Прикосновение человека к токоведущим частям трехфазной сети с гл. Клама а. Трехфазные сети с глухозаземленной нейтралью источника питания

• Название: Клама а. Трехфазные сети с глухозаземленной нейтралью источника питания
• Дата: 02.10.2021
• Размер: 318.59 Kb.
• Имя файла: Прикосновение человека к токоведущим частям трехфазной сети с гл.docx
• Тип: Лекция; #240358

ЛЕКЦИЯ

Прикосновение человека к токоведущим частям трехфазной сети с глухозаземленной нейтралью источника питания.

КЛАМА

А. Трехфазные сети с глухозаземленной нейтралью источника питания.

Уберечь человека от поражения электрическим током во время возникновения аварийных ситуаций помогает глухозаземленная нейтраль, обеспечивающая его защитное отключение. Это становится возможным за счет выравнивания потенциалов и срабатывания устройства в момент возрастания силы тока.


Глухозаземленная нейтраль

Итак, глухозаземленной нейтралью называется нейтраль генератора или трансформатора, которая подсоединена к заземляющему устройству.

На предприятиях промышленного типа наиболее целесообразными являются четырехпроводные трехфазные сети с глухозаземленной нейтралью напряжением 380/220 В со вторичной обмоткой, объединенной в звезду и наглухо соединенной нейтральной точкой с устройством для заземления.

Устройство и принцип действия сетей с глухозаземлённой нейтралью


Принцип работы источников электроэнергии, в частности, понижающих трансформаторов основан на законе взаимоиндукции и передаче энергии по магнитному сердечнику. Первичная обмотка при этом может и не иметь нулевого провода, в отличие от вторичной, где соединение его с нулём через проводник с низким сопротивлением, который можно приравнять с нулевым значением, будет являться эффективным средством защиты от поражения человека опасным для его жизни и здоровья напряжением.

Главной особенностью сетей с глухозаземлённой нейтралью является появление не только линейного, но и фазного напряжения. Что это такое и чем оно отличается друг от друга, рассмотрим на примере простой принципиальной схемы.




Фазное напряжение — это потенциал между одним из проводов линии и нулевой точкой, присоединенной к земле, то есть наглухо заземлённой. Линейное напряжение — разница потенциалов между двумя выводами линий, то есть L1 и L2, L1-L3, или же L2-L3, называется оно также межфазное. Такие источники электрической энергии в бытовых условиях имеют распространенное значение напряжения в виде 380 В — линейного, и 220 — фазного. Линейное напряжение больше фазного на √3, то есть на 1,72.

Но основная задача такой системы это не только транспортировка к потребителям напряжений двух значений при разном количестве фаз в одной системе электроснабжения, но и защита человека при пробое изоляции и появлении напряжения в точках, которые в нормальном состоянии не имеют опасного потенциала. В жилых зданиях это:

• 
  корпуса всех бытовых приборов, которые проводят электрический ток, то есть сделаны из стали или другого токопроводящего металла;
  
• 
  металлоконструкции щитовых и распределительных устройств;
  
• 
  защитная оболочка кабелей.
  

Также для обеспечения безопасности все перечисленные выше элементы должны быть заземлены, именно в этом случае опасность от использования напряжения и применения бытовых приборов в сетях с глухозаземлённой нейтралью будет минимальна. При этом для таких цепей обязательна равномерность распределения однофазных нагрузок.

Классификация сетей с глухозаземлённой нейтралью

Современная система электроснабжения имеет стандартную маркировку где помимо рабочего нулевого проводника присутствует и защитный, что и даёт определение степени защищённости.

• 
  L — фазный проводник;
  
• 
  N — рабочий ноль;
  
• 
  РЕ — защитный нулевой проводник;
  
• 
  РЕN — рабочий и нулевой проводник выполнены одним проводом.
  

Существуют несколько подсистем в цепях с источником энергии, имеющим глухозаземлённую нейтраль:

• 
  TN-C. При данной системе нулевой и защитный проводник с подстанции организован одним проводником, возле приёмника его корпус (или другие элементы, подлежащие заземлению) соединяют с данным совмещенным проводником – это называется зануление. Это устаревшая система, применялась в старых домах при СССР, сейчас для бытовых потребителей не используется, так как небезопасная. Такая система имеет существенный недостаток, так как в случае обрыва РЕN проводника на пути от питающего трансформатора до приемника электроэнергии, на зануленных корпусах оборудования появляется опасный потенциал. Используется только для защиты промышленных потребителей (об этом говорится ниже в следующем разделе).
  
