Электробезопасность. Общие сведения по электробезопасности.
1. Действие тока на организм человека
Предельно допустимые напряжения и токи через человека с учетом времени воздействия. Степень отрицательного воздействия электрического тока на организм человека зависит от значения тока, протекающего через него, длительности его воздействия, пути прохождения в теле человека и некоторых других факторов.
Сопротивление тела человека и значение приложенного к нему напряжения также влияют на исход поражения, но лишь постольку, поскольку они определяют значения тока, проходящего через тело человека.
Человек начинает ощущать воздействие проходящего через него тока при значениях 0,6—1,5 мА при переменном токе с частотой 50 Гц и 5—7 мА при постоянном токе (табл. 1). Эти значения являются границами или порогами, с которых начинаются области ощутимых токов, и носят название пороговых ощутимых токов. Выпрямленные токи однои двухполупериодные по порогам ощутимого тока занимают промежуточное значение между переменным и постоянным токами.
Таблица 1. Действие переменного и постоянного тока на человека
| Ток, мА | Характер воздействия | |
| Переменный ток 50—60 Гц | Постоянный ток | |
| 0,6—1,5 | Начало ощущения, легкое дрожание пальцев рук | Не ощущается |
| 2—3 | Сильное дрожание пальцев рук | Не ощущается |
| 5—7 | Начало судорог в руках | Зуд, ощущение нагрева |
| 8—10 | Руки трудно, но еще можно оторвать от электродования. Сильные боли | Усиление нагрева |
| 20—25 | Паралич рук. Дыхание затруднено | Еще большее усиление нагрева. Незначительное сокращение мышц рук |
| 50—80 | Остановка дыхания. Начало фибри- ляции сердца | Сильное ощущение нагрева. Сокращение мышц рук. Судороги, затруднение дыхания |
| 90—100 | Фибрилляция сердца | Остановка дыхания |
Ток, вызывающий при прохождении через тело человека непреодолимые судорожные сокращения мышц руки, в которой зажат проводник, называется неотпускающим током, а наименьшее его значение пороговым неотпускающим током. Значения пороговых неотпускающих токов у различных людей различны. Они различны также у мужчин и женщин.
Средние их значения составляют: для мужчин 16 мА при 50 Гц и 80 мА при постоянном токе, для женщин — 11 и 50 мА, соответственно.
Ток, вызывающий при прохождении через организм фибрилляцию сердца, называется фибрилляционным током, а наименьшее его значение пороговым фибрилляционным током. Фибрилляция сердца заключается в беспорядочном сокращении и расслаблении мышечных волокон сердца. Сердце затрачивает значительную энергию, и не производит полезной работы, кровообращение прекращается. Пороговый фибриляционный ток зависит от многих факторов, в том числе от массы тела человека и колеблется в пределах 50—400 мА (при 50 Гц). Среднее его значение принято считать равным 100 мА при 50 Гц и 300 мА при постоянном токе.
Значения пороговых токов являются исходными данными для разработки критериев электробезопасности в первую очередь — допустимых значений напряжений прикосновения и токов, проходящих через тело человека. Поскольку человек при меньшей продолжительности воздействия может выдержать больший ток, то ГОСТ 12.1.038-82 (с изменениями от 01.07.88) установлены предельно допустимые значения напряжений прикосновения
и токов, протекающих через человека в зависимости от времени воздействия. Значения допустимых напряжений прикосновения и токов частотой 50 Гц при аварийном режиме производственных электроустановок напряжением до 1 кВ с любым режимом нейтрали и выше 1 кВ с изолированной нейтралью приведены в табл. 2.
Таблица 2. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов, протекающих через человека
| Продолжительность воздействия тока, с | Напряжение прикосновения, В | Ток, мА | Продолжительность воздействия тока, с | Напряжение прикосновения, В | Ток, мА |
| 0,01—0,08 | 550 | 650 | 0,6 | 95 | 105 |
| 0,1 | 340 | 400 | 0,7 | 85 | 90 |
| 0,2 | 160 | 190 | 0,8 | 75 | 75 |
| 0,3 | 135 | 160 | 0,9 | 70 | 65 |
| 0,4 | 120 | 140 | 1 | 60 | 50 |
| 0,5 | 105 | 125 | Свыше 1 | 20 | 6 |
Из табл. 2 видно, что чем меньше продолжительность воздействия тока на человека, тем больший ток он может выдержать без ущерба для здоровья.
2. Способы снижения тока, проходящего через человека
Все технические меры защиты можно разбить на четыре группы по способам снижения тока, проходящего через человека.
1. Увеличение сопротивления цепи человека достигается изоляцией рук человека от токоведущих частей, а ног — от земли.
В нормальных условиях эксплуатации электрооборудования человек защищен от протекания опасных токов изоляцией токоведущих частей. Такая изоляция может выполняться основной (рабочей) и дополнительной (рис.15.1).
Дополнительная изоляция служит для защиты от поражения электрическим током при повреждении основной изоляции и выполняется двойной или усиленной.
Двойная изоляция состоит из основной (рабочей) и дополнительной (защитной) изоляции. Например, такую изоляцию имеет электроинструмент, токоведущие части которого размещаются в корпусе из изоляционного материала.
Усиленная изоляция это рабочая изоляция, равноценная двойной изоляции по механическим и электрическим свойствам; применяется там, где конструкция оборудования не позволяет использовать двойную изоляцию. В отдельных случаях, для исключения возникновения цепи тока через человека могут быть применены изолирующие помещения, зоны и площадки с сопротивлением изоляции 50 кОм при напряжении до 500 В и 100 кОм при
напряжениях 500—1000 В.
2. Обеспечение недоступности токоведущих частей (по существу, недопущение образования цепи тока через человека, Rh = ∞) осуществляется их ограждением, размещением внутри оболочек (шкафов, щитов и т.п.) из несгораемого материала; применением блокировок, отключающих электропитание, например, при открывании помещения испытательной установки; размещением вне зоны досягаемости (на расстоянии не менее 2,5 м), применением барьеров для защиты от случайного прикосновения.
Рис. 1. Дополнительная (защитная) изоляция: а — двойная; б — усиленная
3. Снижение напряжения прикосновения и, соответственно, значения тока, который может проходить через человека при длительном воздействии, осуществляется следующими способами:
• применением сверхнизких (малых) напряжений;
• защитным электрическим разделением цепей;
• защитным заземлением открытых проводящих частей, доступных прикосновению, которые могут оказаться под напряжением;
• защитным уравниванием потенциалов путем электрического соединения открытых проводящих частей электроустановок и сторонних проводящих частей, для достижения равенства их потенциалов.
4. Автоматическое отключение питания (т.е. ограничение времени воздействия тока на человека) в электроустановках при возникновении опасной для человека ситуации достигается применением защитного зануления или устройств защитного отключения (УЗО).
