Анализ условий электробезопасности в электрических сетях напряжением до 1 кВ

А.В. Ляхомский, Г.М. Петров, А.Г. Кутепов

АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1 КВ

Электрические сети промышленных предприятий характеризуются определенной спецификой эксплуатации: замкнутость горного пространства, наличие взрывоопасных газов и пыли. Это предъявляет ряд специальных требований для электрических сетей и оборудования, особенно к безопасному применению электрической энергии и к защите людей от поражения электрическим током. На предприятиях горнодобывающей отрасли для питания электропотребителей широко используются электрические сети с изолированной нейтралью - для подземного комплекса и с глухозазем-ленной нейтралью - для питания потребителей поверхности. Для ряда условий на поверхностном комплексе жестко ставится вопрос о применении электрической сети с изолированной нейтралью для питания электропотребителей напряжением до 1 кВ. Детального анализа сравнения условий электробезопасности в различных сетях напряжением до 1 кВ не проводилось. На примере опытного участка обогатительной фабрики в электрических сетях с вышеперечисленными системами заземления были рассмотрены различные случаи прикосновения человека к аварийному оборудованию и получены аналитические выражения напряжения прикосновения от различных параметров электрической сети как при нормальном, так и при переходном режимах. Полученные выражения позволили сравнить условия электробезопасности в различных системах заземления электрической сети напряжением до 1 кВ с изолированной и глухозаземленной нейтралью источника питания. Ключевые слова: условие электробезопасности, короткое замыкание, напряжение прикосновения, изолированная нейтраль, глухо-заземленная нейтраль, система заземления, переходный процесс.

Общие сведения

В электрических сетях напряжением до 1 кВ промышленных предприятий горнодобывающей отрасли в основном используются две системы заземления: в местах проведения открытых и подземных горных работ — электрическая сеть с изолированной нейтралью (система IT), для питания электропотребителей поверхностного комплекса — электрическая сеть с глухозаземленной нейтралью (система TN) [1, 2].

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 5. С. 58-66. © 2016. А.В. Ляхомский, Г.М. Петров, А.Г. Кутепов.

УДК 622.861: 614.825

В данных электрических сетях одной из основных мер защиты человека от поражения электрическим током является защитное заземление. Вопросам устройства заземления в электрических сетях промышленных предприятий посвящены работы многих авторов [3—10]. В данных работах выполнен анализ поражения электрическим током в различных электрических сетях, рассмотрены вопросы моделирования напряжения прикосновения и устройство защитного заземления в электрических сетях с разными системами заземления.

Однако в приведенных работах нет сравнительного анализа условий электробезопасности в электрических сетях напряжением до 1 кВ с различными системами заземления. Промышленные объекты горнодобывающей отрасли согласно Федеральному закону № 116-ФЗ от 15.03.2013 г. [11] относятся к опасным производственным объектам. На таких объектах согласно [2] должна применяться электрическая сеть с изолированной нейтралью источника питания. Однако в действующих нормативных документах [12] нет достаточной четкости по условиям применения режима нейтрали на участках, находящихся на определенном расстоянии от места ведения горных работ, или на объектах обогатительной фабрики.

В данной статье ставится задача по выполнению анализа условий электробезопасности в электрических сетях напряжением до 1 кВ с различными режимами нейтрали: заземленной (системы TN и ТТ) и изолированной (система 1Т).

Основная часть

Анализу были подвержены электрические сети с заземленной и изолированной нейтралью напряжением до 1 кВ опытного участка обогатительной фабрики, однолинейные схемы электроснабжения которых приведены на рис. 1, а и рис. 1, б. На рис. 1, а представлена схема электроснабжения с системой заземления TN-S. При определенной корректировке для опытного участка можно получить электрическую сеть и с другими системами заземления: Т^С и ТТ. На рис. 1, б представлена схема электроснабжения с системой заземления 1Т.

В работах [13] и [14] рассматривается замыкание фазы на корпус в системе Т^С без участия человека, в работе [15] — при наличии человека.

