Напряжение на корпусах и каркасах оборудования, а также на конструкциях, на которых последнее установлено, появляется в случае полного или частичного повреждения электрической изоляции самого оборудования или в случае повреждения питающих это оборудование кабельных или воздушных линий. Последующее развитие аварии после этих повреждений существенно зависит от того, произошло ли повреждение в сетях напряжением ниже или выше 1000 В. В сетях напряжением выше 1000 В повреждения, возникшие в самом оборудовании, как правило, приводят к короткому замыканию с последующим отключением поврежденного оборудования. Подобное происходит и при пробое изоляции в кабельных линиях. В современных сетях электроснабжения поврежденный кабель отключается и электроснабжение переводится на другие кабели. В воздушных линиях далеко не всегда повреждение, особенно в сетях напряжением ниже 35 кВ, приводит к короткому замыканию. Сопротивление места повреждения — упавшего голого провода — особенно в зимнее время иногда ограничивает ток до значения, достаточного для появления сигнала замыкания на землю. В сетях напряжением ниже 1000 В повреждение изоляции во много раз реже сопровождается коротким замыканием, тем более если оно происходит на участках воздушных сетей (сети 380/220 В).

В табл. 11.1 помещены результаты измерений сопротивления заземления голого провода, лежащего на земле, при различных естественных заземлителях, которых касается провод с поврежденной изоляцией. Часть этих данных была опубликована нами еще в 1936 г. [40]. Они подтверждаются результатами, полученными в 1969 г. В.И.Козловым [30], Н. П. Сейма, а также другими авторами.

Таблица 11.1. Сопротивление заземления голого провода, упавшего на землю (длина провода 30 м, сечение 16 мм2)

Н. П. Сейма, например, измеряя сопротивление заземления голого медного провода длиной 35 м, лежавшего на мягкой земле, установил, что оно находится в пределах 120-200 Ом. Когда этот же провод был вдавлен в землю колесами автомашины, сопротивление заземления снизилось до 8-14 Ом; в канаве с водой оно упало примерно до 3 Ом. В. И. Козлов, измеряя в эксплуатационных условиях сопротивление заземления голого провода, упавшего на грунт, в том числе и на грунт, покрытый снегом, получил значения сопротивления заземления для воздушных линий передачи в пределах 100-1000 Ом и выше.

Анализируя результаты измерений можно установить, что сопротивление в месте однополюсных повреждений в воздушных сетях напряжением 380 В только в редких случаях приводит к появлению токов срабатывания защиты.

Несмотря на то что токи однополюсного замыкания на землю иногда весьма малы, прикасаться к лежащему на земле проводу, даже покрытому изоляцией, опасно. Угроза поражения резко возрастает в дождь и в сырость. Источником появления напряжения на изолированном проводе является поверхностная проводимость. Верхний слой изоляции попадает под напряжение чаще всего из-за того, что места соединения обычно недостаточно тщательно изолированы, и переходное сопротивление поврежденного места оказывается единственным сопротивлением, ограничивающим значение тока в цепи через тело пострадавшего.

Пример 11.1. В одном из пригородов Ленинграда во время'ветра провод марки ПР-500 диаметром 16 мм2 был сорван с изоляторов сети 380/220 В, работающей с заземленной нейтралью, и упал на землю, продолжая находиться под напряжением. Шел дождь, провод лежал в луже, к тому же на проводе (пусть даже вне лужи) имелось плохо изолированное соединение (скрутка). Проходившие мимо школьники решили убрать провод. В момент прикосновения к проводу двое мальчиков были поражены током, один из них погиб.

Отмечены и другие такие случаи.

Пример 11.2. Провод в изоляции со скруткой упал на траву в саду. Женщина, проходившая по саду, взялась за провод рукой и переместила его, чтобы освободить себе путь. Погода была сухая и, хотя провод находился под напряжением, женщина даже не почувствовала «удара». Естественно, что отключения поврежденного участка не последовало и электроснабжение не прекратилось.

В длинных кабельных линиях (400 м и более) большого сечения, защитные устройства которых срабатывают при 250—400 А, участок сети отключается только тогда, когда повреждение происходит в непосредственной близости к источнику питания. Это объясняется тем, что ток замыкания на землю ограничивается сопротивлением места повреждения и сопротивлением петли «провод — земля — нейтраль».

Замыкания в сетях напряжением выше 1000 В носят совершенно иной характер и приводят к иным соотношениям между значениями токов коротких замыканий и действием защиты.

Разный характер последствий развития замыканий в сетях напряжением ниже и выше 1000 В предопределяет условия электробезопасности последних. Дело в том, что при замыкании на землю возникает напряжение относительно земли не только в зоне повреждения, но и на оборудовании источника питания — электростанции, подстанции. В сетях напряжением выше 1000 В это напряжение появляется, как правило, только на время действия защиты. В сетях же напряжением ниже 1000 В, питающих большое количество электрооборудования, корпуса, кожухи и конструкции которого металлически соединены между собой, напряжение относительно земли возникает на всей системе металлически связанных между собой корпусов, кожухов и конструкций. Оно будет, конечно, меньше, чем в сетях напряжением выше 1000 В, но вероятность поражения людей существенно выше, ибо число лиц, могущих оказаться в опасных условиях, во много раз больше, да и время, при котором это напряжение сохраняется, тоже больше. Кроме того, в сетях напряжением выше 1000 В все корпуса электрооборудования, за редким исключением, имеют кожухи из изоляционных материалов, а в сетях напряжением ниже 1000 В такие кожухи встречаются только у некоторых аппаратов. Имеются и другие особенности.

