Анализ электробезопасности сети с глухозаземленной нейтралью трансформатора (TN – C)

В нормальном режиме работы такой сети и при однофазном прикосновении человека сопротивление изоляции фаз относительно земли Z_из защитного действия от поражения человека электротоком не оказывает, так как ток I_h, проходящий через его тело, практически весь возвращается в сеть через сопротивление рабочего заземления нейтрали R_о, имеющего малое значение (для данной сети 220/380В R_о = 4 Ом, что на несколько порядков меньше Z_из).

Значение I_h можно определить по следующей формуле

В аварийном режиме работы сети (рисунок), когда одна из фаз замкнута на землю, а человек касается другой фазы, значение тока через его тело определяется по формуле

.

На практике R_зм принимает значения в диапазоне от R_o до 10 R_o.

При R_зм = R_о

.

При R_зм = 10 R_o .

Т.е. значения тока протекающего, через тело человека I_h находятся в диапазоне от  до 1,35 . Значит, в аварийном режиме работы сети с глухозаземленной нейтралью I_h может увеличиться по сравнению с нормальным режимом максимум на 35 % (что значительно меньше, чем в сетях с изолированной нейтралью).

По результатам теоретического анализа сетей напряжением до 1000В можно сделать следующие выводы.

1. Наименее опасной является сеть с изолированной нейтралью в нормальном режиме работы, но она становится наиболее опасной в аварийном режиме. Поэтому с точки зрения электробезопасности предпочтительнее является сеть с изолированной нейтралью при условии поддержания высокого уровня Z_из и недопущения работы в аварийном режиме.

2. В сети с глухозаземленной нейтралью не требуется поддерживать высокий уровень Z_из и в аварийном режиме такая сеть менее опасна, чем сеть с изолированной нейтралью. Сеть с глухозаземленной нейтралью является предпочтительнее с технологической точки зрения, так как позволяет одновременно получать два напряжения: фазное, например 220В, и линейное, например 380В (их иногда называют соответственно осветительным и силовым). В сети с изолированной нейтралью можно получить только одно напряжение – линейное.

В связи с вышеизложенным, при напряжениях до 1000В в основном применяют сети с глухозаземленной нейтралью.

Защитное заземление

Функционально различают:

1) рабочее заземление – заземление точки токоведущих частей электроустановки выполняемое для обеспечения работы электроустановки (не в целях электробезопасности), например рабочее заземление нейтрали трансформатора;

2) заземление молниезащиты – заземление молниеприёмника с целью защиты объекта от прямого удара молнии;

3) защитное заземление – заземление, выполняемое в целях электробезопасности, т.е. соединение открытых проводящих частей (ОПЧ) с заземлителем для защиты от косвенного прикосновения, от наведенного напряжения и т.п.

На практике, в большинстве случаев, это один и тот же заземлитель к которому подсоединяют и ОПЧ, и нейтрали трансформаторов, и молниеприёмники. Только при каких-либо обоснованиях (технологических, с точки зрения безопасности и т.п.) применяют три различных заземлителя, что обходится значительно дороже.

Заземление используют также для защиты от статического электричества, накапливающегося при трении диэлектриков, для защиты от электромагнитных излучений, подключая экраны к заземлителю и т.д.

Область применения защитного заземления (как основного средства защиты):

1) при напряжении до 1кВ – сети с изолированной нейтралью;

2) при напряжениях выше 1кВ – сети с любым режимом нейтрали.

В сетях с глухозаземленной нейтралью (система TN и её модификации) применение защитного заземления не эффективно с точки зрения экономических показателей. ПУЭ допускают применение защитного заземления в сетях с глухозаземленной нейтралью (система ТТ) только в тех случаях, когда условия электробезопасности в такой сети (в системе TN–C) не могут быть обеспечены. При этом ПУЭ в дополнение к защитному заземлению требуют обязательное применение устройств защитного отключения (УЗО) для защиты при косвенном прикосновении.

Принцип действия защитного заземления заключается в снижении до допустимых значений напряжений прикосновения U_h и шаговых напряжений U_ш, обусловленных замыканием на открытые проводящие части (ОПЧ). Это достигается путем снижения потенциала ОПЧ за счет малого сопротивления заземляющего устройства R_з, а также путем выравнивания потенциалов основания, на котором стоит человек и ОПЧ (подъёмом потенциала основания, на котором стоит человек, до значения, близкого к значению потенциала ОПЧ).

Т.е. за счет малого сопротивления заземляющего устройства R_з удается резко снизить потенциал ОПЧ, оказавшихся под напряжением относительно земли или напряжение прикосновения U_h. Вследствие этого значительно снижается ток, протекающий через тело человека, что и обеспечивает безопасность. Чем меньше сопротивление между ОПЧ и землей (а оно определяется сопротивлением заземляющего устройства R_з), тем ближе по величине становятся потенциалы ОПЧ и земли и, тем самым, становится меньше разность потенциалов, т.е. происходит перераспределение падений напряжения: всё меньшая часть напряжения источника питания падает на R_h, а большая часть на сопротивление изоляции Z_из.

