Глава 2:

ОЦЕНКА ПРЕДЕЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ИЗОЛЯЦИИ СЕТИ С НАПРЯЖЕНИЕМ 220  1000 ВОЛЬТ ПРИ ПРИКОСНОВЕНИЕ К ФАЗЕ ИЛИ К КОРПУСУ НЕЗАЗЕМЛЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

В случае прикосновения к фазе ток, пройдя через человека, возвращается в сеть к источнику тока через активные сопротивления и емкости по отношению к земле двух других фаз (рис. 1).

Величина тока будет ограничиваться сопротивлением тела человека и сопротивлением изоляции фаз сети.

Ток через человека, прикоснувшегося в фазе определится выражением

, (1)

где R_h – сопротивление тела человека; U_N – напряжение смещения нейтрали (напряжение между зем­лей и нейтралью после прикосновения); U₃ – фазная ЭДС трансформатора; U_ф – фазное напряжение сети, U₃ = U_ф.

С учетом реактивной составляющей сопротивления изоляции се­ти выражение (1) примет вид

(2)

Из выражения (2) минимально необходимое сопротивление изоляции фаз сети z_ИЗ в комплексной форме определится

(3)

где R_ЭКВ, X_ЭКВ – эквивалентное активное и реактивное (ем­костное) сопротивление изоляции фазы отно­сительно земли; j – поворотный множитель.

Для определения предельных величин активной и емкостной составляющих сопротивление изоляции сети воспользуемся методом проводимостей, позволяющим перейти от эквивалентных значений к фактическим.

Активная и реактивная проводимости фаз к земле

(4)

Активное и реактивное сопротивление изоляции

(5)

тогда емкость фазы относительно земли

(6)

где ω – угловая частота тока.

Минимально необходимое (критическое) r_k сопротивление изо­ляции, при котором обеспечивается безопасность прикосновения к фазе, определяется из условия, что емкость сети полностью ском­пенсирована (емкостная проводимость равна нулю), т.е.

,

тогда r_к=z_из. (Для компенсации емкости сети по отношению к земле подключают индуктивность между нейтралью трансформатора и землей или между искусственно созданной нейтралью точкой и зем­лей, например, с помощью трех конденсаторов, подключенных к каж­дой фазе одним зажимом, а вторым – в общую точку, соединенную с землей).

Предельное значение емкости С_ПР фазы относительно земли, ког­да при любом сопротивлении изоляции ток, проходящий через человека, превысит допустимую величину, определяется из условия, что активное сопротивление изоляции равно бесконечности, т.е. g=0, при этом

b =у_ИЗ, X_из= =Z_ИЗ, тогда С_пр= .

При емкости, скомпенсированной полностью, минимально необходимое сопротивление изоляции может быть определено по вышеприведенным зависимостям и при известном допустимом токе через человека.

Например, допустимый ток через человека при времени воздей­ствия более 1 с не должен превышать I_hДОП=6 мА, тогда полное сопротивление изоляции фазы сети определится:

кОм

Следовательно, минимально необходимое сопротивление изоляции фазы сети при полностью скомпенсированной емкости равно

кОм

Предельное значение емкости определяется через емкостное сопротивление, когда R_ИЗ= ∞, а Х_ИЗ = Z_ИЗ=92 кОм:

мкФ

Таким образом, если емкость сети С_ИЗ = С_ПР = 0,035 мкФ, то при любых значениях R_ИЗ ток прикосновения к фазе сети напряжением 380/220 В превзойдет величину I_ДОП = 6 мА.

Выполнив аналогичные вычисления для сетей напряжением 220 В и 660 В, получим значения минимально необходимых сопротивлений изоляции соответственно 45,5 и 172 кОм.

Предельные значения емкости определяются:

При напряжении сети 220/127 В, когда Х_ИЗ = Z_ИЗ = 45,5 кОм,

мкФ

При напряжении сети 660/380 В, когда Х_из = Z_из = 172 кОм,

мкФ

При нескомпенсированной емкости сети, что является обычным в условиях эксплуатации, активное сопротивление R_ИЗ должно быть выше этих расчетных значений. Другими словами, в каком бы отношении не находились R_ИЗ и С_ИЗ, полное сопротивление изоляции Z_ИЗ не должно быть меньше значений 45,5; 92 и 172 кОм соответственно для сетей напряжением 220 В, 380 В и 660 В.

Если емкость сети не скомпенсирована полностью (пусть С_ИЗ = 0,02 мкФ), то минимально необходимое сопротивление изоляции фазы r_к при том же самом токе однофазного замыкания через тело человека (I_ДОП = 6 мА) будет найдено в следующем порядке:

кОм;

См;

См;

См.