Для защиты людей от напряжения, возникающего на частях оборудования и на конструкциях, на которых оно монтируется, при повреждении изоляции применяют три ос новных мероприятия: защитное заземление (в сетях ниже и выше 1000 В), зануление (только в сетях ниже 1000 В) и защитное отключение (преимущественно в сетях ниже 1000 В).

Физическая сущность заземления как средства защиты. Заземление — средство, предназначенное для защиты от поражения напряжением, которое вследствие повреждения изоляции возникает на поверхности металлических или других электропроводящих элементов или частей оборудования, не входящих в его электрическую цепь, т.е. нормально не находящихся под напряжением. Электробезопасность достигается применением системы заземляющего устройства, под которой понимается совокупность заземлителей и заземляющих проводников. Заземление применяют в сетях любых напряжений.

Заземлить, т. е. применить такое заземляющее устройство, означает металлически надежно, с помощью проводов, не имеющих изоляции, или шин, соединить с заземлителями подлежащие защите элементы или части оборудования.

Заземлители делятся на естественные и искусственные. Под естественными заземлителями понимаются любые, имеющие достаточную и постоянную поверхность соприкосновения с землей металлические предметы, попутное использование которых для целей заземления не вызывает нарушения их нормальной работы. Естественными заземлителями могут быть металлические трубопроводы, имеющие проводящие верхние противокоррозионные или теплоизоляционные покрытия, элементы конструкции здания, емкости для хранения воды, металлические оболочки кабелей и т. д. В качестве естественных заземлителей нельзя использовать емкости и трубопроводы, содержащие взрыво- и пожароопасные жидкости и газы.

Искусственными заземлителями называют любые металлические предметы, имеющие достаточную и постоянную поверхность соприкосновения с землей, специально закладываемые в землю для целей заземления. Как правило, в качестве таких заземлителей используются стальные трубы длиной 1,5—2,5 м и диаметром 25—50 мм или какие-либо другие металлические предметы.

Ранее считалось, что в процессе эксплуатации качество заземлителей ухудшается. Наши наблюдения, а также исследования, проведенные Н. А. Коржем, показали иное. Ржавчина, образующаяся на поверхности заземлителя, а также поселяющиеся на ней так называемые железные бактерии увеличивают поверхность заземлителя, а заодно и активизируют ее. В результате сопротивление заземлителя снижается и заземление становится более эффективным.

Срок службы заземлителей достигает 25—30 лет. Конечно, соединительные шины заземлителей, если их делать диаметром всего 20—25 мм, могут уже через 10—15 лет эксплуатации в химически агрессивном грунте полностью разрушиться.

Естественные и искусственные заземлители соединяют друг с другом металлической стальной шиной, сечение которой обусловливается значением токов замыкания на землю и механической прочностью заземлителеи. Стальной шиной, общей для производственного помещения (цех, мастерская, лаборатория и т. п.), соединяют и подлежащее заземлению электрооборудование. Заземлители, соединенные в земле шиной, соединяют с общей заземляющей шиной производственного помещения соединительными заземляющими шинами или заземляющими проводниками, число которых определяется как расчетом, так и конструктивными соображениями.

Заземляющим проводником называют провод, соединяющий защищаемое оборудование с находящимся в земле заземлителем. В качестве заземляющих проводников можно использовать конструкции зданий, металлические трубопроводы.

Нулевым проводом называют проводник, соединяющий нейтраль трансформатора, с землей и служащий обратным проводом в трехфазной или однофазной сети. В системе постоянного тока нулевым проводом называют средний провод, обычно заземляемый.

Замыканием на землю называют случайное электрическое соединение металлических частей оборудования, находящихся под напряжением, непосредственно с землей.

Замыкание, возникающее вследствие повреждения изоляции непосредственно в машинах, аппаратах или иных устройствах, называют замыканием на корпус. В значительном большинстве случаев оно представляет собой короткое замыкание, сопровождающееся отключением электроприемника от сети питания.

Основным элементом всякого заземляющего устройства является заземлитель. Качество заземлителя определяется значением сопротивления заземления и изменением напряжения относительно земли.

Под сопротивлением заземления заземлителя понимают сопротивление между заземлителем (у места соприкосновения с грунтом) и землей. Полным сопротивлением заземления системы заземлителеи считают соответственно сопротивление между заземляющей шиной и «землей». Под «землей» в данном случае понимается поверхность грунта вблизи заземлителя, потенциал которой равен нулю. Обычно такая поверхность находится в 15—20 м от нростейшего заземлителя (одна-две трубы или одиночные шины).

Значение сопротивления заземления определяется как отношение полного напряжения относительно земли к полному току замыкания на землю. Под полным напряжением относительно земли понимается напряжение, возникающее в цепи тока замыкания на землю между заземлителем и землей (зона нулевого потенциала). Напомним, что напряжением прикосновения называют напряжение, возникающее в цепи тока между заземлителем и поверхностью пола. Нормируется напряжение прикосновения на расстоянии 0,8 м от защищаемою оборудования. Под напряжением шага понимают напряжение, возникающее в цепи тока замыкания на землю на поверхности земли. Нормируется напряжение шага между двумя точками на поверхности, находящимися на расстоянии 0,8 м одна от другой.

