Розділ 5. СИСТЕМИ ЗАЗЕМЛЕННЯ,АВТОМАТИКИ ТА ІНШІ ЗАХИСНІ ЗАСОБИ І ЗАХОДИ

____________________________________________________________

“Притягальна сила науки полягає в її системній досконалості

тау потребі освіченої людини у творчій діяльності”

(М.П. Костюченко)

__________________________________________________________________________________________________5.1. Фазні, заземлювальні та захисні провідники

_____________________________________________________________________________

Поняття «струмоведуча частина», «провідник». Провідник середньої точки (М-провідник).Нейтральна точка (“нейтраль”) обмоток джерела (або споживача) електричної енергії. Нейтральний провідник (N-провідник).Лінійний або фазний провідник. Захисний провідник. Захисний заземлювальний провідник. РЕ-провідник. РЕN-провідник. Схеми мережі з РЕ- і РЕN-провідниками.

Мінімальний переріз РЕ- провідника, який являє собою жилу кабелю або ізольований провід живлення. Допустимий тривалий струм для проводів і шнурів з робочою ізоляцією та мідними жилами.

__________________________________________________________________________________________

Нехай вторинні обмотки силового трансформатора з’єднані за схемою “зірка”. Вказані обмотки в процесі нормальної роботи знаходяться під напругою, тому в загальному випадку кожна з них має назву “струмоведуча частина”.

Більш точніше, “струмоведуча частина” – провідник або провідна частина, які знаходяться під напругою в процесі їх нормальної роботи, включаючи нейтральний провідник N, проте не PEN-провідник. Частинним випадком струмоведучої частини є провідник – провідна частина, яка призначена для проведення електричного струму певного значення. На рис. 3.3 і 3.12 показані лінійні провідники L₁, L₂, L₃ трифазної мережі, які реально являють собою струмопровідні проводи, електрично зв’язані з фазними обмотками трансформатора (буква Lвід англ. Linе– лінія).

 Точка 1 з’єднання фазних обмоток трансформатора являє собою загальну точку між двома симетричними елементами кола, протилежні кінці яких приєднані до різних лінійних провідників цього ж кола, і має назву “середня точка” джерела живлення. Якщо до цієї точки приєднати провідник 2, то він очевидно буде як провідник середньої точки (М-провідник) – провідник в електроустановках напругою до 1 кВ, електрично з’єднаний зі середньою точкою джерела живлення та використовується для розподілу електричної енергії. Зазначимо, що буква М (від англ. medium– середній) означає безпосередній зв'язок відкритих провідних частин електроустановки з середньою точкою джерела живлення.

При симетричному навантаженні джерела живлення (силового трансформатора) середня точка 1 є нейтральною. Нейтральна точка (“нейтраль”) обмоток джерела (або споживача) електричної енергії є точка, напруга якої відносно всіх зовнішніх виводів обмотки одинакові за абсолютним значенням. Зокрема, нейтраль обмотки – загальна точка обмоток фаз трифазного трансформатора, з’єднаних в “зірку”.

Нейтральний провідник (N-провідник) або старий термін “нульовий робочий провідник” – провідник в електроустановках напругою до 1 кВ, електрично з’єднаний з нейтральною точкою джерела живлення та використовується для розподілу електричної енергії. Нейтральний провідник відноситься до струмоведучої частини. Зазначимо, що буква N (від англ. Neutral – нейтраль) означає безпосередній зв'язок відкритих провідних частин електроустановки з точкою заземлення джерела живлення.

Очевидно, лінійний або фазний провідник L_i (i = ) – провідник, який в нормальному режимі роботи електроустановки знаходиться під напругою і використовується для передачі і розподілу електричної енергії, проте не є провідником середньої точки або нейтральним провідником (рис. 3.12). М-провідник в даній схемі виконує функцію заземлювального провідника – провідника, який з’єднує заземлювальний пристрій 4 з певною точкою електроустановки (обладнання, системи). Очевидно, що заземлювальний провідник виконує робочу функцію, тобто має призначення забезпечення функціонування електроустановки. У свою чергу, заземлена нейтральна точка 1 має назву нульової точки, зважаючи на те, що на неї подається нульовий потенціал землі.