3. Классификация электроприемников по способу защиты от поражения электрическим током
Меры защиты от поражения электрическим током закладываются либо непосредственно в конструкцию электроприемников (рабочая и дополнительная изоляция токоведущих частей, заливка полостей изоляционным материалом, корпуса из диэлектрической и ударостойкой пластмассы и т. д.), либо создаются предпосылки для использования таких средств защиты, как защитное зануление, защитное заземление, УЗО, связанных с системой заземления электроустановки и наличием защитного проводника.
По способу защиты от поражения электрическим током переносные электроприемники подразделяются на четыре класса (табл. 3.)
Таблица 3. Классификация электротехнического и электронного оборудования по способу защиты от поражения электрическим током
| Класс оборудования | Способы защиты и конструктивное исполнение | Обозначение |
| 0 | Кроме рабочей изоляции дополнительные меры защиты в конструкции не предусмотрены. Для защиты используются: 1) изолирующие помещения, зоны и площадки; 2) защитное электрическое разделение цепей | (Отсутствует) |
| I | 1. Автоматическое отключение питания (защитное зануление, УЗО). 2. Защитное заземление (система IT). Провод электропитания имеет заземляющую жилу и вилку с заземляющим контактом для присоединения к защитному проводнику |
|
| II | Кроме рабочей используется дополнительная изоляция — двойная или усиленная |
|
| III | Ограничение напряжения прикосновения предельно допустимыми значениями при длительном воздействии. Малое (сверхнизкое) напряжение внутренних цепей и сети электропитания (не выше 50 В переменного и 120 В постоянного тока) |
|
Как видно из табл. 3 электроприемники класса 0 не имеют конструктивных особенностей, кроме основной изоляции, позволяющих обеспечить дополнительную защиту. Поэтому при работе с электроприемниками класса 0 следует использовать внешние факторы (изолирующую среду) или применять внешние электрозащитные устройства, например, разделительные трансформаторы.
Электроприемники класса I подсоединяются к стационарной сети заземления. Это позволяет вызвать срабатывание автоматической защиты и ограничить время прохождения тока через человека. Кроме того, при подсоединении к защитному проводнику достигается снижение напряжения прикосновения.
Наличие дополнительной изоляции у электроприемников класса II позволяет увеличить сопротивление цепи, по которой протекает ток через человека.
Применение малых (сверхнизких напряжений) для электроприемников класса III уменьшает значение тока, проходящего через тело человека до неопасного уровня.
4. Классификация помещений по условиям поражения электрическим током
Применение тех или иных мер защиты определяется характеристикой помещения, где расположены электроустановки. По степени опасности поражения током помещения подразделяются на три категории:
1. С повышенной опасностью (для помещений характерно наличие одного из следующих условий: сырость, т.е. относительная влажность воздуха длительно превышает 75%; токопроводящая пыль; токопроводящие полы — металлические, земляные, железобетонные, кирпичные; высокая температура (выше 35°С); возможность одновременного прикосновения человека к металлоконструкциям зданий, технологическим аппаратам, механизмам, имеющим соединение с землей, с одной стороны, и металлическим деталям, корпусам электрооборудования, которые могут оказаться под напряжением при повреждении изоляции, с другой).
2. Особо опасные (характеризуются наличием одного из следующих условий: особая сырость, т.е. относительная влажность воздуха близка к 100%; химически активная среда или органическая среда, разрушающая изоляцию и токоведущие части; одновременно два условия повышенной опасности или более). Территории размещения наружных электроустановок (на открытом воздухе, под навесом, за сетчатыми ограждениями) — приравниваются к особо опасным помещениям.
3. Без повышенной опасности (в помещении отсутствуют условия, создающие повышенную или особую опасность).
В отдельную группу выделяют работы при наличии особо неблагоприятных условий, когда опасность поражения электрическим током усугубляется теснотой, неудобным положением работающего, ограниченной возможностью перемещения, соприкосновением с большими металлическими, хорошо заземленными поверхностями (например, работа в металлических емкостях, колодцах, тоннелях, котлах и т.п.).
5. Классификация проводящих частей электроустановок и видов прикосновения к частям, находящимся под напряжением
При классификации защитных мер в ПУЭ используется следующая терминология (рис. 2).
Проводящие части, т.е. части обладающие свойством проводить электрический ток, подразделяются на (рис. 2):
токоведущую — проводящая часть электроустановки, находящаяся в процессе ее работы под рабочим напряжением, в том числе нулевой рабочий проводник;
открытую — доступная прикосновению проводящая часть электроустановки, нормально не находящаяся под напряжением, но которая может оказаться под напряжением при повреждении основной изоляции;
стороннюю — проводящая часть, не являющаяся частью электроустановки. Прикосновения к проводящим частям, которые могут повлечь протекание тока через человека или животное, подразделяются на:
• прямое — электрический контакт людей или животных с токоведущими частями, находящимися под напряжением;
• косвенное — электрический контакт людей или животных с открытыми проводящими частями, оказавшимися под напряжением при повреждении изоляции.
Рис. 2. Классификация проводящих частей
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 её пробой на корпус, на этих частях возможно появление опасного для жизни человека потенциала.
6. Перечень мер защиты при прямом и косвенном прикосновении
В соответствии с ПУЭ вводятся защиты от поражения электрическим током следующих видов:
• защита от прямого прикосновения – защита, предназначенная для предотвращения прикосновения к токоведущим частям, находящимся под напряжением;
• защита при косвенном прикосновении — защита от поражения электрическим током при прикосновении к открытым проводящим частям, оказавшимся под напряжением при повреждении изоляции.
Для защиты людей и животных от поражения электрическим током необходимо, чтобы опасные токоведущие части электроустановки не были доступны для случайного прикосновения, а доступные прикосновению открытые проводящие части и сторонние проводящие части не находились под напряжением, представляющим опасность поражения электрическим током, как в нормальном режиме работы электроустановки, так и при повреждении изоляции.
Для защиты от поражения электрическим током в нормальном режиме должны быть применены по отдельности или в сочетании друг с другом следующие меры зашиты от прямого прикосновения:
• основная изоляция токоведущих частей;
• ограждения и оболочки;
• установка барьеров;
• размещение вне зоны досягаемости;
• применение сверхнизкого (малого) напряжения.
Для дополнительной зашиты от прямого прикосновения в электроустановках до 1 кВ при наличии требований ПУЭ следует применять УЗО с номинальным отключающим дифференциальным током не более 30 мА.
Для защиты от поражения электрическим током в случае повреждения изоляции должны быть применены по отдельности или в сочетании друг с другом следующие меры зашиты при косвенном прикосновении:
• защитное заземление;
• автоматическое отключение питания;
• уравнивание потенциалов;
• выравнивание потенциалов;
• двойная или усиленная изоляция;
• применение сверхнизкого (малого) напряжения;
• защитное электрическое разделение цепей;
• изолирующие (непроводящие) помещения, зоны, площадки.
Меры зашиты от поражения электрическим током должны быть предусмотрены в электроустановке или ее части, либо применены к отдельным электроприемникам и могут быть выполнены при изготовлении электрооборудования, либо в процессе монтажа электроустановки, либо в обоих случаях.