Для открытых подстанций, переключательных пунктов и изолированных одиночных электроприемников приведенные определения достаточно точно отвечают существу явления. Для производственных же помещений, особенно размещенных в многоэтажных зданиях, напряжение относительно земли можно принимать с достаточной достоверностью равным напряжению прикосновения между заземляемым оборудованием и металлической пластиной, положенной на поверхность пола на расстоянии 0,8 м от заземляемого оборудования.

Физическая сущность этой защиты иллюстрируется рис. 11.1, где слева изображен любой трехфазный электроприемник (электродвигатель, трансформатор, прибор), справа — источник электроэнергии, нейтраль которого наглухо заземлена. На этом,же рисунке представлена зависимость изменения напряжения U от L, где L — расстояние между газемлителем и зоной нулевого потенциала (землей).

Рис. 11.1. Принципиальная схема заземления для защиты от напряжения, возникшего на корпусе оборудования

1 — электроприемник; 2 и 3 — зазелшиели; 4 — источник электроэнергии; Zч— полное сопротивление тела человека; Uп— полное напряжение относительно земли; Uпр — напряжение прикосновения; Uшаг — напряжение шага; r — активное сопротивление изоляции; С — емкость провода относительно земли

Представим себе, что изоляция электроприемника повредилась, в результате чего токоведущая часть его электрически соединилась с незаземленным металлическим корпусом технологического оборудования или защитного устройства. Коснувшись такого корпуса или же поддерживающей его конструкции, оставленной без заземления, человек оказывается под напряжением прикосновения, значение которого равно фазному или близко к нему. При некотором отличии этого напряжения от фазного возникает падение напряжения на переходных сопротивлениях между обувью и землей, а также распределение потенциала.

Таким образом, сущность защиты с помощью устройства заземлений заключается в создании такого заземления, которое обладало бы сопротивлением, достаточно малым для того, чтобы падение напряжения на нем (а именно оно и будет поражающим) не достигало значения, опасного для человека. В поврежденной цепи необходимо обеспечить такое значение тока, которое было бы достаточным для надежного срабатывания защитных устройств, установленных на источнике питания.

Нормирование сопротивления заземления. В производственных условиях заземляющее устройство представляет собой сложнейшую систему естественных заземлителей (конструкции здания, арматура фундаментов, водопроводная система и т.д.). Значение напряжения, под которым может оказаться человек, аналитически определить невозможно — оно будет зависеть от множества факторов, и в частности от соотношения сопротивления цехового заземления и сопротивления заземления источника электроэнергии. Если численные значения сопротивлений обоих заземлений будут невелики, то на значение напряжения будет влиять соотношение параметров сети и ряд других факторов. Вот почему для сетей напряжением ниже 1000 В, как показывает многолетний опыт работы многочисленных предприятий, нет необходимости определять точное численное значение сопротивления заземления. Это определение к тому же осложняется трудностями учета всех естественных заземлителей, число которых по меньшей мере двузначно. Поэтому «Правила устройства электроустановок» ограничиваются установлением лишь верхнего численного значения допустимого предела сопротивления заземления. Параграф 1-7-41 этих Правил гласит: «Сопротивление заземляющего устройства должно быть не более 4 Ом» (речь идет об установках напряжением ниже 1000 В.— В. М.). «При мощности генераторов и трансформаторов 100 кВ-А и менее заземляющее устройство может иметь сопротивление не более 10 Ом». Дальнейшая детализация, приведенная в этом параграфе, несущественна.

Эти численные значения сопротивления заземления обеспечиваются наличием естественных заземлителей. Проанализировав многие тысячи электротравм, мы не обнаружили ни одного случая, причиной которого было бы большое значение сопротивления заземления заземлителей. Несчастные случаи « по вине заземления» (их было не так уж много) вызывались либо большим сопротивлением в контакте «заземляющая шина — корпус оборудования», либо обрывом заземляющего провода.

Пример 11.3. На торфоразработках под Ленинградом производилась укладка труб газопровода в канаву с сухим песчаным основанием. В 50 м от места укладки строительный автокран оборвал провод линии электропередачи напряжением 380/220 В. Провод упал на еще не изолированную трубу, и рабочие-трубоукладчики оказались под напряжением. Двое из них тяжело пострадали.

Учитывая все эти наблюдения, симпозиум придал защите от «выносного напряжения» важное значение.

В свое время автор этой книги добился десятикратного устойчивого снижения удельного сопротивления заземления заземлителей, использовав на каждый трубчатый заземлитель по 2000 кг поваренной соли, смешанной с проводящим грунтом или глиной. К. Волковинский и Домбровский (Польша) своим докладом на симпозиуме вновь обратили внимание на проблему искусственного снижения электрического сопро тивления грунта. Добавляя ангидрид гипса в грунт с удельным сопротивлением 5—9 кОм-м, они добивались пятикратного снижения сопротивления заземления заземлителей. Это снижение было достаточно устойчивым — оно сохранялось на протяжении 6 лет.

