17.6. Защита от замыкания между обмотками трансформатора

П ри замыкании между первичной и вторичной обмотками понижающего трансформатора высокое напряжение первичной обмотки перейдет в сеть низкого напряжения, в результате чего может произойти массовый пробой изоляции в токоприемниках, рассчитанных на работу от сети низкого напряжения, а корпуса многих токоприемниов могут оказаться под высоким напряжением. В качестве средств защиты от опасности возникновения электротравм при замыкании между обмотками трансформатора применяют заземление нейтрали вторичной обмотки, которое выполняют в виде глухого присоединения к заземлению, либо присоединяют к пробивному предохранителю ПП (рис. 17. 6 и 17.7).

Рис. 17.7. Схема защиты от перехода высокого напряжения при замыкании между обмотками трансформатора в сетях с изолированной нейтралью

Рис. 17.6. Схема защиты от перехода высокого напряжения при замыкании между обмотками трансформатора в сетях с глухим заземлением нейтрали

При глухом заземлении нейтрали вторичной обмотки трансформатора ток замыкания I возвращается в сеть первичной обмотки через заземление нейтрали Rо и емкость первичной сети С. Вследствие этого защита на первичной стороне трансфоматора, выполненная в виде отключающих автоматов РТ, срабатывает от тока I и отключает три фазы первичной обмотки трансформатора, чем и достигается безопасность при замыкании между обмотками.

При изолированной нейтрали замыкание между обмотками трансформатора приводит к пробою специального пробивного предохранителя ПП. При нормальном режиме работы пробивной предохранитель изолирует нулевую точку трансформатора от заземления R₀ посредством слюдяного и воздушного слоев. В момент пробоя между первичной и вторичной обмотками трансформатора срабатывает (пробивается) пробивной предохранитель и образуется электрическая проводимость между точками Л и Б (см. рис. 17. 7). Далее работа защиты осуществляется так же, как и в сетях с глухим заземлением нейтрали.

17.7. Явления при стекании тока в землю

При непосредственном контакте токоведущего провода с землей происходит стекание тока в землю только через проводник, находящийся непосредственно в контакте с землей. Такое замыкание может быть случайным или преднамеренным. В случае преднамеренного контакта с землей (защитном заземлении корпуса электроустановки) происходит стекание тока с корпуса электроустановки и заземляющего устройства в землю. При стекании тока в землю потенциал заземленной электроустановки Ф снижается до значения, равного произведению тока, стекающего на землю I₃ на сопротивление R₃, которое этот ток встречает на своем пути: . Это явление используется как мера защиты от поражения электрическим током людей при случайном появлении напряжения на металлических частях станков или оборудования (в результате нарушения изоляции проводов, статора и др.).

Вместе с понижением потенциала заземленном оборудовании (при стека-нии тока в землю) возникает и неблагоприятный эффект — появление потенциального поля на поверхности земли вокруг заземлителя. Это обусловливает опасность поражения человека электротоком в силу воздействия на него так называемого «шагового напряжения» в зоне действия потенциального поля. Характер распределения потенциалов на поверхности земли, т. е. величину потенциала при изменении расстояния до заземлителя, можно оценить, рассмотрев случай стекания тока I₃ в землю через наиболее простой заземлитель — полушар радиусом r (рис. 17. 8). Будем считать, что земля во всем своем объеме изотропна ив любой точке обладает одинаковым удельным сопротивлением ρ (Ом-м). При этих условиях ток в земле будет растекаться по радиусам полушара. Плотность тока убывает по мере удаления от заземления. На расстоянии х от центра полушара плотность тока (А/м²)

. Рис. 17.8. Распределение потенциала на поверхности земли вокруг полушарового заземлителя.

В объеме земли, по которому проходит ток, возникает так называемое поле растекания тока. Теоретически оно распространяется до бесконечности, но на практике уже на расстоянии 20 м от заземлителя сечение слоя земли, по которому проходит ток, оказывается столь большим, что плотность тока равняется нулю. Поэтому и поле распределения потенциалов на поверхности земли распространяется лишь на 20 м от заземлителя. Известно, что потенциал любой точки, находящейся на расстоянии х от заземлителя, определится как

Для данного вида грунта поэтому распределение потенциалов на поверхности земли при удалении от заземлителя выражается уравнением гиперболы: φ= К/Х.

Для вертикального стержневого заземлителя уравнение потенциальной кривой имеет вид

где — длина заземлителя, м; X — расстояние заземлителя до точки на поверхности земли, м.

Таким образом, и при стержневом заземлителе потенциальная кривая изменяется по гиперболическому закону.

