Пожарная безопасность электроустановок / Cherkasov - PB elektroustanovok 2002

корпусов. Особенно опасна задержка отключения токов однофазного КЗ во взрывоопасных зонах, приводящая к возникновению длительной дуги и повреждению (прожигу) оболочки, панели с зажимами или труб электропроводки с последующим выбросом пламени в окружающее пространство. Так, двухдюймовая труба может прогореть через 3 с при токе 500 А, а при токе 350 А – через 5 с. Поэтому лучшим решением следует считать применение во взрывоопасных зонах не предохранителей (за исключением специальных быстродействующих, например ПНБ5), а автоматов с электромагнитными или полупроводниковыми расцепителями, срабатывающими мгновенно и отключающими все три фазы, что предотвращает пожароопасный режим работы электродвигателей на двух фазах.

Во время срабатывания защиты на зануленных металлических частях могут кратковременно создаваться значительные и даже опасные потенциалы. Однако в цепях со встроенными или близко расположенными подстанциями и насыщенных технологическим оборудованием напряжение прикосновения при замыканиях на корпус не превосходит безопасного значения и нередко равно 10-12 В. Это объясняется включением параллельно с нулевым проводом проводников большой проводимости; заземленных металлических частей электроустановок, металлических оболочек кабелей, трубопроводов, технологического оборудования, металлических конструкций зданий и т.п., а также выполненного по ПУЭ повторного заземления нулевого провода (rп, см. рис. 7.8).

Устройство дополнительных местных очагов повторного заземления нулевого провода, выполняемых по контуру здания или установки, является наиболее эффективным способом снижения опасности, особенно для удаленных от подстанций установок. При таком способе удается во время аварийных режимов уравнять потенциалы пола (земли) и оборудования. Повторные заземления нулевого провода снижают опасность возникновения пожаров от токов замыкания и потенциалов на заземленных корпусах в случае обрыва нулевого провода (см. 1 на рис. 7.8).

Как уже указывалось, при обрыве нулевого провода и замыкании на корпус прикосновение к любой присоединенной к нулевому проводу металлической части равносильно присоединению к токоведущему проводу, а прохождение токов замыкания по случайным путям может быть причиной пожара. Однако полное совпадение обрыва нулевого провода с замыканием на корпус маловероятно, тем более что речь идет о магистральных проводах. Если раньше произойдет обрыв, он быстро обнаружится, так как обрыв нулевого провода вызывает отключение или ненормальный режим работы электроламп и других однофазных электроприемников. Если же раньше произойдет замыкание на корпус, оно должно отключиться защи-

255

той. Кроме того, если в осветительной сети нулевой провод используется в качестве рабочего, потенциал на оборудование может быть вынесен через нить электрической лампочки светильника или сопротивление нагревательного прибора даже при отсутствии замыкания на корпус. Поэтому целостности нулевого провода придается большое значение. Если нулевой провод используется в качестве защитного, в его цепи запрещается применять разъединяющие аппараты (рубильники, выключатели и т.п.), предохранители или автоматы. В воздушных линиях повторные заземления рекомендуется устраивать на концах линий (или ответвлений) длиной более 200 м, а также на вводах в здания, внутри которых применяется зануление, и у прожекторных мачт.

Общее сопротивление растеканию заземлений всех повторных заземлений нулевого рабочего провода каждой воздушной линии в любое время года должно быть не более 5, 10, 20 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380, 220 В. Сопротивление растеканию заземлителя каждого из повторных заземлений должно быть не более 15, 30, 60 Ом соответственно при тех же напряжениях. Для повторных заземлений следует максимально использовать естественные заземлители (см. параграф 7.3). Чем больше повторных заземлений защитного нулевого провода и чем ниже их сопротивление, тем ниже напряжение прикосновения и напряжение по отношению к земле как при замыканиях на корпус, так и при обрыве нулевого провода.

Вэлектроустановках с глухозаземленной нейтралью напряжением 380220 В запрещается применение защитного заземления без одновременного зануления, а также применение земли в качестве нулевого проводника, так как при этом в случае повреждения изоляции заземленного оборудования возникли бы те же опасные условия, что и при обрыве нулевого провода.

Вэлектроустановках с глухозаземленной нейтралью защита от опасности, связанной с переходом высшего напряжения в цепь низшего

(см. рис. 7.8), достигается заземлением нейтрали трансформатора r0. При этом повышение напряжения в цепи низшего напряжения ограничивается

малым значением r0. Напряжение нейтрали относительно земли получается равным Uн=IЗr0. Величина r0 не должна превосходить значение, определяемое выражением (7.7).

