ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Электробезопасность – система организационных, санитарных и технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от вредного и опасного воздействия электрического тока, электрической дуги, электромагнитного поля и статистического электричества.

Схемы включения человека в электрическую цепь могут быть различными. Однако наиболее характерными являются две схемы включения: между двумя проводами (двухфазное включение) и между одним проводом и землей (однофазное включени). При наличии электрической связи между сетью и землей.

Двухфазное включение, как правило, более опасно, поскольку к телу прикладывается наибольшее в данной сети напряжение – линейное, поэтому через человека пойдет больший ток

I_r = U_ф /R_r = U_л / R_r , (5.1)

где I_r – ток, проходящий через человека, А;

U_ф – фазное напряжение, т.е. напряжение между началом и концом одной обмотки источника тока (трансформатора, генератора) или между фазным и нулевыми проводами, В;

U_л – линейное напряжение между фазными проводами сети, равное U_ф, В;

R_r – сопротивление тела человека, Ом.

Однофазное включение происходит значительно чаще, но является менее опасным, чем двухфазное, так как напряжение, под которым оказывается человек, не превышает фазного.

В трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью сила тока, проходящего через тело человека, пр прикосновении к одной из фаз сети и при условии, что емкость проводов относительно земли мала, определяется по формуле

I_r = U_ф / (R_r + r/3), А (5.2)

Где r – сопротивление изоляции провода, Ом

Если же емкость велика, а проводимость изоляции незначительна, т.е. r = ∞, что обычно имеет место в кабельных сетях, то сила тока, проходящего через тело человека, будет равна

I_r = U_ф/ , А (5.3)

Где х_с – емкостное сопротивление, равное 1/ωс, Ом

ω – угловая частота, рад/с.

В трехфазной четырехпроводной сети с заземленной нейтралью сила тока, проходящего через человека, будет равна

I₄ = U_ф / (R_r + r₀), А (5.4)

Где r₀ – сопротивление заземление нейтрали, Ом

Как правило, r₀ ≤10 Ом, т.е. им можно пренебречь и считать, что в данном случае при прикосновении к одной из фаз сети, человек оказывается практически под фазным напряжением U_ф.при аварийных режимах работы трехфазных сетей напряжение прик

U_ф<U_пр ≤U_л , (5.5)

т.е. эти случаи значительно опаснее, чем, например, прикосновение к той же фазе сети при нормальном режиме работы.

Человек может оказаться под напряжением и не прикасаясь к фазам сети. Это может происходить при замыкании на землю электроустановок в случае повреждения изоляции и перехода фазного напряжения на корпуса оборудования, при падении находящегося под напряжением провода на землю, при замыкании на оболочки в кабельных линиях и по другим причинам. При этом ток стекает в землю и образуется зона растекания тока замыкания на землю , причем радиус этой зоны составляет 20 м и за ее пределами электрический потенциал может быть условно принят равным нулю. Находящиеся в зоне растекании тока человек попадает под действие напряжения шага, т.е. напряжения между двумя точками цепи тока, находящимися одна от другой на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек. При этом длина шага а_ш принимается 0,8м. Таким образом,

U_ш = φ_х+ φ_х+а , (5.6)

Где φ_х и φ_х+а – потенциалы точек, на которых стоит человек.

Величина напряжения шага

U_ш= , В (5.7)

Где I_з – ток замыкания на землю, А

ρ – удельное сопротивление грунта, Ом*м

а – величина шага, м

х – расстояние от центра заземления до рассматриваемой точки на поверхности земли, м

Сила тока, проходящего через человека, в этом случае определяется по формуле

I_ш = U_ш / (R_ш + R₄) = U_ш (6P_n + R₄), А (5.8)

Где R_ш – сопротивление растеканию тока в земле от одной ноги до другой, зависящее от удельного сопротивления поверхности грунта (ρ_n), площади ступней ног (≈680см²) и длины шага (0,8м).

Если пренебречь сопротивлением обуви, то можно принять R_ш равным 6 ρ_n.

С целью предупреждения опасного воздействия напряжения шага на человека производится выравнивание потенциалов в зоне растекания тока путем устройства сложных заземлителей в виде замкнутого контура, охватывающего всю территорию защищаемого объекта.