Відповідно ПУЕ, у всіх випадках мінімальний поперечний переріз заземлювального провідника повинен бути не менше 6 мм²– для міді, 16 мм²– для алюмінію, 50 мм²– для сталі.

Заземлений режим нейтралі застосовують для силових трансформаторів класу напруги 110, 220, 330, 500, 660, 750, 1150 кВ. При цьому схема і група з’єднання двообмоткових трансформаторів Y_н/D-11, де знак Y_н позначає з’єднання кінців первинної обмотки за схемою “зірка” з виведеною нейтральною точкою, D– з’єднання кінців вторинної обмотки за схемою “трикутник” [28]. Зазначимо, що для сформаторів невеликої потужності напругою 10 / 0,4 і 6 / 0,4 кВ застосовують групи сполучення обмоток Y / Y_н , де знак Y позначає з’єднання кінців первинної обмотки за схемою “зірка”.

З’єднувати обмотки зіркою слід при високих напругах, оскільки фазна напруга U_ф в менша за лінійну U_л (U_л  = U_ф), що дає змогу зменшити вимоги до ізоляції обмотки. З’єднання трикутником застосовують при відносно низьких напругах і великих струмах, що дає змогу зменшити переріз проводів обмоток, оскільки в цьому разі фазний струм у проводах обмотки менший у  рази за лінійний струм (І_л= ×І_ф). І, нарешті, при несиметричних режимах використовують трифазні трансформатори з фазами обмотки вищої напруги, з’єднаними зіркою, і фазами обмотки нижчої напруги – зигзагом.

Відповідно ГОСТ 11677-75, група з’єднання обмоток трифазних трансформаторів показує величину кута зсуву вектора лінійної електрорушійної сили (ЕРС) обмотки низької напруги (НН) по відношенню до вектора лінійної ЕРС обмотки високої напруги (ВН). З’єднання фаз обмоток трансформатора за схемою Y / Y кут зсуву векторів відповідних лінійних напругU_abі U_ABдорівнює нулю і такий трансформатор відноситься до групи 0. При з’єднанні фаз за схемою Y/D цей же кут дорівнює 330° = 30°× 11 і трансформатор відноситься до групи 11. Кут зсуву завжди відлічується від вектора лінійної напруги первинної обмотки U_ABза часовою стрілкою до однойменного вектора вторинної обмотки U_ab. На рис. 3.4 зображені типові схеми та групи з’єднання обмоток двохобмоткових силових трансформаторів: “зірка – зірка з виведеною нейтральною точкою” (а), “зірка – трикутник” (б), “зірка з виведеною нейтральною точкою – трикутник” (в), “зірка –зигзаг” (г), “трикутник – зірка з виведеною нейтральною точкою” (д).

У відповідності з ГОСТ 30331.2 вводяться такі визначення та умовні позначення (рис. 4.7):

– провідник середньої точки (М - провідник) і нейтральний провідник(N-провідник) – провідники, призначені для розподілу електричної енергії та нормального режиму функціонування (роботи) електричної мережі;

– захисний провідник – провідник, призначений для забезпечення безпеки людини;

– захисний заземлювальний провідник – заземлювальний провідник, призначений для захисного заземлення;

– РЕ-провідник (від англ. earth– земля, protective earthing–захисне заземлення) – захисний провідник в електроустановках напругою до 1 кВ, призначений для захисту від ураження електричним струмом;

– РЕN-провідник– провідник в електроустановках напругою до 1 кВ, який об’єднує у собі функції захисного (РЕ-) і нейтрального (N-) провідників.

Як захисні провідники, зокрема РЕ – провідники, в електроустановках напругою до 1 кВ можна використовувати [45]:

§ спеціально передбачені для цього провідники (жили багатожильних кабелів і проводів; ізольовані чи неізольовані провідники, прокладені в захищеній конструкції (трубі, коробі, лотку) сумісно з фазними провідниками лінії живлення;

§ стаціонарно прокладені ізольовані чи неізольовані провідники);

§ відкриті провідні частини (алюмінієві оболонки кабелів; свинцеві оболонки кабелів, за умови обґрунтування відповідними розрахунками;

§ металеві труби електропроводок; металеві короба і лотки електропроводок, за умови, коли їх конструкція допускає таке використання (вказано в документації виробника;

§  металеві оболонки й опорні конструкції комплектних пристроїв і шино проводів, які входять в склад електроустановки напругою до 1 кВ);

§ деякі сторонні провідні частини (металеві конструкції будинків і споруд (ферми, колони тощо); стальна арматура залізобетонних будівельних конструкцій будинків і споруд; металеві конструкції виробничого призначення (підкранові рейки, галереї, площадки, шахти ліфтів і підйомників, обрамлення каналів тощо).

