Анализ заземляющей системы в электрической сети с глухозаземленной нейтралью источника питания

--© Г.М. Петров, А.Г. Кутспов,

P.M. Саркисян, 2012

УДК 622.012.2

Г.М. Петров, А.Г. Кутепов, Р.М. Саркисян

АНАЛИЗ ЗАЗЕМЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ С ГЛУХОЗАЗЕМЛЕННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

Выполнен анализ существующих систем заземления в электрических сетях напряжением до 1 кВ с различными режимами нейтрали. На примере типового участка получены математические выражения и экспериментальные зависимости напряжения прикосновения от различных значений токов утечки и сопротивлений повторного заземлителя. Ключевые слова: электробезопасность, системы заземления, сопротивление утечки, напряжение прикосновения.

Вопрос заземления открытых проводящих частей электрического оборудования рассматривался с самого начала развития электротехники как одно из основных защитных мероприятий. Заземление применяется в качестве основной меры защиты от поражения электрическим током живых организмов при повреждении изоляции и замыкании на металлический корпус оборудования.

Различают две основные системы заземления: без нулевого провода (электрическая сеть с изолированной нейтралью) и с нулевым проводом (электрическая сеть с глухозаземленной нейтралью). Во втором случае все металлические токопроводящие части оборудования соединяются не только между собой, но и с нулевым проводом. Такая система заземления носит название зануления, которая преимущественно используется в электрических сетях с глухозазем-ленной нейтралью напряжением до 1 кВ. Начало применения этой системы положено немецким ученым Леблем в 30-х годах прошлого столетия.

Вопросам устройства заземляющих сетей, теории и расчета заземления в электроустановках напряжением до 1 кВ занимались большое количество ученых: Айзенберг Б. Л., Вайнер А. А., Манойлов В.Е., Найфельд М.Р., Оллен-дорф Ф., Солодовников Г.С., Якобс А.И. и др. Вопросам устройства заземлений в горной промышленности посвятили свои работы ученые: Альтшуллер Э.Б., Бариев Н.В., Варшавский А.М., Гладилин Л.В., Иноятов М.Б., Щуцкий В.И., Чеботаев Н.И., Якуба Ю.Ф. и др.

В 40-х годах прошлого столетия требования к устройству заземлений получили отражения в действующих нормативных документах, которые со временем претерпевали изменения. В последней редакции ПУЭ (7-е издание) и предшествующих ГОСТах в Российской Федерации были приняты следующие типы систем заземления: TN, TT и IT. В свою очередь система TN может иметь следующие разновидности: система TN-C, система TN-S и система TN-C-S. В современных системах электроснабжения при проектировании электрических сетей следует применять системы заземления типа TN-S и TN-C-S. При данных системах заземления для электроснабжения потребителей электроэнергии следует применять пятипроводные линии в трехфазной электрической сети и

трехпроводные линии — в однофазных электрических сетях вместо четырех- и двухпроводных линий в соответствующих электрических сетях.

Кроме того, на практике часто возникает необходимость применения разных режимов нейтрали (изолированную и глухозаземленную) в одной электрической сети. Например, в карьерной электрической сети напряжением до 1 кВ для питания электропотребителей бытового и промышленного назначения (дробильно-сортировочный узел, вагончики административно-бытового назначения и др.) используется глухозаземленная нейтраль, а для питания электропотребителей используемых в районе ведения горных работ (буровые станки, маломощные экскаваторы, освещение и др.) используется изолированная нейтраль. Вопросы устройства заземляющих устройств в данных системах электроснабжения не до конца изучены, в связи с чем и возникла необходимость рассмотрения данного вопроса.

Исследование системы заземления промышленного предприятия в электрической сети с глухозаземленной нейтралью.

На первом этапе исследования рассматривается заземляющая система промышленного предприятия в электрической сети с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1 кВ. Исследованию была подвержена схема электроснабжения камнеобрабатывающего цеха, расположенного в г. Москве, ул. Дорожная.

На рис. 1 представлена однолинейная схема электроснабжения данного цеха. Питание электроэнергией осуществляется по двум кабелям марки АСБ 4х240 длиной 180 м от двух трансформаторов мощностью по 1000 кВ-А каждый. Электроснабжение потребителей электроэнергии камнерезного цеха осуществляется как электропотребителей второй категории. В качестве типового участка была рассмотрена схема заземляющей сети от трансформаторной подстанции до рабочего стола № 8, питающегося от однофазной электрической сети.

На рис. 2 показана схема замыкания фазы на корпус электроприемника через сопротивление утечки. В левой части рисунка показаны пути протекания токов, а в правой части — схема замещения и обозначение различных сопротивлений.

Схема, представленная на рис. 2, описывается системой уравнений. Решая данную систему уравнений, получим выражения для определения токов.

i1 = ¡2 + i3;

0ф = 11( z1 + zw) +1з z 0;

1 2 z 2 = 1 3 z 0.

