Загальні відомості про системи заземлення

Тип системи заземлення. Основні типи та види систем заземлення (схемне рішення, аналіз та сфера використання). TN–система. Система TN- S. Система TN- C. Система TN- C- S. Система TT. Система IT.

Живлення електроустановок напругою до 1 кВ у системі заземлення ІT.

Нова редакція розділу 1.7 “Заземлення та захисні заходи електробезпеки” ПУЕ під терміном “система” розуміє зв’язані між собою джерело живлення (генератор електростанції або силовий трансформатор), повітряна або кабельна ЛЕП, приймачі (споживачі) електроенергії (електрообладнання, електродвигуни, електричні джерела світла, електротермічне обладнання тощо), а також елементи заземлення. Декомпозиція раціональних способів заземлення в різних мережах визначає певний тип заземлення системи [45].

 Системи заземлення визначається певним типом. Тип системи заземлення –показник, що характеризує пристрій нейтрального провідника (N-провідника) або провідника середньої точки (М - провідника) і з’єднання з землею струмопровідних частин джерела живлення (генератора, силового трансформатора) і відкритих частин в електроустановках напругою до 1 кВ.

Головною метою застосування систем заземлення є електробезпека. У відповідності з ГОСТ 30331.2 прийняті наступні системи заземлення:

1. Система TN та її різновиди – TN- S, TN- C, TN- C- S;

2. Система TT.

3. Система IT.

Коротко розглянемо названі системи заземлення.

Система TN

Система TN–система, в якій мережа живлення має глухе заземлення однієї точки струмопровідних частин джерела живлення, а електроприймачі та відкриті провідні частини електроустановки приєднуються до цієї точки за допомогою відповідно N- або М- і захисного РЕ – провідників. Зазначимо, що буква T (від лат. terra– земля) означає безпосереднє приєднання однієї точки струмопровідних частин джерела живлення до заземлюючого пристрою. У трифазних мережах такою точкою, як правило, є нейтраль джерела живлення (якщо нейтраль недоступна, то заземлюють фазний провідник), в трипровідних мережах однофазного струму і постійного струму – середня точка, а в двохпровідних мережах – один із виводів джерела однофазного струму або один із полюсів джерела постійного струму.

Зазначимо, що термін міжнародних стандартів “нейтральний провідник”в системі TN являється синонімом відповідного терміну “нульовий робочий провідник”, який застосовувався в попередніх редакціях ПУЕ, а термін “захиснийпровідник” в системі TN являється синонімомтрадиційного терміну “нульовийзахисний провідник”.

Система TN- S

Система TN- S– різновид системиTN, в якій N- або М- і РЕ – провідники розподілені по всій мережі (рис. 5.1, а). Обмотки джерела живлення електрично з’єднані зіркою або трикутником. Зазначимо, що буква S(від англ. separate– розділяти) означає, що функції N- і РЕ провідників виконують окремі провідники.

Система TN- C

Система TN- C– різновид системиTN, в якій N- або М- і РЕ – провідники з’єднані в одному РЕN– провіднику по всій мережі (рис. 12, б). Обмотки джерела живлення електрично з’єднані зіркою. Зазначимо, що буква С (від англ. combine– об’єднувати) означає, що функції N- і РЕ- провідників виконує один РЕN– провідник.

Система TN- C- S

Система TN- C- S– різновид системиTN, в якій N- або М- і РЕ – провідники з’єднані в одному провіднику в частині мережі починаючи від джерела живлення (рис. 12, б). Обмотки джерела живлення електрично з’єднані зіркою.

Система TT

Система TT– система, одна точка струмопровідних частин джерела живлення якої заземлена, а відкриті провідні частини електроустановки приєднані до РЕ – провідника, з’єднаному з заземлювачем, електрично незалежним від заземлювача, до якого підключена точка струмопровідних частин джерела живлення (рис. 12, в). Обмотки джерела живлення електрично з’єднані зіркою або трикутником. Зазначимо, якщо буква Tйде другою, то вона означає безпосередній зв'язок відкритих провідних частин електроустановки з землею незалежно від характеру зв’язку джерела живлення з землею.

