Аналіз небезпеки доторкання людини до струмоведучих частин під напругою у системах заземлення типу ТN

_____________________________________________________________________________

Система заземлення TN та її різновиди (TN-S, TN-C і TN-C-S). Термін «занулення». Застосування нульового проводу (N-) і РЕN- провідника. Повторне заземлення РЕN-провідника (РЕ-провідника). Епюра напруг нульового проводу. Повторне заземлення нульового проводу. Нормовані значення опорів заземлювального пристрою та повторних заземлювачів. Живлення електроустановок напругою до 1 кВ з використанням системи заземлення TN. Ефективність системи TN. Аналіз безпеки трифазної чотирьохпровідної мережі з глухозаземленою нейтраллю при нормальному та при аварійному режимах.

Живлення електроустановок напругою до 1 кВ, як правило, слід виконувати з використанням системи заземлення TN (рис. 5.1, а, б). Вказана система по суті являє собою занулення електроустановок напругою до 1 кВ у електричних мережах з глухозаземленою нейтраллю.

Термін “занулення” містився у скасованому ГОСТ ССБТ 12.1.009-76 “Электробезопасность. Термины и определения”. Нині термін “занулення” вилучений та замінений поняттям “заземлювальна система з нульовим заземленим провідником”. Проте в ужитку енергетиків поняття “занулення” ще залишилось. Також це поняття зустрічається неодноразово в ПУЕ.

Система заземлення TN має такі схемні рішення (різновиди системи заземлення TN):

v Система TN-S, в якій N- або М- і РЕ – провідники розподілені по всій мережі, а обмотки джерела живлення електрично з’єднані зіркою (рис. 5.1, а, ліворуч) або трикутником (рис. 5.1, а, праворуч);

v СистемаTN-C, в якій функції захисного (РЕ-) і нейтрального (N-) провідників виконує один РЕN– провідник, тобто N- і РЕ -провідники об’єднані в одному РЕN- провідника по всій мережі (рис. 5.1, б, ліворуч);

v Система TN-C-S, в якій функції захисного (РЕ-) і нейтрального (N-) провідників виконує один РЕN-провідник, а N- і РЕ - провідники з’єднані в одному провіднику в частині мережі починаючи від джерела живлення і N-провідник відгалужується від РЕN-провідника на певній відстані від джерела живлення для забезпечення робочих функцій електрообладнання (рис. 5.1, б, праворуч).

В електроустановках напругою до 1 кВ у електричних трифазних чотирипровідних мережах з глухозаземленою нейтраллю застосування занулення корпусів електроприймачів без їх заземлення не допускається [25].

В електроустановках з глухозаземленою нейтраллю необхідно нейтральну або середню точку джерела живлення надійно з’єднувати до заземлювача за допомогою заземлювального провідника. Не допускається використовувати РЕN (РЕ- або N-) провідники, які з’єднують нейтраль з розподільним щитом, як заземлюючі. Провідність РЕN- або N- провідника від нейтралі джерела живлення до розподільного пристрою повинна бути не менше 50% провідності вивідного фазного провідника.

Як вказано в ПУЕ [45], в повітряній лінії мережі з системою TN необхідно обладнати повторне заземлення РЕN-провідника (РЕ-провідника).Рекомендується виконувати повторне заземленняРЕN-провідника (РЕ-провідника) при вводі в електроустановки, які розміщені в будинках.

Як відомо, заземлення нейтралі джерела живлення або робоче заземлення (рис. 5.6) служить для зниження напруги нульового проводу Nта з’єднаних з ним корпусів обладнання відносно землі при замиканні фази на землю. У випадку замикання фази на землю і при струмі замикання І_зфазна напруга U_ф розподіляється між заземленням нейтралі джерела живлення і перехідним опором замикання на землю (контактом) . Напруга нульового проводу і занулених корпусів обладнання відносно землі визначається залежністю:

                                  U_н = І_з  = U_ф  / (  + ).                                          (5.14)

Так, як >>  , то напруга відносно землі нульового проводу та приєднаних до нього корпусів обладнання виявляється невеликою. Все це справедливо за умови, коли обладнання знаходиться відносно недалеко (менше 200 м) від джерела живлення. У супротивному випадку, при замиканні фази на корпуспевного обладнання, його напруга по відношенню до землі U_кта ділянка нульового проводу за місцем замикання U_нбуде визначатися так:

                         U_к = U_н  = І_з(ф-н)×z_н» І_з(ф-н)×r_н / (r_ф + r_н),                                (5.15)

де І_з(ф-н) – струм замикання, що протікає по петлі фазний – нульовий провід; z_н – повний опір (активно-індуктивний) ділянки нульового проводу від джерела живлення до місця приєднання пошкодженого обладнання; r_ф , r_н – активний опір фазного і нульового проводів мережі.

Можна показати [53], що напруга відносно землі нульового проводу на ділянці між корпусом пошкодженого обладнання і джерелом живлення зменшується за лінійним законом, досягаючи значення нуль в місці знаходження робочого заземлення . Це так звана “епюра напруг” нульового проводу (рис. 5.6).

