Способ повышения уровня электробезопасности в трехфазных электрических сетях напряжением до 1000 в с глухозаземленной нейтралью

Технические науки

УДК 621.316.11

Савицкий Леонид Владимирович Leonid Savitskiy

СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ УРОВНЯ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ В ТРЕХФАЗНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1000 В С ГЛУХОЗАЗЕМЛЕННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

METHOD OF INCREASING THE LEVEL OF ELECTRICAL SAFETY IN THREE-PHASE ELECTRIC NETWORK WITH VOLTAGE UP TO 1000 V WITH GROUNDED NEUTRAL

Приведен способ повышения уровня электробезопасности персонала путем осуществления непрерывного контроля целостности нулевого проводника питающих линий трехфазных электрических сетей напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью. Для обеспечения безопасности персонала при косвенном прикосновении предлагается осуществлять непрерывный контроль величины тока через повторный заземлитель вводно-распределительного устройства. На основе разработанной математической модели электрической сети представлена зависимость тока через повторный заземлитель от значения переходного сопротивления контакта нулевого проводника

Ключевые слова: электробезопасность, переходное сопротивление, PEN-проводник, однофазное короткое замыкание, повторный зазем-литель

The method of increasing the level of safety of personnel through the implementation of continuous monitoring of the integrity of neutral conductor supply lines of three-phase electrical networks with a voltage up to 1000 V with grounded neutral is described in the article. To ensure the safety of personnel for indirect touch, the continuous control of the current through the reground conductor of the water-distribution device is proposed to be carried out. On the basis of the developed mathematical model of an electric network dependence of the current through the recurrent earthing switch from the values of contact resistance contact neutral conductor is presented

Key words: electrical safety, reducing resistance, PEN-conductor, single-phase short circuit, recurrent earthing switch

Проблема надежной и безопасной эксплуатации промышленных сооружений и технологических установок остается актуальной на любом уровне развития технократической цивилизации. Последствия техногенных аварий проявляются как по отношению к обслуживающему персоналу предприятия, так и к общественно-коммунальным формациям: от производственного травматизма до крупных экологических катастроф [5].

Производственный электротравматизм в значительной мере обусловлен нарушениями техники безопасности при работе с электроустановками, хотя 40...45 % электротравм объясняются недочетами эксплуатации оборудования, приводящими к снижению сопротивления изоляции, появлению напряжения на нетоковедущих частях оборудования, которые не должны быть под напряжением и, наконец, к неотключению оборудования при электричес-

ких повреждениях [4].

Непосредственной причиной последней из перечисленных ситуаций является увеличение сопротивления петли «фаза-нуль», вызванное чаще всего увеличением переходного сопротивления контактов. Среди множества контактных соединений, составляющих цепь тока замыкания на землю, наиболее проблемными являются места соединения нулевой жилы питающих кабелей с корпусами распредустройств.

Питающие линии трехфазных электрических сетей переменного тока напряжением до 1000 В, имеющие систему заземления Т№-С, выполнены четырехпро-водными с совмещенным нулевым РЕ^ проводником. На него возложены функции обеспечения нормального режима работы электроприемников, с одной стороны, и выполнения защитных мер электробезопасности — с другой.

Весьма важную роль при этом играет вопрос целостности цепи нулевых соединений от нейтрали источника питания (силового трансформатора) до вводно-распреде-лительного устройства (ВРУ) объекта.

От распределительной сети объекта могут быть запитаны как трехфазные, так и одно- и двухфазные электроприемники, поэтому симметричность суммарной и ус-

редненной нагрузкок практически никогда не может быть достигнута, и через РЕ^ проводник постоянно протекает уравнительный ток. Учитывая, что согласно [1, п. 7.1.45], сечение нулевого проводника допускается менее сечения фазного (до 50 % при значениях от 35 мм2 и более), в режиме значительной асимметрии нагрузок РЕ^ проводник может оказаться под действием тока, превышающего его предельно допустимое значение для соответствующего сечения. Последствия термического воздействия на контактные соединения нулевой цепи усугубляются практикой присоединения медных и алюминиевых жил питаю -щих кабелей к стальным шинам и корпусам шкафов ВРУ.