Тогда

кОм.

Соотношение между R_ИЗ и C_ИЗ нетрудно установить, задавшись рядом значений R_ЭКВ и вычислив их при известном Z_ИЗ равным 45,5; 92 и 172 кОм соответственно при напряжениях сети 220, 380 и 660 В, по формулам (4)  (6). Расчетные данные представлены в табл. 2.

Таблица 2

Расчетные данные зависимости R_ИЗ = f (С_ИЗ)

ZИЗ, кОм	RЭКВ, кОм	, См·10-6	, См·10-6	CИЗ, мкФ	RИЗ, кОм
1	2	3	4	5	6
Напряжение сети 220/127 В
45,5	45	21,74	3,24	0,010	46,0
45,5	40	19,32	10,48	0,033	51,76
45,5	35	16,91	14,04	0,045	59,14
45,5	30	14,49	16,52	0,053	69,01
45,5	25	12,08	18,36	0,058	82,78
45,5	20	9,66	19,74	0,063	103,52
45,5	15	7,25	20,75	0,066	137,93
45,5	10	4,83	21,44	0,068	207,04
45,5	5	2,42	21,85	0,0696	413,22
45,5	1	0,48	21,97	0,0699	2083,33
45,5	0	0	21,98	0,07	∞
Напряжение сети 380/220 В
92	88	10,4	3,16	0,010	96,2
92	85	10,04	4,17	0,013	99,6
92	80	9,45	5,37	0,017	105,8
92	70	8,27	7,05	0,022	120,9
92	60	7,09	8,24	0,026	141,0
92	50	5,91	9,12	0,029	169,2
92	40	4,73	9,79	0,031	211,4
92	30	3,54	10,28	0,033	282,5

Продолжение таблицы 2

1	2	3	4		5		6
92	20	2,36	10,61		0,034		423,7
92	10	1,18	10,81		0,0344		847,5
92	0	0	10,87		0,0346		∞
Напряжение сети 660/380 В
172	165	5,58	1,62	0,005		179,2
172	150	5,07	2,84	0,009		197,2
172	130	4,39	3,81	0,012		227,8
172	110	3,72	4,46	0,014		268,8
172	90	3,04	4,95	0,016		328,9
172	70	2,37	5,30	0,017		421,9
172	50	1,69	5,56	0,018		591.7
172	30	1,01	5,72	0,0182		990,1
172	20	0,68	5,77	0,0184		1470,6
172	10	0,34	5,80	0,0185		2941,2
172	0	0	5,81	0,0185		∞

Полученные зависимости минимально необходимого сопротивления изоляции R_ИЗ от С_ИЗ для различных напряжений сети представлены на рис.2, где штриховыми линиями отмечены предельные емкости С_ПР, которые означают, что если фактическая емкость фазы сети будет превышать С_ПР, то даже при идеальной изоляции (R_ИЗ = ∞) ограничить ток через человека и напряжение прикосновения до безопасной величины невозможно.

Графики (см. рис. 2) представляют собой границу между допустимыми значениями параметров изоляции сети (выше и левее) и недопусти­мыми значениями (ниже и правее), они позволяют определить мини­мально необходимое сопротивление R_ИЗ при известном значении С_ИЗ. Например, если емкость фазы по отношению к земле в сети напряжением 380В составляет 0,032 мкф, то сопротивление изоля­ции R_ИЗ должно быть не менее 236 кОм (ход от точки а до b и c). Задача может быть решена в обратном порядке. Пусть достигнута величина R_ИЗ = 150 кОм, тогда емкость фазы в сети напряжением 220 В не должна быть больше 0,066 мкф (ход от точки d до точек е и f).

В передвижных электроустановках, питающихся от автономных источников с изолированной нейтралью 1, допускают не нормировать сопротивление заземления, если заземляющее устройство вы­полнено с соблюдением требований к напряжению прикосновения 1, либо не выполнять защитное заземление электроприёмников, если значения напряжений прикосновения при однополюсном замыкании на землю не превышает нормированных, причем эти значения должны быть определены специальным расчетом или экспериментально 2. Однако если невозможно достичь значений сопротивлений изоляции сети, определяемых зависимостями R_ИЗ = f(С_ИЗ) по рис. 2, или это связано с большими материальными затратами по сравнению с сооружением заземляющих устройств (замена кабелей, электродвигателей и т.п.), то следует применить защитное заземление и произвести оценку безопасности по графику, приведенном на рис. 3.