Повторне заземлення нульового проводу R_п – заземлення нульового проводу, яке виконано на певній відстані від джерела живлення. При наявності повторного заземлення напруга нульового проводу відносно землі буде мати вираз:

                                   U_н  = І_з.п.×R_п = U_ф R_п  / (R_р  + R_п),                                          (5.16)

де І_з.п. – струм, що протікає через повторне заземлення.

Для повітряної лінії мережі з глухозаземленою нейтраллю або системи заземлення TN є два основних схемних рішень, які схематично відображають систему TN-S і систему TN-C (рис. 5.1). Іншими словами, маємо схеми занулення електрообладнання в мережі з нульовим робочим і нульовим захисним провідником (рис. 5.1, а) і в мережі з суміщеним нульовим проводом (рис. 5.1, б).

Відповідно ПУЕ, на кінцях повітряних ліній електропередачі як з неізольованими, так і з самонесучими ізольованими проводами або відгалужень від них довжиною більше 200 м належить виконувати повторні заземлення РЕ-провідника чи РЕN-провідника. Рекомендується виконувати повторне заземлення РЕN-провідника (РЕ-провідника) на вводі в електроустановку приміщення від повітряної лінії, якщо не може бути здійснено зрівнювання потенціалів. У цьому випадку опір заземлювача повторного заземлення РЕN (РЕ) - провідника на вводі в будинок повинен бути не більше 30 Ом.При цьому в першу чергу слід використовувати природні заземлювачі (підземні частини залізобетонних і металевих опор), а також заземлювачі, призначені для захисту від грозових перенапруг.

Нормовані значення всіх заземлювачів, приєднаних до РЕN-провідника (РЕ-провідника), в тому числі природних заземлювачів, в будь-яку пору року, а також опір заземлювального пристрою подані у табл. 5.1. Зауважимо, що для питомого опору землі r> 100 Ом× м допускається збільшувати вказані в табл. 5.1 значення опору заземлення в 0,01r раз, проте не більше ніж в 10 раз, за виключенням опору заземлювальних пристроїв і заземлювачів, що використовуються одночасно для електроустановок напругою вище 1 кВ.

Таблиця 5.1

Нормовані значення опорів заземлювального пристрою та повторних заземлювачів електроустановок напругою до 1 кВ в мережах з глухозаземленою нейтраллю

Напруга мережі, В	Опір заземлення  нейтралі трансформатора, Ом		Опір повторного заземлення Rп,Ом РЕN – провідника (РЕ – провідника)
	Еквівалентний опір заземлювального пристрою з врахуванням природних заземлювачів і повторних заземлень, не більше	Опір заземлювача , до якого безпосередньо приєднують нейтраль джерела трифазного струму, не більше	Загальний опір всіх заземлювачів, приєднаних до РЕN(РЕ)– провідника, не більше	Опір кожного із повторних заземлювачів, не більше
660 / 380	2	15	5	15
380 / 220	4	30	10	30
220 / 127	8	60	20	60

 

Відповідно до ПУЕ, живлення електроустановок напругою до 1 кВ з використанням системи заземлення TN належить виконувати:

Ø виду TN-C– для мереж зовнішнього освітлення і розподілу електроенергії від трансформаторної підстанції до увідним пристроям будівель і споруджень;

Ø TN-S– в житлових, адміністративних і громадських будівель і споруджень.

Як стверджує ПУЕ, для захисту від ураження електричним струмом у випадку непрямого дотику в електроустановках з системою TNналежить здійснювати автоматичне відключення живлення.

Ефективність системи TN залежить від неперервності РЕN (РЕ) - провідників і надійного з’єднання їх з землею і системою зрівнювання потенціалів. РЕN - провідник, з’єднаний з точкою заземлення джерела живлення розподільної мережі, необхідно повторно з’єднувати з землею і прокладати таким чином, щоб мінімізувати ризик його пошкодження.

Для забезпечення ефективності системи TN, необхідний жорсткий зв'язок між значеннями таких величин:

ü опором всіх заземлювачів , які приєднані до електрично з’єднаним РЕN і РЕ- провідників мережі;

ü мінімальним опором контакту з землею сторонніх провідникових частин, не з’єднаних з захисним провідником, через який може відбутися однофазне замикання на землю (наприклад, у випадку обриву та падіння фазного провідника повітряної лінії (ПЛ);

ü номінальною напругою між лінійним провідником і землею при відсутності пошкодження

Вказаний зв'язок має вигляд:

                                                      (5.17)

Розглянемо джерело живлення –трифазну чотирьохпровідну мережу з глухозаземленою нейтраллю, яка має нормальний режим роботи (рис. 5.6).При цьому скористаємося результатами побудови моделей струмів I_h, які проходять через тіло людини при різних схемах дотику і режимах роботи мережі [15].