• 
  TN-S. Имеет больший процент безопасности во время аварийных ситуаций. Это достигается путём разделения защитного и рабочего проводников по всей длине питающей линии, от трансформатора до распределительного электрощита (до конечного потребителя). Однако за счёт того, что приходится применять кабельную продукцию имеющую пять жил, что сильно увеличивает стоимость прокладки и бюджет на организацию электроснабжения к потребителю, применяется данная система не всегда.
  
• 
  TN-C-S. Данная система заземления является наиболее распространенной в наше время. При данной системе нулевой и защитный проводник на всей длине линии объединены в один совмещенный проводник PEN. При входе в здание данный проводник разделяется на защитный PE и нулевой N, которые дальше распределяются по потребителям (квартирам). При данной системе в случае отгорания PEN проводника до точки разделения на заземленных корпусах электроприборов появится опасный потенциал. Для предотвращения этого на всей длине линии и при входе в здание делаются повторные заземления PEN проводника и предъявляются повышенные требования к механической защите данного проводника.
  
• 
  ТТ. Данная система заземления практикуется в том случае, если линия системы TN-C-S находится в неудовлетворительном техническом состоянии и не обеспечивается достаточной безопасности предусмотренного в ней защитного заземления. Данная система заземления предусматривает монтаж индивидуального контура заземления у потребителя, при этом PEN проводник электрической сети используется только в качестве нулевого провода N.
  

Для электроснабжения однофазных и трёхфазных потребителей в промышленности и в бытовых условиях используют так называемое зануление, которое «якобы» является действенным методом, обеспечивающим автоматическое отключение электроустановки или части её, в которой произошло короткое замыкание. При занулении в цепях с глухозаземлённой нейтралью к нулевому проводу подключаются все металлические части и корпуса электрооборудования. Как работает данная защита? Дело в том, что при любом коротком замыкании на корпус цепь переходит в режим короткого замыкания, ток в цепи автоматического выключателя сильно увеличивается и аварийный участок отключается от сети.

Преимуществом такой системы являются экономия расходов на проводку защитного заземления, а также снижение стоимости кабельной продукции, так как к одной и той же цепи можно подключить и однофазные и трёхфазные электроприёмники.

Однако недостатком глухозаземлённой нейтрали, организованной по принципу защитного зануления, можно назвать недостаточность обеспечения защиты человека при пробое изоляции на корпус электроприбора во время обрыва нулевого провода, который является и защитным. И это очень важный момент — зануление является опасной мерой защиты, поэтому оно организовываться в домашних условиях ни в коем случае не должно!

Современное электроснабжение всё-таки направлено больше на безопасность, поэтому требует установки УЗО и отдельного защитного заземляющего контура, через который даже самые незначительные токи утечки будут уходить в землю, при этом не подвергая человека опасности.

TN будут называться системы с использованием глухозаземленной нейтрали для подключения защитных и нулевых функциональных проводников. Важный момент — в таких системах к нулевому проводнику, в свою очередь соединенному с нейтралью, должны быть подключены все корпусные электропроводящие детали.

Такая система отличается подключением нейтрали к контуру заземления вблизи трансформаторной подстанции. Нейтраль в этом случае не заземляется с помощью дугогасящего реактора.

Большое распространение на предприятиях электротехнической промышленности (и в других отраслях народного хозяйства) получили электроустановки с номинальным напряжением до 1000 В (220, 380 и 660 В), питаемые от понижающих трансформаторов (реже трехфазных генераторов), с глухим заземлением нейтралипо четырехпроводным трехфазным сетям. На рис. 9.1 показана упрощенная схема электроснабжения от цеховой трансформаторной подстанции номинальными напряжениями электроприемников 220 (освещение) и 380 В (электродвигатели, трехфазные электропечи и др.). Эта система удобна тем, что от одного трансформатора можно питать и осветительную нагрузку (напряжение не превышает 250 В), и силовую.