Перечисленные обстоятельства при эксплуатации электрической сети обуславливают увеличение переходного сопротивления контактного соединения РЕ^про-водника и нулевой шины шкафа ВРУ (в пределе — до обрыва нулевой цепи).

На рис. 1 представлена обобщенная радиальная схема электроснабжения промышленного объекта от понижающей трансформаторной подстанции. В качестве источника питания объекта принято ВРУ напряжением 0,38 кВ.

Рис. 1. Обобщенная схема системы электроснабжения промышленного объекта

В нормальном режиме работы распределительной сети, питаемой от трансформаторной подстанции и при непрерывности PEN-проводника, ток в заземляющем проводнике повторного заземлителя ВРУ практически отсутствует по двум причинам:

1) большинство силовых электроприемников являются симметричными нагрузками для трехфазной системы переменного тока;

2) имеющиеся одно- и двухфазные потребители обуславливают появление токов нулевой последовательности в контуре с наименьшим сопротивлением PEN-проводника.

Аналогичная ситуация наблюдается и в аварийном режиме замыкания фазы на корпус электроустановки (точки К1-К4), вызывая надежное срабатывание соответствующего защитного аппарата в поврежденной линии.

При значительном увеличении переходного сопротивления контактного соединения (или обрыве) PEN-проводника питающего кабеля с корпусом ВРУ в точке А, питание трехфазных симметричных потребителей не нарушится. Однако при повреждениях изоляции любой фазы относительно корпуса электроустановки в любой точке распределительной сети ток однофазного замыкания будет проходить по следующей цепи: вторичная обмотка силового трансформатора — питающий кабель — проводник поврежденной фазы — место замыкания - PEN-проводник до корпуса ВРУ - заземляющий проводник повторного заземлителя ВРУ — грунт между объектом и заземляющим контуром трансформаторной подстанции — глухозаземлен-ная нейтраль вторичной обмотки силового трансформатора. Величина этого тока, в основном зависящая от сопротивления грунта между основным и повторным заземлителя-ми, может оказаться меньше уставки срабатывания защитных аппаратов как на ВРУ, так и в силовых шкафах распределительной сети объекта.

Посредством измерительного трансформатора тока, включенного в рассечку заземляющего проводника повторного за-землителя ВРУ, на вход реле тока КА пос-

тупит сигнал, величина которого при превышении заранее заданного порогового значения вызовет срабатывание отключающего коммутационного аппарата на ВРУ.

Отличительной особенностью данного способа является непосредственное измерение тока через заземляющий проводник повторного заземлителя ВРУ для последующей отстройки порогового значения от максимальной величины несимметрии фазных токов нагрузок до минимального значения тока однофазного замыкания на заземленный корпус электрооборудования.

Основным недостатком предлагаемого способа является практическое отсутствие контролируемой величины в заземляющем проводнике при наличии дополнительных металлосвязей корпуса ВРУ и естественных заземлителей сооружения с контуром заземления подстанции. Данный случай характерен для расположения трансформаторной подстанции в непосредственной близости от здания (сооружения) [1, п. 1.7.100].

В остальных случаях, когда трансформаторная подстанция удалена и дополнительная связь основного заземляющего контура с корпусом ВРУ объекта возможна только через грунт посредством повторного заземлителя или фундамента здания, проблема контроля целостности нулевого проводника становится весьма актуальной.

На основе приведенной на рис.1 схемы электроснабжения разработана математическая модель в матричной системе МаИаЪ&ЯтиИпк версии И2009Ь.

