7. Технічні засоби безпеки електроустановок за аварійних режимів роботи (захисне заземлення, занулення. Принцип захисту)

Поява напруги на неструмовідних частинах електроустановок пов'язана з пошкодженням ізоляції і замиканням на корпус. Основними технічними заходами щодо попередження електротравм при замиканнях на корпус є захисне заземлення, занулення, захисне відключення.

Захисне заземлення відповідно до ГОСТ 12.1.009-76– це заплановане з’єднання з землею або її еквівалентом металевих неструмопровідних частин електричних установок, які можуть опинитись під напругою U внаслідок пошкодження ізоляції за допомогою заземлюювального пристрою.

Мета заземлення – знизити струм дотику або напругу дотику до безпечної величини та усунення небезпеки ураження людей електричним струмом. За наявності заземлення паралельно людині буде мати місце додатковий струмопровід, і струм замикання на землю буде розподілятися між цим струмопроводом і людиною обернено пропорційно їх опорам, що забезпечує захист людини від ураження електричним струмом. Крім того, при наявності захисного заземлення має місце розтікання струму в землі, в результаті чого на поверхні землі виникає поле підвищених потенціалів відносно нульового потенціалу землі. В результаті цього напруга, під яку потрапляє людина () буде визначатись різницею потенціалів корпуса установки і поверхні землі в місці розташування людини. Зі зменшенням відстані між заземлювачем і людиною напруга дотику буде зменшуватись, що сприяє поліпшенню безпеки

Сфера застосування захисного заземлення – трифазні трипровідні мережі для U<1000 В з ізольованою нейтраллю і для U>1000 В з будь-яким режимом нейтралі. Заземляють всі установки постійного U = 440 В і змінного струму U=380 В і вище. В приміщеннях з підвищеною небезпекою, особливо в небезпечних і зовнішніх установках, а також при будь-якій напрузі змінного струму у вибухонебезпечних установках заземляють установки U=42 В (змінного струму) і установки U = 110 В (постійного струму)

Відповідно до зазначеного заземлюються:

• неструмовідні частини електричних машин, апаратів, трансформаторів;

• каркаси розподільчих щитів, шаф, щитів управління, а також їх знімні частини і частини, що відкриваються, якщо на них встановлено електрообладнання напругою більше 42 В змінного і більше 110 В постійного струму.

• металеві конструкції розподільчих пристроїв, металеві кабельні коробки й інші кабельні конструкції, металеві кабельні муфти, металеві гнучкі рукави і труби електропроводки, електричні світильники;

• металоконструкції виробничого обладнання, на якому є споживачі електроенергії;

• опори повітряних ліній електропередач тощо.

Не заземлюються неструмовідні частини електроустановок, розміщених на заземлених металоконструкціях, за умови надійного контакту між ними, за винятком електроустановок, що експлуатуються у вибухонебезпечних зонах.

Заземлювач – це сукупність з’єднувальних провідників, які перебувають у контакті з землею або з її еквівалентом. Розрізняють заземлювачі штучні, призначені виключно для заземлення (металеві, вертикально закладені в ґрунт електроди - стержні, труби, кутова сталь тощо, з'єднані між собою за допомогою зварювання з'єднувальною смугою, смугова і листова сталь і т. ін.), природні – металеві предмети, які знаходяться в землі (водогінні труби, металеві конструкції та арматура, залізобетонні елементи, свинцеві оболонки кабелів прокладені в землі тощо).

Для заземлюючих провідників використовують неізольовані мідні провідники поперечним перерізом не менше 4 мм2 або сталеві струмопроводи діаметром 5... 10 мм. Заземлюючі провідники між собою і з заземлювачами з'єднуються зварюванням, а з обладнанням, що заземлюється — зварюванням або за допомогою гвинтового з'єднання з застосуванням антикорозійних заходів. У виробничих приміщеннях заземлюючі провідники прокладаються відкрито, а обладнання приєднується до внутрішньої магістралі заземлення індивідуально шляхом паралельних приєднань.