При применении двух и более мер защиты в электроустановке они не должны оказывать друг на друга влияние, снижающее эффективность каждой из них. При выборе мер защиты необходимо учитывать условия окружающей среды и квалификацию персонала.
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 выполнение зашиты при косвенном прикосновении может потребоваться при более низких напряжениях, например, 25 В переменного тока, и 60 В постоянного тока или 12 В переменного тока и 30 В постоянного тока при наличии требований соответствующих глав ПУЭ.
Защита от прямого прикосновения не требуется, если электрооборудование находится в зоне системы уравнивания потенциалов, а напряжение не превышает 25 В переменного тока или 60 В постоянного тока в помещениях без повышенной опасности и 6 В переменного тока или В постоянного тока — во всех случаях.
Выбор тех или иных средств защиты определяется: напряжением, режимом нейтрали, категорией помещения, выполняемой работой и рядом других факторов.
7. Классификация систем заземления электроустановок напряжением до 1 кВ и их применение
Согласно ГОСТ Р 50571, в основу которого положены стандарты Международной электротехнической комиссии (МЭК 364), вводится буквенное обозначение электрических сетей и систем заземления. В основе обозначений лежат первые буквы слов (во французском варианте МЭК 364): terre
(T) — земля, isol´e (I) — изолированный, neutre (N) — нейтраль, combin´e
(C) — совмещенный, s´epar´e (S) — разделенный, а также первые буквы термина protection ´electrique (PE) — защита от прикосновений.
Первая буква характеризует режим нейтрали, вторая — заземление открытых проводящих частей (ОПЧ) или корпуса электроустановки (табл. 4). Под ОПЧ понимаются нормально не находящиеся под напряжением проводящие части электроустановки, доступные прикосновению, которые могут оказаться под напряжением при повреждении основной изоляции токоведущих частей.
Из этих двух букв образуются названия систем заземления. Для каждой системы заземления могут быть использованы только определенные меры защиты от поражения электрическим током. Соединение ОПЧ с заземлителем нейтрали (система ТN) позволяет использовать в качестве защитных мер зануление и устройства защитного отключения. Присоединения ОПЧ к отдельному заземлителю в сети с глухозаземленной нейтралью (система ТТ) позволяет эффективно использовать устройство защитного отключения.
Наличие заземляющего устройства в системе IТ позволяет применять защитное заземление, устройства защитного отключения, осуществлять контроль изоляции.
Таблица 4. Классификация систем заземления
| Первая буква: режим нейтрали | Вторая буква: открытые проводящие части | ||
| заземлённая | изолированная | занулены | заземлены |
| T | I | N | T |
Для обозначения сетей с глухозаземленной нейтралью вводятся последующие буквы, обозначающие функции нулевых проводников:
S — используются раздельно нулевой рабочий N и нулевой защитный РЕ проводники;
С — используется общий (совмещенный) нулевой проводник PEN, выполняющий функции защитного РЕ и рабочего N;
С-S — cовмещенный нулевой проводник РЕN в части сети разветвляется на рабочий N и защитный PE.
Схемы электрических сетей с глухозаземленной и изолированной нейтралями и их буквенные обозначения приведены на рис. 3.
Для электроустановок до 1 кВ приняты следующие обозначения:
• система TN — система, в которой нейтраль источника электроэнергии глухо заземлена, а открытые проводящие части электроустановки присоединены к глухозаземленной нейтрали (занулены) при помощи нулевых защитных проводников;
• система TN-C — система TN, в которой нулевой защитный и нулевой рабочий проводники совмещены в одном проводнике на всем ее протяжении;
• система TN-S — система TN, в которой нулевой защитный и нулевой рабочий проводники разделены на всем ее протяжении;
• система TN-C-S — система TN, в которой функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников совмещены в одном проводни
Рис. 3. Схемы электрических сетей с трехфазными и однофазными потребителями и различными системами заземления: а — сеть с глухозаземленной нейтралью и нулевым проводником (PEN), выполняющим функции рабочего и защитного проводников — система TN-C; б — сеть с глухозаземленной нейтралью и нулевым рабочим N и защитным PE проводниками — система TN-S; в — сеть с глухозаземленной нейтралью и нулевым проводником PEN, разветвляющимся на нулевой рабочий N и нулевой защитный PE проводники — система TN-C-S; г — сеть с глухозаземленной нейтралью и нулевым рабочим проводником N и отдельной магистралью заземления PE — система TT; д — сеть с изолированной нейтралью и магистралью заземления PE — система IT; е — условные обозначения проводников
ке в какой-то ее части, начиная от источника распределения электроэнергии;
• система IT — система, в которой нейтраль источника электроэнергии изолирована от земли или заземлена через приборы или устройства, имеющие большое сопротивление, а открытые проводящие части электроустановки заземлены;
• система ТT — система, в которой нейтраль источника электроэнергии глухо заземлена, а открытые проводящие части электроустановки заземлены при помощи заземляющего устройства, электрически независимого от глухозаземленной нейтрали источника.
Среди трехфазных электрических сетей с напряжением до 1 кВ наибольшее распространение в стране получили сети с системой заземления TN-C. Такие сети относительно дешевы, поскольку в отличие от систем TN-S и TNC-S, их выполняют четырехпроводными. В то же время разделение функций нулевого проводника на нулевой рабочий N и нулевой защитный PE в системах TN-S и TN-C-S позволяет обеспечить более высокий уровень электробезопасности, а также обеспечить помехоустойчивость электронной техники.
Система TT имеет ограниченное применение, поскольку, как будет показано ниже, она не обеспечивает срабатывание автоматической защиты от сверхтока при замыкании на корпус, а снижение напряжения на открытых проводящих частях до допустимого не достигается уменьшением сопротивления заземлителя. Тем не менее систему TT рекомендуется применять для зданий с металлическим каркасом и металлической обшивкой с обязательным использованием устройств защитного отключения.
Система IT применяется для производств, где недопустимы перерывы в работе при замыкании фазы на землю; во взрывоопасных зонах для исключения искрообразования; в производствах с повышенной опасностью поражения электрическим током (торфяные и горные разработки, шахты и т.п.); для электропитания радиоэлектронной аппаратуры, чувствительной к электромагнитным наводкам.
8. Защитное заземление. Заземление в сетях
с глухозаземленной и изолированной нейтралями
Рассмотрим защитные свойства заземления на примере трехфазных сетей с системами заземления TT и IT (рис.15.4).