К сожалению, многие важные вопросы, касающиеся заземления, остались и после симпозиума нерешенными. К их числу относятся: а) метод определения геоэлектрическая структуры электропроводности грунта; б) метод расчета выноса потенциала протяжёнными заземлителями с территории подстанции; в) способ оценки влияния электропроводности грунта на значение выноса потенциала; г) выбор исходных данных для расчета сложных заземлителей.

Из инженерных решений в области заземления наиболее интересной остается работа Фрейта (ГДР) по закладке стальных шин шириной примерно 100 и 70 мм в середину элементов железобетонных фундаментов. Концы шин выводятся наружу из элемента фундамента и свариваются друг с другом в процессе монтажа. К местам сварки подключают вертикальные стояки, идущие в производственные помещения, где их присоединяют к внутренней заземляющей системе.

В 1978 г., а затем в 1982 г. в СССР успешно прошли две конференции на тему «Заземление тока в земле и электробезопасность в народном хозяйстве». В последней из этих конференций, проведенной в Харькове, участвовало свыше 150 специалистов, много лет посвятивших изучению, проектированию и эксплуатации заземлений. Конференция признала необходимым широко использовать естественные заземлители, в первую очередь трубопроводы (кроме транспортирующих взрыво- и пожароопасные продукты), а также арматуру зданий, и особенно их фундаментов. Названы организации, которые в состоянии разработать с помощью ЭВМ расчетные модели, допускающие совместное использование естественных и искусственных заземлителей.

Конференция признала перспективным искусственное снижение удельного сопротивления грунтов (в том числе ив зоне вечной мерзлоты), особенно при работе заземляющих устройств в импульсном режиме. Отмечена необходимость составления характеристик заземления при сдаче сооружений в эксплуатацию. Указана целесообразность увеличения выпуска контрольных приборов, в том числе мегомметров, ускоряющих процесс измерений при повышении достоверности их результатов. Нам остается подчеркнуть необходимость выполнения этих рекомендаций.

Физическая сущность зануления как средства защиты. Из действующих правил термин «зануление» исключен и заменен понятием «заземляющая система с нулевым заземленным проводом». Основанием к такому исключению, видимо, было нежелание выделять из общего понятия «заземление» относительно частное определение. Однако в обиходе энергетиков понятие «зануление» осталось. Содержится оно и в ГОСТ 12.1.009—76 «Электробезопасность. Термины и определения». Можно дать такое определение этого способа защиты.

Зануленнем называется защитное мероприятие, применяемое только в сетях с заземленной нейтралью напряжением ниже 1000 В, предназначенное для защиты людей и животных от напряжения, возникающего на металлических частях оборудования, нормально не находящихся, но могущих оказаться под напряжением при тех или иных повреждениях изоляции, и заключающееся в создании в поврежденной цепи значения тока, достаточного для надежной работы защиты. Занулить — это значит металлически (электрически) надежно соединить подлежащие защите части оборудования с нулевым проводом.

Зануление требует применения заземлителей для присоединения к ним нулевого провода. Но назначение этих заземлителей иное, чем при заземлении.

Физическая сущность защиты в системе зануления поясняется рис. 11.2, на котором представлена принципиальная схема зануления с одним электроприемником. На рисунке показано соединение нейтрали источника электроэнергии с корпусом электроприемника; приведена и диаграмма, характеризующая изменение напряжения относительно земли, возникающего при повреждении изоляции в двух случаях: нулевой провод имеет единственное заземление у источника электроэнергии и нулевой провод имеет повторное заземление у электроприемника.

Рис. 11.2. Принципиальная схема зануления для защиты лйдей от напряжения, возникающего на корпусе оборудования при повреждении изоляции

1 — электроприемник; 2 и 3 — заземлители; 4 — источник электроэнергии; 5 — распределение Uпр при отсутствии повторного заземлителя; 6 — то же при его наличии; Zчел — полное сопротивление тела человека; Rз.п — сопротивление повторного заземлителя; Rз.н — сопротивление заземлителя нейтрали генератора; U0 — падение напряжения на нулевом проводе; Uпр — падение напряжения при отсутствии повторного заземлителя; Uпр’ —то же при его наличии.

В первом cлучае напряжение прикосновения увеличивается в сторону электроприемника и достигает максимального значения у его корпуса; численно это напряжение будет равно падению напряжения на нулевом проводе при коротком замыкании, возникающем в электроприемнике между фазным и нулевым проводами. Если сопротивление фазного провода rф будет равно сопротивлению нулевого провода rо, то напряжение прикосновения в момент короткого замыкания на корпусе электроприемника при отсутствии повторного заземлителя будет равно половине фазного. Если же сопротивление нулевого провода будет больше сопротивления фазного, то напряжение прикосновения будет больше половины фазного.

Уменьшить напряжение прикосновения можно двумя путями: увеличив сечение нулевого провода или устроив повторные заземлители.

Таким образом, физическая сущность защиты посредством системы зануления заключается в снижении напряжения прикосновения путем уменьшения сопротивления нулевого провода и перераспределения напряжения прикосновения между основным (нейтраль трансформатора) и повторным (у электроприемника) заземлителями с помощью повторных заземлителей, численные значения сопротивлений которых роли не играют.

