Рациональное значение сопротивления заземления нейтрали по условиям электробезопасности

DOI: 10.18454/IRJ.2016.49.063 Сидоров А.И.1, Саидалиев Ш.С.2

1 Доктор технических наук, профессор; 2ORCID: 0000-0001-5801-9140, аспирант, Южно-Уральский государственный университет;

РАЦИОНАЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ ПО УСЛОВИЯМ

ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ

Аннотация

В статье приведены результаты исследования влияния сопротивления заземления нейтрали источника питания (Rq) электрической сети напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью на условия электробезопасности. Приведены графики изменения значений Rq для классов напряжений сети при длительно допустимом напряжении прикосновения, равное UZh = 20 В и UZh = 12 В.

Ключевые слова: зануление, заземления нейтрали, напряжение на PEN-проводнике.

Sidorov A.I.1, Saidaliev Sh.S.2 1PhD in Engineering, Professor; 2ORCID: 0000-0001-5801-9140, Postgraduate student,

South Ural State University;

THE RATIONAL VALUE OF THE GROUNDING RESISTANCE OF THE NEUTRAL ON THE ELECTRICAL SAFETY CONDITIONS

Abstract

In the article results of research of influence of grounding resistance of a neutral of the power source (Rq) in electric network with voltage up to 1QQQ V with dead-earthed neutral on terms of electrical safety are provided. The graphs of changing of Rq values for the voltage of the network at the long-term permissible touch voltage equal to UZh = 20 and UZh = 12 V are showed.

Keywords: neutralling, neutral grounding, voltage PEN-conductor.

Общеизвестно, что в настоящее время основным недостатком системы зануления является длительное время отключения поврежденного участка сети при однофазном коротком замыкании [1, 2, 3]. При этом, появившееся на PEN-проводнике относительно земли напряжение (UPEN) представляет угрозу для жизни человека, прикоснувшегося к корпусу поврежденной электроустановки.

Согласно Правилам устройств электроустановок (ПУЭ) [4], для снижения напряжения прикосновения на время до отключения поврежденного участка сети или на случаи обрыва нулевого провода (PEN-провода) рекомендуется устраивать повторные заземлители PEN-провода.

Нормирование параметров системы зануления несколько повышает эффективность и надежность ее показателей, как защитной меры, однако не устраняет недостатки, возникающие при эксплуатации системы зануления. При значениях сопротивлений заземления нейтрали и повторного заземления, соответствующих требованиям ПУЭ, напряжение на корпусах и металлических нетоковедущих частях электроустановок существенно превышает предельно допустимый уровень напряжений прикосновения. Такое положение ставит под сомнение рациональность значений R0, регламентированных в ПУЭ с точки зрения обеспечения электробезопасности. Тем не менее, при нормируемых в ПУЭ значениях R0 и Rп ^о^п=0,4), величина UPEN остается неизменной при всех напряжениях сети -660/380, 380/220 и 220/127 В и составляет 0,714 U$. Следовательно, величины сопротивления этих заземлителей нельзя считать рациональными с точки зрения обеспечения электробезопасности [5].

Компьютерное моделирование системы зануления

Для проведения исследований влияния параметров системы зануления на условия электробезопасности нами была использована компьютерная модель, ранее разработанная на кафедре безопасности жизнедеятельности ЮжноУральского государственного университета в программе MATLAB/Simulink [2]. С целью решения поставленных задач указанная модель была дополнена рядом элементов, в частности, были добавлены: блок, имитирующий сопротивление тела человека, прикоснувшегося к нетоковедущей части, блок имитации возникновения однофазного замыкания фазы на землю (ОЗЗ) при различных значениях сопротивлений растеканию тока [6].

При моделировании были приняты следующие допущения:

• земля будет считаться проводником, обладающий бесконечно малым сопротивлением;

• при моделировании не учитываются сопротивления обуви и пола.