Максимальный потенциал стержневого заземлителя будет при наименьшем значении X, т. е. при Х =0,5 d, d= 2r:

где d — диаметр трубы, м. • Сопротивление заземлителя растеканию тока. При стекании тока в землю он преодолевает сопротивление,' которое слагается из сопротивления заземлителя, переходного сопротивления между заземлителем и грунтом, а также сопротивления грунта. Наибольшим сопротивлением, которое учитывают в расчетах, обладает грунт. Два первых слагаемых сопротивления в расчет не принимаются, поэтому под сопротивлением заземлителя растеканию тока понимают сопротивление грунта растеканию тока. Сопротивление любого заземлителя

где φ₃ — потенциал заземлителя; 1₃ — ток, стекающий в землю через заземли-тель. Сопротивление трубчатого или стержневого заземлителя, заглубленного в землю на величину t;

где l — длина заземлителя, м; d — диаметр трубы, м; t — расстояние от поверхности земли до середины заземлителя.

Для обеспечения электробезопасности заземление должно обладать относительно малым сопротивлением. В связи с этим на практике используют, как правило, групповой заземлитель, состоящий из нескольких параллельно включенных одиночных заземлителей (рис. 17. 9). Если расстояние между одиночными заземлителями более 40 м, то ток каждого стекает по отдельному участку земли, в котором токи от других заземлителей не проходят. В этом случае вокруг каждого одиночного заземлителя возникают самостоятельные потенциальные кривые, взаимно не пересекающиеся. При одинаковых размерах и заглублении одиночных заземлителей, а следовательно, при одинаковых их сопротивлениях R₃ сопротивление группового заземлителя

где n — количество одинаковых заземлителей.

При расстоянии между заземлителями менее 40 м поля растекания тока накладываются одно на другое и потенциальные кривые пересекаются. Плотность тока в грунте повышается, что приводит к увеличению сопротивления стекания тока с заземлителя, которое характеризуется коэффициентом η использования группового заземлителя. В этом случае сопротивление группового заземлителя

На практике расстояние между заземлителями принимают равным 2...3l • Напряжения прикосновения и шага.

Напряжение прикосновения U_пр — это разность потенциалов двух точек электрической цепи, которых одновременно касается человек, т. е. U_пр есть разность потенциалов точек прикосновения руки и ног:

где I_чел — ток, проходящий через человека по пути «рука — ноги».

Рис. 17.9. Схема распределения потенциалов при групповом заземлителе: 1— суммарная кривая; 2— от одиночных заземлителей.

Рис 17.10 Схема определения напряжения косновения при заземлении двух электродвигателей на одиночный заземлитель

Рассмотрим значения напряжения прикосновения человека при заземлении двух двигателей на общий одиночный заземлитель (рис. 17. 10) при расстоянии между электродвигателями более 20 м. Если на одном из двигателей произошел пробой статорной обмотки на корпус, то корпуса обоих двигателей окажутся под напряжением и вокруг заземлителя R₃ на поверхности земли образуется потенциальное поле, При при-косновении к корпусу первого электродвигателя человек окажется под напряжением прикосновения, равным разности потенциалов заземлителя φ' и точки земли φ", где располагается человек, т. е .U′_пр= φ'— φ". При касании человека второго двигателя напряжение прикосновения U"_пр = φ' — 0 = φ'. Это наиболее опасный случай прикосновения, так как напряжение достигает максимального значения. Минимальное значение U_пр будет при нахождении человека вблизи электродвигателя 1, максимальное — при касании двигателя 2. Таким образом, заземление нескольких удаленных друг от друга электродвигателей и соединенных металлически между собой на одиночный заземлитель недопустимо, так как не обеспечивается защита от поражения напряжением прикосновения. Для уменьшения напряжения прикосновения используют групповой заземлитель, выравнивающий потенциальные поля в местах расположения всего оборудования.

При нормальном режиме работы электроустановки допускаемое значение U_пр:= 2 В, а ток, проходящий через человека, не должен превышать 0,3 мА. В аварийном режиме, т.,е. при появлении на нетоковедущих частях установки напряжения вследствие нарушения изоляции, допустимые значения U_пр = = 36 В, а I_чел = 6 мА (при действии более 1 с), те же параметры для бытовых электроустановок составляют соответственно 12 В и 2 мА.

Напряжение шага возникает при нахождении человека в зоне потенциального поля. Напряжение шага (или шагового напряжения) есть разность потенциалов двух точек земли, которых человек касается ногами (см. рис. 17. 8). Максимальное шаговое напряжение наблюдается при нахождении человека вблизи заземления и зависит от формы потенциальной кривой и размера шага. Расчетная длина шага — 0,8 м.