Параметры элементов модели соответствуют характеристикам реальной электроустановки, рассчитанным по паспортным и справочным данным следующего оборудования:

1) силовой трансформатор ТМ-400/10; ивн=10,5 кВ; инн=0,4 кВ; ДРХХ=0,93 кВт; ДРК=4,65 кВт; ик=4,5 %; 1Х=1,9 %;

2) сопротивление заземляющего контура подстанции й0=4 Ом;

3) питающий кабель ААБ-4х185; Ь=100 м;

4) автоматический выключатель на ВРУ - ВА51-35М3-34; 1Н=400 А; уставка

расцепителей: электромагнитного — 10 1Н; теплового — (1,05...1,30) 1Н;

5) нагрузка М1 — асинхронный двигатель серии 4А; РН=37 кВт; ин=380 В; п=1480 об/мин; кабель присоединения АВВГ-4х35; Ь=10 м; предохранитель ПН-2, I =250 А, I =200 А, характеристика

1 ном 1 вст 1 1 1

срабатывания — токовая, обратно зависимая от времени;

6) нагрузка М2 — асинхронный двигатель серии 4А; РН=15 кВт; иН=380 В; п=1480 об/мин; кабель присоединения АВ-ВГ-4х10; Ь=6 м; автоматический выключатель ВА47F29-3D40; 1Н=40 А; уставка расцепителей: электромагнитного — (10.. .14) 1Н; теплового — характеристика типа D.

При моделировании сопротивление повторного заземлителя ВРУ изменялось от 1 до 30 Ом, переходное сопротивление контакта нулевого провода — от 0,05 до 1 Ом. При этом фиксировались значения тока через повторный заземлитель ВРУ и тока короткого замыкания на корпус электродвигателя М2 (точка К4).

Результаты моделирования показали явную зависимость величины тока через повторный заземлитель ВРУ от его сопротивления и значения переходного сопротивления контакта нулевого провода, приведенную на рис. 2.

Значения тока однофазного короткого замыкания также имеют выраженную связь с величиной переходного сопротивления контакта нулевого провода, что видно из рис. 3.

На этом же графике показана нижняя граница величины уставки срабатывания электромагнитного расцепителя автоматического выключателя, при сравнении с которой величина тока однофазного короткого замыкания при значениях КПЕР более 0,6 Ом приведет к срабатыванию теплового (обратнозависимого от времени) рас-цепителя. Время срабатывания (согласно характеристике типа D) при этом составит более 0,7 с. При значениях ИПЕР более 3 Ом время отключения превысит 5 с, что нарушает условия электробезопасности согласно [2, табл. 2].

Рис. 2. Зависимость тока через повторный заземлитель ВРУ при различных значениях его сопротивления от переходного сопротивления контакта нулевого провода в режиме однофазного короткого замыкания

Рис. 3. Зависимость тока однофазного КЗ в точке К4 от переходного сопротивления контакта нулевого провода

Для обеспечения безопасности персонала при косвенном прикосновении предлагается осуществлять непрерывный контроль величины тока через повторный заземлитель ВРУ, появляющийся при однофазных коротких замыкания в любой точке распределительной сети объекта. Данный контроль осуществляется путем настройки реле тока КА (см. рис. 1) на величину, пропорциональную току в первичной обмотке измерительного трансформатора ТА.

При выборе уставки реле КА необходимо учитывать сопротивление повторного заземлителя ВРУ согласно рис.2. Минимальный ток срабатывания реле КА должен соответствовать наименьшему току однофазного замыкания в распределительной сети, вызывающему срабатывание электромагнитных расцепителей автоматических выключателей или достаточно быстрое отключение плавких предохранителей.

Выводы.

1. Среди элементов цепи однофазного короткого замыкания при повреждениях изоляции наиболее нестабильными параметрами обладает контактное соединение нулевой жилы питающего кабеля и корпуса вводно-распределительного устройства объекта электроснабжения.