Система IT

Система IT– система, в якій система живлення ізольована від землі або заземлена через прилади або (і) пристрої, які мають великий опір, а відкриті провідні частини електроустановки приєднані до заземленого РЕ – провідника (рис. 12, г). Обмотки джерела живлення електрично з’єднані зіркою або трикутником. Зазначимо, що перша буква I(від англ. isolated– ізольований) означає, що всі струмопровідні частини джерела живлення ізольовані від землі або одна точка заземлена через великий опір (наприклад, через опір приладів контролю ізоляції).

В розглянутих системах заземлення трифазних електроустановок змінного струму напругою до 1кВ прийняті умовні позначення, які зображені на рис. 5.2.

Живлення електроустановок напругою до 1 кВз використанням системи заземлення ІT – це традиційна мережа з ізольованою нейтраллю (рис. 3.6, 3.17).

У вказаній мережі здійснюється захисне заземлення – виконання електричного з’єднання між певною точкою системи, установки або обладнання і локальною землею з метою забезпечення електробезпеки.

Система заземлення ІTрекомендується виконувати при підвищених вимогах до безпеки та безперебійного живлення електроприймачів.

В електроустановках з використанням системи заземлення ІT захист від непрямого дотикання (рос. термін “косвенного прикосновения”) при першому замиканні на землю належить здійснювати захисним заземленням в поєднанні з неперервним контролем ізоляції мережі з дією на сигнал або в випадку необхідності – на відключення. Перше замикання на землю слід усувати в найкоротший час. У випадку подвійного замикання на землю відкриті провідні частини захист від непрямого дотикання слід здійснювати шляхом застосування автоматичного відключення живлення.

Захисна дія заземлення ґрунтується на зниженні напруги дотику U_д при переході напруги на неструмоведучі частини та досягається зменшенням потенціалу корпусу відносно землі за рахунок малого опору виносного заземлення R_з , як це показує формула 5.3. Для забезпечення безпеки необхідно виконувати заземлення з малим опором. Відповідно ПУЕ, опір заземлювального пристрою, що використовується для захисного заземлення відкритих провідних частин в електроустановках з ізольованою нейтраллю, повинно відповідати умові:

                                                           R_з£U_д.д. / І ,                                                        (5.3)

де І – загальний струм замикання на землю, U_д.д. – допустима напруга дотику, значення якої в приміщеннях без підвищеної небезпеки приймається рівною 50 В змінного струму, а в приміщенні з підвищеною небезпекою, особливо небезпечних і в зовнішніх установках – 25 В або 12 В при наявності вимог відповідних розділів ПУЕ та інших нормативних документів.

Виконання умови (5.1) може не перевірятися, якщо опір заземлювального пристрою не перевищує:

· 4 Ом, якщо потужність джерела живлення (генератора або силового трансформатора) вище 100 кВ × А;

· 10 Ом, якщо потужність джерела живлення або паралельно працюючих джерел живлення не більше 100 кВ × А.

На кожний заземлювальний пристрій, який знаходиться в експлуатації, повинен бути паспорт, який включає схему заземлення, технічні дані, а також дані про результати періодичної перевірки стану заземлення, можливі зміни, внесені в результаті ремонтів тощо.

Технічна перевірка стану заземлювального пристрою полягає в огляді видимої частини на відсутність обривів, надійності з’єднань природних і штучних заземлювачів, а також вимірювання опору заземлювального пристрою.

Для вимірювання опору струму розтікання заземлювачів застосовують схему амперметра – вольтметра, а також схему зі спеціальними вимірювачами заземлень. До вимірювачів заземлень відносяться прилади МС-08, М1103, М 416, ЭКЗ-01, ЭКО-200, АНЧ-3, ИС-10, КТИ-10, MRU-100 (MRU-101) та ін. Найчастіше використовують омметр М416. Ці прилади занесені в державний реєстр засобів вимірювання України.

Студентам рекомендується ознайомитися з методами вимірювання опору заземлювачів за літературою [25; 37; 58].