Зануление – одна из первых защитных мер в электроустановках. Зануление имеет как экономические (проще и дешевле заземлители, используемые в системе зануления), так и качественные преимущества перед защитным заземлением – оно снимает напряжение с поврежденных частей электроустановки. Выполнение зануления в соответствии с правилами [1] обеспечивает его высокую надежность. Однако зануление имеет ряд принципиальных недостатков, например:

256

не обеспечивает безопасности при непосредственном прикосновении человека к токоведущим частям электроустановки;

нулевой защитный проводник обеспечивает вынос потенциала (даже при отсутствии замыкания на корпус) на все зануленные электропотребители, что представляет опасность поражения и создает помехи радиоэлектронному оборудованию;

в сети с занулением нельзя использовать заземление отдельных электропотребителей (без соединения их с нулевым защитным проводником), так как при замыкании на заземленный корпус зануленные электропотребители оказываются под опасным напряжением в течение длительного времени;

одновременное прикосновение к токоведущим частям электроустановки и ее зануленному корпусу, а также к незануленному и зануленному электрооборудованию представляет большую опасность;

ошибки при монтаже и подключении электропотребителя могут привести к тому, что его корпус окажется непосредственно подключенным к фазе через нулевой защитный проводник;

перегорание плавкой вставки одного предохранителя при замыкании на корпус не обеспечивает полного отключения от сети трехфазного потребителя, и он (например, трехфазный электродвигатель) окажется в пожароопасном неполнофазном режиме работы;

токи КЗ, токи утечки, искры при замыкании на корпус, перегрев трехфазных потребителей при работе на двух фазах, обусловленные наличием зануления, могут создать пожароопасную ситуацию;

трудности выполнения требований ПУЭ к занулению по формулам (3.12) и (3.13) в протяженных сетях и при занулении мощных потребителей;

трудности контроля (целостности цепи зануления).

Перечисленные недостатки показывают, что зануление уже не соответствует современному уровню электрификации страны и нуждается в принципиальной переработке или замене более совершенными мерами защиты, например устройством защитного отключения УЗО (см. пара-

граф 3.5).

7.3. УСТРОЙСТВО ЗАЗЕМЛЕНИЙ И ЗАНУЛЕНИЙ

Заземление или зануление применяют во всех случаях при напряжении 380 В (и выше) переменного и 440 В и выше постоянного тока. В помещениях с повышенной опасностью, особо опасных, в наружных установках эти защитные меры применяют при напряжениях выше 42 В переменного и 110 В постоянного тока.

Заземлять или занулять необходимо следующие части электроустановок: корпуса трансформаторов; рамы и приводы выключателей и других

257

коммутационных аппаратов; вторичные обмотки измерительных трансформаторов; каркасы распределительных щитов и щитков, пультов и щитов управления, шкафов с электрооборудованием. Съемные или открывающиеся части щитов и шкафов должны быть занулены отдельным гибким проводником, если на этих частях установлено электрооборудование напряжением выше 42 В переменного или 110 В постоянного тока. Зануляют также металлические оболочки и броню кабелей, проводов, металлические кабельные конструкции и муфты, стальные трубы электропроводки, тросы, на которых подвешены провода, кожухи шинопроводов, короба и лотки, арматуру железобетонных опор и проволочные оттяжки любых опор, а также все другие металлоконструкции, связанные с установкой электрооборудования.

ПУЭ не требуют заземлять или занулять что-либо в помещениях без повышенной опасности поражения электрическим током, в частности в жилых и общественных помещениях с деревянными или пластиковыми полами, если номинальное напряжение электрооборудования 220 В и ниже. Зануление здесь только повысило бы опасность при случайном прикосновении одновременно к токоведущим частям и к зануленным, т. е. к связанному с землей корпусу электрооборудования. Не требуется также занулять в кухнях, ванных комнатах и туалетах квартир металлические корпуса стационарно установленного осветительного электрооборудования и переносных электроприборов и машин мощностью до 1,3 кВт (стиральные и швейные машины, холодильники, утюги и т. п.).

