Раздел 3. Техногенные опасности и защита от них

Тема 4. Меры защиты от поражения электрическим

ТОКОМ

Занятие 2. Защитное автоматическое отключение питания

Учебные вопросы

1. Назначение и область применения.

2. Устройство и требования к занулению.

Литература

1 Белов, С.В. Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды (техносферная безопасность): учеб. для бакалавров по дисц. «Безопасность жизнедеятельности» / С. В. Белов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Юрайт, 2013. - 682 с.

2 Занько, Н.Г. Безопасность жизнедеятельности [Электронный ресурс]: учебник / Н.Г. Занько, К.Р. Малаян, О.Н. Русак: под ред. О.Н. Русака. - СПб.: Лань, 2012. – 672 с. – Режим доступа: http://e.lanbook.com/view/book/4227/.

3 Халилов, Ш.А. Безопасность жизнедеятельности [Электронный ресурс]: учебное пособие/ Ш.А. Халилов, А.Н. Маликов, В.П. Гневанов; Под ред. Ш.А. Халилова. - М.: ИД ФОРУМ: ИНФРА-М, 2012. - 576 с. – Режим доступа: http://znanium.com/catalog.php?bookinfo=238589.

4. Правила устройства электроустановок. Раздел 1. Главы 1.1, 1.2, 1.7, 1.9. Раздел 7. Главы 7.5, 7.6, 7.10. Изд. 7-е. – СПб.: Изд. ДЕАН, 2002. – 176.

1. Назначение и область применения

В электроустановках напряжением до 1 кВ применяются защитное автоматическое отключение питания и защитное зануление одновременно.

Защитное автоматическое отключение питания – это автоматическое размыкание цепи одного или нескольких фазных проводников (и, если требуется, нулевого рабочего проводника), выполняемое в целях электробезопасности.

Зануление в электроустановках до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью - это преднамеренное соединение частей электроустановки, нормально не находящихся под напряжением, с нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, с глухозаземленным выводом источника однофазного тока, с глухозаземленной средней точкой источника в сетях постоянного тока [2].

Основное назна­чение зануления - обеспечить срабатывание максимально-токо­вой защиты при замыкании на корпус (защитного автоматического отключения питания).

В сети с заземленной нейтралью напряжением до 1 кВ защит­ное заземление неэффективно, так как ток глухого замыкания на землю зависит от сопротивления заземления. Очевидно, невозможно уменьшить напряжение корпуса, находящегося в контакте с токоведущими частями, устройством заземления в сети с заземленной нейтралью.

Другой путь - уменьшить длительность режима замыкания на корпус. Для этого прокладывается нулевой провод, соединяющийся с заземленной нейтралью источника и повторными заземлениями.

При занулении корпуса электрооборудования соединяются не с заземлителями, а с нулевым проводом (рисунок 1.1).

Р исунок 1.1 – Принципиальная схема зануления

Зануление превращает замыкание на корпус в однофазное короткое замыкание, в результате чего срабатывает максимальная токовая защита и селективно отключает поврежденный участок сети. Кроме того, зануление снижает потенциалы корпусов, появляющиеся в момент замыкания на землю.

При замыкании на зануленный корпус ток короткого замыкания проходит через следующие участки цепи: обмотки трансформатора, фазный провод и нулевой провод. Величина тока определяется фазным напряжением и полным сопротивлением цепи короткого замыкания:

(1.1)

при этом сопротивления трансформатора и проводов имеют активную и индуктивную составляющие.

Если принять то ток короткого замыкания равен:

(1.2)

Если сопротивление Z_ф+Z_п = 0,2 Ом (в сетях напряжением 380/220 В обычно это сопротивление значительно меньше), то ток короткого замыкания Iк = 220/0,2 = 1100 А. Очевидно, что при таком токе защита должна сработать.

Напряжение корпуса относительно земли

U_з=I_зR_п, (1.3)

где R_п - сопротивление повторного заземления нулевого провода.

Ток замыкания на землю определяется из выражения

(1.4)

здесь U_R - падение напряжения в нулевом проводе, равное падению напряжения на участке последовательно соединенных сопротивлений R_О и Rп, где Rо - сопротивление рабочего заземления нейтрали трансформатора.

