Краткие теоретические сведения. Средства обеспечения электробезопасности

Средства обеспечения электробезопасности

Цель работы. Оценить опасность прямого прикосновения человека к фазным проводам электрических сетей напряжением до 1 кВ.
Определить влияние сопротивления изоляции фазных проводов относительно земли на опасность поражения человека электрическим током при нормальных режимах работы двух типов сети; работоспособность устройства защитного отключения (УЗО), реагирующего на дифференциальный (остаточный) ток в сети с заземленной нейтралью напряжением до 1 кВ; эффективность действия защитного заземления
в электроустановках, питающихся от трехфазных трехпроводных сетей с изолированной нейтралью и трехфазных пятипроводных сетей с заземленной нейтралью напряжением до 1 кВ; эффективность действия зануления в трехфазной пятипроводной сети с заземленной нейтралью напряжением до 1000 В.

Краткие теоретические сведения

Анализ электробезопасности трехфазных электрических
сетей напряжением до 1 кВ. Электроустановкой принято называть совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и помещениями), предназначенных для производства, преобразования, трансформации, распределения электрической энергии и преобразования ее в другие виде энергии.

Все электроустановки по условиям электробезопасности подразделяются:

− на электроустановки напряжением до 1 кВ с заземленной нейтралью;

− электроустановки напряжением до 1 кВ с изолированной нейтралью;

− электроустановки напряжением выше 1 кВ в сетях с эффективно заземленной нейтралью (с большими токами замыкания на землю);

− электроустановки напряжением выше 1 кВ в сетях с изолированной нейтралью (с малыми токами замыкания на землю).

Приступая к анализу электробезопасности электрических сетей, питающих различные потребители электроэнергии напряжением
до 1 кВ, необходимо прежде всего рассмотреть их классификацию.

В современной нормативно-технической документации все электроустановки напряжением до 1 кВ рассматриваются как системы различных типов.

Под системой следует понимать совокупность источника электроэнергии, питающей линии и потребителя электроэнергии.

Термином «питающие электрические сети» обозначается составная часть системы, включающая источник электроэнергии и питающие линии.

Питающие сети различаются по типам:

− системы токоведущих проводников;

− системы заземления.

Существуют следующие типы систем токоведущих проводников переменного тока:

– однофазные двухпроводные;

− однофазные трехпроводные;

− двухфазные трехпроводные;

− двухфазные пятипроводные;

− трехфазные четырехпроводные;

− трехфазные пятипроводные.

Системы заземления могут быть следующих типов: TN-S, TN-C, TN-C-S, IT, TT.

Система TN – система, в которой нейтраль источника элект-
роэнергии глухо заземлена, а открытые проводящие части электроустановки присоединены к глухозаземленной нейтрали (занулены) при помощи нулевых защитных проводников.

В приведенном определении использовался ряд терминов.

Нейтраль – общая точка обмоток генераторов или трансформаторов, питающих сеть; напряжения на выходных зажимах источника электроэнергии, измеренные относительно нейтрали, равны.

Глухозаземленная нейтраль источника электроэнергии – нейтраль генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока
напряжением до 1 кВ, присоединенная к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление.

Изолированная нейтраль – нейтраль генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока напряжением до 1 кВ, не присоединенная к заземляющему устройству или присоединенная к нему через приборы сигнализации, измерения, защиты и подобные им устройства, имеющие большое сопротивление.

Проводящие части – части, которые могут проводить электрический ток.

Токоведущие части – проводники, или проводящие части, предназначенные для работы под напряжением в нормальном режиме, включая нулевой рабочий проводник.

Открытые проводящие части – доступные прикосновению проводящие части электроустановки, нормально не находящиеся под напряжением, но которые могут оказаться под напряжением при повреждении основной изоляции.

Нулевой проводник – это проводник, соединенный с глухозаземленной нейтралью, предназначенный либо для питания потребителей электроэнергии, либо для присоединения к открытым проводящим частям.

Нулевой рабочий проводник (N-проводник) – нулевой проводник в электроустановках напряжением до 1 кВ, предназначенный для питания электроприемников.

Нулевой защитный проводник (PE-проводник) – нулевой проводник в электроустановках напряжением до 1 кВ, предназначенный для присоединения к открытым проводящим частям с целью обеспечения электробезопасности.

