Лабораторная работа №22

Анализ электробезопасности

Трехфазных сетей переменного тока напряжением до 1кВ

И оценка работоспособности устройства защитного отключения

Цель работы:

• Оценить опасность прямого прикосновения человека к фазным проводам электрических сетей напряжением до 1 кВ. Определить влияние активного сопротивления изоляции и емкости фазных проводов относительно земли на опасность поражения человека электрическим током при нормальном и аварийном режимах работы двух типов сети.

• Оценить эффективность устройства защитного отключения (УЗО) , реагирующего на дифференциальный (остаточный) ток в сетях с заземленной и изолированной нейтралью напряжением до 1 кВ.

Общие сведения

Электроустановки напряжением до 1 кВ в отношении мер электробезопасности разделяются на:

• электроустановки в сетях с глухозаземленной нейтралью;

• электроустановки в сетях с изолированной нейтралью.

Электроустановки напряжением до 1 кВ жилых, общественных и промышленных зданий и наружных установок должны, как правило, получать питание от источника с глухозаземленной нейтралью с применением системы TN.

Питание электроустановок напряжением до 1 кВ переменного тока от источника с изолированной нейтралью с применением системы IT следует выполнять, как правило, при недопустимости перерыва питания при первом замыкании на землю или на открытые проводящие части, связанные с землей.

Условия безопасности человека при прямом прикосновении в системе с глухим заземлением нейтрали определяются в основном сопротивлением рабочего заземления нейтрали R₀ и практически не зависят от сопротивлений и ёмкостей фаз относительно земли.

Это объясняется тем, что сопротивление рабочего заземления нейтрали R₀ значительно меньше сопротивлений фазных и нулевого проводов относительно земли. Поэтому основная величина тока через тело человека протекает по пути “фаза – человек – земля – рабочее заземление – нейтраль источника электроэнергии”, тогда как другие пути тока, как правило, малозначимые. Таким образом, ток, протекающий через тело человека, и напряжение прикосновения практически не зависят ни от сопротивления, ни от ёмкости фаз относительно земли (рис.1, 2).

Рисунок 1 – Путь тока через тело человека.

Рисунок 2 - Векторные диаграммы напряжений в режиме однофазного прикосновения:

а) – в сети с изолированной нейтралью при малой емкости фаз относительно земли,

б) – в сети с глухозаземленной нейтралью,

в) - в сети с изолированной нейтралью при замыкании фазы В на землю,

г) - в сети с глухозаземленной нейтралью при замыкании фазы В на землю.

При замыкании в трёхфазной сети с глухозаземленной нейтралью какой-либо фазы на землю, напряжение между фазным проводом, к которому может случайно прикоснуться человек, и землёй за счет сопоставимости относительно больших проводимостей заземления нейтрали и замыкания фазы отличается от фазного. Напряжение прикосновения к неповрежденной фазе увеличивается по сравнению с фазным, но может скорее всего быть ближе к фазному, чем к линейному. Соответственно напряжение прикосновения к поврежденной фазе получается ниже фазного.

Основными достоинствами сетей с изолированной нейтралью являются:

• повышенная надежность электроснабжения, связанная с отсутствием перерыва питания при первом замыкании на землю,

• повышенные условия пожаробезопасности, связанные с ограничивающим величину тока замыкания на землю действием сопротивления электрической изоляции сети относительно земли,

• меньшая опасность поражения электрическим током при однофазном прикосновении человека как к корпусам электроустановок с поврежденной изоляцией, так и непосредственно к токоведущим частям.

В случае однофазного прикосновения человека к токоведущим частям в сети с изолированной нейтралью напряжение фазы по отношению к земле, первоначально равное фазному напряжению, сразу же уменьшится и станет меньше фазного. Человек своим включением в цепь тока как бы “замыкает” фазу на землю. Насколько ему удастся уменьшить разность потенциалов между фазой и землёй зависит от соотношения величин полных (комплексных) сопротивлений фаз относительно земли и сопротивления тела человека.

При замыкании в трёхфазной сети с изолированной нейтралью фазы на землю напряжение между фазным проводом, к которому может случайно прикоснуться человек, и землёй после исключения относительно малых проводимостей неповрежденных фаз относительно земли по сравнению с проводимостью замыкания может существенно отличаться от фазного.