_____________________________________________________________________________

5.3. Аналіз небезпеки доторкання людини до струмоведучих частин під напругою у системах заземлення ТТ і ІТ

_____________________________________________________________________________

Три основні схеми попадання людини під напругу. Основні заходи захисту від непрямого доторкання в системах ТТ і TN Живлення електроустановок напругою до 1кВ зі застосуванням системи заземлення ТТ. Аналіз небезпеки доторкання людини до струмоведучих частин під напругою у системізаземлення TN. Небезпечність мереж змінного струму з ізольованою нейтраллю, яка має неякісну ізоляцію і велику ємність. Живлення електроустановок напругою до 1 кВ у системі заземлення TN. Алгоритм розрахунку системи заземлення TN. Небезпека доторкання людини аварійній мережі з ізольованою нейтраллю до фазного проводу мережі. Заземлювальні пристрої електроустановок напругою вище 1 кВ.

_____________________________________________________________________________

Розрізняють три основні схеми попадання людини під напругу:

1) однофазне ввімкнення людини в електричну мережу;

2) двофазний дотик;

3) ввімкнення людини під напругу кроку.

Живлення електроустановок напругою до 1кВ зі застосуванням системи заземлення ТТдоцільно виконувати у випадку розширення системи електропостачаннябез належної перевірки вимог до автоматичного відключення живлення. Систему ТТ доцільно виконувати в електроустановках мобільних (інвентарних) споруд з металу або з металевим каркасом для вуличної торгівлі та побутового призначення.

Вказану вище вимогу належить виконувати також в електроустановках з системою TN у випадку застосування пристроїв захисту, які реагують на надструми.

Живлення електроустановок напругою до 1кВ зі застосуванням системи заземлення ТТ належить виконувати у випадку, якщо замикання на землю або на заземлені частини може бути джерелом підвищеної небезпеки для людей. Мається на увазі випадок непряме доторкання – електричний контакт людини з відкритою провідною частиною (наприклад, корпусом електродвигуна), що виявився під напругою в результаті пошкодження ізоляції. Вказане відноситься до робіт на торф’яних розробок, вибухобезпечних зон тощо; окрім цього, сюди відносяться роботи (технологічні процеси), в яких відключення кола живлення з одинарним замиканням може призвести до небажаних наслідків.

Для електроустановок системи ІТ і TT основними заходами захисту від непрямого доторкання повинні бути (ПУЕ, С.73):

· захисне заземлення відкритих провідних частин електроустановкив поєднанні з неперервним контролем ізоляції струмоведучих частин з дією на сигнал при першому замиканні струмоведучих частин на землю;

· автоматичне відключення живлення при виникненні другого замиканні (подвійного) на землю у випадку, коли не усунуто перше.

У відповідності з ПУЕ, опір заземлювального пристрою , Ом, яке використовують для захисного заземлення відкритих частин в електроустановках з ізольованою нейтраллю, у випадку одиничного замикання струмоведучої частини на заземлену повинно відповідати умові:

(5.4)

де допустима напруга дотику, значення якого в приміщенні без підвищеної безпеки дорівнює 50 В (електроустановки змінного струму) і 120 В – для постійного струму; повний струм замикання на землю (на заземлену провідну частину).

Проаналізуємо фізику роботи вказаних схем у мережах до 1кВ. При цьому скористаємосярезультатами побудовимоделей струмів I_h, які проходять через тіло людини при різних стандартизованих схемах і режимах роботи мережі [15].

Розглянемо трифазну повітряну мережу напругою до 1кВ з ізольованою нейтраллю малої протяжності та відповідно невеликої ємності, якою можна нехтувати (С_а = С_в = С_с» 0) та вважати, що повний опір фази відносно землі дорівнює активному опору ізоляції, тобто Z = r , де r= r_а= r_в= r_с (рис. 5.3). До мережі підключений заземлений через опір R_зелектродвигун, якого торкається людина опором R_h.