Заземляющие и нулевые защитные проводники подразделяются на магистральные и ответвления от них к отдельным электроприемникам. Там, где это допустимо, в качестве нулевых защитных проводников в первую очередь используют нулевые рабочие проводники. Для заземлений и занулений электроприемников рекомендуется применять отдельные жилы кабелей и провода электропроводок (четвертая жила, четвертый и третий провод), открыто проложенные проводники, преимущественно стальные; металлические конструкции различного назначения; алюминиевые оболочки кабелей (но не броню). Защитными проводниками, в частности, могут служить: металлические конструкции зданий (фермы, колонны и т. п.); металлические конструкции производственного назначения (подкрановые пути, каркасы распределительных устройств, шахты лифтов и подъемников и т. п.); стальные трубы, металлические короба и лотки электропроводов; металлические стационарные открыто положенные трубопроводы всех назначений, кроме трубопроводов для горючих газов и жидкостей, канализации, центрального отопления и бытового водоснабжения. Они могут служить единственными защитными проводниками только в том слу-

258

чае, если удовлетворяют требованиям ПУЭ в отношении сечения или проводимости, а также если обеспечена их непрерывность.

Защитные проводники по условиям механической прочности и стойкости к коррозии должны иметь минимальные размеры (табл. 7.2).

					Таблица 7.2
Проводники	Медь	Алю-		Сталь
			в зда-	в наружных
		миний			в земле
			ниях	установках
Голые при открытой прокладке:
сечение, мм2	4	6
диаметр, мм			5	6	10
Изолированные провода, мм2	1,5*	2,5
Заземляющие и нулевые жилы
кабелей и многожильных прово-
дов в общей защитной оболочке
с фазными жилами, мм2	1	2,5
Полосовая сталь:
сечение, мм2			24	48	48
толщина, мм			3	4	4
Угловая сталь:
толщина полок, мм			2	2,5	4
Водогазопроводные трубы:
толщина стенок, мм			2,5	2,5	3,5
Тонкостенные трубы
по ГОСТ 10704-63:					Не допус-
толщина стенок, мм			1,5	2,5	кается

* При прокладке проводов в трубах допускаются медные нулевые защитные проводники сечением 1 мм2, если фазные проводники имеют то же сечение.

С учетом условий безопасности и особой надежности, которую должны иметь защитные проводники, к ним предъявляются дополнительные требования.

Всетях с изолированной нейтралью сечение заземляющих проводников должно составлять не менее 1/3 сечения фазных, а проводимость проводников из разных металлов должна быть не менее 1/3 проводимости фазных.

Всетях с глухим заземлением нейтрали для надежного автоматического отключения аварийного участка нулевые защитные проводники должны быть выбраны таким образом, чтобы при замыкании на корпус возникал ток КЗ, который удовлетворял бы требованиям формул (3.12) и (3.13). Это требование обычно удовлетворяется, если проводимость нулевых защитных проводников составляет не менее 50 % проводимости фазного провода.

При медных и алюминиевых проводах сечение нулевого защитного провода принимают не менее 50 % фазного. Если же фазный провод медный или алюминиевый, а защитный – стальной, как это часто бывает в

259

промышленных установках (за исключением взрывоопасных), защитный провод нельзя выбирать, исходя из сечения фазного, так как сопротивление стальных проводников относительно велико, а при переменном токе сопротивление зависит также от тока и конструкции проводника (одноили многожильная). Кроме того, следует считаться с внешним индуктивным сопротивлением, так как стальные защитные проводники (за исключением прокладки в стальных трубах) монтируются на некотором, иногда значительном, расстоянии от фазных.

В табл. 7.3 приведены рекомендуемые минимальные сечения проводников из полосовой стали и диаметры труб электропроводки, примерно соответствующие по проводимости сечениям медных и алюминиевых проводов для зануления в сетях напряжением 660, 380 и 220 В.

Таблица 7.3

	Сечение, мм2				Диаметр водогазопроводной трубы
медного фаз-	алюминиевого		стальной полосы
					для зануления, дюймы
ного провода	фазного провода		для зануления
6 и ниже	10 и ниже		15	х 3	1/2
10	16		20	х 4	1/2
16	25		40	х 3	3/4
25	35		50	х 4	1
35	50		80	х 4	1 1/2
50	70		100 х 4		1 1/2
70	95		100 х 8		2
95	120		100	х 8*	2 1/2
120	-			-	2 1/2

* Может применяться только при алюминиевом фазном проводе.

Использование естественных проводников в качестве нулевых рабочих проводников допускается в нормальных помещениях только для групповой сети освещения и при условии, что они не находятся в непосредственной близости от сгораемых частей зданий или конструкций.

Нулевыми и защитными проводниками могут служить алюминиевые оболочки кабелей, так как они всегда имеют необходимую проводимость

(табл. 7.4).