Устройства защитного отключения

Для защиты человека при прямом и косвенном прикосновении к токоведущим частям за счёт снижения времени воздействия тока можно использовать и успешно используются устройства защитного отключения (УЗО).

В настоящее время УЗО является одним из наиболее эффективных электрозащитных средств. Количество УЗО, установленных на самых разных объектах, стремительно увеличивается.

"Правила устройства электроустановок" (ПУЭ), ГОСТ Р 50571.3-94, требуют применение УЗО в электроустановках строящихся и реконструируемых зданий, предлагают питание передвижных и переносных электроприемников напряжением 380/220В в особоопасных условиях эксплуатации через разделительные трансформаторы в сочетании с защитным отключением. Применение УЗО в цепях питания установок, допускающих перерывы электроснабжения, стало обязательным требованием Российского Морского Регистра Судоходства для некоторых классов судов.

По своему принципу УЗО является быстродействующим защитным устройством, автоматически отключающим электроустановку от сети в случае возникновения утечки тока на землю в данной электроустановке, в том числе и при прикосновении человека к токоведущимчастям. В основе действия защитного отключения, как способа защиты, лежит принцип ограничения (за счет быстрого отключения) продолжительности протекания тока через тело человека. УЗО, предназначенные для отключения электроустановок при прикосновении человека к частям, находящимся под напряжением, должны иметь такие характеристики, чтобы при использовании УЗО в качестве единственного средства защиты или совместно с другими средствами, ток через человека (напряжение прикосновения) и время действия тока в интервале до 1 с не превышали значений, установленных ГОСТ 12.1.038-82 (см. таблицы 1 и 2).

С учетом особенностей обеспечения электробезопасности в сетях различного вида Правилами устройства электроустановок конкретизированы требования к быстродействию УЗО в зависимости от уровня рабочего напряжения (см. таблицы 3-4).

Существуют УЗО, имеющие самые различные принципы действия, например, реагирующие на напряжение корпуса относительно земли, ток утечки, ток или напряжение нулевой последовательности, фазовые соотношения между током и напряжением нулевой последовательности, оперативный ток (постоянный, переменный непромышленной частоты), накладываемый на рабочий ток электроустановки и др.

В конструкции УЗО обязательно должна быть предусмотрена возможность периодической проверки его исправности в условиях эксплуатации, например, путем имитирования однофазного повреждения изоляции в защищаемом участке сети.

Таблица 1 - Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов при аварийном режиме производственных электроустановок напряжением до 1000 В с глухозаземленной или изолированной нейтралью и выше 1000 В с изолированной нейтралью.

Род тока	Нормируемая	Предельно допустимые значения, не более, при продолжительности воздействия тока t, с
	величина	0,01-0,08	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	Св.1,0
Переменный 50 Гц	U, B	550	340	160	135	120	105	95	85	75	70	60	20
	I, мА	650	400	190	160	140	125	105	90	75	65	50	6
Переменный 400 Гц	U, B	650	500	500	330	250	200	170	140	130	110	100	36
	I, мА												8
Постоянный	U, B	650	500	400	350	300	250	240	230	220	210	200	40
	I, мА												15
Выпрямленный двухполупериодный	, B	650	500	400	300	270	230	220	210	200	190	180	-
Выпрямленный однополупериодный	, B	650	500	400	300	250	200	190	180	170	160	150	-

Примечание. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов, протекающих через тело человека при продолжительности воздействия более 1 с, приведенные в табл.2, соответствуют отпускающим (переменным) и неболевым (постоянным) токам.

Таблица 2 - Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов при аварийном режиме бытовых электроустановок напряжением до 1000 В и частотой 50 Гц

Нормируемая	Продолжительность воздействия тока t, с
величина	0,01-0,08	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	Св.1,0
U, B	220	200	100	70	55	50	40	35	30	27	25	12
I, мА	220	200	100	70	55	50	40	35	30	27	25	2

Таблица 3 - Наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения для системы TN

Номинальное фазное напряжение u0, В	Время отключения, с
127	0,8
220	0,4
380	0,2
Более 380	0,1

Таблица 4 - Наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения для системы IT (при двойном замыкании на открытые проводящие части )

Номинальное линейное напряжение U0, В	Время отключения, с
220	0,8
380	0,4
660	0,2
Более 660	0,1

Наиболее широкое распространение получили УЗО, реагирующие непосредственно на ток утечки на землю через тело человека или место повреждения изоляции (дифференциальный ток).