Закладені в ґрунт вертикальні електроди, з'єднані металевою смугою в загальну мережу, використовуються, переважно, для цехових заземлюючих пристроїв при значній кількості електроустановок, що заземлюються, заземлюючих пристроїв відкритих трансформаторних підстанцій тощо. У цьому випадку заземлюючий пристрій виконується у вигляді контурного або виносного

Щоб струм максимально протікав через заземлюваний пристрій (ЗП) (це - сукупність конструктивно об’єднаних заземлюваних провідників та заземлювача), він повинен мати певну величину опору розтікання струму.

Відповідно до чинних нормативів в будь-яку пору року величина опору заземлюючого пристрою в установках напругою до 1000 В не повинна перевищувати:

- 10 Ом за сумарної потужності генераторів (трансформаторів) 100 кВА іменше;

- 4 Ом за сумарної потужності генераторів (трансформаторів) більше 100 кВА.

Опір заземлюючого пристрою електроустановок, що живляться від мережі напругою більше 1000 В, повинен бути:

- не більше 0,5 Ом в мережах з ефективно заземленою нейтраллю;

- в мережах, ізольованих від землі, не більше визначеного з виразу R_зн125 / I₃ і приймається розрахунковим, але не більше 10 Ом.

Якщо ЗП використовується для установок U > 1000 В, то опір ЗП визначається з виразу R_зн 250 / I₃. Якщо струм замикання на землю I₃ 500 А, нормований опір має бути R_зн 0,5 Ом.

Занулення відповідно до ГОСТ 12.1.009-76– це заплановане з’єднання неструмопровідних частин електрообладнання з нульовим провідником, які можуть опинитись під напругою в результаті пошкодження ізоляції

Схема занулення.

Мета занулення – перетворити струм пробою, який виникає у випадку пошкодження ізоляції у струм короткого замикання (КЗ), і відімкнути електрообладнання від мережі живлення. Використовують занулення у трифазних чотирьохпровідних мережах з глухозаземленною нейтраллю для напруг до 1000 В. Для того, щоб відбулось швидке та надійне вимкнення, необхідно, щоб струм короткого замикання I_КЗ не перевищував струм захисного апарата.

,

де I_кз – струм короткого замикання, А;

I_ном - номінальний струм плавкої вставки або струм установки автомата , А;

k – коефіцієнт кратності струму КЗ відносно струму установки (k = 1,5 для автоматичних вимикачів; k = 3,0 для плавких запобіжників).

Згідно з чинними нормативами можливі два варіанти реалізації занулення:

• заземлена через певні відстані (100...200 м) нейтраль мережі виконує функції нульового робочого і нульового захисного провідника одночасно;

• для занулення обладнання прокладається окремий провідник, який виконує функції тільки нульового захисного.

Другий варіант є обов'язковим для житлових, адміністративно-побутових приміщень, приміщень масового перебування людей, що будуються.

У цьому випадку в приміщеннях з однофазною мережею внутрішня мережа виконується трипровідною — фаза, нуль робочий і нуль захисний, а розетки для підключення переносних споживачів електроенергії — триконтактні. При відповідному виконанні штепсельних вилок і шнура живлення споживача (трипровідний) контакт мережі нульового захисного провідника замикається з випередженням відносно контактів фази і нульового робочого провідника. Таким чином, споживач електроенергії занулюється до подачі на нього напруги.

У приміщеннях з трифазними споживачами внутрішня мережа виконується п'ятипровідною — 3 фази, нуль робочий і нуль захисний.