Рис. 9.1. Упрощенная схема электроснабжения от цеховой трансформаторной подстанции:

Р - разъединитель; Тр - силовой трансформатор; А - автоматический выключатель; 3 - рабочее заземление нейтрали силового трансформатора; ЗП1-ЗП3 - повторные заземления нулевого провода; ЩС - щит силовой; ЩО - щит осветительный; В - однополюсные выключатели на отходящих линиях освещения

Глухое заземление нейтрали силового трансформатора обеспечивает невозможность появления во вторичной цепи напряжения, большего номинального, даже в случае нарушения изоляции между первичной и вторичной обмотками трансформатора, так как в этом случае соответствующая фаза высоковольтной сети окажется заземленной. Замыкание на землю (на корпус) в этой сети вызовет короткое однофазное замыкание, вследствие чего поврежденный участок сети или поврежденное электрооборудование отключается максимальной токовой защитой.



Рис. 9.2. Схема, поясняющая однополюсное прикосновение чедовека в сети с глухозаземленной нейтралью

На рис. 9.2 изображена упрощенная схема, поясняющая однополюсное (однофазное) прикосновение человека в четырехпроводной сети напряжением 220/380 В с глухозаземленной нейтралью. Как видно из схемы, прикосновение человека, стоящего на земле (или на заземленной конструкции, полу), обусловливает замкнутую электрическую цепь «обмотка источника питания - провод линии - тело человека - земля - провод рабочего заземления нейтрали трансформатора (генератора)». При этом на человека будет воздействовать фазное напряжение сети 220 В. При хорошей проводимости пола и обуви практически все напряжение будет приложено к человеку по пути «рука - ноги». Если принять (в неблагоприятных условиях) сопротивление тела человека R_чел = 1000 Ом, то через него пройдет ток

I_чел = 220/1000 = 0,22 А,

т.е. ток, безусловно смертельно опасный для человека. Если же сопротивления обуви R_об и пола R_п в сумме окажутся соизмеримыми с сопротивлением тела человека, то ток через человека



будет меньше. Например, при значительном сопротивлении участка цепи «обувь - пол», порядка 10 000 Ом, ток через человека будет



т. е. значительно менее опасным. Но все же такой ток может вызвать боль и судорожное сокращение мышц и в ряде случаев - невозможность освободиться от воздействия электрического тока. Данный пример показывает, что практически однофазное прикосновение человека в сети с глухозаземленной нейтралью при напряжении 220 В всегда опасно. Оно может быть безопасным для сети 220/380 В, если человек будет стоять на изолирующем основании с большим электрическим сопротивлением (резиновый коврик, пластиковый пол и т. п.).

I_h    U_ф/(R₀ + R_h),                                             (9)

Так как R₀« R_h , то

I_h    U_ф/R_h,(10)

или, учитывая соотношение (3),

I_h    U_ф/(R_чл+ R_об+ R_oc).                                      (11)

Следовательно, в сети с глухозаземленной нейтралью в случае прикосновения человека к фазе  I_h не зависит от сопротивления изо­ляции и емкости проводников A , B , С, N относительно земли. При этом решающее значение имеют сопротивление обуви и основания, на котором стоит человек. Применение электрозащитных средств (диэлектрических галош, изолирующих подставок, диэлектрических ковров), а также наличие диэлектрического пола в помещении по­зволяет обеспечить требуемый уровень безопасности.

При неблагоприятных обстоятельствах (например, при сырой обуви и токопроводящих полах) можно принять R_об = R_oc = 0. Тогда

I_h    U_ф/ R_чл.                                      (12)

Это представляет серьезную опасность для жизни человека.

Однофазное замыкание на корпус, присоединенный к нулевому проводу, в сети с глухозаземленной нейтралью источника вследствие протекания большого тока должно вызвать срабатывание максимальной токовой защиты и быстрое отключение аварийного участка или электрооборудования. С целью обеспечения автоматического отключения аварийного участка проводимость фазных и нулевых защитных проводников должна быть выбрана такой, чтобы при замыкании на корпус или на нулевой защитный проводник возникал ток короткого замыкания, превышающий не менее чем:

- в 3 раза номинальный ток плавкого элемента ближайшего предохранителя;

- в 3 раза номинальный ток нерегулируемого расцепителя или уставки тока регулируемого расцепителя автоматического выключателя.