12 =

11 =

Uфz 0

(+ z 1 )(z0 + z2 ) + z0z2 J

( Оф (z 0 + z 2 ) ^ + z 1)(z0 + z2 ) + z0z2 j

( Оф? 2 >

(zw + z 1 )(z 0 + z 2 ) + z 0 z 2

В=0

А 0,1 0,2 0,5 1 2 5 10 20

ипр, В 114,55 119,37 131,51 146,33 164,81 188,51 201,65 210

В=1

А 0,1 0,2 0,5 1 2 5 10 20

ипр, В 62,7 69,87 87,94 110 137,55 172,92 192,55 205,03

В=2

А 0,1 0,2 0,5 1 2 5 10 20

Ц,р, В 45,34 53,29 73,33 97,82 128,4 167,68 189,49 203,36

В=4

А 0,1 0,2 0,5 1 2 5 10 20

Ц,р, В 31,41 40 61,62 88,04 121,05 163,48 187,03 202,02

В=8

А 0,1 0,2 0,5 1 2 5 10 20

Ц,р, В 22,12 31,12 53,8 81,51 116,15 160,67 185,39 201,12

Рис. 1. Однолинейная схема электроснабжения

Для дальнейших преобразований введем соотношения: г.

А =

г,

В = К о

К„

Получим выражения для напряжения прикосновения: • при занулении

и = иФ(го + г 2)(Аг 1 + г2 ) .

Пр г 1 (1 + А)(г о + г 2) + г о г 2'

Л\ // \\ // \\ )/ \\ // \ч // \\ // \\ // \\

Рис. 2. Схема замыкания фазы на корпус электроприемника

Рис. 3. Зависимости напряжения прикосновения от разных значений соотношения А = 7утт^1

и„„0

РР1

о 10,0 Ом

¡¿ч Л

4,0 С

ш

1,

к Ом

1

"гЬ = 1, ><>м

С

и.

13

Ч,

*

О 0.1 0,1 0.6 о.( I и

в

Рис. 4. Зависимости напряжения прикосновения от разных значений соотношения В = Яо/Япз

• при наличии заземления

иФ [ Л* 1 (НПз (1 + В) + г 2) + г 2 НПз ]

и"р НПз (1 + В)(г 1 (1 + Л) + г 2) + г 1 г 2 (1 + Л) '

На рис. 3 представлены зависимости напряжения прикосновения от Л=2уг / при разных значениях В = Н0 / Нпз

• при металлическом коротком замыкании

и ф* НПз

Упр НПз (1 + В)(* 1 + * 2 ) + * 1 *2 '

На рис. 4 представлены зависимости напряжения прикосновения от В = Н0 / Нп при разных значениях Нпз.

Нпз = 10 Ом

В 0 0,125 0,25 0,375 0,5 0,625 0,75 0,825 1

ипр, в 109,24 97,17 87,51 79,6 72,99 67,4 62,61 60,04 54,81

Нпз = 4 Ом

В 0 0,125 0,25 0,375 0,5 0,625 0,75 0,825 1

ипр, в 108,11 96,28 86,79 79 72,49 66,97 62,24 59,7 54,52

Нпз = 2 Ом

В 0 0,125 0,25 0,375 0,5 0,625 0,75 0,825 1

ипр, в 106,28 94,83 85,6 78,01 71,66 66,27 61,63 59,14 54,05

Нпз = 1 Ом

В 0 0,125 0,25 0,375 0,5 0,625 0,75 0,825 1

ипр, в 102,8 92,05 83,33 76,13 70,06 64,9 60,44 58,05 53,14

Нпз = 0,5 Ом

В 0 0,125 0,25 0,375 0,5 0,625 0,75 0,825 1

ипр, в 96,49 86,96 79,14 72,61 67,07 62,32 58,2 55,98 51,4

Следующим этапом планируется выполнить исследования напряжения прикосновения и токов, протекающих по данной цепи, при переходном режиме.

Выводы

Полученные зависимости показывают, что по мере увеличения А при разных соотношениях В напряжение прикосновения увеличивается. При А, близком к нулю, т. е. при металлическом КЗ, напряжение прикосновения стремится к величине падения напряжения на зануляющей системе. По мере увеличения В при разных значениях сопротивления повторного заземлителя напряжение прикосновения уменьшается.

1. Правила устройства электроустановок. Седьмое издание. — М.: ЗАО «Энергосервис», 2002. — 280 с.

2. Межотраслевые правила по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации электроустановок. — М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2003. — 192 с.

3. Манойлов В.Е. Основы электробезопасности. — 5-е изд., перераб. и доп. — Л.: Энергоатомиздат, 1991. — 480 с.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Петров Г.М. Обеспечение электробезопасности на предприятиях горнодобывающей промышленности. // Электробезопасность, № 1: ЮУрГУ, 2011. — С. 35—39.

5. Петров Г.М. К вопросу обеспечения электробезопасности на предприятиях горнодобывающей отрасли //ГИАБ (НТЖ). Отдельный выпуск 4, 2011. — С. 335— 340. КПЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Петров Геннадий Михайлович — кандидат технических наук, профессор, e-mail: petrovgm@mail.ru,

Кутепов Антон Григорьевич — студент, e-mail: antkut@mail.ru, Саркисян Рубен Михайлович — аспирант, e-mail: rubik_dgeen@mail.ru, Московский государственный горный университет, e-mail: ud@msmu.ru.

РИСУЕТ ДАРЬЯ АБРЕНИНА -