 Нехай людина, яка в колі має активний опір R_h, доторкається до неізольованого фазного проводу L₃. Наявність джерела живлення та замкненість кола (“людина”–“земля”– –“фаза А обмотки трансформатора ”) спричиняє до появи струму через людину:

                                                    I_h= U_ф/ (R_h+ ).                                                       (5.18)

Відповідно ПУЕ, опір заземленого пристрою , до якого приєднана нейтраль джерела живлення в будь-який час року не повинен перевищувати 2, 4 і 8 Ом відповідно для лінійних напруг 660, 380 і 220 В джерела трифазного струму або 380, 220  і 127 В джерела однофазного струму [45].

Розглядаємо формулу (5.18) і найбільш несприятливі умови, за яких: людина має струмопровідне взуття (r_вз. = 0), стоїть на сирій землі (r_оп.= 0) і доторкається долонями руки до проводу мережі (r_од. = 0). Тоді для лінійної напруги 380 В в трифазній мережі при з’єднанні обмоток джерела живленняза схемою “зірка” маємо: U_ф= U_л/ = 220 В, I_h = U_ф / (R_h+ R_р) = 220 В /(1000 Ом+4 Ом)» 0, 22 А = 220 мА.

Таким чином, за умови R_р<<R_h , маємо:

                                                          I_h»U_ф / R_h.                                                             (5.19)

Очевидно однофазне ввімкнення людини в електричну мережу (доторкання до однієї фази трифазної чотирьохпровідної мережіабо доторкання до однієї фази однофазної мережі) при нормальному режимі є небезпечним – людина попадає під фазну напругу, причому струм через людину не залежить ні від опору ізоляції, ні від ємності мережі відносно землі (рис. 5.6).Через тіло людини проходить струм, більший ніж небезпечний фібриляційний струм (100мА).

Нехай людина двома руками одночасно доторкається до будь-якого фазного провідника (наприклад, до точки 1 провідника L₃) і до до точки 2 нейтрального провідника – провідника, який електрично з’єднаний з нейтральною точкою джерела живлення (рис. 5.6). Тоді людина виявиться під фазною напругою і через неї проходить петля струму“ рука – рука”:

I_h = U_ф / R_h = 220 В /1000 Ом = 0, 22 А = 220 мА.

Цей струм перевищує поріг фібриляції та проходячи через серце і легені з великою ймовірністю призводить до летального наслідку.

Таким чином, одночасне доторкання людини до фазного і нульового проводу трифазної або однофазної мережі є небезпечним для її життя.

Нехай людина доторкається до неізольованого фазного проводу мережі з глухозаземленою нейтраллю, одна із фаз якої замкнута на землю – аварійний режим (рис. 5.7). Як доведено [15], у цьому випадку струм через людину визначається співвідношенням

                                 I_h = U_ф×(R_р ×  + r_зм.) / {r_зм.×R_р  + R_h (r_зм. + R_р)}.                            (5.20)

Звідси маємо такі граничні випадки. Вважаючи, що опір замикання проводу на землю r_зм.(перехідний опір в місці замикання на землю) дорівнює нулю (r_зм.®0), маємо I_h»U_л  / R_h, тобто в даному випадку людина виявиться під дією лінійної напруги мережі.

Якщо ж прийняти відносно незначним опір заземлення нейтралі джерела живлення (R_р<<r_зм.), то I_h»U_ф / R_h, тобто напруга, під якою виявиться людина, буде рівна фазній напрузі. 

Разом з тим, на практиці r_зм.і R_р завжди більші нуля, тому напруга дотику U_д , яка виникає при дотиканні людини в аварійний період до справному фазному проводу трифазної мережі з глухозаземленою нейтраллю, завжди менше лінійної, але більше фазної напруг, тобто:

                                                              U_ф<U_д <U_л .                                                     (5.21)

Доторкання людини до неізольованого фазного проводу мережі з глухозаземленою нейтраллю, одна із фаз якої замкнута на землю (аварійний режим), є небезпечним тому, що напруга дотику більше фазної напруги (при нормальному режимі роботи мережі людина попадає тільки під фазну напругу).

Порівнюючи наслідки у розглянутих випадках,  сформулюємо висновок.

Підсумовуючи вищевикладене, зробимо такі висновкидля мереж до 1кВ:

§ найменш небезпечним є однофазний дотик до проводу мережі з ізольованою нейтраллю при нормальному режимі у випадку справної ізоляції та малої ємності, тобто невеликої протяжності (ось чому, електричні мережі шахт, кар’єрів, торфорозробок і пересувних установок, де ураження електричним струмом особливо небезпечно із-за специфічних умов навколишнього середовища, виконуються з ізольованою нейтраллю);

§ при замиканні однієї з фаз на землю небезпека однофазного дотику до справної фази більше, ніж в справній мережі, при будь-якому режимі нейтралі;

§ найбільш небезпечним є двофазне доторкання при будь-якому режимі нейтралі;

§ як правило, більш безпечна мережа з ізольованою нейтраллю при нормальному (неаварійному) режимі роботи і мережа з глухозаземленою нейтраллю при аварійному режимі роботи.

____________________________________________________________________________