Як можна показати [15], у випадку замикання на заземлений корпус двигуна однієї з фаз трифазної мережі, фазною напругою U_ф, через людину проходить струм

                                         I_h= .                                                      (5.5)

Як видно з формули (5.5), струм через людину I_h буде тим менше, чим менше опір заземлення R_з . Людина і заземлювач виявляються включеними в коло паралельно, тому U_к = I_h×R_h = І_з×R_з . Звідси

                                                    I_h = І_з×R_з / R_h                                                                                   (5.6)

Відповідно ПУЕ опір заземлюючого пристрою в мережі з ізольованою нейтраллю R_з£ 4 Ом, тому R_з / R_h = 4 Ом / 1000 Ом = 1 / 250. Це означає, що через людину пройде струм, сила якого в 250 разів менша, ніж струм, що пройде через заземлювач.

Таким чином, виносне заземленнязабезпечує безпеку людини за умови, коли напруга на корпусі не перевищує допустиме значення при аварійному режимі.

Наприклад, за тривалості дії струму Dt > 1c напруга дотику U_д  не повинна перевищувати 20 В (ГОСТ 12.1.038-82) [11]. 

Розглянемо реальну мережу до 1 кВ з ізольованою нейтраллю джерела живлення. Така мережа не має зв’язку з землею і тому кожна ділянка проводу крім активного опору ізоляції r (опір витоку проводу мережі) має ємність С відносно землі. Активні опори ізоляції та ємності в загальному випадку несиметричні r₁¹r₂¹r₃ , С₁¹ С₂¹ С₃ та розподілені по всій довжині кожного проводу мережі.

Проаналізуємо однофазне ввімкнення людини в дану електричну трифазну мережупри нормальному режимі роботи (рис. 5.4).

Ємності фазних проводів кабельної мережі відносно землі залежать від їх довжини, діелектричної проникності ізоляції та її товщини. Для повітряних ЛЕП – від їх довжини та висоти підвісу проводів. Ці параметри для всіх трьох фазних провідників приблизно однакові і тому можна вважати ємності симетричними, тобто С₁ = С₂ = С₃ = C. За умови симетричності також опорів ізоляції r₁ = r₂ = r₃ = rможна отримати вираз для струму в комплексній формі , що проходить через людину [15, с. 176]:

                              , ,                           (5.7)

де Z– повний опір проводу відносно землі в комплексній формі; ω = 2π f;j– уявне число ( j = ). В дійсній формі цей струм має вираз:

                                  I_h=.                               (5.8)

Для коротких повітряних ЛЕП можна нехтувати ємністю проводів (С = 0) і вираз (5.5) перетвориться на такий:

                                                     I_h = U_ф / (R_h+r / 3) .                                                  (5.9)

Вираз (5.7) показує значення ізоляції як чинника безпеки: чим вище опір ізоляції r, тим менше струм, який проходить через людину. Наприклад, струм через людину, яка торкається фази (U_ф =220В), при опорі ізоляції r = 100 кОм(на фазу) дорівнює: I_h=220 В /(1000 + 100000/3) Ом » 0,0064 А = 6,4 мА (незначний струм, який дозволяє відірвати руку від проводу).

Висновок: при нормальному режимі роботи мережі з ізольованою нейтраллю, яка має високий опір ізоляції та малу ємність і не має пошкоджень ізоляції, доторкання до фазного проводу, який має ізоляцію, безпечно.

Разом з тим, більшість розгалужених мереж мають значну ємність (C> 0,1 мкФ на фазу), тому як видно з (62) Z<<R_h,тому I_h»U_ф / R_h=220 В /1000 Ом » 0,22 А = 220 мА – смертельне значення струму.

Це означає, що небезпека доторкання людиною до одного з фазних проводів мережі з ізольованою нейтраллю залежить від опору проводів відносно землі: зі збільшенням опору небезпека зменшується.

Висновок: мережа з ізольованою нейтраллю, яка має неякісну ізоляцію і велику ємність( < 10 кОм) небезпечна, тому що струм через людину досягає небезпечних і навітьсмертельних значень (Ih> 50 мА)

Розглянемо мережу з ізольованою нейтраллю, одна із фаз якої замкнена на землю (рис. 5.5).