При замыкании фазы на заземленный корпус электроустановки, напряжение на нем Uкорпокажется равным потенциалу заземлителя jз и в любых случаях будет меньше фазного напряжения. Напряжение на заземленном корпусе определяется током замыкания Iз стекающим через заземлитель, и сопротивлением заземлителя rз, т.е.:
Uкорп= φз= Iзrз (15.1)
Ток Iз будет зависеть от режима нейтрали электрической сети (рис. 4), с глухозаземленной нейтралью (система ТТ):
(15.2)
с изолированной нейтралью (система IT):
(15.3)
Поскольку сопротивление заземлителя нейтрали r0 много меньше сопротивления изоляции r, то ток Iз, а следовательно, и напряжение на корпусе в сети с глухозаземленной нейтралью будут намного больше, чем в сети с изолированной нейтралью. Кроме того, напряжение на корпусе будет зависеть от соотношения между сопротивлениями r0и rз. Например, при уменьшении r0 относительно rз напряжение на корпусе, согласно формулам (15.1) и (15.2), возрастает. Ввиду указанных недостатков заземление как основная мера защиты, в сетях с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1 кВ, не применяется.
В сети с изолированной нейтралью ток замы- кания на землю практически не увеличивается с уменьшением сопротивления заземлителя, поскольку r >> rз. Поэтому в таких сетях заземление используется как основная мера защиты и называется защитным заземлением.
Сопротивление заземляющего устройства,< используемого для защитного заземления открытых проводящих частей, в системе IT должно соответствовать условию:
rз≤ Uпр/Iз, (15.4)
где rз — сопротивление заземляющего устройства, Ом; Uпр — напряжение прикосновения, значение которого принимается равным 50 В; Iз — полный ток замыкания на землю, А.
Рис. 4. Замыкание фазы на заземленный корпус в сети с глухозаземленной нейтралью (а) и в сети с изолированной нейтралью (б)
Как правило, не требуется принимать значение сопротивления заземляющего устройства менее 4 Ом. Допускается сопротивление заземляющего устройства до 10 Ом, если соблюдено приведенное выше условие, а мощность генераторов или трансформаторов не превышает 100 кВА , в том числе суммарная мощность генераторов или трансформаторов, работающих параллельно.
9. Защитное зануление
9.1. Принцип действия
Основной мерой защиты от поражения электрическим током в сетях с глухозаземленной нейтралью и системами заземления TN-C, TN-C-S и TN-S напряжением до 1 кВ является зануление.
Защитным занулением называется преднамеренное соединение открытых проводящих частей (например, нетоковедущих металлических частей электроустановок, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на них фазы) с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора. Это соединение осуществляется с помощью нулевого защитного проводника.
В системе TN-C для этого служит нулевой проводник PEN, выполняющий функции защитного PE и нулевого рабочего N проводников; в системе TN-S — нулевой защитный проводник PE, подключенный непосредственно к нейтрали источника питания; в системе TN-C-S — нулевой проводник, разветвляющийся за распределительным устройством на нулевой защитный PE и нулевой рабочий N проводники (рис. 5).
Рис. 5. Короткое замыкание фазы 1 на зануленный корпус электроустановки: а — принципиальная схема электрической сети с занулением; б — эквивалентная схема
Не допускается совмещение функций нулевого защитного и нулевого рабочего проводника в цепях однофазного тока.
Принцип действия защитного зануления — превращение замыкания на открытые проводящие части (корпус) в однофазное КЗ (т.е. замыкание между фазным и нулевым защитным проводниками) с целью вызвать большой ток, способный обеспечить срабатывание защиты и тем самым автоматически отключить поврежденную электроустановку от питающей сети. Такой защитой являются плавкие вставки предохранителей или автоматические выключатели.
Кроме того, в аварийный период, т.е. с момента возникновения замыкания на корпус и до автоматического отключения поврежденной электроустановки от сети, напряжение открытых проводящих частей (корпусов) относительно земли снижается. Это происходит за счет перераспределения фазного напряжения между сопротивлениями фазного и нулевого защитного проводников, а при наличии повторного заземления и за счет его защитных свойств.
Таким образом, зануление осуществляет два защитных действия — быстрое автоматическое отключение поврежденной установки от питающей сети и снижение напряжения зануленных открытых проводящих частей, оказавшихся под напряжением, относительно земли.
Для анализа защитных свойств зануления при замыкании фазы на корпус электроустановки будем рассматривать сеть с трехфазными электроустановками без нулевого рабочего проводника, корпуса которых соединены с нулевым защитным проводником PE, например систему TN-S. Полученные результаты анализа будут справедливы и для сетей TN-C-S и TN-C.
Принцип действия зануления ясен из рис.15.5,а. При замыкании фазы на корпус электроустановки ток короткого замыкания Iк проходит по обмотке трансформатора, далее через плавкий предохранитель, место замыкания и попадает в нулевой защитный проводник.
Там он разветвляется на токи Iни Iз, которые через нулевую точку попадают в обмотку трансформатора, при этом образуются два контура. Первый из них (показан штрихом) включает фазный и нулевой проводники (так называемая «петля фаза—нуль»). Протекание тока КЗ по этому контуру приводит к срабатыванию автоматического выключателя или перегоранию плавкой вставки предохранителя и отключению поврежденной электроустановки.
Второй контур (рис. 5,б) образован заземлителем нейтрали r0 и повторным заземлителем rп. Благодаря наличию повторного заземлителя снижается напряжение относительно земли нулевого проводника, а следовательно, и подключенных к нему корпусов.
До момента срабатывания автоматической защиты корпуса электроустановок будут находиться под напряжением. Поскольку человек при меньшей продолжительности воздействия может выдержать больший ток, то ГОСТ 12.1.038—82 (с изменениями от 01.07.88) определены допустимые напряжения прикосновения и токи протекающие через человека в зависимости от времени действия. Допустимый ток Ih допснижается с увеличением времени действия на человека, т. е. при снижении быстродействия автоматической защиты.
Поскольку время срабатывания аппаратов автоматической защиты уменьшается с увеличением тока КЗ то для достижения заданного условиями безопасности допустимого времени действия тока на человека, ток короткого замыкания должен превышать номинальный ток аппарата защиты. Для плавких вставок предохранителей и тепловых расцепителей автоматических выключателей
Iк≥ kп.вIном (15.5)
Под номинальным током понимают ток, который может длительно протекать через предохранитель, не вызывая перегорания плавкой вставки.
Если защита осуществляется автоматическим выключателем с электромагнитным расцепителем, то
Iк≥kавIу, (15.6)
где Iу— уставка тока срабатывания.
Соотношения между током Iки токами Iноми Iуопределяются по амперсекундным характеристикам с учетом наибольшего допустимого времени автоматического отключения (табл. 5).
Таблица 5. Наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения для системы TN
| Номинальное фазное напряжение Uф, В. . . . . . . . . 127 | 220 | 380 | Более 380 |
| Время отключения, с . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,8 | 0,4 | 0,2 | 0,1 |
9.2. Требования к выполнению защитного зануления
Практическое применение зануления базируется на выполнении ряда требований к электрической сети.
При применении системы TN рекомендуется выполнять повторное заземление нулевых защитных проводников на вводе в электроустановки зданий, получающие питание по кабельным линиям, а также в других доступных местах. Для повторного заземления в первую очередь следует использовать естественные заземлители. Если сопротивление растеканию естественных заземлителей не превышает 30 Ом, то выполнение искусственного заземлителя для повторного заземления не требуется. Внутри больших и многоэтажных зданий аналогичную функцию выполняет дополнительное уравнивание потенциалов при помощи присоединения нулевого защитного проводника к сторонним проводящим частям. Такие присоединения следует выполнять как можно более равномерно.
