Молниезащита
Справочные данные
Статьи / Справочные данные / Электробезопасность в квартирах, коттеджах. Заземление и молниезащита. УЗО. Защита от перенапряжений.
  31.03.17  |  

Электробезопасность в квартирах, коттеджах. Заземление и молниезащита. УЗО. Защита от перенапряжений.


9.1. Основные принципы обеспечения электробезопасности


Широкое использование электроэнергии во всех областях деятельности человека и в первую очередь в быту, связанное с увеличением количества и разнообразия электроприборов в квартирах, коттеджах и на приусадебных участках, естественным образом влечет за собой повышение опасности поражения человека электрическим током.


Неисправности электроприборов, электрооборудования и электропроводок могут стать причиной возгораний и пожаров.


Основной предпосылкой повышенных требований по электробезопасности является то, что кроме нормальных рабочих токов в электроустановках могут возникать крайне нежелательные токи короткого замыкания, перегрузки и токи утечки при повреждении электроизоляции.


Зачастую квартиры повышенной комфортности создаются в существующих домах путем объединения 2-3 квартир. В таких домах изношенность существующих электропроводок высока. К тому же они не рассчитаны на режимы работы электрооборудования более комфортного жилища (наличие гармонических составляющих, несимметрия фаз и пр.). Это требует принятия дополнительных мер по электро- и пожаробезопасности.


В коттеджном строительстве существенную опасность представляют воздушные линии вводов на участки. Как правило, они выполнены неизолированными проводами, имеющими низкую механическую и химическую стойкость. По такой схеме обеспечивается электроснабжением более половины потребителей. К тому же вводы от воздушных линий (ВЛ) также достаточно изношены и имеют низкую надежность.


При питании однофазных потребителей от трехфазной питающей сети ответвлениями от ВЛ, когда PEN-проводник является общим для групп однофазных потребителей, питающихся от разных фаз, возможно появление опасного перенапряжения при несимметричной нагрузке и обрыве PEN- проводника. Следствием такого перенапряжения может быть повреждение электронного и бытового электрооборудования и возникновение пожара в результате возгорания включенных электрических приборов.


Как правило, большинство из построенных в последние годы коттеджей не имеют устройств молниезащиты. То же самое характерно и для садовых домиков и других частных сооружений.


В 2003 г. выпущена Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций (СО-153-34.21.122-2003). Указанная Инструкция распространяется на все виды зданий, сооружений и промышленных коммуникаций независимо от ведомственной принадлежности и формы собственности. В Инструкции рассмотрена защита как от прямых ударов молнии, так и от ее вторичных воздействий, включая применение защиты от импульсов перенапряжения и установку ограничителей перенапряжений.


При проектировании электрооборудования жилища обеспечению мер электробезопасности должно быть уделено особое внимание.


С позиций электробезопасности человек является проводником электрического тока. Электрическое сопротивление тела в основном обеспечивается верхним роговым слоем кожи, не имеющим кровеносных, лимфатических и других сосудов и нервных окончаний, и зависит от влажности кожи, места расположения и размера поверхности контакта тела с токоведущей частью электрооборудования, расстояния между контактами, пути протекания тока по телу, индивидуальных особенностей организма и других факторов.


Электрический ток, проходящий через тело человека, производит термическое, электротермическое и биологическое воздействие. Величина электрического тока, проходящего через тело человека, является основным фактором, определяющим вид поражения:


0,6-1,5 мА - человек начинает ощущать действие проходящего через него переменного тока;


10-15 мА - неотпускающий ток, человек не может самостоятельно оторвать руку от электропроводов;


25-50 мА - происходит мощное сокращение дыхательных мышц, через несколько минут наступает смерть от удушья;


50-200 мА - возникает беспорядочное сокращение и расслабление мышцы сердца (фибрилл) с частотой 400-600 раз в минуту - фибрилляция. Кровообращение останавливается.


Другим важным фактором является время воздействия тока на человека.


В ГОСТ 12.1.038-82 (с изменениями от 01.07.88 ) «Электробезопасность. Предельно допустимые уровни напряжений прикосновения и токов» определены предельно допустимые значения переменного тока частотой 50 Гц через тело человека в бытовых электроустановках в зависимости от времени воздействия:


Предельно допустимые значения переменного тока частотой 50 Гц через тело человека в бытовых электроустановках в зависимости от времени воздействия

Время воздействия, с

0,01-0,08

0,1

0,2

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

> 1,0

Ток, мА 

220

200

100

70

55

50

40

35

30

27

2


В четырехпроводной сети с заземленной нейтралью трансформатора (рис. 9.1) цепь тока, проходящего через тело человека, включает в себя сопротивление тела человека Rчел, его обуви Rоб, пола Rп и заземлителя Rз.


Тогда ток, проходящий через тело человека, определяется из выражения



ток, проходящий через тело человека


Электрическое сопротивление тела человека при сухой, чистой и неповрежденной коже, при напряжении 15-20 В находится в пределах от 3000 до 100 000 Ом. При расчетах обычно принимают сопротивление тела человека равным 1000 Ом. Сопротивление Rs обычно меньше этих величин, и им можно пренебречь.



Схема прикосновения человека к одной фазе в четырехпроводной сети с заземленной нейтралью


Рис. 9.1. Схема прикосновения человека к одной фазе в четырехпроводной сети с заземленной нейтралью


При наиболее неблагоприятных условиях, когда человек, прикоснувшийся к фазе, имеет на ногах токопроводящую обувь (сырую), стоит на сырой земле или на токопроводящем полу, значение тока будет равно





Такой ток смертельно опасен для человека. Если человек имеет на ногах непроводящую обувь (Rоб = 45000 Ом) и стоит на изолирующем основании (Rосн=Rп =10000 Ом), ток будет равен





Такой ток не опасен для человека.


Из приведенного примера видно, что для обеспечения безопасности людей, выполняющих какие-либо работы в электроустановках или находящихся в квартире, коттедже или на приусадебном участке, большое значение имеют изолирующие полы или изолирующие коврики и не проводящая ток обувь.


При проектировании электрооборудования для отдельных помещений современного жилища, особенно для тех где используются сантехнических и теплотехнических устройств, необходимо учитывать классификацию помещений в соответствии с ПУЭ (см. §1.1).


В ГОСТ Р 50571.3-94 «Электрооборудование зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Защита от поражения электрическим током» приведены требования к основным мерам защиты человека от поражения электрическим током, которые должны соблюдаться в электроустановках зданий. Все многообразие опасных для здоровья и жизни человека контактов с электроустановкой здания подразделяется в стандарте на «прямое прикосновение» и «косвенное прикосновение», которым соответствуют два вида защиты: защита от прямого прикосновения и защита от косвенного прикосновения. В разделе 411 стандарта изложены требования к такой мере защиты от прямого и косвенного прикосновений, которая основана на применении систем БСНН, ЗСНН и ФСНН.


Система БСНН (система безопасного сверхнизкого напряжения) предусматривает использование в цепях сверхнизкого напряжения и их электрическое отделение от других цепей электроустановки здания. В системе БСНН не применяется защитное заземление открытых проводящих частей электрооборудования класса III.


При использовании системы ЗСНН (заземленная система безопасного сверхнизкого напряжения) допускается заземление открытых проводящих частей электрооборудования класса III.


Система ФСНН применяется в тех случаях, когда для питания электрооборудования класса III требуется сверхнизкое напряжение, а использование систем БСНН или ЗСНН невозможно или в этом нет необходимости.


Для каждой из перечисленных систем в стандарте излагаются требования к источникам питания, выполнению защитного заземления, построению электрических цепей, а также к проводникам, вилкам и штепсельным розеткам, изоляции токоведущих частей и др.


Раздел 412 ГОСТ Р 50571.3 содержит требования к следующим мерам защиты от прямого прикосновения:


• к изоляции токоведущих частей;


• к применению ограждений и оболочек;


• к применению барьеров;


• к размещению вне зоны досягаемости;


• к дополнительной защите с помощью устройств защитного отключения (УЗО).


Для защиты от косвенного прикосновения требованиями стандарта (раздел 413) предусмотрены следующие меры:


- автоматическое отключение питания;


- уравнивание потенциалов;


- применение электрооборудования класса II или с равноценной изоляцией;


- изолирующие помещения, зоны и площадки;


- система местного уравнивания потенциалов;


- электрическое разделение цепей.


Указанный стандарт содержит основополагающие требования по защите от прямого и косвенного прикосновений, которые применяются, дополняются и конкретизируются другими стандартами комплекса ГОСТ Р 50571 для конкретных видов помещений, например для ванных и душевых помещений.


Под косвенным прикосновением понимается прикосновение человека к открытым проводящим частям оборудования, на которых в нормальном режиме (исправном состоянии) электроустановки отсутствует электрический потенциал, но при каких-либо неисправностях, вызвавших нарушение изоляции или ее пробой на корпус, на этих частях возможно появление опасного для жизни человека потенциала.


Защиту при косвенном прикосновении следует выполнять во всех случаях, если напряжение в электроустановке превышает 50 В переменного тока и 120 В постоянного тока.


В помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных установках в соответствии с нормами ПУЭ может потребоваться выполнение защиты при косвенном прикосновении при напряжениях, например 25 или 12 В переменного тока, 60 или 30 В постоянного тока.


Защита от прямого прикосновения не требуется, если электрооборудование находится в зоне системы уравнивания потенциалов, а наибольшее рабочее напряжение не превышает 25 В переменного тока и 60 В постоянного тока в помещениях без повышенной опасности и 6 В переменного или 15 В постоянного тока - во всех остальных случаях.


Электрооборудование, применяемое для внутренней установки в зданиях, в соответствии с ГОСТ Р МЭК 536-94 по способам защиты от поражения электрическим током разделяют на четыре класса:


Оборудование класса 0. Оборудование, в котором защита от поражения электрическим током обеспечивается основной изоляцией, при этом отсутствует электрическое соединение открытых проводящих частей, если таковые имеются, с защитным проводником стационарной проводки. При пробое основной изоляции защита должна обеспечиваться окружающей средой (воздух, изоляция пола и т.п.).


Оборудование класса I. Оборудование, в котором защита от поражения электрическим током обеспечивается основной изоляцией и соединением открытых проводящих частей, доступных прикосновению, с защитным проводником стационарной проводки.


В этом случае открытые проводящие части, доступные прикосновению, не могут оказаться под напряжением при повреждении изоляции после срабатывания соответствующей защиты.


Оборудование класса II. Оборудование, в котором защита от поражения электрическим током обеспечивается применением двойной или усиленной изоляции. В этом случае отсутствуют средства защитного заземления и защитные свойства окружающей среды не используются в качестве меры обеспечения безопасности.


В оборудовании класса II может быть предусмотрено защитное сопротивление, если оно необходимо и его применение не приводит к снижению уровня безопасности. Оборудование может быть снабжено средствами для обеспечения постоянного контроля целостности защитных цепей при условии, что эти средства составляют неотъемлемую часть оборудования и изолированы от доступных прикосновений поверхностей в соответствии с требованиями, предъявляемыми к оборудованию класса II.


В некоторых случаях необходимо различать оборудование класса II «полностью изолированное» и оборудование «с металлической оболочкой». Оборудование с металлической оболочкой может быть снабжено средствами для соединения оболочки с проводником уравнивания потенциала, только если это требование предусмотрено стандартом на соответствующее оборудование.


Оборудование класса II в функциональных целях допускается снабжать устройством заземления, отличающимся от устройства заземления, применяемого в защитных целях при условии, что это требование предусмотрено стандартом на соответствующее оборудование.