В рассматриваемой статье анализу были подвержены различные случаи прикосновения человека к оборудованию, оказавшемуся под напряжением, при различных режимах нейтрали сети.

Схема электроснабжения опытного участка в системе TN-S (а) и ^ (б): ЭП — аварийный электроприемник; IV — силовой трансформатор (источник питания); QF1 — автоматический выключатель в вводно-распре-делительном устройств (ВРУ); QF2 — автоматический выключатель в распределительном щите (РЩ); L1, L2, L3 — фазы силовой питающей сети; N — нулевой рабочий проводник; РЕ — нулевой защитный проводник;

— сопротивление тела человека, Ом; г0 — сопротивление заземляющего устройства нейтрали источника питания, Ом; RЗП — сопротивление повторного заземлителя, Ом; RЗГ — сопротивление главного заземлителя, Ом; Rпе — переходное сопротивление (сопротивления пола и обуви), Ом; R — сопротивление в месте замыкания на корпус, Ом; R ,, R „, R . —

к ^ из1' из2' из3

активные сопротивления изоляции относительно земли различных фаз, кОм; С., C Cиз3 — емкость изоляции относительно земли различных фаз, мкФ; 1р 22, 13 — соответственно протяженности линий № 1

Для анализа различных случаев рассматривался типовой участок обогатительной фабрики со следующими данными:

1. Трансформатор ТМ-1600/6-0,4.

2. Линия № 1 (от IV до ВРУ): шина АД31 80x10 (3 шт.), 11 = = 10 м.

3. Линия № 2 (от ВРУ до РЩ): кабель АНРГ сечением 185 мм2 (2 шт.), 12 = 200 м.

4. Линия № 3 (от РЩ до ЭП): провод АПВ сечением 25 мм2, 13 = 70 м.

5. Магистральная стальная шина 40x4, I = 200 м (РЕ1).

6. Стальная шина 40x4 от ЭП до магистральной стальной шины, I = 10 м (РЕ2).

7. Стальная шина 40x4 от ЭП до повторного заземлителя, I = = 50 м (РЕ3).

При анализе в качестве пола был принят бетон повышенной влажности ^п = 300 Ом), а в качестве обуви была принята кожаная обувь влажная ^об = 500 Ом) и резиновая обувь влажная ^об = 1500 Ом). Сопротивления пола и обуви были приняты по материалам М.Р. Найфельда [16].

Получены аналитические выражения напряжения прикосновения: Система Т^С:

7 7 7

и _ и__ 4 5 7_

"Р (74 + 77 ) [7175 + 71710 + 75710 ]

Система TN-S:

и _ и Як (74 + 77 ) (75 + 710 ) + 747577

^ ф (74 + 77) [(71 + Як)(75 + 710) + 75710 ]

Система ТТ:

и _ и Як (72 + 79 )(74 + 77 ) + 727477

"Р ф (74 + 77)[(71 + Як)(72 + 79) + 7279] Система 1Т:

и _ и Я (72 + 79 ) (74 + 77 ) + 727477

"Р ф (74 + 77)[(71 + Як)(72 + 79) + 7279]

Система 1Т рассматривалась в аварийном режиме, когда одна из фаз сети была замкнута на землю, а человек прикоснулся к другой фазе сети.

При анализе были получены зависимости напряжения прикосновения от следующих параметров электрической сети:

Параметры Значения

Система заземления TN-C

Принужденная составляющая, и

Свободная составляющая, и (') св прик ^ ' 121,81  е-1166' - 0,00386  е-36859009'

Напряжение прикосновения в переходном режиме, ищик (t) 121,81  sin (го' + 90,46°) + + 121,81  е-1166' - 0,00386  е-36859009'

Напряжение прикосновения при t = 0 и (') = 243,6 В прик 4 ' '

Система заземления TN-S

Принужденная составляющая, и

Свободная составляющая, и (t) ' св прик х ' 73,195  е-1262' - 0,0153  е-6022765'

Напряжение прикосновения в переходном режиме, иприк (') 73,226  sin (го' + 88,05°) + + 73,195  е-1262' - 0,0153  е-6022765'