Классификация и схемы электрических систем с напряжением до 1000 В. Система TN-C – система TN, в которой нулевой защитный и нулевой рабочий проводники совмещены в одном проводнике на всем ее протяжении (рис. 4.1); при этом совмещенный нулевой и рабочий провод обозначается PEN.

	Источник электроэнергии

Открытые проводящие части

РЕNН

Потребители

Повторное заземление

Заземление нейтрали

Рис. 4.1. Система TN-C

Система TN-S – система TN, в которой нулевой защитный и нулевой рабочий проводники разделены на всем ее протяжении (рис. 4.2).

	Источник электроэнергии

N

PE

Потребители

Заземление нейтрали

Открытые проводящие части

Рис. 4.2. Система TN-S

Система TN-C-S – система TN, в которой функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников совмещены в одном проводнике в какой-то ее части, начиная от источника электроэнергии (рис. 4.3).

	Источник электроэнергии

N PE

PEN

Повторное заземление

Потребители

Открытые проводящие части

Заземление нейтрали

Рис. 4.3. Система TN-C-S

Система IT – система, в которой нейтраль источника электроэнергии изолирована от земли или заземлена через приборы или устройства, имеющее большое сопротивление, а открытые проводящие части электроустановки заземлены (рис. 4.4).

	Источник электроэнергии

Открытые проводящие части

Заземлитель электроустановки

Заземлитель электроустановки

Потребители

Сопроивление заземления нейтрали ytqnhfkb

Рис. 4.4. Система IT

В этом случае защитный заземляющий проводник обозначается так же, как и нулевой защитный проводник, т. е. PE-проводник.

Система TT – система, в которой нейтраль источника элект-роэнергии глухо заземлена, а открытые проводящие части электроустановки заземлены при помощи заземляющего устройства, электрически независимого от глухозаземленной нейтрали источника.

Поскольку нашей целью является анализ электробезопасности отдельных типов электрических сетей, предназначенных для питания потребителей электроэнергии, то для удобства изложения материала
в дальнейшем будем пользоваться терминами типа «сеть TN-S» и т. д., которые означают совокупность источника электроэнергии с определенным режимом заземления нейтрали и питающей линии с определенной системой токоведущих проводников, например, сеть TN-C
означает совокупность источника электроэнергии с глухозаземленной нейтралью и трехфазной четырехпроводной питающей линией.

Исход поражения человека электрическим током, определяемый током, протекающим через тело человека I_h и напряжением прикосновения U_h, существенно зависит от типа сети, питающей потреби-тели электроэнергии и ее параметров, в том числе:

1) напряжения и частоты сети;

2) режима нейтрали сети;

3) схемы включения человека в электрическую цепь;

4) сопротивления изоляции фазных проводов сети относительно земли;

5) емкости фазных проводов сети относительно земли;

6) режима работы сети.

Типовые схемы включения человека в электрическую цепь.
Существуют различные «схемы включения человека в электрическую цепь тока» (рис. 4.5).

При анализе электробезопасности различных сетей обычно рассматривают две первые ситуации.

При двухфазном прикосновении ток через тело человека и напряжение прикосновения определяются по формулам:

(4.1)

(4.2)

где U − действующее значение фазного напряжения сети; G_h − проводимость тела человека.

Рис. 4.5. Типовые схемы включения человека в электрическую цепь:

1 – двухфазное прикосновение (прямое) одновременное прикосновение

к двум фазным проводникам, действующей электроустановки;

2 – однофазное прикосновение (прямое) – прикосновение к проводнику

одной фазы действующей электроустановки; 3 – косвенное прикосновение

к открытым проводящим частям, оказавшимся под напряжением

в результате повреждения изоляции (прикосновение к корпусу

потребителя электроэнергии с поврежденной изоляцией)

Таким образом, при двухфазном прикосновении человек попадает под линейное напряжение сети вне зависимости от типа сети, режима нейтрали, режима работы сети, проводимости фазных проводов Y_L1, Y_L2, Y_L3 относительно земли. Такая схема включения человека в электрическую цепь представляет большую опасность.

Случаи двухфазного прикосновения происходят сравнительно редко и являются, как правило, результатом работы под напряжением в электроустановках до 1 кВ, что является нарушением правил и инструкций выполнения работ.

При однофазном прикосновении человек попадает под напряжение U_h, значение которого зависит от многих факторов. Эта схема включения человека в электрическую цепь тока является менее опасной, чем двухфазное прикосновение, и на практике она встречается значительно чаще.

