Лекция 5. Опасность сетей с заземленной и изолированной нейтралью. Опасность замыкания на землю.

Анализ опасности электрических сетей практически сводится к определению величины тока, проходящего через тело человека в различных условиях, в которых он может оказаться при эксплуатации электрических сетей и установках. При таком анализе также решается задача по оценке влияния различных факторов и параметров сети на опасность поражения.

Так как при двухфазном (двухполюсном) прикосновении зна­чение поражающего тока зависит лишь от напряжения сети и сопротивления человека, в данном анализе оно не рассматри­вается.

Однофазное прикосновение можно рассматривать как непол­ное замыкание на землю, причем величина тока, проходящего через человека, в трехфазной сети зависит, прежде всего, от ре­жима нейтрали источника питания. Ток через человека, прикос­нувшегося к заземленному корпусу, оказавшемуся под напря­жением, или попавшего под шаговое напряжение, зависит от тока замыкания на землю. Послед­ний, в свою очередь, зависит от тех же параметров сети, что и ток, проходящий через человека, прикоснувшегося к одной из фаз, и прежде всего от режима нейтрали. Нейтраль источника питания может быть изолированной от земли и глухозаземленной.

Изолированной нейтралью называется нейтраль трансформато­ра или генератора, не присоединенная к заземляющему устрой­ству или присоединенная через аппараты, компенсирующие ем­костный ток сети, трансформаторы напряжения и другие аппара­ты, имеющие большое сопротивление. Глухозаземленной нейт­ралью называется нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление (трансформаторы тока и т. п.).

Сети с изолированной нейтралью. Наиболее сложен анализ опасности сети с изолированной нейтралью. Ток замыкания на землю и ток, проходящий через человека, касающегося одной фазы в таких сетях, зависит от сопротивления изоляции и ем­кости фаз относительно земли.

Изоляция токоведущих частей (проводов, обмоток, шин и т. п.) выполняется из реальных диэлектриков, удельное электри­ческое сопротивление которых имеет конечную величину. Кроме того, вследствие старения изоляции, увлажнения и других небла­гоприятных условий удельное сопротивление ее снижается. По­этому на каждом участке длины провода изоляция имеет активное конечное электрическое сопротивление. Каждый участок про­вода имеет емкость относительно земли. Активные сопротивле­ния изоляции и емкости распределены по всей длине провода. Для расчета установившегося тока, проходящего через тело че­ловека, или тока замыкания на землю эти распределенные про­водимости изоляции и емкости можно условно считать сосредото­ченными (рис. 1). В общем случае сопротивления изоляции и емкости фаз относительно земли несимметричны: ra≠rb≠rc и Ca≠Cb≠Cc. Активные ga=1/ra; gb=1/rb; gc=1/rc и емкостные ba=ωCa; bb=ωCb; bc=ωCc; проводимости также несимметричны. Поэтому несимметричны и полные проводимости между каждой фазой и землей:

Ya≠Yb≠Yc (1)

Ya= ga+j ba; Yb= gb+j bb ; Yc= gc+j bc; (2)

Соединение нейтральной точки источника с землей через большое сопротивление, соизмеримое с активным и емкостным сопротивлениями фаз относительно земли еще больше осложня­ет анализ опасности сети. Это может быть четырехпроводная сеть с изолированной нейтралью (рис. 1, а) сеть с комненсацией емкостной составляющей тока замыкания на землю (рис. 1, в) или с включением между нейтралью и землей трансформаторов напряжения, вольтметров и др. Проводимость нейтрали относительно земли Y0 = g0+jb0. Полная схема замеще­ния такой сети показана на рис. 1, б.

Лекция 5. Опасность сетей с заземленной и изолированной нейтралью. Опасность замыкания на землю. - student2.ru

Лекция 5. Опасность сетей с заземленной и изолированной нейтралью. Опасность замыкания на землю. - student2.ru

а — четырехпроводная сеть с изолированной нейтралью; б — сеть с компенсацией емкостной составляющей тока замыкания на землю; в — схема замещения; г — векторная диаграмма напряжений при замыкании на землю

Рисунок 1 - Сеть с нейтралью, соединенной с землей через большое сопротивление

В случае замыкания на землю одной из фаз проводимость ее относительно земли возрастает на величину переходной проводи­мости в месте замыкания на землю g'=1/r'. При прикосновении человека к фазе переходное сопротивление, равно сопротивлению цепи человека r' = Rch, а переходная проводимость g'=Gch=l/Rch (емкостной составляющей проводимости человек можно пренебречь ввиду ее малой величины).