Основные нормативные требования к величине сопротивления заземляющего устройства приведены в ПУЭ.

1. Сети с изолированной нейтралью напряжением до 1кВ. Как правило, требуется принимать значение R_з 4Ом. Допускается R_з до 10Ом, если мощность питающих сеть генераторов или трансформаторов не превышает 100 кВА.

2. Сети с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1кВ(рабочее заземление нейтрали трансформатора или генератора R_o): R_o должно быть не более 2, 4 и 8 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока.

3. Сети с эффективно заземленной нейтралью напряжением выше 1кВ(защитное заземление в сетях 110 кВ и выше): R_з<=0,5Ом

Зануление

Зануление – это преднамеренное соединение открытых проводящих частей (ОПЧ) с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора (с нулевым проводником РЕ или PEN), выполненное в целях обеспечения электробезопасности.

Назначение зануления – обеспечение безопасности работающих при замыкании на ОПЧ (защита от косвенного прикосновения).

Область применения зануления – сети напряжением до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью (система TN и ее модификации).

Применение защитного заземления в таких сетях не эффективно с точки зрения экономических показателей. Если ОПЧ соединяют с отдельным защитным заземляющим устройством R_з, не связанным с рабочим заземлением нейтрали трансформатора R_о, то для обеспечения безопасности персонала необходимо, чтобы значение сопротивления R_з было бы как минимум на порядок меньше R_о (в случае, если R_о =4Ом, то значение R_з должно быть не более 0,4Ом). Если заземляющее устройство одно и совмещает функции защитного и рабочего заземления, то для обеспечения безопасности персонала необходимо, чтобы сечение нулевого проводника (РЕ или PEN) было бы как минимум на порядок больше сечения фазного провода (L1, L2, L3). Поэтому ПУЭ допускают применение защитного заземления в сетях с глухозаземленной нейтралью (система ТТ) только в тех случаях, когда условия электробезопасности с помощью зануления в такой сети (в системе TN-C) не могут быть обеспечены. При этом ПУЭ в дополнение к защитному заземлению требуют обязательное применение устройств защитного отключения (УЗО) для защиты при косвенном прикосновении.

Принцип действия зануления заключается в превращении замыкания на ОПЧ (корпус) в однофазное короткое замыкание (т.е. замыкание между фазным и нулевым проводниками) с целью вызвать большой ток, способный обеспечить срабатывание защиты (отключающей аппаратуры) и, тем самым, автоматически отключить поврежденную электроустановку от сети. Такой защитой являются плавкие предохранители и автоматические выключатели. Другими словами можно сказать, что защита персонала от поражения электротоком при применении зануления обеспечивается совокупным сочетанием допустимых значений напряжения прикосновения U_h (или соответствующих им допустимых значений тока через тело человека I_h) и времени воздействия t, которое определяется временем срабатывания отключающей аппаратуры. Эти значения для производственных электроустановок переменного тока частотой 50 Гц приведены в таблице.

Надежное срабатывание отключающей аппаратуры (плавких предохранителей, автоматических выключателей) произойдет, если выполняется следующее условие для силы тока короткого замыкания I_кз:

I_кз ≥ k·I_ном ,

где k – коэффициент кратности номинального тока I_ном плавкого предохранителя «Пр» (указан на предохранителе) или уставки тока срабатывания автоматического выключателя.

Для плавких предохранителей k должен быть не менее 3. Для автоматических выключателей, имеющих только электромагнитный расцепитель (отсечку) k должен быть не менее 1,25÷1,4.

В случае если U_h превышает допустимое значение, существуют два пути обеспечения защиты.

Первый путь: увеличивать быстродействие защиты, там самым увеличивая U_h (применить быстродействующие автоматические выключатели, при применении плавких предохранителей – увеличить I_кз).

Второй путь: снижать напряжение прикосновения U_h до допустимых значений за счет применения повторного заземления нулевого провода R_n.

Назначение повторного заземления нулевого провода – снижение напряжения относительно земли зануленных ОПЧ в период замыкания фазы на них как при исправной схеме зануления, так и в случае обрыва нулевого провода (РЕ или PEN).

Контрольные вопросы

1. Анализ электробезопасности электроустановок с изолированной и глухозаземленной нейтралями трансформатора в нормальном и аварийном режимах работы.

2. Защитное заземление. Область применения. Принцип действия. Требования ПУЭ к величине сопротивления заземляющего устройства.

3. Защитное зануление. Область применения. Принцип действия.