При выполнении автоматического отключения питания в электроустановках до 1 кВ все открытые проводящие части должны быть присоединены к глухозаземленной нейтрали источника питания, если применена система TN. При этом характеристики защитных аппаратов и параметры защитных проводников должны быть согласованы таким образом, чтобы обеспечивалось нормированное время отключения поврежденной цепи защитнокоммутационным аппаратом в соответствии с номинальным фазным напряжением питающей сети. В электроустановках, в которых в качестве защитной меры применено автоматическое отключение питания, должно быть выполнено уравнивание потенциалов.
Для автоматического отключения питания могут быть применены защитно-коммутационные аппараты, реагирующие на сверхток или на дифференциальный ток.
В системе TN время автоматического отключения питания не должно превышать значений, указанных в табл. 5.
Время отключения, приведенное в табл. 5, считается достаточным для обеспечения электробезопасности, в том числе в групповых цепях, питающих передвижные и переносные электроприемники и ручные электроинструменты класса 1.
Для цепей, питающих, распределительные, групповые, этажные и другие подобные им, щиты и щитки, время отключения не должно превышать 5 с.
Допускается время отключения более указанных в табл. 5 значений, но не более 5 с, в цепях, питающих только стационарные электроприемники от щитков или щитов, от которых могут также питаться групповые цепи, требующие соблюдения значений, приведенных в табл. 5, если выполнено одно из следующих условий:
1) полное сопротивление защитного проводника между точкой его присоединения к основной системе уравнивания потенциалов и распределительным щитом, Ом, не превышает значения, определяемого выражением
UпрZп/Uф, (15.7)
где Zп — полное сопротивление петли «фаза—нуль», Ом; Uф— номинальное фазное напряжение цепи, В; Uпр— падение напряжения на участке защитного проводника между точкой его присоединения к главной заземляющей шине и распределительным щитом, значение которого не должны превышать 50 В, В;
2) на распределительном щите выполнено уравнивание потенциалов, охватывающее те же сторонние проводящие части, что и основная система уравнивания потенциалов.
Сечение нулевых защитных проводников sнз по отношению к сечению фазных проводников sф должно быть не ниже значений, приведенных в табл. 6.
Значения сечений приведены в табл. 6 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 сечениям, получаемым по табл. 6.
Таблица 6. Наименьшие сечения защитных проводников
| Сечение фазных проводников, мм2 | Наименьшее сечение защитных проводников, мм2 |
| s ≤ 16 16 < s ≤ 35 s >35 | s 16 s/2 |
В случаях, когда, начиная с какой-либо точки электроустановки, нулевой рабочий и нулевой защитный проводник разделены, запрещается объединять эти проводники за этой точкой по ходу распределения энергии. В месте разделения PEN-проводника на нулевой защитный проводник и нулевой рабочий проводник необходимо предусмотреть отдельные зажимы или шины для нулевого рабочего и нулевого защитного проводников, соединенные между собой. PEN-проводник должен быть подключен к зажиму или шине нулевого защитного РЕ-проводника.
10. Основная и дополнительная система уравнивания потенциалов
При рассмотрении электроустановки здания можно выделить ряд отдельных заземлителей как искусственных, так и естественных. Среди искусственных это прежде всего заземлитель нейтрали трансформатора; в виде искусственного может быть выполнен заземлитель молниеприемника; для обеспечения помехоустойчивости электронной аппаратуры также может быть выполнен отдельный заземлитель.
В качестве естественных заземлителей используют железнобетонный фундамент здания, обсадные трубы, металлические трубы водоснабжения и др. Наличие отдельных заземлителей, связанных с ОПЧ и СПЧ, но не связанных гальванически между собой, может привести к возникновению опасной разности потенциалов между проводящими частями, находящимися в здании. Соединения заземлителей между собой позволяет не только уравнять потенциалы проводящих частей связанных с ними, но и снизить сопротивление повторного заземлителя электроустановки здания.
Для соединения различных заземлителей, а также проводящих частей, расположенных в здании используют главную заземляющую шину (ГЗШ), выполненную из меди (допускается выполнение из стали).
В качестве ГЗШ следует использовать шину РЕ, расположенную во вводном распределительном устройстве. При установке отдельно от распределительного устройства ГЗШ должна иметь сечение не менее сечения РЕили РЕN-проводника питающей линии и располагаться в запирающемся шкафу.
Основная система уравнивания потенциалов в электроустановках до 1 кВ должна соединять между собой следующие проводящие части (рис. 6):
1) нулевой защитный PEили PEN-проводник питающей линии в системе TN (подсоединение 1 на рис.15.6);
Рис. 6. Подсоединение проводящих частей к главной заземляющей шине
2) заземляющий проводник, присоединенный к заземляющему устройству электроустановки, в системах IT и TT;
3) заземляющий проводник 2, присоединенный к заземлителю повторного заземления на вводе в здание (если есть заземлитель);
4) металлические трубы коммуникаций, входящих в здание: горячего и холодного водоснабжения, канализации, отопления, газоснабжения и т.п. (3, 4, 5, 6, 7, 8).
Если трубопровод газоснабжения имеет изолирующую вставку на вводе в здание, то к основной системе уравнивания потенциалов присоединяется только та часть трубопровода, которая находится относительно изолирующей вставки со стороны здания;
5) металлические части каркаса здания 10;
6) металлические части централизованных систем вентиляции 9 и кондиционирования. При наличии децентрализованных систем вентиляции и кондиционирования металлические воздуховоды следует присоединять к шине PE щитов питания вентиляторов и кондиционеров;
7) заземляющее устройство системы молниезащиты 2-й и 3-й категорий 12;
8) заземляющий проводник функционального (рабочего) заземления, если такое имеется и отсутствуют ограничения на присоединение сети рабочего заземления к заземляющему устройству защитного заземления;
9) металлические оболочки телекоммуникационных кабелей 11. Проводящие части, входящие в здание извне, должны быть соединены,
и соединение должно располагаться 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 при помощи проводников системы уравнивания потенциалов.
Согласно ПУЭ, системадополнительногоуравниванияпотенциалов 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 TT, включая защитные проводники штепсельных розеток.
Для уравнивания потенциалов могут быть использованы специально предусмотренные проводники либо открытые и сторонние проводящие части, если они удовлетворяют требованиям п.1.7.122 ПУЭ к защитным проводникам в отношении проводимости и непрерывности электрической цепи. К проводникам системы уравнивания потенциалов предъявляются следующие требования.
Сечение проводников основной системы уравнения потенциалов должно быть не менее половины наибольшего сечения защитного проводника электроустановки, если сечение проводника уравнивания потенциалов при этом не превышает 25 мм2 по меди или равноценное ему из других материалов. Применение проводников большего сечения, как правило, не требуется. Сечение проводников основной системы уравнивания потенциалов в любом случае должно быть не менее: медных — 6 мм2, алюминиевых — 16 мм2, стальных — 50 мм2.
