Опасность поражения человека электрическим током при замыкании одной из фаз на землю
Кроме рассмотренного в п. 3.2.2 случая аварийного замыкания одной из фаз на корпус электроустановки в электрической сети с заземлённым нулевым проводом возможна другая разновидность аварийного режима – замыкание одной из фаз на землю. Схема электрической сети и её эквивалентная схема для данного случая приведены на рис. 12, где Rзм – сопротивление замыкания, характеризующее процесс растекания тока в грунте земли в точке максимального потенциала при замыкании фазы на землю.
Сопротивление Rзм обычно больше сопротивления специально выполненного заземления нейтрали (Rзм > R0) и может иметь значение от нескольких десятков ом и выше. Однако при достаточно хорошем контакте с сильно увлажнённым грунтом величина сопротивления замыкания может составлять 15 – 20 Ом [5].
Величинами сопротивления фазного и нулевого проводников в данном случае без заметной погрешности можно пренебречь из-за их относительной малости по сравнению с величинами сопротивления заземлителей и замыкания.
а б
Рис. 12. Электрическая и эквивалентная схемы сети для случая замыкания фазы на землю
С учётом сделанного допущения из эквивалентной схемы на рис. 12,б следует выражение для напряжения прикосновения к корпусу занулённой электроустановки:
(8)
Из эквивалентной схемы на рис. 12,б следует, что величина тока в контуре замыкания ограничена относительно большой величиной сопротивления замыкания фазы на землю и, следовательно, в большинстве случаев срабатывания отключающих устройств не произойдёт. Таким образом, напряжение, появляющееся на занулённых корпусах электроаппаратуры при замыкании фазы на землю, может существовать длительное время, создавая опасность поражения электрическим током.
В связи с тем, что при замыкании на землю во многих случаях установка автоматически не отключается (из-за малой величины тока замыкания), длительно допустимым до устранения причины аварии принимается значение напряжения прикосновения, непревышающее 20 В (ГОСТ 12.1.038-82*).
Если принять в качестве реально возможного минимальное значение сопротивления замыкания фазы на землю равным 15 Ом [5], а величины сопротивлений заземления нейтрали и повторного заземления НЗП равными нормативным значениям, т.е. R0 = 4 Ом и RП = = 10 Ом для UФ = 220 В, то расчётная максимальная величина напряжения прикосновения (для случая наиболее тяжёлых условий, когда α1 = 1 – человек находится за пределами зоны растекания) и α2 = 1 (сумма дополнительных сопротивлений мала по сравнению с сопротивлением тела человека) будет иметь значение: Uпр max ≈ 35 В. Если же принять (RП ≈ R0) = 4 Ом, что часто и бывает на практике, то при Rзм = 15 Ом получим Uпр max ≈ 26 В.
Таким образом, наличие повторного заземления НЗП, удовлетворяющего требованиям ПУЭ, в общем случае не обеспечивает безопасность прикосновения к занулённым корпусам электроустановок при замыкании фазы на землю.
Для обеспечения электробезопасности при замыкании фазы на землю имеются несколько возможностей:
· использовать повторное заземление НЗП;
· уменьшить значения коэффициента α1 путём выравнивания распределения потенциала земли в зоне обслуживания. Эта мера реализуема обычно лишь при строительстве новых зданий;
· уменьшить значение коэффициента α2 в результате использования пола с хорошими изолирующими свойствами [см. формулу (8)]. Величины удельного сопротивления полов, выполненных из некоторых материалов, приведены в табл. 9.