Ток утечки - в сети с изолированной нейтралью - ток, протекающий между находящейся под напряжением фазой и землей в результате снижения сопротивления изоляции; в сети с глухозаземленной нейтралью - ток, протекающий по участку сети параллельно току в нулевом проводе, а при отсутствии нулевого провода - ток нулевой последовательности.

В этих устройствах в качестве чувствительного элемента используется трансформатор тока нулевой последовательности (ТТНП), обычно представляющий из себя кольцевой магнитопровод с намотанной на него вторичной обмоткой. Через окно магнитопровода пропущены все силовые провода электроснабжения защищаемого участка сети (рис. 1)

Если на защищаемом участке нет однофазного прикосновения и изоляция его исправна, то сумма фазных токов нагрузки всегда равна нулю .

Соответственно результирующий магнитный поток в магнитопроводе также равен нулю, и напряжение на вторичной обмотке ТТНП отсутствует.

В случае однофазного прикосновения (либо однофазного снижения сопротивления изоляции) по силовым проводам дополнительно к токам нагрузки протекает ток через тело человека (или ток замыкания ), контур которого далее замыкается вне зоны защиты ТТНП - через сопротивление заземления нейтрали или через сопротивление изоляции и емкости фаз сети относительно земли (в сетях с изолированной нейтралью). Поэтому сумма токов и суммарный магнитный поток в магнитопроводе, а следовательно и напряжение на вторичной обмотке ТТНП оказываются не равны нулю. Это напряжение используется в качестве командного сигнала на срабатывание коммутационного аппарата, отключающего защищаемый участок от сети.

Уставка УЗО - минимальное значение входного сигнала, вызывающего срабатывание УЗО и последующее автоматическое отключение поврежденного участка сети или токоприемника.

Применение УЗО в сочетании с занулением (или защитным заземлением) приводит к тому, что устройства с поврежденной электрической изоляцией отключаются от сети питания задолго до появления опасных потенциалов на их зануленных (заземленных) нетоковедущих частях, доступных для прикосновения, либо длительность существования внезапно возникших опасных потенциалов ограничивается временем отключения УЗО. Эффективность защиты человека в этих случаях обеспечивается УЗО с током уставки даже в единицы ампер и временем отключения до 1 сек.

Рисунок 3 - Схема включения в сети с изолированной нейтралью УЗО, реагирующего на токи нулевой последовательности.

Применение более чувствительных и быстродействующих УЗО необходимо для решения задач:

-защиты человека при непосредственном прикосновении к токоведущим частям,

-обеспечения пожарной безопасности замыканий на землю (корпус),

-применения УЗО как основного средства защиты человека вместо зануления или защитного заземления.

Прикосновение человека непосредственно к токоведущим частям, равно как и к незануленным (незаземленным) нетоковедущим частям, оказавшимся под опасным напряжением вследствие повреждения изоляции, приводит к появлению тока, величина которого помимо прочего зависит от наличия включенных в цепь добавочных сопротивлений (сопротивление обуви, сопротивление пола). Если высокое сопротивление сухих обуви и пола не позволяет току достичь опасных для человека значений, то в условиях повышенной влажности обуви и пола либо отсутствии добавочных сопротивлений (например, при пути тока рука –рука) ток через тело человека велик и должен быть прерван УЗО с уставкой 6 - 30 мА.

Не во всех случаях применение УЗО на дифференциальных токах бывает эффективным. В электрической сети с изолированной нейтралью ток утечки в случае прикосновения в защищаемом УЗО участке сети (ток через тело человека) имеет две составляющие. Одна составляющая I_,пропорциональная величине емкостей фаз сети Сс до места установки УЗО (при условии хорошего состояния изоляции сети относительно земли), протекает через трансформатор тока нулевой последовательности (ТТНП) УЗО и может вызывать срабатывание УЗО. Другая составляющая тока через тело человека, пропорциональная величинам емкостей фаз участка сети после места установки УЗО Сф (в зоне защиты), не протекает через ТТНП УЗО и, соответственно, не вызывает срабатывание защиты. Если окажется, что в сети Сф много больше Сс , ток через тело человека может достичь опасных значений, не приводя при этом к срабатыванию УЗО.

Наличие же несимметрии емкостей фаз в зоне защиты и вне ее может привести к появлению емкостных уравнительных токов, в ряде случаев способных вызвать ложные срабатывания УЗО.