Исходя из данных, приведенных в литературе, исследования проводились на компьютерной модели четырехпроводной воздушной сети напряжением 380 В системы TN-C длиной 500 м, и проводами марки АС.

На компьютерной модели были проведены исследования по определению:

- зависимости значений ожидаемого напряжения на PEN-проводнике относительно земли (UPEN) и тока, проходящего через тело человека (Ih), от соотношения R0/RI¡ при возникновении однофазного короткого замыкания (ОКЗ);

- изменение значения UPEN в зависимости от соотношения R^JRq при возникновении однофазного замыкания на землю (ОЗЗ);

- распределение UPEN от изменения соотношения R0/RI¡ при обрыве PEN-проводника и возникновении однофазного замыкания.

Результаты, полученные на компьютерной модели, подтвердили, что установленные в ПУЭ значения R0 и Rп (соотношения R0/Rп = 0,4) не обеспечивают необходимый уровень электробезопасности, поскольку при однофазном коротком замыкании на PEN-проводник величина UPEN относительно земли и Ih существенно превышают предельно допустимые нормы (ПДУ), установленные ГОСТом 12.1.038-82 [7].

Аналитическое исследование системы зануления

Для обеспечения требований электробезопасности значение Я0 должно быть таким, чтобы в случае замыкания любой фазы на землю через сопротивление Язм, напряжение, под которым окажется человек, прикоснувшийся к зануленному корпусу или к РЕЖ-проводнику непосредственно, не превышало допустимого напряжения прикосновения и2и = 20 В для производственных электроустановок и и2и = 12 В для бытовых электроустановок.

Наиболее тяжелые, но вполне реальные условия, это когда человек, касаясь зануленного корпуса, находится за пределами зоны растекания тока замыкания на землю, т.е. а1 = 1 - коэффициент напряжения прикосновения, учитывающий форму потенциальной кривой); сопротивление растеканию ног человека незначительно по сравнению с сопротивлением тела человека Яи им можно пренебречь, т.е. а2 = 1 (а2 - коэффициент напряжения прикосновения, учитывающий падение напряжения в сопротивлении растеканию основания, на котором стоит человек). Следовательно:

игк >

и,

1 +

я

я

Обозначив в

я

я

= X, получим:

игк >

и

ф

1 + X

Как правило, при возникновении замыкания фазы на землю автоматическое отключение питания сети не происходит, и зануленные корпуса будут длительное время находиться под напряжением иРЕК (до устранения повреждения или отключения вручную сети либо поврежденной фазы от источника питания). Поэтому, длительно допустимое напряжение прикосновения принимаем, согласно требованию ГОСТа 12.1.038-82 [7]: для производственных электроустановок и2к = 20 В, для бытовых электроустановок - и2к = 12 В. Подставив в (2) соответствующих значений Щ и и2к находим величину х, - для и2и = 20 В:

20 > ,

1 + X

- для и2к = 12 В:

12 > иф

1 + X

Графики изменения значений Я0 для классов напряжений сети при длительно допустимом напряжении прикосновения, для производственных электроустановок и2к = 20 В приведены на рис. 1.

Рис. 1 - Изменение сопротивления заземления нейтрали источника питания, при котором и2к < 20 В

60

Графики изменения значений Я0 для классов напряжений сети при длительно допустимом напряжении прикосновения, для бытовых электроустановок и2к = 12 В приведены на рис. 2.

10 100 Сопротивление замыкания на землю - R3M, Ом Рис. 2 - Изменение сопротивления заземления нейтрали источника питания, при котором Uzh < 12 В

Следует отметить, что согласно данным, приведенным в литературе, R3M, в основном, зависит от длины провода, упавшего на землю. Статистические исследования показывают, что наибольшую вероятность обрыва имеют провода марки А-16, а обрыв проводов сечением более 50 мм2 происходит очень редко.