Так, при замыкании на землю фазы А полная эквивалентная проводимость ее относительно земли (рис. 1)

Yaэ= Ya+g’=g’+ga+jba (3)

Ток замыкания па землю определяется из закона Ома:

I3=Ua3/r’=Ua3g’ (4)

Напряжения фаз (в том числе и фазы А) относительно земли из векторной диаграммы (рис. 1, г) равны:

Ua3=Ua+U0; Ub3=Ub+U0; Uc3=Uc+U0; (5)

Здесь неизвестное напряжение смещения нейтрали Uo опреде­ляется по формуле, выведенной в теории электрических цепей:

U0=[Ua(Ya+g’)+UbYb+UcYc]/(Ya+g’+Yb+Yc+Y0) (6)

Принимая, что фазные напряжения источника симметричны и вектор Uа напряжения фазы А направлен по действительной оси, получим

Ua=Uф; Ub= Uфa2; Uc= Uфa; (7)

где Uф — фазное напряжение источника (модуль);

а — фазный множитель.

а = еj2π/3=-(1/2) + j√3/2; а2j4π/33= -(1/2)-j√3/2; (8)

С учетом (7) для напряжения нейтрали источника отно­сительно земли

U0= Uф(Ya+g’+a2Yb+aYc)/ (Ya+g’+Yb+Yc+Y0) (9)

Ток замыкания на землю определим, решая совместно уравнения (4-6) и (7):

Ih=Uфg’[Yb(1+a2)+ Yc(1-a)+Y0]/( g’+Ya+ Yb+Yc+Y0) (10)

Однофазное прикосновение

Выражение (10) позволяет определить ток неполного и глухого замыкания на землю и ток, проходящий через человека, касающегося одной фазы, стоя на земле (рис. 2). В последнем случае в качестве переходной проводимости принимается проводимость электрической цепи человека g’=Gch=l/Rch. Тогда

Ih=UфGh[Yb(1+a2)+ Yc(1-a)+Y0]/(Gch+Ya+ Yb+Yc+Y0) (11)

Формулы для определения тока замыкания на землю и тока, проходящего через человека, для фаз В и С можно получить ана­логично. Выражение (11) показывает, что опаснее прикосно­вение к той фазе, проводимость которой относительно земли меньше, т. е. полное сопротивление выше, чем у двух других фаз.

Лекция 5. Опасность сетей с заземленной и изолированной нейтралью. Опасность замыкания на землю. - student2.ru

Рисунок 2 - Однофазное прикосновение к токоведущим частям в сети с изолирован­ной нейтралью

Действительно, проводи­мость фазы А, к которой прикасается человек, Yа имеется только в знаменате­ле, и чем она меньше, тем больше ток, проходящий че­рез человека. Выражение (11) следует привести к виду, удобному для расчета. Для этого в него надо под­ставить значения проводимостей Ya, Yb, Yc из (2), фазного множителя а из (8) и разделить действи­тельную и мнимую части:

Лекция 5. Опасность сетей с заземленной и изолированной нейтралью. Опасность замыкания на землю. - student2.ru (12)

Емкости фазных проводов относительно земли зависят от их длины, диэлектрической проницаемости изоляции и ее толщины (для воздушных сетей — от высоты подвеса проводов). Эти пара­метры для всех трех фаз приблизительно одинаковы и поэтому емкости можно считать симметричными, Ca=Cb=Cc т.е. и емко­стные проводимости ba=bb=bc=b. Тогда выражение (12) при­нимает вид:

Лекция 5. Опасность сетей с заземленной и изолированной нейтралью. Опасность замыкания на землю. - student2.ru

Если при симметричных емкостях симметричны и сопротивле­ния изоляции (что бывает весьма редко) ra=rb=rc, а значит, и проводимости ga=gb=gc=g, то

Ih=UфGch[g0+3g+j(b0+3b)]/(Gch+ g0+3g+j(b0+3b)

В полных проводимостях Y0 = g0+jb0 и Y = g+jb ток, прохо­дящий через человека:

Ih=UфGср[3Y+Y0]/(Gch+3Y+Y0)

Наши рекомендации