Например, электротравмы со смертельным исходом при однофазном прикосновении составляют 70–80 % от общего числа, причем, большинство из них происходит в сетях напряжением до 1 кВ.

Далее, при анализе электробезопасности сетей различных типов, будет рассматриваться только однофазное прикосновение.

Обобщенная схема для анализа электробезопасности трехфазных сетей любого типа напряжением до 1 000 В. Напряжение прикосновения U_h и ток I_h, проходящий через тело человека в случае,
когда человек касается одного из фазных проводов трехфазной четырехпроводной сети с нейтралью, заземленной через активное и индуктивное сопротивление (рис. 4.6) (такую схему можно рассматривать как обобщенную для анализа электрбезопасности любого типа сети напряжением до 1 кВ) можно записать в виде:

Рис. 4.6. Обобщенная схема для анализа трехфазных сетей

(4.3)

(4.4)

где , , , Y_PEN, Y₀ – полные проводимости фазных и PEN-про-водов относительно земли и заземления нейтрали в комплексной форме: a – фазный оператор трехфазной системы, учитывающий сдвиг фаз. Выражениями (4.3, 4.4) будем пользоваться при определении I_h и U_h для сетей типа IT и TN-C при определенных значениях их параметров.

Анализ электробезопасности электрических сетей типа IT. Для трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью типа IT, напряжением до 1 кВхарактерным является то, что при
однофазном прикосновении значение тока, проходящего через тело человека при нормальном режиме работы сети, тем меньше, чем меньше рабочее напряжение сети (фазное напряжение) и чем больше значение сопротивления изоляции проводов относительно земли (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Однофазное прикосновение в сети с изолированной нейтралью

типа IT при нормальном режиме работы

Действительно, ток через тело человека и напряжение прикосновения описываются следующими выражениями, полученными из формулы (4.4) при условии, что Y₀ = 0; Y_PEN = 0:

(4.5)

где а – фазный оператор трехфазной системы, учитывающий сдвиг фаз; Y_L1, Y_L2, Y_L3− полные проводимости изоляции фазных проводов относительно земли в комплексной форме;

здесь

где U – действующее значение фазного напряжения сети; – проводимость тела человека.

При равенстве проводимостей фазных проводов относительно земли: = = Y_L3 = Y (равенстве сопротивлений изоляции и емкостей фазных проводов относительно земли = = = R и
= = = С), ток через тело человека и напряжение прикосновения определяют по выражению

(4.6)

или

(4.7)

где Z − полное сопротивление фазного провода относительно земли
в комплексной форме;

здесь

(4.8)

где R − активное сопротивление изоляции фазного провода относительно земли; С − емкость фазного провода относительно земли.

В действительной форме этот ток рассчитывают по формуле

(4.9)

При равенстве сопротивления изоляции фазных проводов относительно земли = = = R и отсутствии емкостей:

= = = С = 0, выражение (4.9) упрощается:

Таким образом, в сетях с изолированной нейтралью при нормальном режиме работы опасность для человека при прямом однофазном прикосновении зависит от сопротивления изоляции и емкости фазных проводов относительно земли.

С увеличением сопротивления изоляции и уменьшением емкости фазных проводов относительно земли опасность уменьшается.

Этот вывод иллюстрируется графиками зависимости I_h = f(R) при С = 0 (что может иметь место в коротких сетях) и I_h = f(С) при
R = const (рис. 4.8).

R, C

Ih = f(R) C = 0

Ih = f(C) R = const

U/Rh

Ih

Рис. 4.8. Зависимость значения тока, протекающего

через тело человека, прикоснувшегося к фазному проводу

в сети IT с симметричными параметрами в нормальном режиме

работы, от сопротивления изоляции и емкости фазных проводов

относительно земли

При аварийном режиме работы сети (рис. 4.9), когда один из фазных проводов, например провод L₂, замкнулся на землю, опасность поражения током человека, прикоснувшегося к исправному фазному проводу, значительно возрастает.

В этом случае ток, проходящий через тело человека, будет равен

(4.10)

где R_зм− сопротивление растеканию тока в месте замыкания фазного провода на землю (на рис. 4.9, фазный провод L₂).