Из материалов типовых проектов опор воздушных линий напряжением до 1000 В следует, что расчетная длина промежуточного пролета для ВЛ-0,38 кВ принимается не более 50 м. Следовательно, при обрыве фазного провода (с учетом высоты подвески верхнего провода на опоре и свободного провисания его на соседних пролетах) наибольшая его часть, находящаяся на земле, оказывается равной 30 м. Однако ввиду того, что оборвавшийся провод не лежит строго прямолинейно, а также вследствие неровностей почвы, непосредственный контакт провода с землей составит менее 50% его длины и поэтому максимально возможную длину оборвавшегося провода, касающегося земли, можно принять равным 15 м. Исходя из этого, с высокой вероятностью можно принять, что сопротивление лежащего на

земле после обрыва фазного провода определяется выражением: R3M = 0,3р [8].

Таким образом, например, для удельного электрического сопротивления земли р = 100 Омм, значение Язм составляет 30 Ом. По графикам, приведенным на рис. 1 определяем значение R0 для трехфазной сети напряжением 380/220 В, что составляет величину R0 = 3.

Заключение

Проведенное исследование позволит утверждать, что фиксированное значение сопротивления заземления нейтрали R0 для приведенных напряжений электрической сети, которое предлагается в ПУЭ, не обеспечивает ПДУ напряжений на PEW-проводнике относительно земли. Величину R0 следует выбрать при определенном соотношении от сопротивления растеканию тока неизолированного провода, лежащего на земле Rs,^

Литература

1. Щуцкий В. И. Безопасность при эксплуатации электротехнических систем / В. И. Щуцкий, А. И. Сидоров. -Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2001. - 282 с.

2. Валеев Р. Г. Повышение уровня электробезопасности в электрических сетях напряжением до 1000 В при однофазных коротких замыканиях: дис. канд. техн. наук. - Челябинск, 2014. - 220 с.

3. Семенова М. Н. Обоснование перехода от глухозаземленной нейтрали к изолированной в сетях электроустановок сельскохозяйственного назначения напряжением до 1000 В: дис. канд. техн. наук. - Челябинск, 2011. - 153 с.

4. Правила устройства электроустановок: утв. Приказом Минэнерго России от 20 июня 2003 г. № 242 / М-во энергетики Российской Федерации. - 7-е изд. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2003.

5. Савицкий Л. В. Обоснование функций системы контроля состояния зануления / Л. В. Савицкий, К. С. Фетько, Ш. С. Сайдалиев, А. И. Сидоров // Электробезопасность. - 2012. - № 4. - С. 18-21.

6. Сидоров А. И. Компьютерная модель для исследования условий электробезопасности системы зануления в программной среде MATLAB/Simulink / А. И. Сидоров, Ш. С. Сайдалиев, Р. Г. Валеев // Вестник Таджикского технического университета им. акад. М. С. Осими. Серия «Энергетика». - 2015. - № 1 (29). - С. 59-63.

7. ГОСТ 12.1.038-82 ССБТ. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов (с Изм. № 1). - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2001.

8. Верхоглядов М. И. Обоснование сопротивлений повторных заземлений нулевого провода // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. - 1976, №6. С. 28-30.

References

1. Shchutskiy V. I. Bezopasnost' pri ekspluatatsii elektrotekhnicheskikh sistem / V. I. Shchutskiy, A. I. Sidorov. -Chelyabinsk: Izd-vo YuUrGU, 2001. - 282 s.

2. Valeev R. G. Povyshenie urovnya elektrobezopasnosti v elektricheskikh setyakh napryazheniem do 1000 V pri odnofaznykh korotkikh zamykaniyakh: dis. kand. tekhn. nauk. - Chelyabinsk, 2014. - 220 s.

3. Semenova M. N. Obosnovanie perekhoda ot glukhozazemlennoy neytrali k izolirovannoy v setyakh elektroustanovok sel'skokhozyaystvennogo naznacheniya napryazheniem do 1000 V: dis. kand. tekhn. nauk. - Chelyabinsk, 2011. - 153 s.