Из закона Ома имеем:

или с учетом (1.1)

(1.5)

Решая совместно уравнения (1.3) - (1.5), получаем при замыкании на корпус напряжение корпуса относительно земли:

(1.6)

Аналогично определяется напряжение нейтрали относительно земли

(1.7)

Роль повторного заземления нулевого провода сводится к снижению напряжения на корпусе в момент короткого замыкания, особенно при обрыве нулевого провода. Если повторное заземление отсутствует (R_П ), выражения (1.6) и (1.7) принимают вид

(1.8)

(1.9)

При наличии повторного заземления второй множитель в выра­жении (1.6) меньше единицы, а в выражении (1.7) - больше нуля, т. е. потенциал корпуса меньше, чем U_К, а потенциал нейт­рали больше нуля.

Если принять Zф = Z_П и R_П = R_О, потенциалы будут равны

U_З=U_О=U/4; (1.10)

при U = 220 В U_О = U_З = 55 В, что допустимо только в тече­ние 1 с.

Без повторного заземления нулевого провода (R_П ) в слу­чае замыкания на корпус потенциал его U_З=U_К=U/2 при U = 220 В, U_З = 110 В, а потенциал нейтрали равен нулю.

Таким образом, повторное заземление при замыкании на кор­пус уменьшает его потенциал и тем самым повышает безопасность.

Н а рисунке 1.2 показано распределение потенциалов вдоль нуле­вого провода, между повторным заземлением (а значит, и кор­пусом) и заземлением нейтрали. Эти потенциалы будут сущест­вовать в течение времени срабатывания защиты.

Рисунок 1.2 – Распределение потенциалов вдоль нулевого провода:

I – без повторного заземления; II – с повторным заземлением.

При обрыве нулевого провода в случае замыкания на корпус короткого замыкания не произойдет. При этом потенциалы опре­деляются из (1.6) и (1.7) при Z_П

(1.11)

(1.12)

При этих условиях все корпуса, соединенные с нулевым проводом за местом обрыва, оказываются под напряжением относи­тельно земли, равным U_З. Те корпуса, которые занулены до места обрыва, находятся под напряжением, равным U_О.

Такой режим принципиально не отличается oт замыкания на заземленный корпус в сети с заземленной нейтралью.

Очевидно, этот режим опасен. Но при oтсутствии повторного заземления нулевого провода опасность возрастает еще больше, так как замыкание происходит на корпус, не имеющий ни зануления, ни заземления.

К орпуса, соединенные с поврежденным корпусом, оказываются под фазным напряжением относитель­но земли (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 – Замыкание на корпус при обрыве нулевого провода

Потенциалы зануленных корпусов при одно­фазном коротком замыка­нии зависят от длины уча­стка нулевого провода между нейтралью источни­ка и местом присоедине­ния корпуса к нулевому проводу. При замыкании на один из корпусов по участку нулевого провода между этим корпусом и нейтралью трансформато­ра проходит ток корот­кого замыкания.

Падение напряжения на этом уча­стке определяется из закона Ома

Поскольку соп­ротивление нулевого провода при постоянном сечении пропор­ционально его длине, падение напряжения также пропорционально длине.

Поэтому при отсутствии повторного заземления потенциал корпуса, на который произошло короткое замыкание, равен паде­нию напряжения в нулевом проводе [см. выражение (1.5)].

Потенциалы по длине нулевого провода пропорциональны расстоянию от нулевой точки источника (см. рисунок 1.2, кривая I). Корпуса 1, 2 и 3 также находятся под напряжением относительно земли, равным потенциалу нулевого провода в точке присоединения каждого кор­пуса. Потенциал корпуса 5 равен потенциалу корпуса 4, на кото­рый произошло замыкание, так как за местом короткого замыка­ния в нулевом проводе тока, а значит, и падения напряжения нет.

Если нулевой провод имеет повторное заземление (см. рисунок 1.2, кривая II), то потенциал нейтрали не равен нулю: он равен падению напряжения на сопротивлении заземления нейтрали. Потенциал корпуса поврежденного потребителя равен падению напряже­ния на повторном заземлении. Разность этих потенциалов равна U_к. Потенциалы в нулевом проводе распределяются по прямолиней­ному закону. Потенциал корпуса 3 ниже потенциала корпусов 5 и 4. Корпус 2 оказался в данном случае под нулевым потенциалом.