Незалежно від розглянутих варіантів при застосуванні в приміщенні окремого нульового захисного провідника останній відгалужується від нейтралі мережі на щитку вводу в приміщення до роз'єднувальних контактів, а для забезпечення його цілісності і надійності захисту в мережі цього провідника не повинно бути будь-яких роз'єднувачів, запобіжників тощо

Захисне вимкнення – це швидкодіючий захист, який забезпечує автоматичне вимикання електричної установки при виникненні небезпеки ураження електричним струмом (за 0,2 с і більше).

Небезпека ураження може виникнути і під час замикання фази на корпус електрообладнання, при зниженні опору ізоляції фаз відносно землі нижче певної межі внаслідок пошкодження ізоляції, замикання фаз на землю, при появі в мережі більш високої напруги внаслідок замикання в трансформаторі між обмотками вищої і нижчої напруги, при випадково­му дотику людини до струмоведучих частин, котрі знаходяться під напругою. У цих випадках відбувається зміна електричних параметрів електричних установок та мережі.

Зміна цих параметрів до певної границі, за якої виникає небезпека ураження людини електричним струмом, може стати сигналом, що спричиняє спрацювання пристрою захисного вимикання (ПЗВ), тобто автоматичне вимикання пошкодженої установки. Основними частинами ПЗВ є прилад захисного вимикання та автоматичний вимикач.

Схема пристрою захисного вимикання, який реагує на напругу корпуса щодо землі.

Прилад захисного вимикання – це сукупність окремих пристроїв, які реагують на зміну будь-якого параметра електричної мережі і дають сигнал на вимкнення автоматичного вимикача.

До цих елементів відноситься пристрій, який сприймає зміни електричних параметрів і перетворює їх у відповідний сигнал. Для цього використовують реле відповідного типу.

Автоматичний вимикач використовується для ввімкнення та вимикання ланок від перевантаження і при КЗ. Він вимикає електричну установку при надходженні сигналу від приладу захисного вимикача. У мережах напруги до 1 кВ як такі вимикачі у ПЗВ застосовують контактори, обладнані електромагнітним керуванням у вигляді утримуючої котушки. Магнітні пускачі – трифазові контактори змінного струму, обладнані тепловим реле для автоматичного вимикання при перевантажені споживачів.

Існує багато схем захисного вимикання. Розглянемо схему пристрою захисного вимикання

При пошкодженні ізоляції та переходу напруги фази на корпус 1 спочатку проявляється захисна властивість заземлення, завдяки якій напруга на корпусі знижується до величини U_кор=I_3·R₃. Якщо значення U_кор буде вищим за гранично допустиму напругу U_{кор.доп}, то спрацює пристрій захисного вимикання: реле максимальної напруги, замкнувши контакти, подає живлення на котушку вимикання (КВ), яка розмикає контакти автоматичного вимикача 2, при цьому установка від’єднується від електромережі.

Тип захисно-вимикаючого пристрою залежить від параметрів електричної мережі, на який він реагує: напруга корпуса відносно землі, струм замикання на землю, напруга фази відносно землі, напруга нульової послідовності, струм нульової послідовності та оперативний струм.

Захисне вимикання рекомендують застосовувати як основний або допоміжний захисний засіб, якщо безпеку не можна забезпечити шляхом влаштування заземлення або з економічних міркувань. Згідно з чинними нормативами захисне відключення є обов'язковим в гірничодобувній промисловості і на торфорозробках

Захисне вимкнення використовується в електричних установках напругою до 1000 В у наступних випадках:

- у пересувних установках з ізольованою нейтраллю, коли спорудження ЗЗ утруднене;

- у стаціонарних установках під час використання електрифікованого інструмента;

- в умовах підвищення небезпеки ураження електричним струмом та вибухонебезпеки.

Використовують захисно-вимикальні пристрої у побутових електричних установках.

До пристроїв захисного вимикання висувають такі вимоги: висока чутливість; малий час вимикання (не більше 0,2 с), селективність роботи (здатність вимикати пристрої тільки від пошкодженого обладнання), самоконтроль (здатність вимикати електричні обладнання при несправному ПЗВ), надійність.