве естественных заземлителей используют водопроводные и другие металлические трубы (за исключением трубопроводов горючих жидкостей, горючих и взрывоопасных газов), проложенные в земле, металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, свинцовые оболочки кабелей, заземлители опор и другие конструкции.

Вкачестве заземляющих проводников, предназначенных для соединения заземляемых частей с заземлителями, применяют, как правило, сталь полосовую или круглого сечения.

Всетях напряжением до 1000 В и выше с изолированной нейтралью заземляющие проводники должны обладать проводимостью не менее 1/3 про-

водимости фазных проводников. Наименьшее сечение стальной прямоугольной шины составляет 24 мм2 – при прокладке внутри здания и 48 мм2 – при прокладке вне здания или в земле; для круглой стали наименьший диаметр равен 5 мм – при прокладке в зданиях, 6 мм – в наружных установках, 10 мм – в земле, для проводников из меди – 4 мм, из алюминия – 6 мм.

Соединения заземляющих проводников между собой выполняются, как правило, сваркой, а с корпусами аппаратов, машин и другого оборудования – сваркой или с помощью болтов.

3.1.3 Расчет защитного заземления. Расчет защитного заземления имеет целью определить основные параметры заземления – число, размеры и порядок размещения одиночных заземлителей и заземляющих проводников.

Расчет можно выполнять по допустимому сопротивлению растекания тока заземлителя или по допустимым напряжениям прикосновения (и шага). При этом расчет производится обычно для случаев размещения заземлителя в однородной земле. Расчет заземлителя в многослойной земле более трудоемок, но зато дает более точные результаты. Его целесообразно применять при сложных конструкциях групповых заземлителей в установках напряжением 110 кВ и выше.

Для установок с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В, а также выше 1000 В до 30 кВ включительно расчет заземлителя производится обычно по допустимому сопротивлению растеканию.

Сопротивление заземляющих устройств в сетях напряжением до 1000 В при суммарной мощности генераторов или трансформаторов, питающих данную сеть, не более 100 кВ·А должно быть не более 10 Ом; во всех остальных случаях – 4 Ом.

В электроустановках (сети напряжением 110 кВ и более) с глухозаземленной нейтралью и большими (более 500 А) токами замыкания на

19

землю сопротивление заземляющего устройства не должно превышать 0,5 Ом для надежного автоматического отключения места замыкания релейной защитой за доли секунды.

Проектирование заземляющего устройства при расчете заземлителей по допустимому сопротивлению растеканию тока заключается в подборе такой конструкции искусственного заземлителя, при которой выполнялись бы нормы на допустимое сопротивление при наименьших затратах на его сооружение. Порядок расчета следующий: предварительно выбирается схема заземлителя и наносится на план установки, принимается длина электродов.

При проектировании заземляющего устройства необходимо знать удельное сопротивление ρ, Ом м, грунта в том месте, где будет сооружаться заземлитель.

Удельное сопротивление грунта измеряют на месте сооружения заземлителя, но ориентировочные расчеты можно производить по приближенным значениям. Ориентировочные значения ρ приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Приближенные значения удельных электрических сопротивлений различных грунтов

	Наименование	Предел колебаний	Рекомендуемое значение удельных
		величины удельного	сопротивлений (для предварительных
	грунта
		сопротивления грунта, Ом м	расчетов), Ом м
1	Песок	400–700	700
2	Супесь	150–400	300
3	Суглинок	40–150	100
4	Глина	8–70	40
5	Садовая земля	40–60	40
6	Чернозем	9–53	20
7	Торф	10–30	20
8	Каменистый	500–800	700
9	Скалистый	104–107	–

Для одиночных стержневых заземлителей сопротивление растеканию тока определяют по следующим эмпирическим формулам:

– для стержневых круглого (трубчатого) сечения электродов у поверхности земли (рисунок 3.2, а)

Rз = 2 πρ A ln 4dA = 0,366 ρA lg 4dA ;

– для стержневых круглого (трубчатого) сечения электродов в земле (см. рисунок 3.2, б)

			20
Rз =	ρ	(ln	2 A	+	1	ln	4 t +A	) ,
	2 π A		d
					2 4 t −A

где ρ – удельное сопротивление грунта, Ом м;

	A – длина стержней, м;
	d – диаметр сечения (для уголкового заземлителя d = 0,95b, где
b – ширина полки), м;
	t – расстояние от поверхности грунта до середины вертикального
заземлителя (t = h0 + l / 2), м.
а)	б)

Рисунок 3.2 – Схемы заземления

Необходимое количество стержней (без учета проводимости соединительной полосы) определяют по формуле

n = Rз ηс ,

Rдоп

где Rдоп – допустимое сопротивление заземления (должно соответствовать нормам);

ηс – климатический коэффициент, учитывающий возможность изменения удельного сопротивления вследствие промерзания грунта зимой или его высыхания летом (таблица 3.2).

Зная необходимое число электродов, определяют длину полосы связи между электродами при контурном заземляющем устройстве:

Aп = (n −1) а ,

где n – число стержней;

а – расстояние между стержнями (от 2 до 3 м).