Напряжение прикосновения при t = 0 и (') = 146,4 В прик 4 ' '

Система заземления СТ

Принужденная составляющая, и

Свободная составляющая, и (') ^ ^ ' св прик ^ ' 101,19  е-1218' - 0,0063  е-19469426'

Напряжение прикосновения в переходном режиме, иприк (') 113,96  sin (го' + 62,6°) + + 101,19  е-1218' - 0,0063  е-19469426'

Напряжение прикосновения при t = 0 и (') = 202,4 В прик 4 ' '

Система заземления И

Принужденная составляющая, и

Свободная составляющая, и (') ' св прик х ' 340,9  е-307' - 242,26  е-432'

Напряжение прикосновения в переходном режиме, иприк (t) 116,32  sin (го' + 58°) + 340,9  е-307' - 242,26  е-432'

Напряжение прикосновения при t = 0 и (') = 197,3 В прик 4 ' '

'"из

земли

Rк — сопротивление в месте замыкания на корпус;

Rпер — переходное сопротивление;

RЗП — сопротивление повторного заземлителя;

Z — полное сопротивление изоляции фаз относительно

• Z1, Z1, — эквивалентные сопротивления цепи фазного проводника;

• Z2 — эквивалентное сопротивление цепи нулевого проводника;

• Z4 — сопротивление элементов цепи тока через тело человека;

• Z5, Z6, 77, Z10 — эквивалентные сопротивления цепи заземления.

Проведя анализ зависимостей напряжения прикосновения относительно вышеприведенных параметров можно сделать вывод, что в сетях с заземленной нейтралью наиболее безопасной является электрическая сеть с системой заземления TN-S. В некоторых случаях более безопасной является система ТТ, но согласно п. 1.7.59 ПУЭ (7-е издание) [1] питание электроустановок напряжением до 1 кВ от источника с глухозаземленной нейтралью и с заземлением открытых проводящих частей при помощи заземлителя, не присоединенного к нейтрали (система ТТ), допускается только в тех случаях, когда условия электробезопасности в системе TN не могут быть обеспечены. Для защиты при косвенном прикосновении в таких электроустановках должно быть выполнено автоматическое отключение питания с обязательным применением УЗО. При этом должно быть соблюдено условие

R • I < 50 В,

а а '

где 1а — ток срабатывания защитного устройства; Rа — суммарное сопротивление заземлителя и заземляющего проводника, при применении УЗО для защиты нескольких электроприемников — заземляющего проводника наиболее удаленного электроприемника.

В электрических сетях промышленных предприятий поражения электрическим током в большинстве случаев возникают в момент повреждения изоляции [3], т. е. при переходном режиме. Вследствие чего был выполнен анализ величины напряжения прикосновения в электрических сетях напряжением до 1 кВ с разными системами заземления при данном режиме. Параметры напряжения прикосновения в электрических сетях с заземленной и изолированной нейтралью приведены в таблице.

Выводы

1. Рассмотренные системы не обеспечивают надлежащую электробезопасность. Напряжение прикосновения данных сетей превышает 20 В.

2. Для повышения электробезопасности в данных сетях дополнительно следует применить и другие меры защиты от поражения электрическим током: уравнивание потенциалов и автоматическое отключение питания.

3. Анализ данных таблицы позволяет сделать вывод, что из рассмотренных систем заземления более безопасной является система TN-S.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Правила устройства электроустановок. 7-е изд. — М.: ЗАО «Энергосервис», 2002.

2. Электрификация горного производства: Учебник для вузов, в 2 т. / Под ред. Л. А. Пучкова и Г. Г. Пивняка. - М.: Изд-во МГГУ, 2007. -1105 с.

3. Манойлов В. Е. Основы электробезопасности. — Л.: Энергоатом-издат, 1991. — 480 с.

4. Долин П. А. Основы техники безопасности в электроустановках. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 448 с.

5. Rappaport E. Does grounding make a system safe?: analyzing the factors that contribute to electrical safety. IEEE Industry Applications Magazine. Volume 21, Issue 3, 1 May 2015, Article number 7047742, pp. 48—57.

