Трехфазная трехпроводная сеть с изолированной нейтралью

Основываясь на уравнениях, выведенных в [2,3], можно утверждать, что в сетях с изолированной нейтралью опасность для человека, прикоснувшегося к одной из фаз в период нормальной работы сети, зависит от сопротивления изоляции проводов относительно земли (рис. 2).

Рис. 2. Однофазное включение человека

в сеть с изолированной нейтралью (нормальный режим работы)

Сопротивление изоляция проводов имеет активную (r_a, r_b, r_c) и реактивную (емкостную) (c_a, c_b, c_c) составляющую. Активная составляющая сопротивления изоляции проводов зависит от многих факторов: температуры и влажности окружающей среды, наличия в воздухе агрессивных газов и паров, токопроводящей пыли. Поскольку сети с изолированной нейтралью применяются в основном в шахтах и на торфоразработках, а также на многих передвижных электроустановках, для передачи тока используются кабели с резиновой или пластмассовой изоляцией. При эксплуатации изолирующая поверхность кабеля на большой площади покрывается сетью микротрещин, в которые проникает влага и токопроводящая пыль. Величина активной составляющей сопротивления изоляции кабеля постепенно уменьшается – при этом она в десятки и сотни раз меньше активной составляющей сопротивления изоляции нулевой точки силового трансформатора или генератора. Поэтому ток I_h, протекающий через тело человека, прикоснувшегося, например, к фазе А, проходит через землю и возвращается в фазы В и С. При этом величина тока тем меньше, чем больше активная составляющая сопротивления изоляции. При уменьшении величины активной составляющей сопротивления изоляции кабеля ниже 0,5 МОм возникает реальная угроза жизни обслуживающего персонала. Поэтому во всех сетях с изолированной нейтралью используется система постоянного контроля сопротивления изоляции, которая сигнализирует персоналу о величине сопротивления и может отключить участок сети при уменьшении сопротивления изоляции до опасной величины.

В данной работе принимается условие, что активные составляющие сопротивления изоляции всех трех фаз равны между собой (r_a = r_b = r_c = r). Если же данные величины не равны между собой, прикосновение к фазе с более высоким сопротивлением опаснее, чем к любой другой фазе.

Величина емкостной составляющей сопротивления изоляции зависит от длины сети (чем длиннее сеть, тем больше величина емкостной составляющей) и от геометрических параметров сети (расстояния между токоведущими жилами, наличия или отсутствия экранирующих оплеток кабеля и т.д.). При этом величина тока I_h тем больше, чем больше емкостная составляющая сопротивления изоляции. Поэтому возможны случаи смертельного поражения человека в сети с неповрежденной изоляцией, величина сопротивления которой достигает сотен и тысяч мегаом. К сожалению, величина емкостной составляющей сопротивления изоляции не может быть снижена до нулевого значения. Поэтому приходится проводить дорогостоящие мероприятия по разделению сети на короткие участки, каждый со своим силовым трансформатором, либо включать компенсирующие индуктивности (реакторы) между нейтральной точкой силового трансформатора (генератора) и землей. Во втором случае емкостная и индуктивная составляющая находятся в противофазе и при настройке величины индуктивности реактора в резонанс как бы взаимно «уничтожают» друг друга.

В данной работе принимается условие, что емкостные составляющие сопротивления изоляции всех трех фаз равны между собой (с_a = с_b = с_c = с) и в сети отсутствуют компенсирующие реакторы.

Если величина активной и емкостной составляющей сопротивления изоляции намного больше сопротивления тела человека, то ток I_h, проходящий через тело человека, не зависит от его сопротивления, а зависит только от величины активной и емкостной составляющей сопротивления изоляции:

I_h = 3U_ф/Z,(1)

где U_ф – фазное напряжение сети, В; Z – комплексное сопротивление между фазным проводом и землей (комплексное сопротивление изоляции), Ом.

Если же величина сопротивления изоляции меньше сопротивления тела человека, то ток I_hопределяется фазным напряжением и сопротивлением человека:

I_h = U_ф/R_h,(2)

где R_h – сопротивление тела человека. Ом.

Сопротивление тела человека составляет 1000 Ом (если человек касается фазного провода незащищенной рукой и стоит босиком на земле). Однако можно ввести дополнительные сопротивления в цепь «провод – человек – земля» и довести величину сопротивления данной цепи до сотен мегаом (если человек использует основные и дополнительные электрозащитные средства: диэлектрические перчатки, боты, коврики, изолирующие подставки и др.). Чем выше сопротивление изоляции электрозащитных средств, тем меньше ток, протекающий через тело человека.

При аварийном режиме (рис. 3) имеет место замыкание фазы (например, фазы С) на землю через малое активное сопротивление r_зм.

Так как r_зм много меньше R_h, человек, прикоснувшийся к фазе А, окажется под линейным напряжением. При этом величина напряжения (следовательно, и тока I_h, протекающего через тело человека) не зависит от величины сопротивления изоляции проводов (активной и емкостной составляющих), а зависит только от сопротивления тела человека.

В реальных условиях величина r_зм составляет сотые, иногда десятые доли Ома. Поэтому напряжение, под которым оказывается человек, прикоснувшийся в период аварийного режима к исправной фазе трехфазной сети с изолированной нейтралью, несколько меньше линейного, но значительно больше фазного напряжения сети.

Рис. 3. Однофазное включение человека в сеть с изолированной нейтралью (аварийный режим работы)