Вказані вище провідники можна використовувати за умови їх неперервності (електричного кола), захищеності від механічних, хімічних й електрохімічних пошкоджень, застосування тільки як захисні, неможливості демонтажу без відому персоналу, експлуатуючого електроустановку.

Не допускається використовувати як захисні провідники наступні провідні частини:

– труби газопостачання, трубопроводи горючих або вибухонебезпечних речовин і сумішей;

– труби водопостачання, каналізації та центрального опалення;

– несучі троси для тросової проводки;

– свинцеві оболонки кабелів і проводів;

– металеві оболонки ізоляційних трубок і трубчатих проводів, металорукава тощо;

– конструктивні частини, які можуть підлягати механічному пошкодженню в нормальних умовах експлуатації.

Ізоляції захисних провідників не вимагається, за винятком в місцях де можливе пошкодження ізоляції фазних провідників (в цих місцях ізоляція захисних провідників повинна бути рівною ізоляції фазних провідників). РЕ – провідники необхідно, як правило, прокладати в загальній оболонці з фазними провідниками або поряд з ними (ця вимога є обов’язковою, якщо для захисту від ураження електричним струмом використовується пристрої захисту від надструму).

Мінімальний поперечний переріз S, мм РЕ – провідника визначається за формулою:

                                                        S = ,                                                     (5.1)

де І – струм КЗ, який забезпечує час відключення пошкодженого кола захисним апаратом (табл. 4), або час не більше 5 с; t – час спрацьовування захисного пристрою, с; k – коефіцієнт, значення якого залежить від матеріалу РЕ – провідника, його ізоляції, початкової та кінцевої температур (див ПУЕ, табл. 1.7.7 –1.7.11). Якщо РЕ- провідник являє собою ізольований провід живлення або жилу кабеля, то його мінімальний поперечний переріз визначається за табл. 4.2.

Таблиця 4.2

Мінімальний переріз РЕ- провідника, який являє собою жилу кабелю або

ізольований провід живлення

Переріз мідних РЕ- провідників, які не входять у склад кабелів або проводів живлення і прокладені не в загальній обгороджувальній конструкції (трубі, коробі, лотці) з фазними провідниками, у всіх випадках повинно бути не менше ніж:

· 2,5 мм² – при наявності механічного захисту;

· 4 мм² – при відсутності механічного захисту.

Переріз окремо прокладених алюмінієвих РЕ – провідників повинно бути не менше 16 мм².

Захисні провідники допускається прокладати в землі, в підлозі, по краю фундаментів технологічних установок, а також безпосередньо по стінам в сухих приміщеннях без агресивного середовища. У зволожених, сирих і особливо сирих приміщеннях, а також в приміщеннях з агресивним середовищем захисні провідники необхідно прокладати на відстані від стін не менше 10 мм.

Не допускається прокладати в землі неізольовані алюмінієві захисні провідники. Неізольовані захисні провідники належить захищати від корозії, а також від механічних пошкоджень, якщо вони перетинаються з кабелями, трубопроводами тощо, а також в місцях їх уводу в будинок, проходу через стіни та перекриття.

Захисні провідники повинні мати кольорове позначення поперемінними поздовжніми та поперечними жовтими та зеленими смугами однакової ширини.

РЕN-провідники за перерізом повинні відповідати вимогам табл. 4.1, мати ізоляцію, яка рівнозначна ізоляції фазних провідників. Ізолювати РЕN-шини в комплектних розподільних пристроях (КРП) не вимагається.

В системі TN (див. далі) для трифазних повітряних і кабельних ліній, жили яких мають переріз не менше 10 мм² для мідних і 16 мм² – для алюмінієвих провідників, функції захисного (РЕ-) і нейтрального (N-) провідників можна поєднувати в одному РЕN-провіднику за умови, що розглядувана частина електроустановки не захищена пристроєм захисного відключення (ПЗВ).