YL3

YL2

YL1

Yзм

Gh

L1 L2 L3

Рис. 4.9. Однофазное прикосновение к исправному проводу

в сети с изолированной нейтралью типа IT

при аварийном режиме работы

Так как обычно выполняется условие R_зм << R_h, то

(4.11)

YL3

YL2

YL1

Yзм

Gh

L1 L2 L3

Рис. 4.10. Однофазное прикосновение к неисправному проводу

в сети с изолированной нейтралью типа IT

при аварийном режиме работы

При аварийном режиме работы сети типа IT, когда человек касается провода, замкнувшегося на землю (рис. 4.10, человек касается фазного провода L₃), величина тока, проходящего через тело человека, будет определяться падением напряжения на сопротивление растеканию тока в месте замыкания на землю R_зм:

(4.12)

где I_зм− ток замыкания на землю; a₁, a₂ − коэффициенты напряжения прикосновения.

При a₁ = a₂ = 1,

тогда

Ток замыкания на землю в сети IT зависит от сопротивления изоляции и емкости фазных проводов относительно земли, сопротивления растеканию R_зм, R_h.

Если принять во внимание, что обычно R_зм << R_h, то

На самом деле ток замыкания на землю будет меньше, что более безопасно для человека.

Таким образом, прикосновение к неисправному фазному проводу (замкнувшемуся на землю) в сети IT значительно менее опасно, чем к исправному. Значение тока, протекающего через тело человека, в этом случае меньше, чем при прямом однофазном прикосновении
в нормальном режиме работы.

Анализ электробезопасности сетей типа TN-C. Для трехфазной сети с заземленной нейтралью напряжением до 1 кВ типа TN-C (рис. 4.11.) значения тока, протекающего через тело человека, и напряжение прикосновения определяются фазным напряжением сети
и не зависят от сопротивления изоляции и емкости проводов относительно земли.

YPEN

YL1

YL3

YL2

Gh

Y0

L1 L2 L3 PEN

Рис. 4.11. Однофазное прямое прикосновение в сети

с заземленной нейтралью типа TN-C

при нормальном режиме работы

Действительно, проводимости фазного и нулевого проводников относительно земли по сравнению с U₀ = 1/R₀ проводимостью заземления нейтрали малы ( , , << U₀). При этом выражение для тока, протекающего через тело человека при прикосновении к фазному проводу при нормальном режиме работы сети TN-C (рис. 4.11), принимает вид

(4.13)

где R₀ − сопротивление рабочего заземления нейтрали.

Напряжение прикосновения в этом случае определяется по уравнению

(4.14)

Так как обычно R₀ << R_h, то можно считать, что человек в этом случае попадает практически под фазное напряжение сети.

Yзм

YL3

YL2

YL1

YPEN

Gh

Y0

L1 L2 L3 PEN

Рис. 4.12. Прикосновение к исправному проводу в сети

с заземленной нейтралью типа TN-C

при аварийном режиме работы

При аварийном режиме, когда один из фазных проводов сети, например, провод L₂ (рис. 4.12), замкнут на землю через относительно малое активное сопротивление R_зм, а человек прикасается к исправному фазному проводу, уравнение имеет следующий вид:

Здесь учтено, что , и U_PEN малы по сравнению с U₀,
а – по сравнению с U₀ и U_зм, т. е. ими можно пренебречь и считать равными нулю.

С учетом того, что

напряжение прикосновения в действительной форме имеет вид

.

Учитывая, что предыдущее выражение можно записать в виде

(4.15)

При этом выражение для определения тока, проходящего через тело человека, имеет вид

(4.16)

Рассмотрим два характерных случая:

1. Если принять, что сопротивление замыкания фазного провода на землю R_зм равно нулю, то напряжение прикосновения

(4.17)

Следовательно, в данном случае человек окажется практически под воздействием линейного напряжения сети.

2. Если принять равным нулю сопротивление заземления нейтрали R₀, то U_h = U, т. е. напряжение, под которым окажется человек, будет практически равно фазному напряжению.

Однако в реальных условиях сопротивления R_зм и R₀ всегда больше нуля, поэтому напряжение, под которым оказывается человек, прикоснувшийся в аварийный период к исправному фазному проводу трехфазной сети с глухозаземленной нейтралью, т. е. напряжение прикосновения U_h всегда меньше линейного, но больше фазного:

> U_h > U. (4.18)

С учетом того, что всегда R_зм > R₀, напряжение прикосновения U_h в большинстве случаев незначительно превышает значение фазного напряжения, что менее опасно для человека, чем в аналогичной ситуации в сети типа IT.