Сечение проводников дополнительной системы уравнивания потенциалов должно быть не менее:
• при соединении двух открытых проводящих частей – сечения меньшего из защитных проводников, подключенных к этим частям;
• при соединении открытой проводящей части и сторонней проводящей части — половины сечения защитного проводника, подключенного к открытой проводящей части.
11. Устройство защитного отключения, реагирующее на дифференциальный ток. Принцип действия УЗО
Защитное отключение это мера защиты от поражения электрическим током при замыкании фазы на корпус, при снижении сопротивления изоляции электроустановок ниже установленного предела, а также в случае прикосновения человека к токоведущим частям электроустановок. Отключение электроустановки должно осуществляться в пределах времени, соответствующего допустимым токам и напряжениям прикосновения. Устройства защитного отключения (УЗО), реализующие вышеперечисленные функции, могут применяться как в сетях с изолированной, так и с глухозаземленной нейтралью.
Наибольшее распространение получили УЗО-Д, основанные на использовании в качестве датчика информации о возникновении опасных ситуаций дифференциального трансформатора тока (ДТТ). В ДТТ первичной обмоткой являются проводники питающей линии, проходящие непосредственно через окно тороидального магнитопровода.
Неравенство токов в проводниках, питающих нагрузку, вызывает небаланс магнитных потоков и, как следствие, возникновение во вторичной обмотке трансформированного дифференциального тока.
Если этот ток превышает значение уставки порогового элемента пускового органа, последний срабатывает и воздействует на исполнительный механизм.
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.
Рис. 7. Электрические схемы устройств защитного отключения: а — двухполюсное УЗО; б — четырёхполюсное УЗО; I — дифференциальный трансформатор тока; II — блок сравнения; III — блок отключения
При нажатии кнопки «Тест» искусственно создается отключающий дифференциальный ток. Срабатывание УЗО означает, что оно в целом исправно. Необходимым условием обеспечения безопасности в сетях с разделёнными нулевыми рабочими и защитными проводниками (системы TN-C-S и TN-S) является устранение гальванических контактов нулевого рабочего проводника с заземленными корпусами электроустановок и нулевым защитным проводником.
В трехфазных сетях используются четырехполюсные УЗО. В них магнитопровод охватывает три фазных и нулевой рабочий проводники. Принцип действия аналогичен рассмотренному выше: УЗО срабатывает при наличии токов утечки, т.е. токов, не протекающих через нагрузку. На рис. 7 показаны электрические схемы УЗО с условными обозначениями основных функциональных блоков. Важнейшим функциональным блоком УЗО является дифференциальный трансформатор тока.
Блок сравнения (пусковой орган), который реагирует на превышение дифференциальным током допустимого значения (уставки) выполняется, как правило, на чувствительных магнитоэлектрических реле или электронных компонентах.
Блок отключения (исполнительный механизм) включает в себя силовую контактную группу с механизмом привода.
Нормируемые параметры УЗО
В настоящее время параметры УЗО нормируются рядом стандартов.
Номинальное напряжение Un — действующее значение напряжения, при котором обеспечивается работоспособность УЗО.
Un =120, 230 и 400 В.
Номинальный ток In — значение тока, которое УЗО может пропускать в продолжительном режиме работы.
Номинальный ток Iп УЗО выбирается из ряда: 10, 13, 16, 20, 25, 32, 40,
63, 80, 100, 125 А. Для УЗО со встроенной защитой от сверхтока дополнительно введены значения 6 и 8 А.
Поскольку УЗО должно быть защищено последовательным защитным устройством (ПЗУ, т.е. предохранителем или автоматическим выключателем), номинальный ток УЗО должен быть скоординирован с номинальным током ПЗУ. Для УЗО со встроенной защитой от сверхтоков ПЗУ не требуется.
Номинальный ток УЗО рекомендуется выбирать равным или на ступень большим номинального тока последовательного защитного устройства.
Номинальная частота fn— промышленная частота (50 и 60 Гц), на которую рассчитано УЗО и которой соответствуют значения других характеристик.
Существуют специальные УЗО, рассчитанные на большую частоту. Эти выключатели используются для защиты от косвенного прикосновения в сетях с номинальной частотой от 50 до 400 Гц. С ростом частоты номинальный дифференциальный ток УЗО начинает увеличиваться и на частоте 400 Гц может в 4—5 раз превышать номинальное значение, указанное для 50 Гц. Номинальный ток выключателей данной серии остается неизменным во всем диапазоне от 50 до 400 Гц. Типичной областью применения этих выключателей являются линии с высокоскоростными приводами и высокочастотные линии для систем телекоммуникации.
Номинальный отключающий дифференциальный ток IΔn— значение дифференциального тока, которое вызывает отключение УЗО при заданных условиях эксплуатации.
Номинальный отключающий дифференциальный ток (уставка) УЗО выбирается из следующего ряда: 6, 10, 30, 100, 300, 500 мА. У ряда производителей имеются УЗО с током IΔn1; 1,5 А и более.
Согласно требованиям ПУЭ (7-е изд., п. 7.1.83) номинальный дифференциальный отключающий ток УЗО (уставка) должен не менее чем в 3 раза превышать суммарный ток утечки защищаемой цепи электроустановки — IΔ
IΔ n≥ 3I Δ.
При отсутствии фактических (измеренных) значений тока утечки в электроустановке ПУЭ (п. 7.1.83) предписывают принимать ток утечки электроприемников из расчета 0,4 мА на 1 А тока нагрузки, а ток утечки цепи из расчета 10 мкА на 1 м фазного проводника.
Нормативными документами задаются значения отключающего дифференциального тока:
• 10 мА — для одиночных потребителей с номинальным током не более 16 А;
• 30 мА — для линий штепсельных розеток, устанавливаемых в помещении, и наружных розеток, переносных электроприемников, розеток строительных площадок в зданиях из металла и т.д;
• 100 мА — для нескольких групп электроприемников, для стационарных электроприемников (электроплиты, водонагреватели и т.п);
• 300, 500 мА — для защиты от пожара.
Номинальный неотключающий дифференциальный ток IΔn0— значение дифференциального тока, которое не вызывает отключение УЗО при заданных условиях эксплуатации.
IΔn0= 0,5 IΔn
Предельное значение неотключающего сверхтока Iпm — минимальное значение неотключающего сверхтока при симметричной нагрузке двухи четырехполюсных УЗО или несимметричной нагрузке четырехполюсных УЗО:
Inm= 6 In
Сверхток — любой ток, который превышает номинальный ток нагрузки. Номинальная включающая и отключающая способность (коммутационная способность) Im— действующее значение ожидаемого тока, который УЗО способно включить, пропускать и отключить при заданных условиях эксплуатации без нарушения его работоспособности.