Основными мерами защиты от поражения электрическим током являются: обеспечение недоступности токоведущих частей, находящихся под напряжением, во избежание случайного прикосновения; электрическое разделение сети; устранение опасности поражения при проявлении напряжения на корпусах, кожухах и других частях электрооборудования, что достигается применением малых напряжений, использованием двойной изоляции, выравниванием потенциала, защитным заземлением, занулением, защитных отключением и др., применение специальных электрозащитных средств – переносных приборов и приспособлений; организация безопасной эксплуатации электроустановок.

Защитное занулевое – преднамеренное электрическое соединение ч землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Назначение защитного заземления – устранение опасности поражения людей электрическим током при проявлении напряжения на конструктивных чатсях электрооборудования, т.е. при замыкании на корпус. Принцип действия защитного заземления – снижение до безопасных значений напряжений прикосновения и шага, обусловленных замыканием на корпус. Это достигается уменьшением потенциала заземленного оборудования, а также выравниванием потенциалов за счет подъема потенциала основания, на котором стоит человек, до потенциала, близкого по значению к потенциалу заземленного оборудования.

Область применения защитного заземления – трехфазное трехпроизводственные сети напряжением до 1000 В с изолированной нейтролью и выше 1000 В с любым режимом нейтрали.

Заземляющее устройство – совокупность заземлителя – металлических проводников, находящихся в непосредственном соприкосновении с землей, и заземляющих проводников, соединяющих заземляемые части электроустановки с заземлителем. Различают два типа заземляющих устройств: выносное (или сосредоточенное) и контурное (или распределительное).

Выносное заземляющее устройство характеризуется тем, что заземлитель его вынесен за пределы площадки, на которой размещено заземляемое оборудование, или сосредоточен на которой части этой площадки. Контурное заземляющее устройство отличается тем, что его одиночное заземлители размещают по контуру (периметру) площадки, на которой находится заземляемое оборудование , или распределяют по всей площадке по возможности равномерно.

Занулением называется преднамеренное электрическое оседпрение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением . задача зануления та же, что и защитного заземления: устранение опасности поражения людей током при замыкании на корпус. Принцип действия зануления – превращение замыкания на корпус в однофазное которое замыкание, т.е. замыкание между фазным и нулевым проводами с целью создания большего автоматически отключать поврежденную установку от питающей сети.

Область применения зануления – трехпроводные сети напряжения до 1000В с глухозаземленнойнейралью. Обычно эти сети напряжением 380/220В, а также сети 220/1 В и 660/380В.

Автоматическое отключение – быстродействующая защита, обеспечивающая автоматическое отключение электроустановки при возникновении в ней опасности поражения током.

Задача 5.1. рассчитать защитное заземление для стационарного понижающего транформатора 6 кВ/0,38 кВ. Заземлители заглублены,

Исходные данные:

1. мощность трансформатора 180кВ, на стороне 6кВ – изолированная нейтраль, на стороне 0,38кВ – глухозаземленнаянейтраль.

2. расчетный ток замыкания на землю на стороне 6кВ – I_з =5А

3. тип заземлителя: стержневой (трубчатый с толщиной стенки 3,5мм)

4. длина трубы l_T = 250см

5. диаметр трубы d_T = 5см

6. ширина соединяющей полосы в=4см

7. заземлитель: заглубленный, глубина заложения h=80см

8. расположение вертикальных заземлителей – по четырехугольному контуру.

9. грунт: суглинок.

10. климатическая зона: II

11. R₃≤4 Ом

Расчет проводим по методике (1)

1. Определяем расстояние между трубами L_T. Для заглубленных заземлителей рекомендуется отношение

С = L_T/ l_T

Брать равным 1, т.е. L_T = 250см.

2. вычисляем расстояние от поверхности земли до середины трубы

t = h + l_T/2 = 80 + 250/2 = 205см

3. определяем наибольшее допустимое сопротивление заземления исходя из условия возможности замыкания между обмотками трансформатора

R₃ ≤ 125/I_з = 125/5 = 25Ом

4.Определяем удельное сопротивление грунта (табл. 5.1)

Ρ_табл = 1 * 10⁴Ом.ом

5. Определяем значение повышающих коэффициентов (табл. 5.2) для стержневого заземлителя для П климатической зоны К_пт=1,8 и для полосового заземлителя К_пп =4,5

Табл 5.1

Удельное сопротивление грунта

Табл. 5.2

Значения повышающих коэффициентов К_пт, К_ппдля различных климатических зон^х/

х/ Рекомендуется при расчетах брать значения повышающих коэффициент по верхнему пределу, т.е. при самых неблагоприятных климатических условиях для данной зоны.