Оборудование класса III. Оборудование, в котором защита от поражения электрическим током основана на питании от источника безопасного сверхнизкого напряжения и в котором не возникают напряжения выше безопасного сверхнизкого напряжения. В оборудовании класса III не должно быть заземляющего зажима.


Оборудование класса III с металлической оболочкой допускается снабжать средствами для соединения оболочки с проводником уравнивания потенциала при условии, что это требование предусмотрено стандартом на соответствующее оборудование.


Оборудование класса III допускается снабжать устройством заземления в функциональных целях, отличающимся от устройства заземления, применяемого в защитных целях, при условии, что это требование предусмотрено стандартом на соответствующее оборудование.


Степень защищенности электрооборудования от пыли, влаги и доступа нормируется


ГОСТ Р 14254-96 (МЭК 529-89) на базе IP-кода (Index Protection) (см. Гл. 1).


Применение электрооборудования указанных выше классов необходимо учитывать при проектировании электрооборудования жилища.


Дополнительная защита от электропоражения при прямом прикосновении, как уже отмечалось выше, достигается путем применения УЗО.


Устройство защитного отключения является предупреждающим электрозащитным мероприятием и в сочетании с современными системами заземления (TN-S, TN-C-S) обеспечивает высокий уровень электробезопасности при эксплуатации электроустановок.


Защита от поражения при косвенном прикосновении (ГОСТ Р50571.3-93 п. 413) обеспечивается следующими мероприятиями:


- применение УЗО;


- применение нулевых защит проводников в электроустановках зданий с системой заземления TN или защитных проводников в электроустановках зданий с системой заземления ТТ в комплексе с устройствами защиты от сверхтока - предохранителями, автоматическими выключателями.


Согласно ПУЭ защита при помощи двойной или усиленной изоляции может быть обеспечена применением электрооборудования класса II или заключением электрооборудования, имеющего только основную изоляцию токоведущих частей, в изолирующую оболочку.


Проводящие части оборудования с двойной изоляцией не должны быть присоединены к защитному проводнику и к системе уравнивания потенциалов.


Защитное электрическое разделение цепей следует применять, как правило, для одной цепи. Наибольшее рабочее напряжение отделяемой цепи не должно превышать 500 В.


Питание отделяемой цепи должно быть выполнено от разделительного трансформатора или от другого источника, обеспечивающего равноценную степень безопасности.


Токоведущие части цепи, питающиеся от разделительного трансформатора, не должны иметь соединений с заземленными частями и защитными проводниками других цепей.


Проводники цепей, питающихся от разделительного трансформатора, рекомендуется прокладывать отдельно от других цепей. Если это невозможно, то для таких цепей необходимо использовать кабели без металлической оболочки, брони, экраны или изолированные провода, проложенные в изоляционных трубах, коробах и каналах при условии, что номинальное напряжение этих кабелей и проводов соответствует наибольшему напряжению совместно проложенных цепей, а каждая цепь защищена от сверхтоков.


От разделительного трансформатора питается только один электроприемник, и его открытые проводящие части не должны быть присоединены ни к защитному проводнику, ни к открытым проводящим частям других цепей.


Все рассмотренные выше принципы обеспечения электробезопасности в полной мере относятся как непосредственно к жилищу, так и к приусадебным участкам.


9.2. Устройство защитного отключения


Устройство защитного отключения, реагирующее на дифференциальный ток или ток небаланса, наряду с устройствами защиты от сверхтока относятся к дополнительным видам защиты человека от поражения электрическим током при косвенном прикосновении, обеспечиваемой путем автоматического отключения питания.


Защита от сверхтока при коротком замыкании на корпус (при применении защитного зануления) обеспечивает защиту человека при косвенном прикосновении путем отключения автоматическими выключателями или предохранителями поврежденного участка цепи.


При малых токах замыкания или снижении уровня изоляции, а также при обрыве нулевого защитного проводника зануление недостаточно эффективно, и в этих случаях УЗО является единственным средством защиты человека от поражения электрическим током.


В основе действия защитного отключения лежит принцип ограничения (за счет быстрого отключения) продолжительности протекания тока через тело человека при непреднамеренном прикосновении его к элементам электроустановки, находящимся под напряжением. Устройство защитного отключения является единственным средством, обеспечивающим автоматическую защиту человека от поражения электрическим током при прямом прикосновении к одной из токоведущих частей.


Важнейшей функцией, осуществляемой с помощью УЗО, является защита от возгораний и пожаров, возникающих на объектах вследствие возможных повреждений изоляции, неисправностей электропроводки и электрооборудования.


Более трети всех пожаров происходят вследствие возгорания электропроводки в результате нагрева проводников по всей длине, искрения, горения электрической дуги на каком-либо элементе, вызванных токами короткого замыкания.


Короткие замыкания, как правило, развиваются вследствие дефектов или повреждения изоляции. Устройства защитного отключения, реагируя на ток утечки на землю, заблаговременно, до развития короткого замыкания, отключает электроустановку от источника питания, предотвращая тем самым недопустимый нагрев проводников, искрение, возникновение дуги и возможное последующее возгорание.


По данным различных источников, локальное возгорание изоляции может быть вызвано довольно незначительной мощностью, выделяемой в месте утечки. В зависимости от материала и срока службы изоляции такая мощность составляет всего 40-60 Вт. Это означает, что своевременное срабатывание УЗО противопожарного назначения с уставкой 300 мА предупредит выделение указанной мощности и, следовательно, не допустит возгорания.


Функционально УЗО можно определить как быстродействующий защитный выключатель, реагирующий на ток небаланса в проводниках, подводящих электроэнергию к защищаемой электроустановке. Основные функциональные блоки УЗО применительно к системе TN-C-S представлены на рис. 9.2.


Важнейшим функциональным блоком УЗО является дифференциальный трансформатор тока 1. Этот трансформатор иногда называют трансформатором тока нулевой последовательности (ТТНП), несмотря на то, что понятие «нулевая последовательность» применимо только к трехфазным цепям и используется при расчетах несимметричных режимов многофазных цепей.


Пусковой орган (пороговый элемент) 2 выполняется, как правило, на чувствительных магнитоэлектрических реле прямого действия или электронных компонентах.


Исполнительный механизм 3 включает в себя силовую контактную группу с механизмом привода. В нормальном режиме, при отсутствии тока небаланса — тока утечки, в силовой цепи по проводникам, проходящим сквозь окно магнитопровода трансформатора тока 1, протекает рабочий ток нагрузки. Проводники, проходящие сквозь окно магнитопровода, образуют встречно включенные первичные обмотки дифференциального трансформатора тока. Если обозначить ток, протекающий по направлению к нагрузке I1, а от нагрузки I2, то можно записать равенство: I1 = I2.



Структура УЗО


Рис. 9.2. Структура УЗО


Равные токи во встречно включенных обмотках наводят в магнитном сердечнике трансформатора тока равные, но встречно направленные магнитные потоки Ф1 и Ф2. Результирующий магнитный поток равен нулю, и ток во вторичной обмотке дифференциального трансформатора также равен нулю.


Пусковой орган 2 находится в этом случае в состоянии покоя.


При нарушении изоляции или при прикосновении человека к открытым токопроводящим частям или к корпусу электроприемника, на который произошел пробой изоляции, по фазному проводнику через УЗО кроме тока нагрузки Ix протекает дополнительный ток - ток утечки (Л^), являющийся для трансформатора тока током небаланса (разностным).


Неравенство токов в первичных обмотках (I1 + ΔI1 в фазном проводнике) и (I2, равный I1 - в нейтральном проводнике) вызывает неравенство магнитных потоков и, как следствие, возникновение во вторичной обмотке трасформированного тока небаланса. Если этот ток превышает значение уставки порогового элемента пускового органа 2, последний срабатывает и воздействует на исполнительный механизм 3.


Исполнительный механизм, обычно состоящий из пружинного привода, спускового механизма и группы силовых контактов, размыкает электрическую цепь. В результате защищаемая УЗО электроустановка обесточивается.


Для осуществления периодического контроля исправности (работоспособности) УЗО предусмотрена цепь тестирования 4. При нажатии кнопки «Тест» искусственно создается отключающий дифференциальный ток. Срабатывание УЗО означает, что оно исправно.


По условиям функционирования УЗО подразделяются на следующие типы: АС, А, В, S, G.


УЗО типа АС - устройство защитного отключения, реагирующее на переменный синусоидальный дифференциальный ток, возникающий внезапно либо медленно возрастающий.


УЗО типа А - устройство защитного отключения, реагирующее на переменный синусоидальный


дифференциальный ток и пульсирующий постоянный дифференциальный ток, возникающие внезапно либо медленно возрастающие.


УЗО типа В - устройство защитного отключения, реагирующее на переменный, постоянный и выпрямленный токи небаланса.


УЗО типа S - устройство защитного отключения, селективное (с выдержкой времени отключения).


УЗО типа G - то же, что и типа S, но с меньшей выдержкой времени.


УЗО подразделяются также на устройства без встроенной защиты от сверхтоков и со встроенной защитой от сверхтоков (дифференциальные автоматы).


В соответствии с ГОСТ Р 50807-95, ГОСТ Р 51326.1-99 и ГОСТ Р 51327.1-99 УЗО характеризуются нижеследующими нормируемыми параметрами.


Номинальное напряжение Uн - действующее значение напряжения, при котором обеспечивается работоспособность УЗО:


Uн =220, 380 В.


Номинальный ток Iн - ток, который УЗО может пропускать в продолжительном режиме работы:


Iн = 6; 16; 25; 40; 63; 80; 100; 125 А.


Номинальный отключающий дифференциальный ток IΔн - дифференциальный ток, который вызывает отключение УЗО при заданных условиях эксплуатации:


IΔн0 = 0,006; 0,01; 0,03; 0,1; 0,3; 0,5 А.


Номинальный неотключающий дифференциальный ток IΔn0 - дифференциальный ток, который не вызывает отключение УЗО при заданных условиях эксплуатации:





Предельный неотключающий сверхток Iнmin - минимальное значение неотключающего сверхтока при симметричной нагрузке двух- и четырехполюсных УЗО или несимметричной нагрузке четырехполюсных УЗО:





Сверхток - любой ток, который превышает номинальный ток нагрузки.


Номинальная включающая и отключающая способность (коммутационная способность) !д - действующее значение ожидаемого тока, который УЗО способно включить, пропускать в течение всего времени размыкания и отключить при заданных условиях эксплуатации без нарушения его работоспособности. Минимальное значение Imin = 10 Iн или 500 А (выбирается большее значение).


Номинальный условный ток короткого замыкания Iн.к.з - действующее значение ожидаемого тока, который способно выдержать УЗО, оборудованное устройством защиты от коротких замыканий, при заданных условиях эксплуатации, без необратимых изменений, нарушающих его работоспособность:


Iн.к.з = 3000; 4500; 6000; 10000 А.


Номинальный условный дифференциальный ток короткого замыкания IΔк.з - ожидаемый дифференциальный ток, который способно выдержать УЗО, обеспечивающее защиту от коротких замыканий при заданных условиях эксплуатации без необратимых изменений, нарушающих его работоспособность:


IΔк.з = 3000; 4500; 6000; 10000 А.


Номинальное время отключения Тн - время между моментом внезапного возникновения отключающего дифференциального тока и моментом гашения дуги на всех полюсах.


Стандартные значения максимально допустимого времени отключения УЗО типов АС и А при любом номинальном токе нагрузки и заданных нормами значениях дифференциального тока не должны превышать приведенных ниже:


Номинальном ток  IΔn  2 IΔn 5 IΔn 500 А


Время отключения, с 0,3   0,15    0,04     0,04


Стандартные значения допустимого времени отключения и неотключения для УЗО типа S при любом номинальном токе нагрузки свыше 25 А и значениях номинального дифференциального тока свыше 0,03 А не должны превышать приведенных в табл. 9.1.