З’єднання та приєднання фазних, заземлювальних, РЕ-провідників повинні забезпечити неперервність електричного кола. З’єднання стальних провідників рекомендується здійснювати за допомогою зварювання. У випадку виконання заземлювальних пристроїв з використанням штучних мідних заземлювачів або заземлювачів з чорної сталі з покриттям для з’єднання заземлювачів між собою і приєднання до них заземлювальних провідників можуть застосовуватися спеціальні різьбові з’єднання, виготовлені за технічними умовами або які мають сертифікат відповідності. З’єднання належить захищати від корозії та механічного пошкодження. Для болтових з’єднань необхідно забезпечити заходи проти послаблення контакту. При з’єднанні провідників із різних матеріалів слід передбачити заходи проти можливої електролітичної корозії. З’єднання повинні бути доступні для огляду та виконання випробувань, за винятком з’єднань: заповнених компаундом або герметичних; які знаходяться в підлозі, стінах, перекриттях, землі тощо; які є частиною обладнання та виконаних у відповідності зі стандартами або технічними умовами на це обладнання.

Приєднання заземлювальних провідників і РЕ- провідників до відкритих провідних частин необхідно виконувати шляхом зварювання або болтового з’єднання. При використанні природних заземлювачів для заземлення електроустановок і сторонніх провідних частин як РЕ-провідники, контактні з’єднання необхідно здійснювати методами, що передбачені ГОСТ 12.1.030. З’єднання захисних провідників електропроводок і повітряних ліній електропередачі необхідно здійснювати такими ж методами, що і з’єднання фазних провідників. Розетка і вилка штепсельного з’єднувача повинні мати спеціальні захисні контакти для приєднання до них РЕ-провідників. Металевий корпус штепсельної розетки необхідно приєднувати до захисного контакту цієї розетки.

Захисні провідники, приєднані до обладнання, яке підлягає частому демонтажу або встановленому на рухливих частинах або які піддаються вібрації і струсу, повинні бути гнучкі.

Не допускається включати комутаційні апарати в коло РЕ- і РЕN-провідників, за винятком випадку живлення електроприймачів за допомогою штепсельних з’єднань.

Допускається одночасно відключати фазний та захисний провідники однофазної лінії електропередачі за умови, що поділ РЕN-провідника на РЕ-і N- провідники здійснений до ввідного захисного комутаційного апарату.

Приєднання кожної відкритої провідної частини електроустановки до РЕ-провідника або до захисного заземлення повинно виконуватися за допомогою окремих відгалужень. Послідовно включати в РЕ-провідник або заземлювальний провідник відкриті провідні частини не допускається.

Якщо розглядати тільки активний опір власне провідника та активне навантаження, то робота змінного струму на опорі r перетворюється в теплоту Q, інтегральний вираз якої за проміжок часу∆t визначається формулою Джоуля-Ленца:

                                                      Q = ∆A=I·U·∆t = I²·r·∆t ,                                       (5.2)

де I = I_m/ – дійсне значення сили змінного струму, I_m– його амплітудне значення, U=U_m/ – дійсне значення напруги змінного струму,U_m – його амплітудне значення, T– період змінного струму (T = 1 / f , де f = 50 Гц).

Нагрівання провідника поперечного перерізу обмежує силу струму, яка в ньому може проходити. Допустима густина струму для проводу з мідними жилами при нормальному режимі роботи мережі дорівнює j_д= 8 А/мм², а це відповідає існуючому поперечному перерізу жили проводу q= I / j_д= 20,1 А/ 8 А/мм²»q₀ =2,5 мм² та задовольняє умовам нагріву. 

Вказані обмеження висвітлені в ПУЕ. Допустимий тривалий струм I_доп. для проводів і шнурів з резиновою та полівінілхлоридною ізоляцією, мідними жилами, які мають поперечний переріз струмопровідної жили q та прокладених відкрито наведено в табл. 4.3.

Таблиця4.3

Допустимий тривалий струм для проводів і шнурів з робочою ізоляцією

та мідними жилами