Требования, предъявляемые к системам зануления. Для дальнейшего изложения необходимо напомнить требования ПУЭ, ПТЭ электроустановок и ПТБ, касающиеся этого раздела. Они таковы.

Проводимость нулевого провода должна быть не менее 50 % проводимости фазного провода. На воздушных линиях через каждые 250 м, а также на концах линии и ответвлениях длиной более 200 м должны быть заземлители нулевого провода вне зависимости от материала опор. Сопротивление (аземления каждого из этих повторных заземлителей должно Оыть не более 10 Ом, а в сетях, в которых сопротивление земления нейтралей генераторов и трансформаторов принято равным 10 Ом, оно может составлять 30 Ом. Сопротивление заземляющего устройства из повторных заземлителей должно быть 10 Ом, основного — 4 Ом.

Ток короткого замыкания Iк.з возникающий в сети, должен в три раза превышать номинальный ток ближайшей плавкой вставки предохранителя или номинальный ток расцепителя автоматического выключателя, имеющего характериcику, обратнозависимую от тока.

При защите сетей автоматическими выключателями, имеющими только электромагнитный расцепитель (отсечку), проводник должен быть выбран таким образом, чтобы в петле «фаза — нуль» был обеспечен ток короткого замыкания, равный току уставки мгновенного срабатывания, умноженному на коэффициент, учитывающий разброс значений (по заводским данным), и на коэффициент запаса 1,1.

Перейдем к рассмотрению системы зануления в плане реализации требований к ней.

В нынешней редакции ПУЭ, ПТЭ и ПТБ нет прямых указаний на допустимое значение напряжения на нулевом проводе; все же, исходя из приведенных в правилах значений других параметров, можно принять его не меньше, но и не больше 125 В.

Поскольку в отношении значения потенциала на нулевом проводе сделаны ограничения, необходимо рассмотреть, как на его распределение влияют местоположение и число заземлителей нулевого провода.

Итак, в соответствии с приведенными выше требованиями ПУЭ выбранное сопротивление нулевого провода при заданном сечений фазного провода должно удовлетворять условию (рассматривается случай применения плавких вставок)

,     (11.1)

где Uc — напряжение сети; Z — полное сопротивление петли «фазный провод — нулевой провод»; Iном — номинальный ток.

Это требование преследует цель — обеспечить отключение поврежденного участка. Поскольку выше принято, что значение напряжения на нулевом проводе (и, следовательно,на всех тех элементах оборудования, которые с ним соединены) не должно превышать 125 В, необходима проверка выполнения этого условия, так как если защита почему-либо откажет, то в сети повышенное напряжение на зануленных частях оборудования может существовать долго, нарушая условия безопасности. В связи с тем что в этом случае нет протекания тока в землю (см. рис. 11.1), через нулевую точку (в предположении исправности изоляции нейтрали) ток тоже не протекает, и потому ее потенциал по отношению к земле равен нулю. Между нулевой точкой и местом повреждения и одновременно в месте повреждения по отношению к земле возникает разность потенциалов, численно равная падению напряжения в нулевом проводе. Ее значение , а так как Iк.з=U/(rо+rф), то

,     (11.2)

При равенстве сопротивлений нулевого и фазного проводов напряжение, прикосновения у электроприемника для сети 380/220 В будет равно 110 В. Уменьшения значения напряжения относительно земли в этих условиях можно достичь дополнительным заземлением нулевого провода прежде всего у электроприемника. Возникает цепь, как бы шунтирующая нулевой провод. Сопротивление этой цепи значительно больше сопротивления нулевого провода, и поэтому на значении тока, текущего по нулевому проводу, эта цепь существенно не отразится. Однако напряжение относительно земли уменьшится. Если сопротивление повторного заземлителя (одного или системы) будет равно сопротивлению заземления нейтрали трансформатора, то напряжение прикосновения относительно земли будет равно половине падения напряжения на нулевом проводе. Соответственно изменяя соотношение сопротивлений повторного и основного заземлителей, можно изменять значения напряжения прикосновения на корпусе электроприемника и на корпусе питающего трансформатора. Сопротивление участка цепи от места повреждения до нейтрали трансформатора становится меньше сопротивления фазного провода. А это означает, что в случае повреждения происходит перераспределение напряжения, при котором большее значение приходится на падение напряжения в фазном проводе. Условия. безопасности при соприкосновении человека с корпусом оборудования, у которого повреждена изоляция, улучшаются.

Вероятность соприкосновения с металлическими частями оборудования, нормально не находящимися, но могущими оказаться под напряжением при повреждении изоляции, в цеху несравнимо больше, чем в помещении трансформаторной подстанции. Дело в том, что трансформаторную подстанцию обслуживают люди электропрофессии, имеющие определенные навыки и соответствующую квалификационную группу по технике безопасности. Цеховое же электрооборудование обслуживают рабочие основного технологического процесса, часто менее подготовленные в отношении электробезопасности. Да и число рабочих основного производства значительно больше, в то время как помещение трансформаторной подстанции посещается редко и объем работ в нем при нормальной эксплуатации ограничен, причем применение дополнительных защитных средств в помещении трансформаторной подстанции просто и доступно. В силу сказанного уровень электробезопасности электрооборудования основного производства должен быть особенно высоким.