			Таблица 7.4
Трехжильный кабель, сечение, мм2,		Четырехжильный кабель, сечение, мм2,
жил	оболочки	жил	оболочки

260

3 х 6	39	3 х 6 + 1 х 4	46
3 х 10	45	3 х 10 + 1 х 6	55
3 х 16	50	3 х 16 + 1 х 10	71
3 х 25	57	3 х 25 + 1 х 16	82
3 х 35	63	3 х 35 + 1 х 16	97
3 х 50	78	3 х 50 + 1 х 25	125
3 х 70	95	3 х 70 + 1 х 25	140
3 х 95	105	3 х 95 + 1 х 35	157
3 х 120	120
3 х 150	149
3 х 185	165
3 х 240	186

Применение свинцовых оболочек кабелей в качестве нулевых и защитных проводников запрещается.

Соединения нулевых защитных проводников между собой должны обеспечивать надежный контакт и выполняются сваркой. Эти проводники присоединяются к частям оборудования, подлежащим занулению, сваркой или болтовым соединением. Присоединение должно быть доступно для осмотра. Открыто проложенные нулевые защитные проводники должны иметь отличительную окраску – по зеленому фону желтые полосы.

Заземлители. Для заземляющих устройств любого назначения используются естественные и искусственные заземлители или их сочетание. В качестве естественных заземлителей можно использовать проложенные в земле водопроводные трубы и другие металлические трубопроводы, за исключением трубопроводов горючих жидкостей и газов; обсадные трубы различного назначения: металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, имеющие надежное соединение с землей; металлические шпунты гидротехнических сооружений; свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле. Если оболочки кабелей служат единственными заземлителями, учитывать их в расчете заземляющих устройств можно только при числе кабелей не менее двух.

Преимуществом протяженных естественных заземлителей является их малое сопротивление растеканию тока, а также отсутствие специальных затрат на их устройство. Недостаток естественных заземлителей – доступность неэлектротехническому персоналу. При ремонтных работах могут быть нарушены соединения между отдельными элементами протяженных заземлителей, а главное – между заземляющими проводниками и заземлитетелями.

Если естественных заземлителей нет или их использование не дает нужных результатов, применяют искусственные заземлители – вертикально забитые стержни (электроды) из круглой или угловой стали из газоводопроводных (некондиционных) труб, а также горизонтально проложен-

261

ные стальные полосы или круглую сталь. Стержни из круглой стали для вертикальных заземлителей рекомендуются диаметром 10 мм и длиной 5 м. Применяют также угловую сталь 50 х 50 х 5 мм длиной 3 м. Используются трубы диаметром 50 мм и длиной 2,5 - 3 м. Чтобы уменьшить колебания сопротивлений заземлителей, связанные с изменениями внешней температуры и влажности грунта, их располагают ниже уровня земли на 0,5-0,8 м. Еще меньше подвергаются атмосферным влияниям углубленные заземлители из полосовой или круглой стали, закладываемые на дно котлованов при сооружении фундаментов зданий цехов, подстанций и т.д.

Горизонтальные полосовые заземлители из полосовой стали шириной 30 - 50 мм и толщиной не менее 4 мм применяют для связи вертикальных заземлителей и в качестве самостоятельных. Рекомендуемая глубина их погружения 0,5 - 0,8 м.

Сопротивление заземлителей зависит от ряда факторов: свойств и состояния грунта; конструктивных особенностей элементов (угловая, полосовая сталь, труба), глубины их заложения; количества и взаимного расположения элементов.

Электрические свойства грунта характеризуются удельным сопротивлением ρ, измеряемым в Ом м или Ом см. Оно зависит от состава грунта

(песок, суглинок, глина, чернозем и т. д.), содержания влаги и растворенных веществ, а также от температуры.

Перед расчетом заземляющих устройств рекомендуется измерять удельное сопротивление грунта в реальных условиях на площадке, предназначенной для сооружения заземлителя. Методы измерения могут быть разные. Удельное сопротивление грунта, полученное измерением, умножают на коэффициент К (табл. 7.5), учитывающий климатические условия перед измерением: ρрасч = ρизмК.

Для средней полосы России применяют:

К1 — в том случае, если грунт влажен и измерениям предшествовали большие осадки; К2 — если грунт средней влажности и измерениям предшествовали небольшие осадки; К3 — если грунт сухой и перед измерениями не было осадков.