Таблица 9.1 Допустимое время отключения и неотключения УЗО типа S, с


Допустимое время отключения и неотключения УЗО типа S, с

Дифференциальный ток

IΔn

2 IΔn

5 IΔn

500 А

Максимальное время отключения

0,5

0,2

0,15

0,15

Максимальное время неотключения

0,13

0,06

0,05

0,04


 


Суммарный ток утечки сети с учетом присоединяемых стационарных и переносных электроприемников в нормальном режиме работы не должен превосходить 1/3 номинального тока УЗО. Согласно ПУЭ при отсутствии данных ток утечки электроприемников следует принимать из расчета 0,4 мА на 1 А тока нагрузки, а ток утечки сети - из расчета 10 мкА на 1 м длины фазного проводника.


Для повышения уровня защиты от возгорания при замыканиях на заземленные части, когда величина тока недостаточна для срабатывания максимальной токовой защиты, на вводе в квартиру, индивидуальный дом и т.п. рекомендуется установка УЗО с током срабатывания до 300 мА.


Принципиальное значение при рассмотрении конструкции УЗО имеет разделение устройств по способу технической реализации на следующие два типа:


УЗО, функционально не зависящие от напряжения питания (электромеханические). Источником энергии, необходимой для функционирования — выполнения защитных функций, включая операцию отключения, является сам сигнал - ток небаланса, на который устройство реагирует;


УЗО, функционально зависящие от напряжения питания (электронные). Их механизм для выполнения операции отключения нуждается в энергии, получаемой либо от контролируемой сети, либо от внешнего источника. Применение устройств, функционально зависящих от напряжения питания, более ограничено вследствие их меньшей надежности, подверженности воздействию внешних факторов и др. Однако основной причиной меньшего распространения таких устройств является их неработоспособность при часто встречающейся и наиболее опасной по условиям вероятности электропоражения неисправности электроустановки, а именно при обрыве нулевого проводника в цепи до УЗО по направлению к источнику питания. В этом случае «электронное» УЗО, не имея питания, не функционирует, а на электроустановку по фазному проводнику попадает опасный для жизни человека потенциал.


Существуют электронные УЗО, которые при исчезновении его питания остаются включенными (с защелкой), и УЗО с самоблокировкой (как магнитные пускатели). Такие УЗО в случае обрыва нулевого проводника размыкают силовые контакты и электроустановка обесточивается. Однако с УЗО такого типа проблематично выполнить требование ПУЭ п. 7.1.77: в жилых зданиях не допускается применять УЗО, автоматически отключающие потребителя от сети при исчезновении или недопустимом падении напряжения сети. При этом УЗО должно сохранять работоспособность на время не менее 5 с при снижении напряжения до 50% номинального.


В соответствии с ГОСТ Р 50571.3-94 (п. 413.1.3.2) необходимым условием нормального функционирования УЗО в электроустановке здания является отсутствие в зоне действия УЗО любых соединений нулевого рабочего проводника N с заземленными элементами электроустановки и нулевым защитным проводником РЕ. В распределительных щитах электроустановок с системой заземления TN-C-S в точках разделения PEN-проводника необходимо предусмотреть раздельные зажимы или шины нулевого рабочего N и нулевого защитного РЕ-проводников. Поскольку повреждение и старение изоляции возможны и в фазных, и в нулевом рабочем проводниках, а УЗО реагирует на утечку на землю с любого из них, в схемах TN-C-S на отходящих линиях следует устанавливать двух- и четырехполюсные автоматические выключатели. Только в этом случае можно методом поочередного включения линий найти неисправную цепь, в том числе и цепь с утечкой с нулевого проводника без демонтажа вводно-распределительного устройства, а также отключить неисправную цепь для обеспечения работы остальной части электроустановки.


Защита нулевого рабочего проводника в системах ТТ и TN регламентируется ГОСТ Р 50571.9-94 «Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Применение мер защиты от сверхтоков».


Порядок выполнения защиты нулевого рабочего проводника от тока короткого замыкания следующий:


а) в случаях, когда сечение нулевого рабочего проводника, по крайней мере, равно или эквивалентно сечению фазных проводников, не требуется предусматривать устройства обнаружения тока короткого замыкания в этом проводнике или устройства его отключения;


б) в случаях, когда сечение нулевого рабочего проводника меньше сечения фазных проводников, должно быть предусмотрено обнаружение тока короткого замыкания в нулевом рабочем проводнике, превышающего допустимый для его сечения, с воздействием на отключение фазных проводников. При этом отключение нулевого рабочего проводника является обязательным. Не требуется обнаружение тока короткого замыкания в нулевом рабочем проводнике, если одновременно выполняются следующие условия:


- нулевой рабочий проводник защищен от короткого замыкания с помощью защитного устройства фазных проводников цепи;


- максимально ожидаемый ток, который может протекать по нулевому рабочему проводнику в нормальном режиме, значительно меньше значения длительно допустимого тока этого проводника.


Второе условие выполняется, если передаваемая мощность как можно более равномерно распределяется между рабочими фазами, например, если сумма мощностей электроприемников, подключенных между фазой и нулевым рабочим проводником (освещение, штепсельные розетки) намного меньше суммарной мощности рассматриваемой цепи. Сечение нулевого рабочего проводника должно быть не меньше 50% сечения фазного проводника.


При проектировании электроустановок с применением УЗО наиболее существенное значение имеют следующие аспекты:


- анализ проектируемого объекта по условиям обеспечения необходимого уровня электробезопасности;


- выбор схемных решений;


- выбор места установки в соответствии с назначением УЗО;


- выбор типа и параметров УЗО;


- обеспечение селективности действия УЗО;


- рассмотрение особенностей работы УЗО в электроустановках при использовании различных систем заземления.


Применение УЗО обязательно:


- для групповых линий, питающих электроприемники наружной установки (ГОСТ


Р 50571.8-94);


- для мобильных сооружений (инвентарных зданий из металла или с металлическим каркасом) (ГОСТ Р 50699-94);


- для защиты штепсельных розеток ванных и душевых помещений (ГОСТ Р 50571.1-96).


Кроме того, применение УЗО обязательно, если устройство защиты от сверхтоков (автоматический выключатель, предохранитель) не обеспечивает время автоматического отключения 0,4 с при номинальном напряжении 220 В из-за низких значений токов короткого замыкания и установка (квартира) не охвачена системой уравнивания потенциалов.


Установка УЗО рекомендуется в различных случаях, связанных с вероятностью возникновения повышенной опасности, например при применении нагревательных элементов, встроенных в пол.


Для объектов действующего жилого фонда с двухпроводными сетями, где электроприемники не имеют защитного заземления, УЗО является эффективным средством для повышения электробезопасности. Срабатывание УЗО при замыкании на корпус в таких сетях происходит только при появлении дифференциального тока, т.е. при непосредственном прикосновении к корпусу (соединении с «землей»). Установка УЗО может быть рекомендована как мера повышения безопасности до проведения полной реконструкции здания. Решение об установке УЗО должно приниматься в каждом конкретном случае после получения объективных данных о состоянии электропроводки и приведения оборудования в исправное состояние.


В особо опасных помещениях для ответственных и конечных потребителей дополнительно применяются УЗО, встроенные в розеточные блоки. Для переносных электроприборов и электроинструмента рекомендуется использовать УЗО-розетки и УЗО-вилки, входящие в комплект электроприборов или шнура-удлинителя.


Не допускается применение УЗО на линиях, питающих части электроустановки, внезапное отключение которых может привести по технологическим причинам к возникновению ситуаций, опасных для пользователей и обслуживающего персонала, к отключению пожарной сигнализации и т.п. В таких установках для защиты людей от поражения электрическим током должны применяться другие электрозащитные меры: контроль изоляции, разделительные трансформаторы и др.


В помещениях с повышенной опасностью УЗО должно быть размещено в щитках со степенью защиты не ниже IP 44, при наружной установке не ниже IP 54.


Установка УЗО должна предусматриваться во ВРУ, расположенных в помещениях без повышенной опасности поражения током, в местах, доступных для обслуживания.


Выбор места установки УЗО в групповых цепях электроустановки зданий должен выполняться с учетом включения в зону действия УЗО прежде всего участков электрической групповой цепи с наибольшей вероятностью электропоражения людей при прикосновении к токоведущим или открытым проводящим частям электрооборудования, которые могут вследствие повреждения изоляции оказаться под напряжением (розеточные группы, ванные, душевые комнаты, стиральные машины, помещения с повышенной опасностью поражения током и т.п.).


УЗО, предназначенные для осуществления противопожарной защиты, должны устанавливаться на главном вводе объекта.


В многоквартирных жилых домах УЗО рекомендуется устанавливать в групповых, в том числе квартирных щитках, в индивидуальных домах - во ВРУ и этажных распределительных щитках.


В схемах электроснабжения радиального типа со значительным числом отходящих групп рекомендуется установка общего на вводе и отдельного УЗО на каждую группу (потребитель) при условии соответствующего выбора параметров УЗО, обеспечивающих селективность их действия.


При выборе места установки УЗО в здании следует учитывать: способ монтажа электропроводки, материал строений, назначение УЗО, условия эксплуатации по электробезопасности, параметры УЗО, класс помещений, схемы подключения электроприборов и т.п.


При анализе работы УЗО в комплексе с системами заземления рекомендуется обратить внимание на следующее. Наиболее перспективной для нашей страны является система заземления TN-C-S, позволяющая в комплексе с широким внедрением УЗО обеспечить высокий уровень электробезопасности в электроустановках без их коренной реконструкции. Однако в электроустановках с системами заземления TN-S и TN-C-S электробезопасность потребителя обеспечивается не собственно системами, а УЗО, действующими более эффективно в комплексе с этими системами заземления и системой уравнивания потенциалов.


Собственно сами системы заземления - без УЗО - не обеспечивают необходимой безопасности.


Например, при пробое изоляции на корпус электроприбора или какого-либо аппарата, при отсутствии УЗО отключение этого потребителя от сети осуществляется устройствами защиты от сверхтоков - автоматическими выключателями или плавкими вставками.


Быстродействие устройств защиты от сверхтоков, во-первых, уступает быстродействию УЗО, а во-вторых, зависит от многих факторов: кратности тока короткого замыкания (которая в свою очередь зависит от сопротивления проводников), переходного сопротивления в месте повреждения изоляции, длины линий, точности калибровки автоматических выключателей, и др.


Наличие на объекте металлических корпусов, арматуры и других частей, соединенных с РЕ-проводником, повышает опасность электропоражения, поскольку в этом случае вероятность образования цепи: токоведущий проводник - тело человека - земля гораздо выше. Только УЗО осуществляет защиту от прямого прикосновения.


Фирма Schneider Electric поставляет на Российский рынок только электромеханические УЗО. Ниже приводятся данные по УЗО, выпускаемым этой фирмой, и рекомендации по их применению.


Французским эквивалентом термина «устройства защитного отключения» является понятие «дифференциальный отключатель» (disjoncteur diffenticl) - сокращенно DD. В табл. 9.2 приведены общие данные аппаратуры дифференциальной защиты, предлагаемой фирмой SE.


Широкий набор основных модулей и вспомогательных устройств позволяет комплектовать схемы дифференциальной защиты исходя из конкретных условий каждого объекта.


На рис. 9.3 - 9.7 приведены принципиальные схемы дифференциальных модулей.


Дифференциальный автоматический выключатель DPNN Vigi мгновенного действия (рис. 9.3) позволяет реализовать комплексную защиту цепей от коротких замыканий, перегрузок и повреждений изоляции. Обеспечивает защиту людей (30 мА), защищает электроустановку от возникновения пожара (300 мА). Номинальный ток 6-40 А, номинальное напряжение 230 В. Имеет фильтр помех сети.