6. Вычисляем расчетное удельное сопротивление грунта для труб

Ρ_расч= ρ_таблК_пт= 1,8* 10⁴ Ом*см

7. Вычисляем расчетное удельное сопротивление грунта для соединительной полосы

ρ_расч = ρ_таблК_пт = 4,5 *10⁴ Ом*см

8.Определяем сопротивление растекания тока одной трубы

R_T = 0,366 (lg + lg ), (5.9)

R_T = 0.366 (lg + lg ) = 56,31Ом

9. Вычисляем количество труб, которые необходимо забить в грунт, без учета коэффициента экранирования

n_Tή_эт = = =15 труб

10. Определяем коэффициент экранирования при расположении труб по четырехугольному контуру и С = =1

Ŋ_эт= 0,51 (табл.5.3)

12. Вычисляем необходимо количество труб с учетом коэффициента экранирования

R_расч = = =3,68 Ом

Табл.5.3

Коэффициенты экранирования трубчатых (или с сечением в форме уголка) заземлителей ŋ_эт (ŋ_эу),без учета соединяющей полосы и при отношении расстояния между заземлителями L_T (L_Y) к их длине l_T(l_Y): с=L_T/l_T=L_y/l_y =1

13. Вычисляем длину соединяющей полосы при условии, что трубы расположены по четырехугольному контуру

L_сп = 1,05L_T(n_эт - 1) = 1,05 *250 (30-1) = 7612,5 см

14. Определяем сопротивление растеканию тока соединяющей полосы

R_сп = 0,366 lg , Ом (5.10)

R_сп = 0366 lg =12,03

15. Определяем коэффициент экранирования соединяющей полосы при расположении труб по четырехугольному контуру и при ŋ_тэ = 30

Ŋ_эсп=0,24 (табл. 5.4, 5.5)

16. Вычисляем расчетное сопротивление соединяющей полосы

R_{расч СП} = = =50,13 Ом

Табл 5.4

Коэффициенты экранирования соединяющих полос ŋ_эсп при расположении заземлителей по четырехугольному контуру, для

С=L_T/l_T=L_y/l_y = 1

Табл 5.5

Коэффициент экранирования соединяющих полос ŋ_эсп при расположении заземлителей в ряд, для

С=L_T/l_T = L_y/l_y = 1

17. Вычисляем общее расчетное сопротивление заземляющего устройства (труб и соединяющей полосы)

R_расч = = = 3,43 Ом

Вывод. Полученное расчетное сопротивление удовлетворяет требованиям ПУЭ, т.еR_{расч общ}<R₃ = 4 Ом. Варианты для самостоятельного решения.

В табл. 5.6 представдены варианты исходных данных для расчета защитного заземления для стационарного понижающего трансформатора 6 кВ/0,38 кВ. Данные, не вошедшие в табл. 5.6, но представленные в качестве исходных данных задач 5.1, являются общими для всех вариантов. Следует также иметь в виду, что при использовании стержневых заземлителей с сечением в форме уголка рассчитывается эквивалентный диаметр d₃ = 0.95*в, где в – размер полки уголка. Затем d₃ подставляется в расчетные формулы примера 1 вместо d_T.

Табл. 5.6

Варианты исходных данных для расчета защитного заземления для стационарного понижающего трансформатора 6кВ/0,38 кВ

Задача5.2Рассчитать ток однофазного короткого замыкания в сети напряжением до 1000 В и сглухозаземленнойнейтралью (рассчитать зануление).

Исходные данные:

1. Напряжение сети U_ф = 220В

2. Нормальный ток плавной вставки (плавного предохранителя) I_н = 125А

3. Тип и длина линии (от питающего трансформатора до потребителя): кабельная, l=200 м.

4. Типы применяемыхпронодов:

а).для нулевого проводника – стальная полоса сечения S=40х4мм²;

б).для фазных проводов – медный круглый провод сечением 25мм²

5. Мощность трансформатора, питающего линию, и схема соединения трансформатора: 400кВ*А, схема Д/У_н (треугольник - звезда).

6. Тип транформатора: понижающий 6/0,4 кВ

7. Потребитель – электродвигатель.