Идеализированную схему зануления, показанную на рис. 11.2, можно создать лишь в искусственных условиях. Практически же на обоих концах — у электроприемника и у трансформатора — имеется большое число естественных заземлителей. К ним относятся: арматура сооружений, строительные балки, конструкции фундаментов, трубопроводы, металлические оболочки кабелей и многое другое. Изолировать корпуса электрооборудования невозможно. Сопротивление заземления этих естественных заземлителей отражается на сопротивлениях заземления основных и повторных заземлителей, а учесть это влияние сложно и трудно. В то же время соотношение их сопротивлений заземления обусловливает значение напряжения прикосновения. Возникает неопределенность, являющаяся существенным недостатком зануления. Зато большое достоинство зануления состоит в возможности обеспечить отключение поврежденного оборудования при однополюсном коротком замыкании.

Начиная исследования в плане оценки распределения напряжений в системе металлических элементов сооружений и корпусов оборудования, надо четко отдавать себе отчет в том, что эта (щенка может носить в лучшем случае качественный, а не количественный характер. Слишком уж много трудно учитываемых элементов входит в рассматриваемую систему. Однако и при этом, конечно, не избежать составления исходных эквивалентных схем. При их составлении сделаны некоторые допущения. Перечислим их.

Условимся, что источник электропитания (трансформатор) обладает бесконечно большой мощностью. Рассматривается наиболее неблагоприятный и опасный режим. Заземляющие устройства питающих подстанций принимаются общими для сети напряжением ниже и выше 1000 В. Учитывая, что сопротивление заземления объединенного заземлителя почти на порядок выше сопротивления петли «фазный провод — зануляющая шина», индуктивность петли условно делим пополам. Каждую половину ее соответственно относим к фазному и к зануляющему элементам петли. Такое допущение упрощает схему расчета. Повторное заземление выполнено в одном месте, сопротивление всех заземлителей является активным. И, наконец, последнее допущение — исследование проводится на однофазной, а не на трехфазной сети. Если учесть качественный характер рассмотрения, подобные допущения приемлемы.

Благодаря сделанным допущениям удается основные параметры зануления исследовать на сравнительно простых , эквивалентных схемах.

Рассмотрим наиболее характерные схемы с нулевым проводом:

а) защищаемое оборудование подключено к одиночной заземляющей магистрали и имеет один сосредоточенный повторный заземлитель;

б) защищаемое оборудование подключено к зануляющей системе, в которой имеется ряд повторных заземлителей;

в) зануляющая система одновременно применена в сетях четырех- и трехжильных кабелей.

Напряжение прикосновения в системе с сосредоточенным повторным заземлителем. Здесь возможны два характерных вида соприкосновения пострадавшего с защищаемым оборудованием, корпус которого оказался при аварии под напряжением: а) соприкосновение непосредственно у повторного заземлителя и б) соприкосновение на некотором расстоянии от него.

Рис. 11.3 Эквивалентная схема с двумя сосредоточенными заземлителями.

Введем обозначения: rф — активное сопротивление фазного провода; 2L — индуктивность зануляющей петли; rо — активное сопротивление нулевого провода; Rз — сопротивление заземления у трансформатора, имеющего заземленную нейтраль; Rз.n — сопротивление заземления повторного сосредоточенного заземлителя; r1- активное сопротивление заземляющей проводки на участке зануляющей сети от аварийного оборудования до повторного заземлителя; L1 — индуктивность стальной шины на этом участке. Напряжение прикосновения

,     (11.3)

Представляет интерес зависимость uпр от отношения сопротивления заземления трансформатора к сопротивлению заземления повторного заземлителя. Эта зависимость выражена уравнением

,     (11.4)

где A = Rз/Rз.n.

Если r1 и L1 равны нулю, что соответствует случаю соприкосновения с аварийным оборудованием, расположенным непосредственно у повторного заземлителя, то выражение примет вид

,     (11.5)

По мере увеличения А напряжение прикосновения уменьшается. При А, близком к нулю, т. е. при очень малом сопротивлении основного заземлителя, напряжение прикосновения стремится к значению падения напряжения на зануляющей системе. Последнее напряжение, в свою очередь, определяется соотношением между сопротивлениями фазного и зануляющего проводов. Близкое к нулю значение Л бывает тогда, когда основным заземлителем является заземлитель питающей подстанции, на которой оборудование напряжением ниже и выше 1000 В оказывается соединенным вместе. Этот заземлитель надежно связан с металлическими оболочками кабельной сети напряжением выше 1000 В.

Площадь соприкосновения с землей металлически связанных между собой элементов, входящих в заземляющее устройство, велика, и сопротивление заземления такого заземлителя очень мало.

На рис. 11.4 приведены кривые Uпр=f(A) для случаев, когда человек касается заземляющей системы как непосредственно у повторного заземлителя, так и на некотором расстоянии от него. Сравнение кривых показывает, что характер их сохраняется, однако значение Uпр больше в случае прикосновения непосредственно у повторного заземлителя. При этом с уменьшением А расхождение уменьшается: при малых значениях А оно составляет всего несколько процентов. При значении А, много меньшем единицы, значение напряжения прикосновения можно считать практически постоянным.