Замикання на землю– виникнення випадкового провідного кола між провідником, який знаходиться під напругою, і землею (заземлюючим пристроєм) безпосередньо або через проміжні провідні частини (пошкоджену ізоляцію, будівельні конструкції, рослини тощо).

Струм замикання на землю– струм, який стікає в землю через місце замикання [45].

Доторкання людини до проводу мережі у даній аварійній ситуації призводить до виникнення напруги дотику, що визначається співвідношенням:

                                           U_д = I_h×R_h = U_ф .                                              (5.10)

Вважаючи практично, що r_зм.<<R_h , маємо:

                                                     U_д»U_ф = U_л.                                                        (5.11)

Тобто людина попадає під лінійну напругу, що викликає струм I_h»U_л / R_h, який завжди небезпечний, так як досягає декількох сотень міліампер.

Таким чином, створення кола струму при короткому замиканні фази на землю (L₂ ® земля ® людина ® L₃® обмотки трансформатора ® L₂) призводить до того, що аварійний режим мережі з ізольованою нейтраллю відносно більш небезпечний, ніж нормальний. Враховуючи реальний опір землі r_зм. зробимо висновок:

напруга дотику до справної фази трифазної мережі з ізольованою нейтраллю в аварійний період буде значно більше фазної напруги і трохи менше лінійної напруги мережі:

                                                     U_ф <<U_д < U_л .                                                         (5.12)

Висновок: в аварійній мережі з ізольованою нейтраллю доторкання до фазного проводу небезпечно (напруга дотику при цьому наближається до лінійної напруги мережі).

І, нарешті, двофазне доторкання людини в мережі з ізольованою нейтраллю, тобто до точок 1 і 2, що на рис. 5.5, призводить до летального наслідку тому, що струм викликається лінійною напругою:

                         I_h = U_л / R_h = 380 В / 1000 Ом = 0, 38 А = 380 мА.                            (5.13)

Розглянемо мережі напругою вище 1 кВ системи ІТ.. Ці мережі мають велику ємність Cпроводів відносно землі. Згідно з формулою (5.6) доторкання людини до такої мережі викличе значну силу струму I_hчерез неї. Захисна роль ізоляції (r)таких мереж повністю утрачається і для людини однаково небезпечно доторкання до проводу мережі як з ізольованої, так і з заземленою нейтраллю. При дугових замиканнях фази на землю навколо місця замикання можуть виникати високі потенціали і різниці потенціалів (перенапруги), тобто великі напруги дотику і кроку, небезпечні для людей.

У цьому зв’язку в мережах з ізольованою нейтраллю напругою від 1кВ до 35 кВ передбачений захист від замикання на землю з дією на відключення, а в мережах з ефективно заземленою нейтраллю джерела живлення напругою не менше 110 кВ –релейний захист.

У відповідності з ПУЕ, систему ІТ з’єднану через трансформатори з мережею вище 1 кВ, належить захищати пробивним запобіжникомвід небезпеки, яка може виникнути у випадку пошкодження ізоляції між обмотками вищої і нижчої напруг трансформатора. При цьому пробивний запобіжник належить встановлювати в нейтралі або фази з боку нижчої напруги кожного із трансформаторів.

В електроустановках напругою вище 1 кВ електричні мережі з ізольованою, компенсованою або (і) заземленою через резистор нейтраллю для запобігання ураження електричним струмому випадку непрямого доторкання належить виконувати захисне заземленнявідкритих провідних частин, вирівнювання потенціаліві автоматичний контроль ізоляціїдією на сигнал.

У таких електроустановках необхідно передбачити в межах припустимого часу можливість швидкого знаходження місця замикання на землю і локалізації його для подальшого усунення пошкодження. Окрім цього, ПУЕ рекомендує передбачувати захист з дією на відключення живлення у випадку подвійного замикання на землю. Цей захист з дією на відключення під час першого замикання на землю належить здійснювати , якщо це необхідно за умови електробезпеки та вимог ПУЕ.

_____________________________________________________________________________