Т а б л и ц а 9
Удельные сопротивления некоторых разновидностей полов
| Материал пола | Состояние пола | Влажность пола, % | Удельное сопротивление, × 106 Ом·м |
| Метлахские плитки | Сухой Влажный Мокрый | 60 – 65 65 – 75 75 – 100 | 80,4 – 95,6 10,1 – 21,6 2,2 – 3,8 |
| Дубовый паркет | Сухой Влажный Мокрый | 60 – 65 65 – 75 75 – 100 | 160,4 – 185,6 45,4 – 68,7 1,7 – 2,9 |
| Берёзовый паркет, крашеные доски | Сухой Влажный Мокрый | 60 – 65 65 – 75 75 – 100 | 51,9 – 75,8 18,0 – 29,9 1,5 – 2,9 |
| Бетон | Сухой Влажный Мокрый | 60 – 65 65 – 75 75 – 100 | 56,1 – 105,2 6,4 – 17,8 1,8 – 2,8 |
| Цемент | Сухой Влажный Мокрый | 60 – 65 65 – 75 75 – 100 | 24,0 – 38,0 0,8 – 1,8 0,08 – 0,15 |
3.3. Расчёт зануления
3.3.1. Расчёт на отключающую способность
Для автоматического отключения электроустановки от сети при замыкании фазы на занулённый корпус необходимо, чтобы значение тока однофазного короткого замыкания Iкз удовлетворяло условию
Iкз / Iпр nom > kI треб , (9)
где Iпр nom – номинальное значение тока плавкого предохранителя или тока срабатывания автоматического выключателя; kI треб – требуемый коэффициент кратности тока через предохранитель в аварийном режиме. Значение коэффициента kI определяется типом используемых автоматических отключающих устройств (АОУ). Если в качестве отключающих устройств используются плавкие предохранители (плавкие вставки), то с целью обеспечения быстрого отключения необходимо обеспечить kI ≥ 3 (kI треб = 3); во взрывоопасных помещениях – kI ≥ 4 (kI треб = 4). Если в качестве отключающего устройства используются электромагнитные АОУ с малыми задержками времени, то для коммутируемых токов до 100 А принимают kI треб = 1,4. Если же в качестве АОУ используются автоматические выключатели, имеющие зависимую от величины тока временную задержку то принимают kI треб = 3, а во взрывоопасных помещениях kI треб = 6.
Значение Iкз зависит от величины фазного напряжения и общего сопротивления контура короткого замыкания. Для расчёта величины Iкз можно использовать эквивалентную схему электрической сети на рис. 11 и ранее полученное решение описывающей её системы уравнений. При этом заметим, что сопротивления заземляющих устройств на величину тока короткого замыкания практически не оказывают влияния и, следовательно, эквивалентная схема для расчёта тока короткого замыкания может быть существенно упрощена.
С учётом модуля выходного сопротивления фазы трансформатора электрической подстанции ZТ/3 и выше обоснованных упрощений эквивалентная схема для расчёта тока короткого замыкания принимает вид, показанный на рис. 13.
Рис. 13. Упрощённая эквивалентная схема для расчёта тока
короткого замыкания на корпус электроустановки
Непосредственно из эквивалентной схемы следует, что
Iкз = Uф(ZT/3 + ZФN)-1 , (10)
где ZФN = ZФС + ZФР + ZNС + ZNР + Rдоп – комплексное сопротивление петли фаза – нуль. Для расчёта модуля тока короткого замыкания согласно [5] рекомендуется пользоваться приближённым вариантом формулы (12), обеспечивающим несколько более жёсткие требования безопасности. Для этого в формуле (11) следует считать:
,
где RФ = RФС + RФР и LФ = LФС + LФР – полные значения активного и индуктивного сопротивлений фазного проводника данного участка электрической сети; RN = RNС + RNР и LN = LNС + LNР – полные значения активного и индуктивного сопротивлений нулевого проводника данного участка электрической сети.
Величина ZТ зависит от параметров трансформатора распределительной электрической подстанции: его мощности, конструктивного исполнения и схемы соединения его обмоток. Для расчётов можно использовать значения ZТ из табл. 10 по данным, приведённым в [5].
Т а б л и ц а 10
Ориентировочные значения полных выходных сопротивлений масляных распределительных трансформаторов
| Мощность трансформатора, кВт | Номинал высокого напряжения, кВ | ZТ , Ом – при схеме соединения обмоток трансформатора | |
| звезда/звезда | треугольник/звезда | ||
| 6 – 10 | 3,110 | 0,906 | |
| 6 – 10 | 1,949 | 0,562 | |
| 6 – 10 20 – 35 | 0,799 0,764 | 0,226 0,327 | |
| 6 – 10 20 – 35 | 0,312 0,305 | 0,090 0,130 | |
| 6 – 10 20 – 35 | 0,195 0,101 | 0,056 – |
Значения активных составляющих полных сопротивлений фазного и нулевого проводов определяются по известной формуле:
R =ρпр lпр (sпр)-1 , (11)
где ρпр – удельное сопротивление материала проводника (ρпр = 0,018 – для меди, ρпр = 0,028 – для алюминия), Ом·мм/м2; lпр – длина проводника, м; sпр – сечение проводника, мм2 .