A=Rз/ Rз.п

Рис. 11.4. Изменение напряжения прикосновения Uпр в зависимости от А — соотношения сопротивлений заземлителей R3 и Rз.п при постоянном значении сопротивления заземления повторного заземлителя

1 и 3 — Rз.п=2 Ом; 2 и 4 — Rз.п =0,5 Ом. Сплошные линии — прикосновение непосредственно у повторного заземлителя; штриховые линии— прикосновение на некотором расстоянии от повторного заземлителя.

Если теперь допустить, что повторное заземление отсутствует, а это бывает нередко, то напряжение прикосновения будет [20]

,     (11.6)

где Lo — индуктивность нулевого провода.

Для некоторых соотношений сопротивлений фазного и нулевого проводов напряжение прикосновения будет находиться в пределах 130—180 В. Максимальное значение напряжения прикосновения может быть на корпусах, далеко находящихся от общей зануляющей шины трехфазных электроприемников при питании по трехжильному кабелю.

В переходном режиме распределение напряжения прикосновения отлично от распределения напряжения прикосновения в установившемся режиме [42]: больше сказывается расстояние от места, где человек коснулся оборудования, до, того оборудования, на котором произошло повреждение.

Расчетные выражения экспериментально проверены на модели и при имитации короткого замыкания в реальных условиях. Для качественной оценки совпадение экспериментальных и расчетных данных достаточно хорошее. Следовательно, эти выражения могут быть рекомендованы для анализa системы зануления и в первую очередь могут быть использованы при расследовании электротравм.

На рис. 11.5 приведены кривые изменения напряжения прикосновения в зависимости от сопротивления заземления повторного заземлителя. Параметры сети постоянны, а сопротивление заземления заземляющего устройства в нейтрали принято равным 0,5 и 2,0 Ом. Подобная же зависимость получена для разных сопротивлений нулевого провода, а именно 0Д5; 0,30; 0,45 и 0,60 Ом. Пределы изменения напряжения прикосновения 90—140 В.

Рис. 11.5. Изменение напряжения прикосновения Uпр в зависимости от сопротивления заземления повторного заземлитеяя Rз.п при постоянных параметрах сети 1 — Rз=0,5 Ом; 2 —Rз=2 Ом

Как показали результаты изучения, напряжение прикосновения в сети 380/220 В при одном повторном заземлителе и сделанных ранее допущениях достигает 140—150 В, и это бывает нередко. Встречаются и такие случаи, когда в качестве повторного заземлителя использован водопровод, имеющий сопротивление заземления в пределах 0,004—0,2 Ом.

На рис. 11.6 показана зависимость сопротивления заземления повторного заземлителя от активного сопротивления фазного провода при заданном напряжении прикосновения. Кривые этого рисунка позволяют определить требуемое значение сопротивления заземления повторного заземлителя при заданных значениях напряжения прикосновения у электроприемника.

Рис. 11.6. Изменение сопротивления заземления повторного заземления Rз.п в зависимости от активного сопротивления фазного провода rф при заданных значениях напряжения прикосновения 1— Unp=36 В; 2 — 40 В; 3 — 50 В

Напряжение прикосновения в зануляющей системе. В системе зануления, даже имеющей повторные заземлители, между надежно заземленным корпусом или элементом оборудования и землей может возникнуть напряжение, представляющее в определенных условиях несомненную опасность для работающих по значению и по времени его приложения (oсобенно при немгновенно действующих отключающих устройствах). В существующих условиях снижать это напряжение можно, либо уменьшая сопротивление нулевого провода, либо изменяя значение А, допуская при этом меньшее напряжение в цеху у электроприемников и большее его значение на питающей подстанции.

При отсутствии нулевого провода (т. е. в системе заземления) или при его обрыве (в системе зануления) напряжение прикосновения определяется только значением А. Практически влиять на значение сопротивления заземления большого числа естественных заземлителей, так или иначе оказавшихся подключенными к искусственным зазем-лителям, трудно. Приходится устанавливать фактическое значение напряжения прикосновения на зануляющей системе и прибегать к дополнительным мероприятиям, например к устройству изолирующего пола, к изоляции кожуха и т. д.

Рассмотрим зануляющую систему с повторными и естественными заземлителями, когда зануляющий провод имеет, помимо заземлителей на концах, еще и ряд естественных заземлителей. Она относится к случаю, когда человек касается заземляющей системы на некотором расстоянии от повторных заземлителей. Схема составляется в общем виде, с сопротивлением в нейтрали трансформатора.

Заземляющая цепь между точками а2 и б2 представляет собой однородную симметричную схему с числом n сопротивлений, Сделано допущение, что все естественные повторные Заземлители имеют одинаковую и притом активную проводимость g и расположены на одинаковом друг от друга расстоянии. Напряжение прикосновения, когда человек находится в соприкосновении с зануленным оборудованием непосредственно у повторного заземлителя, определяется выражением< /P>

,     (11.7)

где теперь

Напряжение прикосновения определится этим же выражением и в том случае, если сопротивление в нейтрали трансформатора-отсутствует (R= 0) [20]. Пользуясь выражением (11.7), можно установить зависимость напряжения прикосновения от отдельных составляющих. Анализ выражений (11.4), (11.6) и (11.7) показывает, что в этом случае напряжение прикосновения практически от А не зависит. Так, при изменении А в три раза напряжение прикосновения изменяется в пределах 10 %.