6. Freshi F., Mitolo M, Tommasini R. Electrical model of building structures under ground-fault conditions. Part I. IEEE Transactions on Industry Applications. Volume 2015, 2015, Article number 07283608.

7. Barrett M., O'Connell K., Sung C. Electrical safety and touch voltage design. Building Services Engineering Research and Technology. Volume 31, Issue 4, November 2010, pp. 325—340.

8. Oslon A. B., Kostruba S. I. A model of the grounding device of an electrical installations in nonuniform ground. Elektrichestvo. Issue 1, 2005, pp. 15—18.

9. Yong J., Li L, WangX., Zeng L, Xu X. Theoretical analysis on the protections properties against electric shock of low voltage DC distribution system with different grounding types. Chongqing Daxue Xuebao / Journal of Chongqing University. Volume 36, Issue 11, November 2013, pp. 21—26.

10. Parise G., Mitolo M. A novel approach to the electrical safety of low-voltage installations: The TN-Island grounding system. European Transactions on Electrical Power. Volume 22, Issue 5, July 2012, pp. 616—626.

11. Федеральный закон № 116-ФЗ от 15.03.2013 г. О промышленной безопасности опасных производственных объектов, 2013.

12. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности при ведении горных работ и переработки твердых полезных ископаемых», 2014.

13. Петров Г. М., Кутепов А. Г., Саркисян Р. М. Анализ заземляющей системы в электрической сети с глухозаземленной нейтралью источ-

ника питания // Горный информационный аналитический бюллетень. - 2012. - № 6. - С. 270- 275.

14. Кутепов А.Г., Петров Г.М. Исследование заземляющей сети машин и оборудования горной промышленности // Научный вестник МГГУ. - 2012. - № 5. - С. 50-58.

15. Петров Г. М., Кутепов А. Г. Анализ системы заземления TN при эксплуатации электрических сетей обогатительных фабрик // Горный информационный аналитический бюллетень. - 2015. - № 6. - С. 272-281.

16. Найфельд М. Р. Заземление, защитные меры электробезопасности. - М.: Энергия, 1971. - 312 с. fi^i

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Ляхомский Александр Валентинович1 - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой, e-mail: mggu.eegp@mail.ru, Петров Геннадий Михайлович1 - кандидат технических наук, профессор, e-mail: petrovgm@mail.ru,

Кутепов Антон Григорьевич1 - преподаватель, e-mail: antkut@mail.ru, 1 МГИ НИТУ «МИСиС».

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 5, pp. 58-66. A.V. Lyakhomskiy, G.M. Petrov, A.G. Kutepov CONTROL OF TWO-MASS SYSTEM WITH A DC MOTOR

AND CHANGE DIRECTION ON THE EXIT

Electric networks of industrial enterprises are characterized by certain specifics of operation, which include the isolation of space mining, the presence of explosive gases and dust. All this imposes a number of specific requirements for the electric networks and equipment. Particularly high demands apply to the safe use of electric energy and to protect people from electric shock.

At the enterprises of the mining industry to power the electroporation consumers are widely used electrical networks with isolated neutral - for the underground complex (especially in terms of threat against explosions and fires) and with dead-earthed neutral - for the supply of power to the surface. For a number of conditions on the surface complex, for example in concentrators, rigidly raises the question of the application of electric networks with isolated neutral to power the electrical load voltage up to 1 kV. A detailed analysis of the comparison of the electrical conditions in different networks with voltage up to 1 kV was carried out.

The 7th edition of the SAE 2002 in electric network with voltage up to 1 kV requires the use of various grounding systems: IT, TN-C, TN-S, TT and TN-C-S. In the article on the example of experimental plot concentrator in electrical networks with the above grounding systems examined various cases of human touch to emergency equipment and were the analytical expressions of contact voltage on different parameters of the electrical network under both normal and transient conditions. The obtained expressions allow to compare the conditions of electrical safety in different grounding systems of the electric network with voltage up to 1 kV with insulated and earthed neutral of the power source.