Принципиальная схема дифференциального автоматического выключателя


Рис. 9.3. Принципиальная схема дифференциального автоматического выключателя DPN N Vigi


Дифференциальные выключатели нагрузки ID мгновенного действия (рис. 9.4) . Номинальный отключающий дифференциальный ток 10, 30, 300, 500 мА. Номинальный ток 25-100 А. Число полюсов 2 и 4.


Селективный выключатель нагрузки ID позволяет выполнять селективную цепь с отходящими линиями на токи 10 или 30 мА. Комплектуется вспомогательными устройствами: независимым расцепителем МХ, расцепителем минимального напряжения MN, сигнальным блок-контактом OF. Имеет фильтр помех сети.


Принципиальная схема дифференциального выключателя нагрузки


Рис. 9.4. Принципиальная схема дифференциального выключателя нагрузки ID:


а) двухполюсного; б) четырехполюсного.


Дифференциальные модули Vigi C60 (рис. 9.5) дополняют двух-, трех- и четырехполюсные автоматические выключатели С60. Номинальный отключающий дифференциальный ток 30, 300 мА. Номинальный ток 25, 63 А. Номинальное напряжение - до 415 В переменного тока. Имеет фильтр помех сети. Работает без дополнительного источника питания.



Принципиальная схема дифференциального модуля


Рис. 9.5. Принципиальная схема дифференциального модуля Vigi C60:


а) 2 полюса; б) 3 полюса; в) 4 полюса.


Дифференциальные модули высокой чувствительности Vigi NG125 (рис. 9.6) дополняют автоматические выключатели NG125. Номинальный отключающий дифференциальный ток 30 мА. Номинальный ток 63; 125 А. Число полюсов 2, 3, 4. Модули типа АС реагируют на дифференциальный синусоидальный ток (рис. 9.6, а, б, в), типа А (рис. 9.6, г, д, е) реагируют на синусоидальный переменный и пульсирующий постоянный дифференциальные токи. Стойкость к импульсному напряжению 8/20 мкс, 3 кА. Вспомогательные устройства: MXV - независимый расцепитель; SDV - контакт сигнализации повреждения.



Принципиальные схемы дифференциальных модулей высокой чувствительности


Рис. 9.6. Принципиальные схемы дифференциальных модулей высокой чувствительности Vigi NG 125: а) двухполюсный класса АС; б) трехполюсный класса АС; в) четырехполюсный класса АС; г) двухполюсный класса А; д) трехполюсный класса А; е) четырехполюсный класса А.


Дифференциальные модули средней чувствительности Vigi NG125 (рис. 9.7), дополняют автоматические выключатели NG125. Номинальный отключающий дифференциальный ток 300 мА. Номинальный ток 63; 125 А. Число полюсов 2, 3, 4. Модули типа АС, реагируют на дифференциальный синусоидальный ток (рис. 9.7, а, б, в), типа А (рис. 9.7, г, д, е), реагируют на синусоидальный переменный и пульсирующий постоянный дифференциальные токи. Стойкость к импульсному напряжению 8/20 мкс, 3 кА. Вспомогательные устройства: MXV - независимый расцепитель; SDV - контакт сигнализации повреждения.


Особые характеристики регулируемых Vigi: регулируемая величина номинального отключающего дифференциального тока — 300, 500, 1000, 3000 мА; время регулируемого отключения - мгновенно, 60 мс, 150 мс; предварительная сигнализация о появлении тока утечки.


Все модули и вспомогательные устройства присоединяются через гребенчатую шинку, рассчитанную на конструктивный шаг 9 мм и присоединение проводников сечением до 16 мм2.



Принципиальная схема дифференциальных модулей средней чувствительности


Рис. 9.7. Принципиальная схема дифференциальных модулей средней чувствительности а) двухполюсный класса АС; б) трехполюсный класса АС; в) четырехполюсный класса АС; г) двухполюсный класса А; д) трехполюсный класса А; е) четырехполюсный класса А.


Таблица 9.2 Технические данные аппаратуры дифференциальной защиты фирмы Schneider Electric


Технические данные аппаратуры дифференциальной защиты фирмы Schneider Electric

п/п

Тип

Наименование

Назначение

Число

Полюсов

Номинальные

Ток

утечки,

мА

Число модулей с шагом 9 ММ

Принципиальная схема (№ рис.)

напряжение, В

ток, А

1

DPN N Vigi

Дифференциальные автоматические выключатели мгновенного действия

1. Комплексная защита цепей от коротких замыканий, перегрузок и повреждений изоляции

2. Защита людей от поражения электрическим током при прямых (30 мА) или косвенных (300 мА) контактах с токопроводящими частями

3. Защита электроустановки от риска возникновения пожара (300 мА)

4. Селективность защит при каскадном соединении аппаратов на токи утечки 30 мА и 300 мА

1+N

~230

6-40

30

4

9.3

2

ID мгновенного действия

Дифференциальные выключатели нагрузки мгновенного действия

1. Отключение цепи вручную и автоматически при повреждении изоляции между фазой и землей

2. Отстраивается от кратковременных перенапряжений

2

~240

25-100

10, 30, 300, 500

4

9.4 а

3

ID селективный

Дифференциальные выключатели нагрузки селективные

1. Селективность отходящих линий на 10 или 30 мА.

2. Отстраивается от кратковременных перенапряжений

4

~415

25-100

30,

300,

500

8

9.4 6

4

ID OF

Вспомогательные устройства

Блокконтакт состояния

-

~415

~220

= 130

= 48

= 24

3

6

1

2

6

-

1

-

ID MX

 

Независимый расцепитель

 

~415

~220

~130

-130

~-48

~~24

120 ВА

50 ВА

200 ВА

10 Вт

22 Вт

120 Вт

 

2

 

ID MN

 

Расцепитель минимального напряжения

 

-240

4,1 Вт

 

4

 

IDOFS

 

Блок~контакт

 

 

 

 

1

 

5

Vigi C60

Дифференциальные модули

1. Мгновенная дифзащита

2. Защита от непрямых контактов с токоведущими частями 30, 300 мА

2

~ 127

25

30

300

3

Рис. 9.5, а

2

~220-415

25

30

300

3

Рис. 9.5, а

3

~220-415

25

30

300

6

Рис. 9.5, б

4

~220-415

25

30

300

6

Рис. 9.5, в

2

~ 127

63

30

300

4

Рис. 9.5, а

2

~220-415

63

30

300

4

Рис. 9.5, а

3

~220-415

63

30

300

7

Рис. 9.5, б

4

~220-415

63

30

300

7

Рис. 9.5, в

6

Vigi NG 125 высокой чувствительности

Дифференциальные электромеханические модули высокой чувствительности

1. Дополнительная защита людей от прямых контактов с токоведущими частями

2. Дополняет автоматический выключатель NG 125

Класс

АС

2

3

4

~230-415

~230-415

~230-415

63

63

63

30

30

30

5

9

9

Рис. 9.6, а Рис. 9.6, б Рис. 9.6, в

Класс А 2

3

4

-230-415

~230-415

~230-415

63

63, 125 63, 125

30

30

30

5

9, 11 9, 11

Рис. 9.6, г Рис. 9.6,0 Рис. 9.6, е

7

Vigi NG 125 средней чувствительности

Дифференциальные электромеханические модули средней чувствительности

1. Защита людей от косвенных контактов

2. Защита электроустановок от повреждения изоляции

3. Селективность срабатывания защиты

Класс

АС

2

3

4

~230-415

~230-415

~230-415

63

63

63

300

300

300

5

9

9

Рис. 9.7, а Рис. 9.7, б Рис. 9.7, в

Класс А 2

3

4

~230-415

~230-415

~230-415

63

63, 125 63, 125

300

1000

3000

300

1000

3000

300

1000

3000

5

9,11 9, 11

Рис. 9.7, г Рис. 9.7, д Рис. 9.7, е

8

Vigi NG

1250F

+OF

Вспомогательные устройства

Блок-контакт состояния

 

~220-240

6

1

 

 

Vigi NG 125 OF +SD

 

Блок-контакт сигнализации повреждения

 

~220-240

6

1

 

 

Vigi NG 125 SVD

 

Контакт сигнализации повреждения

 

~250

2

1

 

 

Vigi NG 125

MX+OF

 

Независимый расцепитель и блок-контакт

 

~230-415

~110-130

~48-130

-48

-24

-12

2

2

 

 

Vigi NG 125 MH

 

Расцепитель минимального напряжения мгновенного действия

 

~220-240 -~-48

2

2

 

 

Vigi NG 125 MH (S)

 

Расцепитель минимального напряжения с выдержкой времени

 

- 230-240

 

4

 

 

Vigi NG 125 MH

(X)

 

Расцепитель минимального напряжения, нечувствительный к отключению питания

 

~220-240 -~380-415

 

 

 

 

Vigi NG 125 MXV

 

Независимый расцепитель

 

~110-415

 

 

 

 


 


9.3. Защитное заземление. Уравнивание потенциалов


По определению ПУЭ, заземление - преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством, а защитное заземление - заземление, выполняемое в целях электробезопасности.


В ГОСТ Р 50571.2-94 и в разделе 1.7 ПУЭ (7-е изд.) приведена классификация систем заземления, которые определяют общую характеристику питающей сети и электроустановки здания. В соответствии с указанной классификацией существуют следующие системы заземления: TN-C, TN-S, TN-C-S, TT, IT (рис. 9.8 - 9.11).


Первая буква в обозначении системы заземления определяет характер заземления источника питания:


Т - непосредственное соединение нейтрали источника питания с землей;


I - все токоведущие части изолированы от земли.


Вторая буква определяет характер заземления открытых проводящих частей электроустановки здания:


Т - непосредственная связь открытых проводящих частей электроустановки здания с землей, независимо от характера связи источника питания с землей;


N - непосредственная связь открытых проводящих частей электроустановки здания с точкой заземления источника питания.


Буквы, следующие через черточку за N, определяют характер этой связи - функциональный способ устройства нулевого защитного и нулевого рабочего проводников:


S - функции нулевого защитного РЕ и нулевого рабочего N проводников обеспечиваются раздельными проводниками;


С - функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников обеспечиваются одним общим проводником PEN.


В системе TN-C (рис. 9.8) источник питания имеет непосредственную связь токоведущих частей (обычно - нейтрали трансформатора) с землей (глухозаземленная нейтраль). Все открытые проводящие части электроустановки здания имеют непосредственную связь с заземляющим устройством источника питания. Для обеспечения этой связи применяется совмещенный нулевой защитный и рабочий проводник (PEN).



Система TN-C


Рис. 9.8. Система TN-C


В системе TN-S (рис. 9.9) источник питания имеет непосредственную связь токоведущих частей с землей. Все открытые проводящие части электроустановки здания имеют непосредственную связь с заземляющим устройством источника питания. Для обеспечения этой связи применяется отдельный нулевой защитный проводник (РЕ).



Система TN-S


Рис. 9.9. Система TN-S


В системе TN-C-S (рис. 9.10) источник питания имеет непосредственную связь токоведущих частей с землей. Все открытые проводящие части электроустановки здания имеют непосредственную связь с точкой заземления источника питания. Для обеспечения этой связи на участке питающей электрической сети и (или) электрической цепи применяется совмещенный нулевой защитный и рабочий проводник (PEN), в остальной части электрической цепи - отдельный нулевой защитный проводник (РЕ).



Система TN-C-S


Рис. 9.10. Система TN-C-S


В системе ТТ (рис. 9.11) источник питания имеет непосредственную связь токоведущих частей с землей. Все открытые проводящие части электроустановки здания имеют непосредственную связь с землей через заземлитель, электрически независимый от заземлителя нейтрали источника питания.


Система IT применяется, как правило, в электроустановках зданий и сооружений специального назначения и поэтому далее не рассматривается.



Система ТТ


Рис. 9.11. Система ТТ


До настоящего времени большая часть электроустановок в нашей стране работает с системой заземления, подобной TN-C. Рассмотрим более подробно функционирование УЗО в таких электроустановках. Например, при пробое изоляции на корпус электроприемника в случае, если этот корпус не заземлен (например, холодильник или стиральная машина на изолирующем основании), УЗО, включенное в цепь питания электроприемника, не сработает, поскольку нет цепи протекания тока утечки - отсутствует разностный (дифференциальный) ток. При этом на корпусе электроприемника окажется опасный потенциал относительно земли.


В этом случае при прикосновении человека к корпусу электроприемника и протекании через его тело тока на землю, превышающего номинальный отключающий дифференциальный ток УЗО (ток уставки) - IΔn, УЗО среагирует и отключит электроустановку от сети, в результате чего жизнь человека будет спасена. В рассмотренном случае с момента нарушения изоляции и возникновения на корпусе электроприемника электрического потенциала до момента отключения дефектной цепи от сети существует период потенциальной опасности поражения.


Из этого следует, что и в электроустановках с системой заземления, подобной TN-C, применение УЗО также оправдано, поскольку это устройство и в таких электроустановках обеспечивает эффективную защиту от электропоражения.


Электроустановки с системами заземления TN-S, TN-C-S, TT в данном аспекте обладают значительным преимуществом: в аналогичной ситуации (при пробое изоляции на корпус) УЗО мгновенно отключит электропитание, поскольку все корпуса имеют надежное соединение с защитным проводником.


В России до настоящего времени применяется система TN-С (см. рис. 9.8), в которой открытые проводящие части электроустановки (корпуса, кожухи электрооборудования) соединены с заземленной нейтралью источника совмещенным нулевым защитным и рабочим проводником PEN, т.е. «занулены». Эта система относительно простая и дешевая, однако она не обеспечивает необходимый уровень электробезопасности.


Системы TN-S (см. рис. 9.9) и TN-C-S (см. рис. 9.10) широко применяются в европейских странах - Германии, Австрии, Франции и др. В системе TN-S все открытые проводящие части электроустановки здания соединены (отдельным нулевым защитным проводником РЕ) непосредственно с заземляющим устройством источника питания.


При монтаже электроустановок правила предписывают применять для нулевого защитного проводника РЕ провод с желто-зеленой маркировкой изоляции.


В системе TN-C-S во вводном устройстве электроустановки совмещенный нулевой защитный и рабочий проводник PEN разделен на нулевой защитный (РЕ) и нулевой рабочий (N) проводники. В этой системе нулевой защитный проводник РЕ соединен со всеми открытыми проводящими частями и может быть многократно заземлен, в то время как нулевой рабочий проводник N не должен иметь соединения с землей.


Однофазные двух- и трехпроводные линии, а также трехфазные четырех- и пятипроводные линии при питании однофазных нагрузок должны иметь сечение нулевых рабочих N проводников, равное сечению фазных проводников.


Трехфазные четырех- и пятипроводные линии при питании трехфазных симметричных нагрузок должны иметь сечение нулевых рабочих N проводников, равное сечению фазных проводников, если фазные проводники имеют сечение до 16 мм2 по меди и 25 мм2 по алюминию, а при больших сечениях - не менее 50% сечения фазных проводников, но не менее 16 мм2 по меди и 25 мм2 по алюминию.


Совмещенный нулевой и рабочий проводник PEN разделяются на нулевой защитный РЕ и нулевой рабочий N проводники во вводном устройстве (рис. 9.12).


В ПУЭ (7-е изд. п.7.1.36) указывается: «Нулевой рабочий и нулевой защитный проводники не допускается подключать под общий контактный зажим». Это вызвано необходимостью обеспечения условий электробезопасности для сохранения соединения защитного проводника с заземлением в случае разрушения (выгорания) контактного зажима.


На рис. 9.13 показаны примеры выполнения этого подключения в этажном или квартирном щитках.



Выполнение системы заземления TN-C-S


Рис. 9.12. Выполнение системы заземления TN-C-S



Примеры выполнения подключения проводников PE и N к PEN


Рис. 9.13. Примеры выполнения подключения проводников PE и N к PEN


Важным условием обеспечения электробезопасности является наличие системы уравнивания потенциалов, заключающейся в подсоединении всех подлежащих заземлению проводящих частей к общей шине (рис. 9.14) для достижения равенства их потенциалов.


Здесь следует обратить внимание на различие понятий «уравнивание потенциалов» и «выравнивание потенциалов». Выравнивание потенциалов - это снижение разности потенциалов (шагов напряжения) на поверхности земли или пола с помощью защитных проводников, проложенных в земле, в полу или на их поверхности и присоединенных к заземляющему устройству, или путем применения специальных покрытий земли, например в бетонном полу саун для выравнивания потенциала следует прокладывать металлическую сетку, соединяемую с нулевым защитным проводником.


В соответствии с ПУЭ основная система уравнивания потенциалов в электроустановках до 1 кВ должна соединять между собой следующие проводящие части:


- нулевой защитный РЕ- или PEN-проводник питающей линии в системе TN;


- заземляющий проводник, присоединенный к заземляющему устройству электроустановки, в системах IT и ТТ;


- заземляющий проводник, присоединенный к заземлителю повторного заземления на вводе в здание (если есть заземлитель);


- металлические трубы коммуникаций, входящих в здание: горячего и холодного водоснабжения, канализации, отопления, газоснабжения и т.п.



Пример выполнения системы уравнивания потенциалов


Рис. 9.14. Пример выполнения системы уравнивания потенциалов


Если трубопровод газоснабжения имеет изолирующую вставку на вводе в здание, к основной системе уравнивания потенциалов присоединяется только та часть трубопровода, которая находится относительно изолирующей вставки со стороны здания;


- металлические части каркаса здания;


- металлические части централизованных систем вентиляции и кондиционирования. При наличии децентрализованных систем вентиляции и кондиционирования металлические воздуховоды следует присоединять к шине РЕ щитов питания вентиляторов и кондиционеров;


- заземляющее устройство системы молниезащиты;


- заземляющий проводник функционального (рабочего) заземления, если такое имеется и отсутствуют ограничения на присоединение сети рабочего заземления к заземляющему устройству защитного заземления;


- металлические оболочки телекоммуникационных кабелей.


Проводящие части, входящие в здание извне, должны быть соединены как можно ближе к точке их ввода в здание.


Для соединения с основной системой уравнивания потенциалов все указанные части должны быть присоединены к главной заземляющей шине с помощью проводников системы уравнивания потенциалов.


Система дополнительного уравнивания потенциалов должна соединять между собой все одновременно доступные прикосновению открытые проводящие части стационарного электрооборудования и сторонние проводящие части, включая доступные прикосновению металлические части строительных конструкций здания, а также нулевые защитные проводники в системе TN и защитные заземляющие проводники в системах IT и ТТ, включая защитные проводники штепсельных розеток.


Для уравнивания потенциалов могут быть использованы специально предусмотренные проводники либо открытые проводящие части и сторонние проводящие части, если они удовлетворяют требованиям к защитным проводникам в отношении проводимости и непрерывности электрической цепи.


Указанные выше системы уравнивания потенциалов позволяют избежать протекания различных непредсказуемых циркулирующих токов в системе заземления, вызывающих возникновение разности потенциалов на отдельных элементах электроустановки.


На рис. 9.15 приведен пример системы уравнивания потенциалов в электроустановке жилого


дома.


В последнее время, с повышением оснащенности современных жилых домов различными электроприборами и усложнением электроустановок все чаще стали наблюдаться явления ускоренной коррозии трубопроводов систем водоснабжения и отопления. За короткое время - от полугода до двух лет - на трубах как подземной, так и воздушной прокладки образуются точечные свищи, быстро увеличивающиеся в размерах. Причиной ускоренной точечной коррозии труб в 98% случаев является протекание по ним блуждающих токов.



Пример выполнения системы уравнивания потенциалов электроустановки здания


Рис. 9.15. Пример выполнения системы уравнивания потенциалов электроустановки здания


Применение УЗО в комплексе с правильно выполненной системой уравнивания потенциалов позволяет ограничить и даже исключить протекание токов утечки, блуждающих токов по проводящим элементам конструкции здания, в том числе и по трубопроводам. Системы заземления и уравнивания потенциалов реализуются с помощью заземляющих устройств, представляющих собой совокупность заземлителя и заземляющих проводников.


Заземлитель - это проводящая часть или совокупность соединенных между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду. В сетях с глухозаземленной нейтралью для электроустановок напряжением до 1 кВ сопротивление заземляющего устройства, к которому присоединены нейтрали генератора или трансформатора, в любое время года должно быть 4 Ома - для трех фазной сети с линейным напряжением 380 В и 8 Ом - для трех фазной сети 220 В или, соответственно, для однофазных сетей 220 и 127 В.


Это сопротивление должно быть обеспечено с учетом использования естественных заземлителей, а также заземлителей повторных заземлений PEN- или РЕ-проводника воздушных линий (ВЛ) напряжением до 1 кВ при числе отходящих линий не менее двух.


На концах ВЛ или ответвлений от них длиной более 200 м, а также на вводах ВЛ к электроустановкам, в которых в качестве защитной меры при косвенном прикосновении применено автоматическое отключение питания, должны быть выполнены повторные заземления PEN- проводника. В первую очередь для этой цели следует использовать естественные заземлители, например подземные части опор, а также заземляющие устройства, предназначенные для грозовых перенапряжений.


Указанные повторные заземления выполняются, если более частые заземления по условиям защиты от грозовых перенапряжений не требуются.


Заземляющие проводники для повторных заземлений PEN-проводника должны иметь размеры не менее приведенных в табл. 9.3.


Общее сопротивление растеканию заземлителей (в том числе естественных) всех повторных заземлений PEN-проводника каждой ВЛ в любое время года должно быть не более 10 и 20 Ом соответственно при линейных напряжениях 380 и 220 В источника трехфазного тока или 220 и 127 В источника однофазного тока. При этом сопротивление растеканию заземлителя каждого из повторных заземлений должно быть не более 30 и 60 Ом соответственно при тех же напряжениях.


Таблица 9.3 Наименьшие размеры заземлителей и заземляющих проводников, проложенных в земле


Наименьшие размеры заземлителей и заземляющих проводников, проложенных в земле

Материал

Профиль сечения

Диаметр, мм

Площадь поперечного сечения, мм2

Толщина стенки, мм

Сталь

Круглый:

для вертикальных заземлителей

16

_

_

для горизонтальных заземлителей

10

-

-

Прямоугольный

-

100

4

Угловой

-

100

4

Трубный

32

-

3,5

Сталь

оцинкованная

Круглый:

для вертикальных заземлителей

12

_

_

для горизонтальных заземлителей

10

-

-

Прямоугольный

-

75

3

 

Трубный

25

-

2

Медь

Круглый

12

-

-

Прямоугольный

-

50

2

Трубный

20

-

2

Канат многопроволочный

1,8*

35

-


* Диаметр каждой проволоки.


При удельном сопротивлении земли р >100 Ом*м, когда устройство искусственных заземлителей сопряжено со значительными трудностями, ПУЭ допускает увеличение указанных выше норм сопротивления, но не более десятикратного.


В качестве естественных заземлителей могут быть использованы:


- металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящиеся в соприкосновении с землей, в том числе железобетонные фундаменты зданий и сооружений, имеющие защитные гидроизоляционные покрытия в неагрессивных, слабоагрессивных и среднеагрессивных средах;


- металлические трубы водопровода, проложенные в земле;


- обсадные трубы буровых скважин;


- металлические шпунты гидротехнических сооружений, водоводы, закладные части затворов и


т.п.;


- другие находящиеся в земле металлические конструкции и сооружения;


- металлические оболочки бронированных кабелей, проложенных в земле. Оболочки кабелей могут служить единственными заземлителями при числе кабелей не менее двух. Алюминиевые оболочки кабелей использовать в качестве заземлителей не допускается.


Не допускается использовать в качестве заземлителей трубопроводы горючих жидкостей, горючих или взрывоопасных газов и смесей и трубопроводов канализации и центрального отопления. Указанные ограничения не исключают необходимости присоединения таких трубопроводов к заземляющему устройству с целью уравнивания потенциалов.


Искусственные заземлители могут быть из обычной или оцинкованной стали или медными и не должны быть окрашенными.


Материал и наименьшие размеры заземлителей и заземляющих проводников, проложенных в земле, должны соответствовать приведенным в табл. 9.3.


Прокладка в земле алюминиевых неизолированных проводников не допускается.


Для измерения сопротивления заземляющего устройства в удобном месте должна быть предусмотрена возможность отсоединения заземляющего проводника. В электроустановках напряжением до 1 кВ таким местом, как правило, является главная заземляющая шина. Отсоединение заземляющего проводника должно быть возможно только при помощи инструмента.


Заземляющий проводник, присоединяющий заземлитель рабочего (функционального) заземления к главной заземляющей шине в электроустановках напряжением до 1 кВ, должен иметь сечение, не менее: медный 10 мм2, алюминиевый 16 мм2, стальной 75 мм2.


Главная заземляющая шина может быть выполнена внутри вводного устройства электроустановки напряжением до 1 кВ или отдельно от него. Внутри вводного устройства в качестве главной заземляющей шины следует использовать шину РЕ.


При отдельной установке главная заземляющая шина должна быть расположена в доступном, удобном для обслуживания месте вблизи вводного устройства.


Сечение отдельно установленной главной заземляющей шины должно быть не менее сечения РЕ (РЕN-проводника питающей линии. Главная заземляющая шина должна быть, как правило, медной. Допускается применение главной заземляющей шины из стали. Применение алюминиевых шин не допускается.


В местах, доступных только квалифицированному персоналу (например, щитовых помещениях жилых домов), главную заземляющую шину следует устанавливать открыто. В местах, доступных посторонним лицам (например, подъездах или подвалах домов), она должна иметь защитную оболочку - шкаф или ящик с запирающейся на ключ дверцей.


Если здание имеет несколько обособленных вводов, главная заземляющая шина должна быть выполнена для каждого вводного устройства. При наличии встроенных трансформаторных подстанций главная заземляющая шина должна устанавливаться возле каждой из них. Эти шины должны соединяться проводником уравнивания потенциалов, сечение которого должно быть не менее половины сечения РЕ (РЕ^-проводника той линии среди отходящих от щитов низкого напряжения подстанций, которая имеет наибольшее сечение. Для соединения нескольких главных заземляющих


шин могут использоваться сторонние проводящие части, если они соответствуют требованиям к непрерывности и проводимости электрической цепи.


В качестве РЕ-проводников в электроустановках напряжением до 1 кВ могут использоваться:


1. Специально предусмотренные проводники:


- жилы многожильных кабелей;


- изолированные или неизолированные провода в общей оболочке с фазными проводами;


- стационарно проложенные изолированные или неизолированные проводники.


2. Открытые проводящие части электроустановок:


- алюминиевые оболочки кабелей;


- стальные трубы электропроводок;


- металлические оболочки и опорные конструкции шинопроводов и комплектных устройств заводского изготовления.


Металлические короба и лотки электропроводок можно использовать в качестве защитных проводников при условии, что конструкцией коробов и лотков предусмотрено такое использование, о чем имеется указание в документации изготовителя, а их расположение исключает возможность механического повреждения.


3. Некоторые сторонние проводящие части:


- металлические строительные конструкции зданий и сооружений (фермы, колонны и т.п.);


- арматура железобетонных строительных конструкций зданий.


Использование открытых и сторонних проводящих частей в качестве РЕ-проводников допускается, если они, кроме того, одновременно отвечают следующим требованиям:


1. Непрерывность электрической цепи обеспечивается либо их конструкцией, либо соответствующими соединениями, защищенными от механических, химических и других повреждений;


2. Их демонтаж невозможен, если не предусмотрены меры по сохранению непрерывности цепи и ее проводимости.


Не допускается использовать в качестве РЕ-проводников:


- металлические оболочки изоляционных трубок и трубчатых проводов, несущие тросы при тросовой электропроводке, металлорукава, а также свинцовые оболочки проводов и кабелей;


- трубопроводы газоснабжения и другие трубопроводы горючих и взрывоопасных веществ и смесей, трубы канализации и центрального отопления;


- водопроводные трубы при наличии в них изолирующих вставок.


Наименьшие площади поперечного сечения защитных проводников приведены ниже:


Наименьшие площади поперечного сечения защитных проводников

Сечение фазных проводников, мм2

Наименьшее сечение защитных проводников, мм2

S <= 16

S

16 < S <=35

16

S > 35

S/2


Площади сечений приведены для случая, когда защитные проводники изготовлены из того же материала, что и фазные проводники. Сечения защитных проводников из других материалов должны быть эквивалентны по проводимости приведенным.


Допускается, при необходимости, принимать сечение защитного проводника менее требуемого, если оно рассчитано по формуле (только для времени отключения <5 с)



сечение защитного проводника


где S - площадь поперечного сечения защитного проводника, мм2;


I - ток короткого замыкания (А), обеспечивающий время отключения поврежденной цепи защитным аппаратом не более чем за 5 с;


t - время срабатывания защитного аппарата, с;


k - коэффициент, значение которого зависит от материала защитного проводника, его изоляции, начальной и конечной температур.


Значения к для защитных проводников в различных условиях приведены в табл. 9.4-9.7.


Если при расчете получается сечение, отличное от приведенного выше, то следует выбирать ближайшее большее значение, а при получении нестандартного сечения - применять проводники ближайшего большего стандартного сечения.


Максимальная температура при определении сечения защитного проводника не должна превышать предельно допустимых температур нагрева проводников при КЗ.


Во всех случаях сечение медных защитных проводников, не входящих в состав кабеля или проложенных не в общей оболочке (трубе, коробе, на одном лотке) с фазными проводниками, должно быть не менее:


2,5 мм2 - при наличии механической защиты;


4 мм2 - при отсутствии механической защиты.


Сечение отдельно проложенных защитных алюминиевых проводников должно быть не менее 16 мм2.


Таблица 9.4 Коэффициент k для изолированных защитных проводников, не входящих в кабель, и для неизолированных проводников, касающихся оболочки кабелей (начальная температура проводника 30 С)


Параметр

Материал изоляции

поливинилхлорид

(ПВХ)

поливинилхлорид

(ПВХ)

бутиловая резина

Конечная температура, С Коэффициент £ проводника:

160

250

220

медного

143

176

166

алюминиевого

95

116

110

стального

52

64

60


 


Таблица 9.5 Коэффициент к защитного проводника, в многожильном кабеле


Коэффициент к защитного проводника, в многожильном кабеле

Параметр

Материал изоляции

поливинилхлорид

(ПВХ)

поливинилхлорид

(ПВХ)

бутиловая резина

Начальная температура, С

70

90

85

Конечная температура, С

160

250

220

Коэффициент к проводника:

 

 

 

медного

115

143

134

алюминиевого

76

94

89


 


Таблица 9.6 Коэффициент к при использовании в качестве защитного проводника алюминиевой оболочки кабеля


Коэффициент к при использовании в качестве защитного проводника алюминиевой оболочки кабеля

Параметр

Материал изоляции

поливинилхлорид

(ПВХ)

сшитый полиэтилен, этиленпропиленовая резина

бутиловая резина

Начальная температура, С

60

80

75

Конечная температура, С

160

250

220

Коэффициент к проводника

81

98

93


 


Таблица 9.7 Коэффициент к для неизолированных проводников, когда указанные температуры не создают опасности повреждения находящихся вблизи материалов (начальная температура проводника принята равной 30 С)


Материал

проводника

Условия

Проводники

проложенные открыто и в специально отведенных местах

эксплуатируемые

в нормальной среде

в пожароопасной среде

Медь

Максимальная температура, С

500*

200

150

Коэффициент к

228

159

138

Алюминий

Максимальная температура, С

300*

200

150

Коэффициент к

125

105

91

Сталь

Максимальная температура, С

500*

200

150

Коэффициент к

82

58

50


* Указанные температуры допускаются, если они не ухудшают качество соединений.


 


Для квартир любого уровня комфортности в многоквартирных домах заземляющее устройство выполняется общим для всего дома.


Защитное заземление электроустановки коттеджа рекомендуется осуществлять с помощью искусственного заземлителя, состоящего из одного или нескольких электродов диаметром не менее 12 мм или уголков с толщиной полки не менее 4 мм, обеспечивающих требуемое сопротивление заземления в зависимости от удельного сопротивления грунта.


При использовании двух и более электродов для их соединения применяется круглая сталь диаметром 10 мм, выведенная на стену дома на высоте не менее 200 мм над поверхностью земли. Заземляющие проводники, прокладываемые от заземлителя до главной заземляющей шины, в зависимости от материала должны быть:


стальной - диаметром не менее 10 мм, сечением не менее 100 мм2; медный - диаметром не менее 12 мм, сечением не менее 50 мм2.


Для примера рассмотрим повторное заземляющее устройство для жилого здания, электроснабжение которого осуществляется на напряжении 380/220 В от подстанции, расположенной на расстоянии 80 м.


На вводе в здание, рядом с ВРУ размещаются два ящика главной заземляющей шины (рис. 9.16). К этой шине подключаются:


- защитный проводник РЕ питающего ВРУ-380/220 В;


- заземляющий проводник, присоединенный к повторному заземлителю;


- металлические трубы коммуникаций, входящих в здание (трубы горячего и холодного водоснабжения, канализации, отопления и т.п.);


- металлические части здания (каркас);


- металлические части вентиляции и кондиционирования и т.д.;


- заземляющее устройство молниезащиты;


- контуры внутреннего заземления электроустановок.


Главная заземляющая шина, расположенная в отдельном ящике, выполняется из медной полосы с отверстиями для болтового соединения отходящих проводников системы уравнивания потенциалов.


В помещениях пожарных насосов, кондиционеров, бойлеров, лифтов и т.д. предусматриваются отдельные внутренние контуры заземления, выполненные из полосовой оцинкованной стали 40x4 мм.


К этому контуру подключаются все металлические элементы: электродвигатели, щиты, трансформаторы, корпуса оборудования, двери, кабельные конструкции, трубопроводы, вентиляция и т.д. Все контуры внутреннего заземления подлежат присоединению к главной заземляющей шине путем прокладки медных кабелей ВВГ1х16 мм2.


Для наружного контура заземления предусмотрено три глубинных заземлителя из оцинкованной стальной трубы диаметром 50 мм, длиной 6 м. Удельное сопротивление грунта р0 = 100 Ом*м (суглинок). Коэффициент использования вертикального электрода nв = 0,6. Допустимая величина сопротивления наружного контура заземления Rдоп <=10 Ом.



Повторное заземляющее устройство и система уравнивания потенциалов


Рис. 9.16. Повторное заземляющее устройство и система уравнивания потенциалов


Отсюда сопротивление контура заземления из трех вертикальных электродов





Rз.к. < Rдоп = 10 Ом, что соответствует норме ПУЭ.


Устройство глубинного заземлителя приведено на рис. 9.17.


Глубинный заземлитель опускается в землю в заранее пробуренную скважину глубиной ~7 м. Бурение скважины рекомендуется вести роторным способом долотом диаметром 243 мм с промывкой глинистым раствором. Затрубное пространство заполняется грунтовой смесью, состоящей из жирной глины, коксовой мелочи и соли (NaCl) в соотношении объемов 1:1:0,5.



Устройство глубинного заземлителя


Рис. 9.17. Устройство глубинного заземлителя


9.4. Молниезащита. Защита от импульсных перенапряжений


Под понятием прямой удар молнии, или поражение молнией, подразумевается непосредственный контакт канала молнии со зданием или сооружением, сопровождающийся протеканием через него тока молнии. При прямом ударе проявляются тепловое, динамическое и электрическое действие тока молнии.


Как следствие, прямой удар молнии в здание и коммуникации приводит к серьезным механическим разрушениям, пожарам, поражениям людей и животных. Однако, прямой удар молнии - явление относительно редкое. Более распространенным является вторичное проявление молнии и внесение высокого потенциала.


Вторичное проявление молнии - это наведение потенциалов на металлических элементах конструкций, оборудования, в незамкнутых металлических контурах, вызванное близкими разрядами молнии и создающее опасность искрения внутри объекта.


Внесение высокого потенциала - это перенесение в здание или сооружение по протяженным металлическим коммуникациям (подземным и наземным трубопроводам, кабелям и т.п.) электрических потенциалов, возникающих при прямых и близких ударах молнии и создающих опасность искрения внутри объекта.


Вторичное проявление молнии и внесение высокого потенциала вызывают импульсное перенапряжение в сетях и электропроводящих частях, что приводит к возгораниям, электротравмам, выходу из строя электропроводки, слаботочных сетей, дорогостоящих бытовых приборов и электрооборудования, сбоям в работе систем автоматики и управления, контроля и сигнализации, потере информации в компьютерных системах. Импульсные перенапряжения возникают также в электрических сетях при авариях и определенных режимах работы электрооборудования и потребителей электроэнергии.


В табл. 9.8 приведены данные о поражающих факторах и последствиях при указанных явлениях.


Молниезащита зданий и сооружений - это система, состоящая из комплекса устройств и сооружений, предназначенных для защиты объектов от грозового электричества, позволяющая снизить последствия попадания молнии в защищаемый объект или вторичных ее проявлений.


Основным нормативным документом, регламентирующим устройство молниезащиты, является Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций (СО-153-34.21.122-2003). Инструкцией предусматривается применение внешней и внутренней молниезащиты.


Таблица 9.8 Поражающие факторы и вероятные последствия их проявления


Поражающие факторы и вероятные последствия их проявления

Событие

Поражающие факторы

Возможные последствия

Прямой удар молнии в здание

Разряд до 200 кА, 1000 кВ, 30 000°С

Поражение людей, разрушение частей зданий, пожары

Близкий и удаленный удар молнии в коммуникации

Внесенный грозовой потенциал по проводам электроснабжения и металлическим трубопроводам (возможный импульс перенапряжения - сотни киловольт)

Поражение людей, нарушение изоляции электропроводки, возгорание, выход из строя электрооборудования и приборов

Близкий разряд (до 0,5 км от здания)

Наведенный грозовой потенциал в сетях (возможный импульс перенапряжения - десятки киловольт)

Выход из строя электронных приборов, потери баз данных, сбои в работе автоматизированных систем

Коммутации и короткие замыкания в сетях

Импульс перенапряжения в сетях (до 10 кВ)

Выход из строя чувствительных приборов, потери баз данных, сбои в работе автоматизированных систем


 


Внешняя молниезащита является классической, она представляет собой молниеотвод, состоящий из токоприемника, спуска и системы заземления.


Внутренняя молниезащита приобрела значение лишь в последние годы в связи с широким распространением микроэлектроники, в том числе и в быту. Под внутренней молниезащитой понимают ряд мероприятий, которые способствуют защите от перенапряжений в силовой сети. К ним относятся выравнивание потенциалов всех проводящих частей с потенциалом молниеотвода и применение ограничителей импульсов перенапряжения.


Устройства защиты от перенапряжений (УЗП) в соответствии с указанной Инструкцией устанавливаются в месте пересечения линий электроснабжения, управления, связи, телекоммуникации границы двух зон экранирования. УЗП координируют для достижения приемлемого распределения нагрузки между ними в соответствии с их стойкостью к разрушению, а также для уменьшения вероятности разрушения защищаемого оборудования под воздействием тока молнии.


Для многоквартирных зданий, как правило, вопросы молниезащиты на этапе проектирования решаются для всего здания, а не для отдельной квартиры. Это относится к защите от прямого удара молнии. Защита же от вторичных проявлений молнии и от импульсов перенапряжений в сетях для квартир, насыщенных электроникой и микропроцессорными устройствами, представляется актуальной задачей и, по мнению авторов, должна предусматриваться для каждой квартиры повышенной комфортности.


Для коттеджей и приусадебных участков система молниезащиты должна предусматриваться в полном объеме в обязательном порядке.


Молниеприемная часть с токоотводами и заземлением в комплексе представляет собой молниеотвод, т.е. устройство, воспринимающее ток молнии и отводящее его в землю, минуя защищаемый объект. Непосредственно воспринимающим разряд молнии устройством является молниеприемник. К конструктивному устройству молниеприемника предъявляются жесткие требования в отношении надежности работы.


Инструкция предписывает при проектировании молниеотводов принять меры для защиты установленного снаружи на здании оборудования, такого как антенны, камеры наружного наблюдения и т.п. По возможности молниеотвод устанавливается таким образом, чтобы это оборудование было защищено от прямого попадания молнии. В некоторых случаях необходимо устанавливать устройства защиты от перенапряжений.


Существует несколько видов молниеприемников.


Стержневые молниеприемники изготавливаются, как правило, из проката различного профиля. Наиболее распространенным профилем для изготовления молниеприемников являются прутки и водогазопроводные трубы.


Молниеприемник должен обладать достаточной прочностью при динамических воздействиях тока молнии. Его сечение принимается равным не менее 100 мм2 при длине не более 2 м от точки


закрепления на доме или конструкции молниеотвода. При использовании стальной трубы ее верхний конец заваривают, плотно закрывают металлической пробкой или расплющивают.


Тросовые молниеприемники - это стальной трос, подвешенный над защищаемым домом, закрепленный на несущих конструкциях (опорах, мачтах). В качестве троса используют обычный стальной оцинкованный канат сечением не менее 35 мм2. Тросовые молниеотводы применяются для защиты протяженных сооружений (воздушные линии, здания большой длины и т.п.). В некоторых случаях применение тросового молниеотвода может оказаться эффективным и для защиты коттеджа. Как правило, абсолютное большинство из построенных в последние годы коттеджей не имеют устройств молниезащиты. Одним из возможных способов для их защиты могут быть тросовые молниеотводы, выполненные после ввода домов в эксплуатацию, на отдельно стоящих от дома опорах.


Сетчатые молниеприемники - это устройства, укладываемые на кровле защищаемого дома или хозяйственной постройки. Они выполняются из круглой стали (катанки) диаметром 6-8 мм. Могут также применяться плоские стальные полосы сечением 4x20 мм. Поскольку молниеприемная сетка укладывается на кровлю дома, должен быть решен вопрос беспрепятственного стока дождевых вод, чистки снега и льда. С этой целью допускается укладка молниеприемной сетки под слоем негорючей тепло- и гидроизоляции или другой кровли. Размеры ячейки - не более 12x12 м. Токоотводы выполняются из круглой стали диаметром 10 мм через 25 м по периметру дома с присоединением к заземлителю, выполненному вокруг дома.


Соединение между собой отдельных ветвей сетки молниеприемника осуществляется с помощью сварки. Допускается болтовое соединение.


В качестве молниеприемника могут служить естественные металлические кровли зданий (кроме металлочерепицы), имеющие надежный электрический контакт по всей поверхности кровли.


В ряде стран в последние годы широко используются активные молниеприемники. Идея таких молниеприемников основана на создании канала ионизированного проводящего воздуха и осуществляется за счет электронных устройств, активизирующихся в предгрозовой период и обеспечивающих канал для разряда молнии на землю через этот молниеотвод. Значительное снижение высоты активного молниеприемника (практически до 2 м) с установкой его на коньке крыши практически не нарушает архитектурного облика здания и обеспечивает надежную защиту от прямых разрядов молнии.


Принцип работы активных молниеотводов основан на использовании упреждающей стриммерной эмиссии. В таком молниеотводе имеется активная головка с электронным блоком, который в предгрозовой период за доли секунды до разряда молнии вырабатывает высокочастотные импульсы. В результате этого на головке молниеотвода возникает коронный разряд, образующий встречный ионизирующий канал для разряда молнии на молниеотвод. Этот ионизированный канал увеличивает эффективную высоту молниеотвода и многократно расширяет его защитную зону.


Токоотводы соединяют молниеприемники с заземлителями и представляют собой стальные провода, проложенные по стенам и крыше зданий. В качестве токоотводов применяется круглая полосовая сталь сечением не мене 25 мм2 внутри здания и 50 мм2 - вне его, а также в земле.


Токоотводы прокладываются от молниеприемника к заземлителю по кратчайшим путям в местах, доступных для периодических осмотров. На всем протяжении они не должны образовывать петель или острых углов.


Заземлителем могут служить для жилых зданий отдельные искусственные заземлители или очаг повторного заземления на вводе здания, а для коттеджных участков - очаг повторного заземления на вводе участка.


При применении отдельных искусственных заземлителей рекомендуется следующее.


1. В грунтах, имеющих небольшую величину расчетного удельного сопротивления (р < 300 Ом*м), наиболее целесообразны сосредоточенные вертикальные заземлители длиной 2,5-3 м, эффективно отводящие токи молнии (рис. 9.18).


При высокой проводимости нижних слоев грунта рекомендуется применение удлиненных электродов (l = 4-6 м). При высокой проводимости верхнего слоя грунта следует применять протяженные заземлители длиной не более 10 м, так как дальнейшее увеличение длины лучей при указанных характеристиках грунта практически не приводит к снижению импульсных сопротивлении растекания тока.



Сосредоточенный вертикальный заземлитель


Рис. 9.18. Сосредоточенный вертикальный заземлитель


а) одностержневой; б) двухстержневой


2. В грунтах с расчетным удельным сопротивлением р > 400-700 Ом*м оптимальным является комбинированный тип заземляющего устройства, например двух-трехлучевой тип с вертикальными электродами длиной 2,5-3 м (рис. 9.19). Наряду с лучевым расположением электродов большое распространение имеют комбинированные заземлители, выполненные в виде контура (квадрат, прямоугольник, кольцо), охватывающие защищаемый объект. При выполнении комбинированных заземлителей необходимо учитывать отрицательный эффект взаимного экранирования электродов. Поэтому не рекомендуются многолучевые заземлители с близким расположением вертикальных электродов друг от друга (менее двойной длины электродов).



Комбинированный трехлучевой заземлитель


Рис. 9.19. Комбинированный трехлучевой заземлитель


3. В грунтах с высоким удельным сопротивлением (р > 800 Ом*м) предпочтительнее применять лучевые заземлители с длиной элементов 20-40 м. В отдельных случаях могут быть использованы протяженные заземлители кольцевой формы.


Элементы заземляющих устройств выполняются в основном из круглой, полосовой и уголковой стали. Наиболее распространенным сортаментом стали для изготовления электродов


являются: полосовая сталь шириной 40 мм и толщиной 4 мм, угловая сталь с шириной полки 40 мм, круглая сталь 12-16 мм, трубы с наружным диаметром 40-60 мм.


Наиболее радикальным средством защиты заземлителей от коррозии является оцинковка или омеднение электродов. Необходимо помнить, что окраска и покрытие элементов заземлителя лаками или битумом резко снижают эффект растекания тока и поэтому категорически запрещаются. Минимальные размеры (сечение) элементов заземлителей приводятся ниже:


полосовая и угловая сталь - сечение 48 мм2, толщина 4 мм;


трубы - толщина стенки 3,5 мм;


круглая сталь - диаметр 10 мм.


Соединение электродов в единую заземляющую систему должно осуществляться, как правило, сваркой. Длина сварного шва должна составлять не менее двойной ширины свариваемых полос и не менее шестикратного диаметра электродов из круглой стали. В ряде случаев, чтобы иметь возможность производить замеры, соединение заземлителя с токоотводом может производиться с помощью зажимов или болтов. Число болтов должно быть не менее двух.


Внутренняя молниезащита строится на системе уравнивания потенциалов, которая рассмотрена ранее, и на применении ограничителей импульсных перенапряжений.


В соответствии с ПУЭ при воздушных вводах следует предусматривать ограничители импульсных перенапряжений.


Устройство защиты от вторичных проявлений молнии и внесения высокого потенциала регламентировано ГОСТ Р 50571.19-2000 «Защита электроустановок от грозовых и коммутационных перенапряжений», ГОСТ Р 50571.20-2000 «Защита электроустановок от перенапряжений, вызванных электромагнитными воздействиями», ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».


В соответствии с ГОСТ 13109-97 значение грозовых импульсных напряжений с вероятностью 90% не превышает 10 кВ - в воздушной сети напряжения 0,38 кВ и 6 кВ - во внутренней проводке зданий и сооружений.


Значение коммутационных импульсных напряжений на уровне 0,5 амплитуды импульса при их длительности, равной 1000-5000 мс, в сети с номинальным напряжением 0,38 кВ составляет 4,5 кВ.


Пики напряжения в электрических сетях наиболее опасны для дорогостоящей производственной и бытовой микроэлектронной аппаратуры. Это вызвано тем, что энергия сетевых пиков может достигать единиц килоджоулей, а энергия разрушения современных интегральных микросхем составляет от единиц до сотен микроджоулей. Поэтому необходимо применение устройств для ослабления сетевой помехи.


Под внутренней грозозащитой понимают ряд мероприятий, которые способствуют защите от перенапряжений в силовой сети (коммутационные, грозовые перенапряжения). Важнейшим мероприятием является выравнивание потенциалов всех проводящих частей (трубы отопления, системы газоснабжения, водопроводные) с потенциалом молниеотвода, заземлителя и заземленным нейтральным проводом сети. Далее между активными фазными проводами и уравнительной шиной включаются вентильные разрядники. Вентильные разрядники срабатывают как при перенапряжениях, поступающих из сети, так и при повышении потенциала точки заземления во время прямого удара молнии. В последнем случае эта точка оказывается по отношению, например, к земле питающего распределительного трансформатора, под потенциалом, превышающим испытательное напряжение трансформатора. Однако напряжение между этой точкой и фазами сети никогда не становится больше, чем напряжение срабатывания вентильных разрядников.


Грозозащитные разрядники и разрядники для защиты от перенапряжений, участвующие во внутренней грозозащите, различаются техническими характеристиками. Когда несколько устройств защиты от перенапряжений (УЗП) установлены в одну линию, следует обеспечить, чтобы первым активизировалось защитное устройство с самым низким уровнем напряжения срабатывания, для того чтобы защищаемое оборудование не было перегружено. В то же время устройства защиты от перенапряжений должны быть подобраны с учетом их энергетических возможностей. Когда устройство защиты от перенапряжений подвергается перегрузкам, импульсный ток должен


автоматически управляться предыдущим УЗП с более высокой энергетической способностью, установленным «выше» по линии. Этот режим можно сравнить с защитой резервирования, обеспеченной устройствами максимальной токовой защиты.


Для этой цели необходимо наличие в цепи определенных разделительных сопротивлений между устройствами защиты от перенапряжений разных классов. В качестве таких сопротивлений могут быть использованы существующие кабели при условии достаточной величины их сопротивления.


Компанией Schneider Electric производятся ограничители перенапряжений серий STH, STM, STD. Каждый ограничитель перенапряжения этой серии имеет свое применение.


Ограничитель STH рекомендуется использовать для открытых мест, в которых могут происходить прямые разряды молнии и электромагнитное поле ничем не ослаблено.


Ограничитель STM используется для объектов, которые защищены мерами экранирования части здания, например с помощью металлической арматуры. По линии питания такая защита может обеспечиваться силовыми кабелями определенной длины.


Ограничитель STD устанавливается в следующей зоне, в которой еще более уменьшен уровень риска. Этот ограничитель может устанавливаться последовательно с головным ограничителем перенапряжений.


Для защиты ограничителей перенапряжения от коротких замыканий используются автоматические выключатели (рис. 9.20). Для согласования этих автоматических выключателей необходимо учитывать следующее.



Принципиальная схема подключения ограничителей перенапряжения


Рис. 9.20. Принципиальная схема подключения ограничителей перенапряжения


Номинальный ток этого автоматического выключателя выбирается по расчетному току короткого замыкания на ограничителе STH в случае его повреждения и с учетом обеспечения селективности. При неисправностях и коротком замыкании в ограничителе перенапряжений STH должен отключаться автоматический выключатель Q1, а выключатель Q остаться замкнутым. Таким же образом выбираются автоматические выключатели для ограничителей STM и STD.


Рекомендуется организация двухуровневой схемы: с одним ограничителем (STH, STM) в голове и другим (STD), подключенным в щитке как можно ближе к месту установки защищаемых устройств.


Эффективность двухуровневой схемы проявляется при достаточном индуктивном сопротивлении между ограничителями. Так, двухуровневая схема рекомендуется, если длина кабеля между головным ограничителем и ограничителем, установленным в щитке, превышает 30 м.


Ограничитель STH в качестве головного выбирается при воздушных вводах 0,38 кВ, в которых могут происходить прямые разряды молнии.


Если имеются элементы экранирования помещения или электроснабжение осуществляется с помощью кабельного ввода, то применяется ограничитель STM.


В схеме на рис. 11.4а ввод выполнен кабелем. Исходя из этого выбран ограничитель перенапряжения STM, четырехполюсный, каталожный номер 16607, подключаемый к шинам ВРУ. Расстояние от ВРУ до этажных щитков существенно меньше 30 м, поэтому достаточно одноуровневой защиты. В качестве автоматического выключателя QF1 для защиты ограничителя выбран автоматический выключатель С60а, каталожный номер 23904, четырехполюсный, номинальный ток 25 А, кривая отключения С, ток отключения 4,5 кА.


Защитный автомат для ограничителей перенапряжения должен выбираться из соображений защиты ограничителя от короткого замыкания.


Для защиты от перенапряжения слаботочных сетей, например телефонных, в номенклатуре Schneider Electric имеются параллельные и последовательные ограничители типа PRC. На рис. 9.21 приведены схемы подключения этих ограничителей. Номинальное напряжение 220 В переменного тока, напряжение передающего сигнала 220 В; напряжение ограничения: параллельный 700 В; последовательный 300 В; номинальный ток In(8/20 мкс) 5 кА, максимальный ток Imax(8/20 мкс) 10 кА. Полоса пропускания: PRC параллельный 100 МГц; PRC последовательный 3 МГц. Вспомогательные устройства - модули дистанционной сигнализации ЕМ/RM.


Модули дистанционной сигнализации состоят из двух оптических блоков, передатчика и приемника. Они предназначены для дистанционной сигнализации состояния ограничителя перенапряжений. Модуль позволяет наблюдать за 15 ограничителями перенапряжений.



Схемы подключения ограничителя перенапряжений PRC


Рис. 9.21. Схемы подключения ограничителя перенапряжений PRC


9.5. Защита от временных перенапряжений


В трехфазных сетях напряжением 0,4 кВ с глухо заземленной нейтралью, типичных для квартир повышенной комфортности и коттеджей, высока вероятность возникновения временных перенапряжений.


Согласно ГОСТ13109-97 временное перенапряжение — это повышение напряжения в точке электрической сети выше 1,1Uном продолжительностью более 10 мс. Отмечается, что при обрыве нулевого проводника в трехфазных электрических сетях до 1 кВ, работающих с глухо заземленной нейтралью, возникают временные перенапряжения между фазой и землей. Уровень таких перенапряжений при значительной несимметрии фазных нагрузок может достигать значений междуфазного напряжения, а длительность — нескольких часов. В ГОСТ13109-97 в данном случае несимметрия нагрузок определяется как «значительная» без указания конкретного значения.


Рассмотрим несколько режимов работы с определенной величиной несимметрии, которые можно использовать как ориентировочные при выполнении отдельных проектов.


Для схемы, приведенной на рис. 9.22, при обрыве нулевого проводника в общем случае имеем:





Здесь YA, YB, YC— проводимости сопротивлений ZA, ZB, ZC;





В рассматриваемом случае ZA, ZB и ZC являются сопротивлениями нагрузки трех отдельных потребителей (например, коттеджей), получающих питание по ВЛ от трех разных фаз и имеющих общий проводник PEN.


Возможен также вариант, когда ZA, ZB и ZC — сопротивления нагрузок одного коттеджа, имеющего трехфазный ввод, но отдельные постройки на участке питаются от разных фаз.


Режим I. Сопротивления ZA = 10 Ом, ZB = 20 Ом, ZC = 40 Ом.


Действующие значения напряжений на сопротивлениях ZA, ZB, ZC соответственно:


UA =144,65(0,657 Uн);


UB = 248,85(1,1З Uн);


UС = 287,55(1,31 Uн);


Напряжение в нулевой точке Uн = 82,7 В.


Режим II. Сопротивления ZA = 10 Ом, ZB = 100 Ом, ZC = 200 Ом.


Действующее напряжение на сопротивлениях ZA, ZB, ZC соответственно:


Uс = 287,55(1,3 Uн);


Uв = 339,85(1,54 Uн);


Uс = 348,85(1,58 Uн) .


Напряжение в нулевой точке Uн = 177,5 В.


Из приведенных расчетов следует, что при обрыве нулевого проводника в трехфазных электрических сетях с глухо заземленной нейтралью при реальной несимметрии нагрузок фазные напряжения могут достигнуть опасных значений.


В ПУЭ (7-е изд.) в п. 7.1.21 содержится рекомендация: при питании однофазных потребителей от многофазной питающей сети ответвлениями от воздушных линий, когда проводник воздушной линии является общим для групп однофазных потребителей, питающихся от разных фаз, рекомендуется предусматривать защитное отключение потребителей при превышении напряжения выше допустимого, возникающего из-за несимметрии нагрузки при обрыве PEN проводника. Отключение должно производиться на вводе в здание, например, воздействием на независимый расцепитель вводного автоматического выключателя посредством реле максимального напряжения. В этом случае должны отключаться как фазный (L), так и нулевой рабочий (N) проводники.


При этом уставка срабатывания реле рекомендуется 1,2 Uн а время срабатывания защиты — не более 0,15 с.



К расчету фазных напряжений при несимметричной нагрузке и обрыве нулевого провода


Рис. 9.22. К расчету фазных напряжений при несимметричной нагрузке и обрыве нулевого провода




Другие статьи:

Надежность электроснабжения и качество электроэнергии
Учет электроэнергии. Основные требования к установке приборов учета. Счетчики электрической энергии
Выбор проводов и кабелей для электропроводок