Минимальное значение Im= 10 Iп или 500 А (выбирается большее значение).
Номинальная включающая и отключающая способность по дифференциальному току IΔm— действующее значение ожидаемого дифференциального тока, которое УЗО способно включить, пропускать и отключить при заданных условиях эксплуатации без нарушения его работоспособности.
Минимальное значение IΔm= 10 Iп или 500 А (выбирается большее значение).
Номинальный условный ток короткого замыкания Iпс— действующее значение ожидаемого тока, которое способно выдержать УЗО, защищаемое устройством защиты от коротких замыканий, при заданных условиях эксплуатации, без необратимых изменений, нарушающих его работоспособность.
Iпс= 3000; 4500; 6000; 10000 А.
Номинальный условный ток КЗ Iпс— характеристика, определяющая надежность и прочность устройства, качество исполнения его механизма и электрических соединений.
Номинальный условный дифференциальный ток короткого замыкания IΔс — действующее значение ожидаемого дифференциального тока, которое способно выдержать УЗО, защищаемое устройством защиты от КЗ при заданных условиях эксплуатации без необратимых изменений, нарушающих его работоспособность.
IΔс= 3000; 4500; 6000; 10 000 А.
Номинальное время отключения Тп— промежуток времени между моментом внезапного возникновения отключающего дифференциального тока и моментом гашения дуги на всех полюсах.
Стандартные значения максимально допустимого времени отключения УЗО типа АС при любом номинальном токе нагрузки и заданных нормами значениях дифференциального тока не должны превышать значений, приведенных в табл. 7.
Максимальное время отключения, установленное в табл. 7, распространяется также на УЗО типа А.
При этом испытания УЗО типа А проводят при значениях токов IΔп, 2IΔп, 5 IΔп и 500 А с коэффициентом 1,4 (при IΔп >0,01 А) и с коэффициентом 2 (при IΔп < 0,01 А).
Таблица 7. Допустимое время отключения УЗО
| Дифференциальный ток .. . . . . IΔп | 2 IΔп | 5 IΔп | 500 A |
| Время отключения Тn, c .. . . . . . . 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 значений, приведенных в табл. 8.
Таблица 8. Допустимое время отключения и неотключения для УЗО типа S
| Дифференциальный ток. . . . . . . . . . . . . . . . . . . IΔп | 2 IΔп | 5 IΔп | 500 А |
| Максимальное время отключения, с . . . . . . . 0,5 | 0,2 | 0,15 | 0,15 |
| Минимальное время неотключения, с . . . . .0,13 | 0,06 | 0,05 | 0,04 |
Классификация УЗО
По техническому исполнению существуют различные виды УЗО. Ниже приведена их примерная классификация.
1. По назначению:
• УЗО без встроенной защиты от сверхтоков (выключатели дифференциального тока, рис. 7,а, б);
• УЗО со встроенной защитой от сверхтоков (дифференциальные автоматические выключатели, рис. 8,а), дополнительно они защищают от токов перегрузки и КЗ и имеют тепловой и электромагнитный расцепитель.
2. По способу управления:
• УЗО, функционально не зависящие от напряжения;
• УЗО, функционально зависящие от напряжения (рис. 8,б).
УЗО, функционально зависящие от напряжения, в свою очередь, подразделяются на устройства:
• автоматически размыкающие силовые контакты при исчезновении напряжения с выдержкой времени или без нее. При восстановлении напряжения одни модели этих устройств автоматически повторно замыкают контакты своей главной цепи, другие остаются в отключенном состоянии;
Рис. 8. Электрические схемы УЗО: а — с защитой от сверхтоков (I — тепловой расцепитель, II — электромагнитный расцепитель); б — с электронным блоком сравнения (III), получающего питание от сети
• неразмыкающие силовые контакты при исчезновении напряжения. Имеются также два варианта исполнения устройств этой группы. В одном варианте при исчезновении напряжения устройство не размыкает свои контакты, но сохраняет способность разомкнуть силовую цепь при возникновении дифференциального тока. Во втором варианте, при отсутствии напряжения, устройства неспособны произвести отключение при возникновении дифференциального тока.
Источником энергии, необходимой для функционирования — выполнения защитных функций, включая операцию отключения, является для УЗО, функционально не зависящего от напряжения питания (электромеханические), сам сигнал — дифференциальный ток, на который оно реагирует.
Механизм УЗО, функционально зависящего от напряжения питания (электронного), для выполнения операции отключения нуждается в энергии, получаемой либо от контролируемой сети, либо от внешнего источника.
Причиной меньшего распространения таких устройств является их неработоспособность при обрыве питающего их нулевого проводника. В этом случае корпус электроприемника, подключенного к сети через УЗО не размыкающего свои контакты при исчезновении напряжения окажется под напряжением. Кроме того, несмотря на меньшую стоимость их применение ограничено из-за меньшей надежности электронных компонентов.
3. По способу установки:
• УЗО, применяемые для стационарной установки при неподвижной электропроводке;
• УЗО, используемые для подвижной установки (переносного типа) и шнурового присоединения. Это, например, УЗО-вилка типа А, включаемая в розетку с заземляющим контактом, имеющая кнопку «Тест» с номинальными токами: рабочим — 16 А, дифференциальным — 30 мА.
4. По числу полюсов и токовых путей наиболее распространены:
• двухполюсные с двумя защищенными полюсами;
• четырехполюсные с четырьмя защищенными полюсами.
Ряд производителей выпускают также трехполосные УЗО с защитой от сверхтоков.
5. По условиям регулирования отключающего дифференциального тока:
• УЗО с одним значением номинального отключающего дифференциального тока;
• УЗО с несколькими фиксированными значениями отключающего дифференциального тока.
6. По условиям функционирования при наличии составляющей постоянного тока:
• УЗО типа АС, реагирующие на синусоидальный переменный дифференциальный ток, медленно нарастающий, либо возникающий скачком;
• УЗО типа А, реагирующие как на синусоидальный переменный дифференциальный ток, так и на пульсирующий постоянный дифференциальный ток, медленно нарастающие, либо возникающие скачком.
• УЗО типа В, реагирующие как на синусоидальный переменный дифференциальный ток, так и на пульсирующий постоянный дифференциальный ток, медленно нарастающие, либо возникающие скачком, а также постоянный ток.
7. По наличию задержки по времени:
• УЗО без выдержки времени — тип общего применения;
• УЗО с выдержкой времени — тип S (селективный).
В разветвленных системах электроснабжения применяют УЗО с различными значениями номинальных дифференциальных токов и времени отключения. В начале сети устанавливают селективное УЗО (типа S) c дифференциальным током 300 или 500 мА. Выпускается также селективные УЗО на токи 1000 и 0 мА. Для исключения ложных срабатываний при кратковременных повышений тока утечки, а также для обеспечения более раннего срабатывания УЗО на последующих уровнях электроснабжения селективные УЗО имеют время отключения 130—500 мс. УЗО с дифференциальным током 30 мА выполняют функцию защиты от поражения электрическим током, а селективные УЗО с током 300 мА обеспечивают противопожарную защиту. В случае повреждения изоляции и протекании дифференциального тока 300 мА и более вначале сработает УЗО нижнего уровня защиты с током 30 мА. Селективное УЗО, имеющее большее время отключения, в этом случае не сработает и электропитание неповрежденных электроприемников сохранится.