2. При неудовлетворительном состоянии контакта PEN-проводника питающего кабеля с корпусом ВРУ величина тока однофазного короткого замыкания в распределительной сети уменьшается и может достичь порога несрабатывания защитных аппаратов — предохранителей и автоматических выключателей.

Литература _

1. Правила устройства электроустановок: Все действующие разделы ПУЭ-6 и ПУЭ-7. 5-й выпуск (с изм. и доп., по состоянию на 1 июня 2006 г.). Новосибирск: изд-во Сиб. ун-та, 2006. 854 с.

2. ГОСТ 12.1.038-82. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов. М.:Энергоатомиздат, 1983.

3. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей. М.: Энергосервис, 2003.

3. При снижении величины тока однофазного короткого замыкания ( в соответствии с защитными характеристиками предохранителей и автоматических выключателей) время срабатывания защитных аппаратов увеличивается и приводит к нарушению условий электробезопасности по критериям допустимого тока через тело человека и допустимого напряжения прикосновения.

4. Контроль за состоянием контакта PEN-проводника питающего кабеля с корпусом ВРУ необходимо осуществлять непрерывно, т.к. предусмотренная [3] периодичность проверки с учетом тяжелых условий эксплуатации промышленного электрооборудования недостаточна для выполнения требований электробезопасности.

5. Эффективность применения предлагаемого способа ограничивается случаями, когда питающая трансформаторная подстанция расположена на достаточном удалении от промышленного объекта, т.е. дополнительной металлосвязи между основным и повторным заземлителями нет.

6. Уставка срабатывания реле тока в цепи заземляющего проводника повторного заземлителя ВРУ должна учитывать наименьшую величину тока в данной цепи в режиме однофазных коротких замыканий при увеличении переходного сопротивления контакта PEN-проводника питающего кабеля с корпусом ВРУ, а также сопротивление повторного заземлителя ВРУ. Кроме того, уставка срабатывания должна быть адаптивной, в зависимости от изменяющегося переходного сопротивления и сопротивления повторного заземлителя.

_ Bibliography

1. Pravila ustrojstva jelektroustanovok: Vse dej-stvujushhie razdely PUJe-6 i PUJe-7. 5-j vypusk (s izm. i dop., po sostojaniju na 1 ijunja 2006 g.). Novosibirsk: izd-vo Sib. un-ta, 2006. 854 s.

2. GOST 12.1.038-82. Jelektrobezopasnost. Predelno dopustimye znachenija naprjazhenij priko-snoveniya i tokov. M.:Jenergoatomizdat, 1983.

3. Pravila tehnicheskoj jekspluatacii jelektroustanovok potrebitelej. M.: Jenergoservis, 2003.

4. Манойлов В.Е. Основы электробезопасности. 5-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991. 480 с.

5. Шадрин В.А., Диагностика гидроагрегатов Саяно-Шушенской ГЭС имени П.С. Непорожнего // Вестник ЧитГУ. Чита: ЧитГУ, 2011. № 11 (78). С. 135-140.

Коротко об авторе_

СавицкийЛ.В., доцент каф. «Электроэнергетика и электротехника», Забайкальский государственный университет leo16061965@yandex.ru

Научные интересы: электробезопасность при эксплуатации электрооборудования напряжением до 1000 В

4. Manojlov V.E. Osnovy jelektrobezopasnosti. 5-e izd., pererab. i dop. L.: Jenergoatomizdat. Leningr. otd-nie, 1991. 480 s.

5. Shadrin V.A., Diagnostika gidroagregatov Sa-jano-Shushenskoj GJeS imeni P.S. Neporozhnego // Vestnik ChitGU. Chita: ChitGU, 2011. № 11 (78). S. 135-140.

_Briefly about the author

L. Savitsky, associate professor, Power industry and electrical engineering department, Transbaikal State University

Scientific interests: electrical safety in the operation of electrical equipment with voltage up to 1000 V