Gh

Yзм

Y0

YL3

YL 2

YL1

YPEN

L1 L2 L3 PEN

Рис. 4.13. Прикосновение к неисправному проводу в сети

с заземленной нейтралью типа TN-C при аварийном режиме работы

При аварийном режиме работы сети типа TN-C, когда человек касается провода, замкнувшегося на землю (рис. 4.13; человек касается фазного провода L₃), ток через тело человека будет определяться также, как и в сети типа IT, падением напряжения на сопротивлении растекания тока в месте замыкания на землю R_зм:

(4.20)

где I_зм − ток замыкания на землю; a₁, a₂ – коэффициенты напряжения прикосновения.

При a₁ = a₂ = 1

Ток замыкания на землю в сети TN-C зависит только от сопротивления растеканию тока R_зм, сопротивления заземления нейтрали R0 и сопротивления тела человека R_h.

Если принять во внимание, что обычно R_зм << R_h, то

В этом случае напряжение прикосновения лишь незначительно отличается от значения фазного напряжения.

Таким образом, прикосновение к неисправному фазному проводу (замкнувшемуся на землю) в сети TN-C практически также опасно, как к исправному.

Значение тока, протекающего через тело человека, в этом случае почти такое же, как при прямом однофазном прикосновении в нормальном режиме работы в сети TN-C.

Технические способы защиты от поражения электрическим током. Технические способы и средства защиты от поражения электрическим током в электроустановках имеют свою классификацию (рис. 4.14).

Рис. 4.14. Классификация технических способов и средств защиты

от поражения электрическим током в электроустановках

К основным техническим средствам защиты относятся защитное заземление, автоматическое отключение питания (зануление), устройства защитного отключения.

Защитное заземление – преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам (индуктивное влияние соседних токоведущих частей, вынос потенциала, разряд молнии и т. п.).

Назначение защитного заземления – устранение опасности поражения током в случае прикосновения к корпусу электроустановки
и другим нетоковедущим металлическим частям, оказавшимся под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам.

Защитное заземление следует отличать от других видов заземления, например, рабочего заземления и заземления молниезащиты.

Рабочее заземление – преднамеренное соединение с землей
отдельных точек электрической цепи, например нейтральных точек обмоток генераторов, силовых и измерительных трансформаторов, дугогасящих аппаратов, реакторов поперечной компенсации в дальних линиях электропередачи, а также фазы при использовании земли в качестве фазного или обратного провода. Рабочее заземление предназначено для обеспечения надлежащей работы электроустановки
в нормальных или аварийных условиях и осуществляется непосредственно (т. е. путем соединения проводником заземляемых частей с заземлителем) или через специальные аппараты – пробивные предохранители, разрядники, резисторы и т. п.

Заземление молниезащиты – преднамеренное соединение с землей молниеприемников и разрядников в целях отвода от них токов молнии в землю.

Принцип действия защитного заземления – снижение до безопасных значений напряжений прикосновения и шага, обусловленных замыканием на корпус и другими причинами.

Это достигается путем уменьшения потенциала заземленного оборудования (уменьшением сопротивления заземлителя), а также путем выравнивания потенциалов основания, на котором стоит человек, и заземленного оборудования (подъемом потенциала основания, на котором стоит человек, до значения, близкого к значению потенциала заземленного оборудования).

Рассмотрим два случая.

1. Корпус электроустановки не заземлен. В этом случае прикосновение к корпусу электроустановки также опасно, как и прикосновение к фазному проводу сети.

2. Корпус электроустановки заземлен (рис. 4.15). В этом случае напряжение корпуса электроустановки относительно земли уменьшится и станет равным

U_э = I_эR_э. (4.30)

Напряжение прикосновения и ток, проходящий через тело человека, в этом случае будут определяться по формулам:

U_h = I_эR_эa₁

(4.31)

где a₁− коэффициент напряжение прикосновения.

Уменьшая значение сопротивления заземлителя растеканию тока R_з, можно уменьшить напряжение корпуса электроустановки относительно земли, в результате чего уменьшаются напряжение прикосновения и ток, проходящий через тело человека.

Заземление будет эффективным лишь в том случае, если ток замыкания на землю I_з практически не увеличивается с уменьшением сопротивления заземлителя.

Такое условие выполняется в сетях с изолированной нейтралью (типа IT) напряжением до 1 кВ, так как в них ток замыкания на землю в основном определяется сопротивлением изоляции проводов относительно земли, которое значительно больше сопротивления заземлителя (рис. 4.15).