Сети с глухозаземленной нейтралью имеют малое сопротивление между нейтралью и землей, поэтому при прикосновении человека к фазе ток через нее практически не зависит от сопротивления изоляции и емкости сети относительно земли.

Если замыкание на землю (на корпус) произойдет через значительное сопротивление, то ток в цепи замыкания может оказаться недостаточным для срабатывания защиты и установка будет продолжать работать в режиме однофазного замыкания на землю. В этом случае напряжение поврежденной фазы относительно земли несколько уменьшается, а двух других неповрежденных фаз соответственно увеличивается, и прикосновение к одной из них становится еще более опасным.

На рис. 9.3, а приведена поясняющая схема для этого случая. Из расчетной схемы рис. 9.3, б и векторной диаграммы напряжений на рис. 9.3, в видно, что в месте замыкания на землю будет проходить ток

(9.2)

где U_ф - фазное напряжение источника; R_зaм- сопротивление в месте замыкания на землю; R₀- сопротивление рабочего заземления нейтрали источника питания. При этом напряжение нейтрали относительно земли, которое в нормальных условиях близко к нулю, повысится и будет

U₀= I_замR₀, а напряжение провода (фазы), получившего замыкание па землю,

U_зам = I_замR_зам.

Оба эти напряжения в сумме равны фазному напряжению источника питания и пропорциональны сопротивлениям R₀ и R_зам. Напряжения исправных фаз относительно земли и, следовательно, напряжение, приложенное к человеку, коснувшемуся исправной фазы, будет

(9.3)

Рис. 9.3. Прикосновение к одной фазе в четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью при наличии неотключенного замыкания на землю

Например, в сети 220/380 В в случае однофазного замыкания на землю с сопротивлением, равным R_зам=6 Ом, и сопротивлением рабочего заземления нейтрали R₀=4 Ом (допустимым согласно ПУЭ) ток замыкания на землю будет



Если ток срабатывания защитного аппарата (автоматического выключателя, плавкого предохранителя) больше этого тока, то защита не срабатывает и аварийное состояние сети сохраняется длительно

При этом напряжения поврежденной фазы и нейтрали относительно земли будут U_зам.ф=22*6=132В; U₀=22*4=88В.

Напряжение исправных фаз (напряжение, под которым окажется человек в момент их касания) относительно земли будет



что представляет для него значительно большую опасность, чем прикосновение в нормальных условиях при исправной изоляции фаз. Данный пример показывает, что в сетях с глухозаземленной нейтралью необходимо обеспечить быстрое отключение участка электрической сети с поврежденной изоляцией, что достигается правильным выбором защитного аппарата.

В нормальном режиме значительно безопаснее является сеть с изолированной нейтралью, малой емкости и с надежной изоляцией по сравнению с сетью с глухозаземленной н нейтралью.

В аварийном режиме сети с изолированной нейтралью является, наоборот, более опасными, ибо в этом случае человек попадает под линейное напряжение. При замыкании одной из фаз на землю в сети устанавливается режим, при котором одна из фаз приобретает потенциала земли, а две другие - линейные потенциалы.

Сети с глухозаземленной нейтралью следует применять там, где невозможно обеспечить надежную изоляцию проводов по причине высокой влажности, агрессивности среды и т.п., или когда нельзя быстро найти ты и устранить повреждения изоляции, когда емкостные токи - большие (кабельные линии) - это городские и сельские сети, сети крупных предприятий.

Двухфазное прикосновение человека к сети, независимо от режима нейтрали, всегда опасно, потому что человек оказывается под линейным напряжением Uл.

Электроустановки напряжением выше 1000 В, а именно номинальным напряжением 110, 220 кВ и выше, как правило, работают с эффективно заземленной нейтралью источника питания (трансформатора). Они характеризуются большими токами замыкания на землю. В этих сетях при однофазном замыкании на землю протекают токи, близкие по значению к токам однофазного короткого замыкания, причем должна мгновенно срабатывать на отключение максимальная токовая защита. Токоведущие части электрооборудования в сетях 110 кВ и выше обычно располагаются на недоступной при случайном прикосновении для человека высоте или надежно ограждаются.