Расчет проводим по методике (2). Решение сводится к проверке соблюдения условия срабатывания защиты.

I_K=kI_ном (5.11)

Где I_K – ток однофазного короткого замыкания, А

k- коэффициент, принимается в зависимости от типа защиты электроустановки;

I_ном – номинальный ток плавкой вставки предохранителя или ток срабатываемый выключателя, А

Если защита осуществляется автоматическим включением, срабатывающим без выдержки времени, то k принимается в пределах 1,25-1,4. При устройстве защиты плавким предохранителем с целью быстрого отключения принимается k≥3 (во взрывоопасных помещениях k≥4). Если установка защищается автоматическим выключателем с обратной зависимостью характеристики от токоа, подобной характеристике предохранителей, то и тогда k≥3 (во взрывоопасных помещениях k≥6).

1. Определяем по (5.11) наименьшее допустимое по условиям срабатывания значения тока

I_k = 3*125=375 А

2. По табл. 5.7 находим полное сопротивление трансформатора Z_T = 0,056 Ом

3. Вычисляем сопротивление фазного проводника по формуле

R = ρ* l/S, Ом (5.12)

Где ρ – удельное сопротивление проводника, равное для меди 0,018 Ом*мм²/м, для алюминия – 0,028 Ом*мм²/м;

l- длина проводника, м;

S – сечение проводника, мм².

Табл. 5.7

Приближенные расчетные сопротивления Z_T (Ом) масляных трансформаторов по ГОСТ 11920-73 и ГОСТ 12022-69

Примечания 1.Все данные представлены для номинального напряжения обмоток высшего напряжения 6-10 кВ.

2. Данные табл.5.7 относятся к трансформаторам с обмотками низшего напряжения 380/220 В. При низшем напряжении 220/127 В значения сопротивлений, приведенные в таблице, необходимо уменьшить в 3 раза.

3.Тогда для линии длиной 200 м получаем активное сопротивление фазного проводника

R_ф = 0,018*200/25 = 0,144 Ом

4. Поскольку провод медный, принимаем внутреннее индуктивное сопротивлении фазного проводника Х_ф =0

5. Вычисляем плотность тока в стальном нулевом защитном проводнике

σ = I_k /S = 375/40.4 ≈ 2 А/мм² и σ = 2А/мм² активное r_ω и индуктивное х_ω

6. По табл. 5.3 находим для полосы сечения 40х4 мм² σ = 2А/мм² активное r_ω и индуктивное х_ω сопротивления стального проводника: r_ω=1,54 Ом/км, х_ω= 0,92 Ом/км. Тогда для линии длиной 200 м имеем:

R_нз = r_ωl = 1,54*0,2=0,308 Ом,

Х_нз = х_ωl =0,92*0,2=0,184 Ом

Табл. 5.8

Активное r_ω и индуктивное х_ω сопротивление стальных проводников при переменном токе (50Гц, Ом/км)

7.Определяем внешнее индуктивное сопротивление петли фазануль, Ом

X_n =ωL = ωμμ₀ ln Ом/км (5.13)

Где ω – угловая частота, рад.с^-1

L – индуктивность линии, Г

μ – относительная магнитная проницаемость среды

μ₀ - 4π*10^-7, Г/м – магнитная постоянная;

l – длина линии, м

D – расстояние между проводами линии, м

В практических расчетах обычно принимают X_n = 0,6 Ом/км что соответствует расстоянию между проводами 0,7 -1,0 м. Тогда в нашем случае X_μ = X_nl = 0,6*0,2 =0,12 Ом

8. Вычисляем действительное значение тока однофазного короткого замыкания, проходящего по петле фаза-нуль при замыкании фазы на корпус двигателя, из условия, что

I_k ≤ U_ф/(Z_T /3 +

I_k = 220/(0,056/3 + ) = 390А

Вывод: поскольку действительное (вычислительное) значение тока однофазного короткого замыкания превышает наименьшее допустимое по условиям срабатывания защиты значения (375 А), проводник выбран правильно, т.е обеспечена отключающая способность системы зануления.

Варианты для самостоятельного решения.

В табл. 5.9 представлены варианты исходных данных для расчета зануления. Не вошедшие в табл. 5.9 исходные данные, фигурирующие в задаче 5.1 являются общими для всех вариантов.

Табл. 5.9

Варианты исходных данных для расчета зануления

Блиц-тест: