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 1кВ 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:

− систем токоведущих проводников;

− систем 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 электроэнергии 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 (см. рис. 4.1); при этом совмещенный нулевой и рабочий провод обозначается PEN.

Рис. 4.1. Система TN-C

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

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 (см. рис. 4.3).

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 (см. рис. 4.4). В этом случае защитный заземляющий проводник обозначается так же, как и нулевой защитный проводник, т.е. PE – проводник.

Рис. 4.4. Система IT

Система TT – система, в которой нейтраль источника электроэнергии 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 линии.

Исход поражения человека электрическим током, определяемый током, протекающим через тело человека Ih и напряжением прикосновения Uh, существенно зависит от типа сети, питающей потребители 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.

a. Типовые схемы включения человека в электрическую цепь

Существуют различные “схемы включения” человека в электрическую цепь тока (типовые “схемы включения” показаны на рис. 4.5. на примере сети IT):

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

-двухфазное прикосновение (прямое) – одновременное прикосновение к двум фазным проводникам, действующей электроустановки (поз.1 на рис. 4.5.);

-однофазное прикосновение (прямое) – прикосновение к проводнику одной фазы действующей электроустановки (поз.2 на рис. 4.5.);

-косвенное прикосновение к открытым проводящим частям, оказавшимся под напряжением в результате повреждения изоляции (прикосновение к корпусу потребителя электроэнергии с поврежденной изоляцией) (поз.3 на рис. 4.5.).

При анализе электробезопасности различных сетей обычно рассматривают две первые ситуациии.

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

(4.1.)

(4.2)

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

Из выражений (4.1) и (4.2) следует, что при двухфазном прикосновении человек попадает под линейное напряжение сети вне зависимости от типа сети, режима нейтрали, режима работы сети, проводимости фазных проводов YL1, YL2, YL3 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 Uh, 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.

б. Обобщенная схема для анализа электробезопасности трехфазных сетей любого типа напряжением до 1000 В

В общем виде напряжение прикосновения Uh и ток через тело человека Ih в комплексной форме для случая, 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 [3]:

Рис. 4.6. Обобщенная схема для анализа трехфазных сетей

(4.3)

(4.4)

где YL1, YL2, YL3, YPEN, Y0 − полные проводимости фазных и PEN- проводов относительно земли и заземления нейтрали в комплексной форме: a − фазный оператор трехфазной системы, учитывающий сдвиг фаз. Выражениями (3.3, 3.4) будем пользоваться при определении Ih и Uh для сетей типа IT и TN-C при определенных значениях их параметров.