Требуемое сечение жил используемых силовых кабелей определяется их долговременной токовой нагрузкой. В табл. 11 приведены допустимые длительные токовые нагрузки для выпускаемых промышленностью кабелей для некоторых стандартных сечений жил [2].
Т а б л и ц а 11
Допустимые значения длительно протекающего тока для кабелей с алюминиевыми жилами и стандартными сечениями жил, А
| Sж , мм2 | |||||||
| 3 жилы | |||||||
| 4 жилы |
Длина подводящей магистрали силового кабеля от подстанции до точки ввода в здание обычно не превышает 250 м, поэтому для ориентировочного выбора ее можно принять равной 150 – 200 м.
Длина вертикального ствола внутри здания определяется номером и высотой этажа. Для производственных зданий высоту этажа можно принять равной 4 – 5 м. Длина кабелей этажной разводки, в зависимости от расположения помещения относительно вертикального ствола, может изменяться в пределах от нескольких метров до нескольких десятков метров. Для расчётов ориентировочно можно принять длину кабеля этажной разводки равной 40 – 60 м.
Следует иметь в виду, что сечение жил кабелей поэтажной разводки выбирается меньше сечения жил кабеля (или шин) вертикального ствола в соответствии с их меньшей токовой нагрузкой. Ориентировочно можно принять этажную токовую нагрузку, в число этажей здания раз меньшей величины общего длительно потребляемого зданием тока.
Сечения жил кабеля вертикального ствола и подводящего магистрального кабеля можно считать одинаковыми. Следует также иметь в виду, что согласно ПУЭ [2] допускается использование кабелей, четвёртая жила которых, используемая в качестве нулевого провода, имеет сечение не менее половины сечения основных жил.
Неодинаковость сечений жил кабелей на различных участках системы энергоснабжения зданий следует учитывать при расчёте активного сопротивления и индуктивности петли фаза – нейтраль. Указанные параметры целесообразно рассчитывать отдельно для каждого участка и затем просуммировать. В таком случае величины активных и индуктивных составляющих петли фаза – нейтраль будут определяться суммами:
Rф-н = (RФ + RN)мск + (RФ + RN)квс + (RФ + RN) квр + ZТ /3 + Rдоп ; (12)
L ф-н = (LФ + LN)мск + (LФ + LN)квс + (LФ + LN)кэр , (13)
где RФ = RФC + RФР ;RN = RNC + RNР ; L Ф = L ФC + L ФР ; L N = L NC + L NР
– слагаемые активных и индуктивных соответствующих участков петли фаза – нейтраль, в формулах (12) и (13) помеченных индексами: «мск» – для участка магистрали силового кабеля, «квс» » – для участка кабелей вертикального ствола и «кэр» » – для участка кабелей этажной разводки.
Для определения индуктивности эквивалентных петель различных участков электрической сети при однофазном замыкании совокупность фазного и нулевого проводников в первом приближении можно рассматривать как эквивалентную двухпроводной линии и, следовательно, использовать известную формулу для двухпроводной линии с проводами круглого сечения одинакового диаметра:
, (14)
где L – рассчитываемая индуктивность двухпроводнной линии, Гн; lк – длина кабеля на данном участке электрической сети, м; μ – относительная магнитная проницаемость среды (для воздушной среды μ = 1); dж – диаметр жилы кабеля на данном участке электрической сети, м; D – расстояние между проводниками двухпроводной линии (расстояние между осевыми линиями жил кабеля), м. Формула (14) определяет полную индуктивность петли фаза-нейтраль как двухпроводной линии, поэтому при расчёте индуктивных составляющих формулы (13) для отдельных участков петли фаза-нейтраль необходимо брать лишь половинные значения от полученных по формуле (14).