4. Pravila ustroystva elektroustanovok: utv. Prikazom Minenergo Rossii ot 20 iyunya 2003 g. № 242 / M -vo energetiki Rossiyskoy Federatsii. - 7-e izd. - M.: Izd-vo NTs ENAS, 2003.

5. Savitskiy L. V. Obosnovanie funktsiy sistemy kontrolya sostoyaniya zanuleniya / L. V. Savitskiy, K. S. Fet'ko, Sh. S. Saydaliev, A. I. Sidorov // Elektrobezopasnost'. - 2012. - № 4. - S. 18-21.

6. Sidorov A. I. Komp'yuternaya model' dlya issledovaniya usloviy elektrobezopasnosti sistemy zanuleniya v programmnoy srede MATLAB/Simulink / A. I. Sidorov, Sh. S. Saydaliev, R. G. Valeev // Vestnik Tadzhikskogo tekhnicheskogo universiteta im. akad. M. S. Osimi. Seriya «Energetika». - 2015. - № 1 (29). - S. 59-63.

7. GOST 12.1.038-82 SSBT. Elektrobezopasnost'. Predel'no dopustimye znacheniya napryazheniy prikosnoveniya i tokov (s Izm. № 1). - M.: IPK Izd-vo standartov, 2001.

8. Verkhoglyadov M. I. Obosnovanie soprotivleniy povtornykh zazemleniy nulevogo provoda // Mekhanizatsiya i elektrifikatsiya sotsialisticheskogo sel'skogo khozyaystva. - 1976, №6. S. 28-30.

DOI: 10.18454/IRJ.2016.49.146 Сизяков В.М.1, Бажин В.Ю.2, Судницин Е.О.3

1 Доктор технических наук, 2доктор технических наук, 3аспирант, Санкт-Петербургский горный университет ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ АНОДОВ СОДЕРБЕРГА

Аннотация

В статье выделены проблемы, связанные с эксплуатацией самообжигающихся анодов, применяемых в процессе электролитического производства алюминия по технологии Содерберга. Предложен к рассмотрению инновационный способ формирования структуры композитной массы, основанный на модификации кокса наполнителя, в совокупности с точечной корректировкой физико-химических свойств связующего, за счет внедрения технического углерода выбранной марки. Выделены технологически значимые характеристики целевого композита, и методики их определения.

Ключевые слова: анод, электролизеры, модификация, кокс, углерод, вакуумирование, термообработка.

Bazhin V.Yu.1, Sizjakov V.M.2, Sudnicin E.O.3

:PhD in Engineering, Professor, 2PhD in Engineering, Professor, 3Postgraduate student,

St. Petersburg Mining University FORMATION OF THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF SODERBERG ANODES

Abstract

The article is considered problems, associated with self-baking Soderberg anodes operations of electrolytic production of aluminum. An innovative method for structuring of composite paste, that are based on the modification of aggregate coke and binder content with insertion of special black carbon is proposed to consideration. Technologically important characteristics of the target composite, and methods of their determination was allocated.

Keywords: anode, cell, modification, coke, carbon, vacuum and heat treatment.

ВВЕДЕНИЕ

Крупнейшим потребителем углерода в РФ является алюминиевая промышленность. В процессе электролитического производства алюминия по классической технологии Содерберга используются углеродные аноды. В настоящее время, данная технология имеет ряд серьезных недостатков, из которых главными являются: выбросы в атмосферу загрязняющих веществ (диоксида углерода, смолистых и полиароматических веществ), высокий расход электроэнергии, высокий удельный расход массы (порядка 500 кг на тонну алюминия).

В условиях политики энергосбережения и ужесточения экологических требований появляется острая необходимость решения описанных проблем.

Для ликвидации вышеописанных «побочных» эффектов следует решить ряд задач:

a) снизить степень сегрегации (предотвратить возможность расслоения анодной массы);

b) уменьшить выход канцерогенов в атмосферу;

c) максимально снизить или совсем предотвратить образование угольной пены.