Key words: condition of electrical, short circuit, touch voltage, isolated neutral, earthed neutral, grounding system, transient process.

UDC 622.861: 614.825

AUTHORS

LyakhomskiyA.V}, Doctor of Technical Sciences, Professor,

Head of Chair, e-mail: mggu.eegp@mail.ru,

Petrov G.M.1, Candidate of Technical Sciences, Professor,

e-mail: petrovgm@mail.ru,

Kutepov A.G.1, Lecturer, e-mail: antkut@mail.ru,

1 Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia.

REFERENCES

1. Pravila ustroystva elektroustanovok, 7-e izd. (Rules for electrical installation, 7th edition), Moscow, ZAO «Energoservis», 2002.

2. Elektrifikatsiya gornogoproizvodstva: Uchebnik dlya vuzov, v 2 t. Pod red. L. A. Puchk-ova, G. G. Pivnyaka (Electrification of mining production: Textbook for high schools, in

2 vol., Puchkov L. A., Pivnyak G. G. (Eds.)), Moscow, Izd-vo MGGU, 2007, 1105 p.

3. Manoylov V. E. Osnovy elektrobezopasnosti (The basics of electrical safety), Leningrad, Energoatomizdat, 1991, 480 p.

4. Dolin P. A. Osnovy tekhniki bezopasnosti v elektroustanovkakh (Fundamentals of safety in electrical installations), Moscow, Energoatomizdat, 1984, 448 p.

5. Rappaport E. Does grounding make a system safe?: analyzing the factors that contribute to electrical safety. IEEE Industry Applications Magazine. Volume 21, Issue 3, 1 May 2015, Article number 7047742, pp. 48-57.

6. Freshi F., Mitolo M., Tommasini R. Electrical model of building structures under ground-fault conditions. Part I. IEEE Transactions on Industry Applications. Volume 2015, 2015, Article number 07283608.

7. Barrett M., O'Connell K., Sung C. Electrical safety and touch voltage design. Building Services Engineering Research and Technology. Volume 31, Issue 4, November 2010, pp. 325-340.

8. Oslon A. B., Kostruba S. I. A model of the grounding device of an electrical installations in nonuniform ground. Elektrichestvo. Issue 1, 2005, pp. 15-18.

9. Yong J., Li L., Wang X., Zeng L., Xu X. Theoretical analysis on the protections properties against electric shock of low voltage DC distribution system with different grounding types. Chongqing Daxue Xuebao. Journal of Chongqing University. Vol. 36, Issue 11, November 2013, pp. 21-26.

10. Parise G., Mitolo M. A novel approach to the electrical safety of low-voltage installations: The TN-Island grounding system. European Transactions on Electrical Power. Volume 22, Issue 5, July 2012, pp. 616-626.

11. Federal'nyy zakon № 116-FZ ot 15.03.2013 g. O promyshlennoy bezopasnosti opas-nykh proizvodstvennykh ob"ektov (Federal law No. 116-FZ dated 15.03.2013 g. On industrial safety of hazardous production facilities), 2013.

12. Federal'nye normy i pravila v oblasti promyshlennoy bezopasnosti «Pravila bezopasnosti pri vedenii gornykh rabot i pererabotki tverdykh poleznykh iskopaemykh» (Federal norms and rules in the field of industrial safety «Safety Rules at conducting mining works and processing of solid minerals»), 2014.

13. Petrov G. M., Kutepov A. G., Sarkisyan R. M. Gornyy informatsionnyy analitiches-kiy byulleten', 2012, no 6, pp. 270- 275.

14. Kutepov A. G., Petrov G. M. Nauchnyy vestnik MGGU. 2012, no 5, pp. 50-58.

15. Petrov G. M., Kutepov A. G. Gornyy informatsionnyy analiticheskiy byulleten'. 2015, no 6, pp. 272-281.

16. Nayfel'd M. R. Zaz,emlenie, zashchitnye mery elektrobezppasnosti (Earthing and protective measures electrical safety), Moscow, Energiya, 1971, 312 p.