Результаты расчета позволяют оценить распределение напряжения прикосновения по системе зануления. Оказывается, что чем меньше сопротивление заземляющей цепи, тем меньше напряжение прикосновения. Кроме того, при наличии в сети большого числа заземлителей напряжения могут представлять опасность для человека, так как при некоторых соотношениях сопротивлений фазного и заземляющего проводов они достигают 100 В. Снижение их требует увеличения сечения нулевого провода, которое для обеспечения безусловно безопасных напряжений иногда превышает сечение фазного. Это вызывает большие осложнения и практически неосуществимо.

Практически к зануляющей (заземляющей) системе преднамеренно или непреднамеренно бывают подключены металлические конструкции зданий, трубопроводы, металлические оболочки кабелей и т. д., являющиеся своеобразными проводами, шунтирующими нулевой провод. В результате суммарное сечение заземляющего «эквивалентного провода» (если его так можно назвать) иногда значительно превышает сечение фазного. Этим и можно объяснить, что подобная система на практике до сих пор не вызывала особых нареканий. Учесть надежность подсоединения естественных нулевых проводов к заземляющей системе трудно, да и не всегда удобно их использовать, поэтому сказанное выше распространяется и на эту систему.

Напряжение прикосновения в четырехпроводной сети. Своеобразно распределение напряжения прикосновения в четырехпроводных сетях, в которых одновременно имеются четырехжильные и трехжильныe кабели. У последних нулевым проводом являются оболочки кабелей. Вот как возникли эти сети.

В связи с ростом коммунально-бытовой нагрузки в Ленинграде и в других городах был осуществлен перевод трехпроводной системы 120 В на четырехпроводную систему 220 В с использованием в качестве нулевого провода свинцовых оболочек кабелей. Этот перевод, собственно говоря, решил проблему городского электроснабжения без крупных затрат, связанных с переоборудованием сетей. Наблюдение за этой системой выявило наряду с положительными результатами и ряд недостатков, которые постепенно устранялись. Ни одного зарегистрированного несчастного случая, вызванного переходом на эту систему, за все время ее существования не было, хотя жалоб на удары током.было немало.

В системе 220 В с использованием металлических оболочек кабеля в качестве нулевого провода всегда имеются трехфазные электроприемники (мелкие двигатели коммунальных и торговых предприятий), требующие заземления, которое обычно осуществляется отдельно проложенной стальной шиной. Число таких электроприемников растет. В новых подключаемых установках питание от групповых щитов, а иногда и от трансформаторных подстанций осуществляется не только трехжильным, но и четырехжильным кабелем (четвертая жила — нулевой провод). Поучителен такой случай.

Пример 11.7. В Ленинграде модернизировалось Электроснабжение одного из районов города, в связи с чем взамен трехжильных кабелей, в которых «четвертым проводом» служила металлическая оболочка кабеля, прокладывались новые, четырехжильные кабели. Такая замена была произведена и в городской бане. Один из трех жильных кабелей с металлической оболочкой в роли четвертой жилы, питающий электрооборудование бани и примыкающего к ней дома, был заменен четырехжильным с тем же сечением жил. После этого в некоторых классах бани между кранами и поверхностью пола по явилось небезопасное в данных условиях напряжение. Баню пришлось временно закрыть. Устранение напряжения потребовало специальных мероприятий.

Этот случай заставил особенно подробно рассмотреть систему заземления при одновременной эксплуатации трехжильных кабелей, металлические оболочки которых используются в качестве нулевого провода, и четырехжильных. Эквивалентная схема для такого случая представлена на рис. 11.8. Анализ этой схемы и необходимые для него расчеты приведены в работе [42]. Расчеты распределения напряжения прикосновения по зануляющей системе в целом для режима короткого замыкания показали, что значения напряжения прикосновения находятся в пределах 8— 50 В (в том числе и в примере 11.7 с баней). Напряжение прикосновения может возникнуть и не в режиме короткого замыкания. Вследствие несимметрии нагрузки в сети трехжильных кабелей напряжение прикосновения на зануляющем устройстве четырехжильного кабеля колеблется по часам суток от десятых долей вольта до 3—4 В. Это напряжение в условиях бань, прачечных, котельных не может рассматриваться как исключающее опасность поражения электрическим током. В режиме короткого замыкания напряжение прикосновения представляет уже значительную опасность.

(n+1) элементов

Рис. 11.9. Эквивалентная схема четырехпроводной сети, в которой одновременно используются трех- и четырехжильные кабели.

Увеличение сопротивления трехжильного кабеля (в результате повышения сопротивления в местах контактных соединений свинцовой и стальной оболочек) может повысить вероятность увеличения напряжения прикосновения и в режиме короткого замыкания, и при наличии однофазной нагрузки в трехфазной сети.

Таким образом, как показал анализ, в отдельных случаях при исправных заземляющей и зануляющей проводках могут возникнуть напряжения, представляющие опасность для человека. Отсюда следует, что вернейшим способом снизить вероятность поражения напряжением прикосновения, возникающим при повреждении изоляции, является повышение надежности сети. Широкое проведение профилактических испытаний и ремонтов сетей резко снижает число однополюсных коротких замыканий и существенно уменьшает опасность поражения напряжением прикосновения.

Вернуться в библиотеку