				Таблица 7.5
Тип заземлителей	Глубина залегания, м	Повышающие коэффициенты
		К1	К2		К3
Поверхностный	0,5	6,5	5,0		4,5
То же	0,8	3,0	2,0		1,6
Углубленный
(труба, уголок, стержень)	0,8	2,0	1,5		1,4

262

Для заземлителей, лежащих ниже глубины промерзания, коэффициенты не применяют.

Если непосредственные измерения отсутствуют, можно пользоваться приближенными средними значениями удельных сопротивлении грунта, которые приводятся в литературе. Точность расчета при этом снижается.

При устройстве заземлителей следует избегать размещения их в местах, где возможна пропитка грунта маслами, нефтью и т. п., а также вблизи трубопроводов горячей воды, пара и других сооружений, вызывающих высыхание почвы. В этих случаях сопротивление заземлителей резко возрастает.

7.4. РАСЧЕТ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ

При проектировании заземляющих устройств прежде всего необходимо использовать естественные заземлители. Если их сопротивление растеканию тока rе, полученное измерением или по данным аналогичных случаев, окажется достаточным, другие заземлители не требуются. При недостаточном сопротивлении естественных заземлителей сопротивление искусственных заземлителей определяется по формуле

rиск ≤ rerз/(re-rз),

(7.11)

где rз — требуемое сопротивление растеканию тока заземляющего устройства по ПУЭ (см. параграф 7.2).

При невозможности или нецелесообразности использования естественных заземлителей сопротивление искусственных заземлителей должно удовлетворять требованию rиск ≤ rЗ. Так как проводимость искусственных заземлителей складывается из проводимости вертикальных и горизонтальных заземлителей, то

rиск = rвrг/(rв+rг).

(7.12)

Сопротивление одиночного цилиндрического электрода может быть подсчитано по формуле

	2l		1		4t + l
rо.в = 0,366 (ρрасч/l ) lg		+		lg		,	(7.13)
	d		2
					4t −l

где ρрасч - расчетное удельное сопротивление грунта, Ом м; l - длина тру-

бы или стержня, м; d - наружный диаметр трубы или стержня; t - глубина заложения, равная расстоянию от поверхности земли до середины трубы или стержня, м.

Если одиночный заземлитель обычно представляет собой трубу диаметром 0,05 м и длиной 2,5 м, забиваемую на глубину 0,7 м, считая от поверхности земли до верха трубы (t = 0,7 + 1,25=1,95), то

263

rо.т ≈ 0,3ρрасч.

(7.14)

Обычно вместо труб используют более дешевые заземлители из угловой стали. Сопротивление растеканию таких электродов определяется по формуле (7.13) с введением вместо d эквивалентного диаметра заземлителя из угловой стали dy. Эквивалентный диаметр dy угловой стали рассчитывают, исходя из активной поверхности растекания тока, по формуле

dy = 0,95 b,

(7.15)

где b - ширина полки уголка.

Если пользоваться упрощенной формулой (7.14), сопротивление одиночного электрода длиной 2,5 м получается равным:

для угловой стали 50 х 50 х 5 мм

rо.y = 0,318ρрасч;	(7.16)
для угловой стали 60 х 60 х 6 мм
rо.у = 0,298ρрасч.	(7.17)

Сопротивление растеканию тока протяженных горизонтальных заземлителей определяют по формулам

rо.п = 0,366 (ρрасч/l ) lg(2l 2/bt);	(7.18)
rо.кр = 0,366 (ρрасч/l ) lg(l 2/dt),	(7.19)

где rо.п и rо.кр – соответственно сопоставления полосового и круглого горизонтальных заземлителей, Ом.

Из сопоставления формул (7.18) и (7.19) следует, что одинаковые сопротивления растеканию тока дает круглая сталь диаметром d и полоса шириной 2d.

Обычно устраивают сложные заземлители из нескольких (а иногда из большого количества) вертикальных электродов, которые соединяют параллельно металлической полосой, являющейся также электродом. Электроды такого заземлителя располагаются на расстоянии друг от друга, обычно равном 1-3 длинам электрода, из-за чего возникает так называемое взаимное экранирование электродов. Явление экранирования происходит в результате наложения электрических полей при растекании тока в землю. Сопротивление каждого электрода при этом растет. Экранирование приводит к существенному увеличению их сопротивления.

Таким образом, сопротивление сложного заземлителя (при расположении электродов в ряд или по контуру) следует определять с учетом взаимного экранирования одиночных вертикальных электродов и горизонтальных соединительных полос.

264