8. По способу защиты от внешних воздействий:
• УЗО защищенного исполнения, не требующие для своей эксплуатации защитной оболочки;
• УЗО незащищенного исполнения, для эксплуатации которых необходима защитная оболочка.
9. По способу монтажа:
• УЗО поверхностного монтажа;
• УЗО утопленного монтажа;
• УЗО панельно-щитового монтажа.
10. По характеристике мгновенного расцепления (для УЗО со встроенной защитой от сверхтоков):
• типа В;
• типа С;
• типа D.
12. Защитное электрическое разделение цепей. Принцип действия и используемое оборудование
При защитном электрическом разделении цепей необходимо гальванически отделить одну цепь от другой, т.е. не должно быть проводников, связывающих две цепи. При этом должна быть обеспечена передача энергии от одной цепи к другой. Такая бесконтактная передача энергии может быть обеспечена следующими способами:
1) с помощью трансформатора через электромагнитное поле;
2) с помощью электромеханических систем через механическое соединение, например электродвигателя и генератора;
3) с помощью опто-, фотоэлектронных приборов и др.
В электроустановках наибольшее применение нашёл первый способ с применением разделительных трансформаторов с коэффициентом трансформации равном единице.
При электрическом разделении цепей за вторичной обмоткой разделительного трансформатора получают цепь, изолированную от земли. Если такая цепь короткая, то емкостная составляющая полного сопротивления изоляции стремится к нулю и ток через тело человека будет ограничен высоким сопротивлением изоляции. Это обеспечит защиту человека как при прямых прикосновениях к токоведущим частям, так и при косвенных прикосновениях к проводящим частям электроприёмников при повреждении изоляции.
На рис. 9 показано разделение цепей с помощью разделительного трансформатора класса I, а на рис. 10 — с помощью разделительного трансформатора класса II.
Защитное электрическое разделение цепей применяют в электроустановках с напряжением до 500 В в тех случаях, когда требуется обеспечить:
• безопасность как при прямых так и при косвенных прикосновениях (электропитание переносных и передвижных электроприёмников в помещениях с повышенной и особой опасностью, на строительных площадках, при ремонтных работах и др.);
• непрерывность работы электроприёмников при КЗ на проводящие части, например при электропитании медицинской аппаратуры искусственного дыхания, внешней электростимуляции сердца;
• низкие значения токов утечки при электропитании электронной аппаратуры.
Рис. 9. Схема включения электроинструмента через разделяющий трансформатор класса I:
L1 и N — фазный и нулевой провода; FU1, FU2 — предохранители с плавкими вставками; PT — разделяющий трансформатор; SA — выключатель; PE — нулевой защитный проводник
Для уменьшения тока утечки на корпуса подключенной к изолированной сети аппаратуры должен быть максимально уменьшен ток утечки изолирующего трансформатора. Эта возможность может быть реализована, если разделительный трансформатор питает ограниченное количество электроприёмников и его номинальная мощность(не более нескольких киловольтампер), а следовательно, и габариты невелики. Значительно снижает ток утечки симметрирование вторичной обмотки трансформатора относительно земли.
Рис. 10. Защитное электрическое разделение цепей с помощью разделительного трансформатора класса II
С отсутствием больших токов в изолированной системе питания при замыкании отделеной цепи на корпус в одном из аппаратов связано и другое её преимущество. В отличие от сети с глухозаземленной нейтралью такое замыкание не вызывает отключения аварийного участка, а следовательно, не приводит к перерыву в работе аппаратуры в особенности медицинской.
Если возникшее аварийное состояние будет продолжаться достаточно
долго, возможно возникновение замыкания на корпус в другом электроприемнике. При этом в отделенной цепи возникает двойное замыкание, в результате чего получается недопустимо большое напряжение между корпусами. Поэтому в тех случаях, когда к разделительному трансформатору подключено несколько электроприёмников, их корпуса соединяются между собой проводником, что обеспечивает срабатывание автоматической защиты (рис. 11,б).
Разделительные трансформаторы часто используются для питания однофазных приемников от сети с глухозаземленной нейтралью, в особенности в тех случаях, когда они расположены в помещениях с повышенной опасностью и особо опасных помещениях. Например, электророзетка для маломощных бытовых приборов (электробритва, фен) в ванной комнате, электрифицированный инструмент и т.п.
Рис. 11. Электрическое разделение цепей с одним (а) и с несколькими (б) электроприемниками
Требования к отделенной цепи
Согласно ПУЭ (п. 1.7.85) 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, соответствующего ГОСТ 30030 «Трансформаторы разделительные и безопасные разделительные трансформаторы», или от другого источника, обеспечивающего равноценную степень безопасности.
Токоведущие части цепи, питающейся 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, экрана 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.
Если от разделительного трансформатора питается только один электроприемник, то его открытые проводящие части не должны быть присоединены ни к защитному проводнику, ни к открытым проводящим частям других цепей.
Допускается питание нескольких электроприемников от одного разделительного трансформатора при одновременном выполнении следующих условий:
1) открытые проводящие части отделяемой цепи не должны иметь электрической связи с металлическим корпусом источника питания;
2) открытые проводящие части отделяемой цепи должны быть соединены между собой изолированными незаз емленными проводниками местной системы уравнивания потенциалов, не имеющей соединений с защитными проводниками и открытыми проводящими частями других цепей;
3) все штепсельные розетки должны иметь защитный контакт, присоединенный к местной незаземленной системе уравнивания потенциалов;
4) все гибкие кабели, за исключением питающих оборудование класса II, должны иметь защитный проводник, применяемый в качестве проводника уравнивания потенциалов;
5) время отключения устройством защиты при двухфазном КЗ на открытые проводящие части не должно превышать время, указанное в п. 1.7.81 ПУЭ (табл. 9).
Таблица 9. Наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения для системы IT
| Номинальное линейное напряжение U0, В......... 220 | 380 | 660 | Более 660 |
| Время отключения, с . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,8 | 0,4 | 0,2 | 0,1 |
13. Сверхнизкое (малое) напряжение
Сверхнизким (малым) называют напряжение не более 50 В переменного и 120 В постоянного тока, применяемое в целях уменьшения опасности поражения электрическим током.
Если номинальное напряжение электроустановки не превышает длительно допустимого напряжения прикосновения, то даже одновременный контакт человека с токоведущими частями разных фаз или полюсов будет безопасен.
В производственных переносных электроприемниках в целях повышения безопасности применяются малые напряжения 12, 36 и 42 В. В помещениях с повышенной опасностью для переносных электроприемников рекомендуется номинальное напряжение 36 В.
Источниками малого напряжения могут быть батарея гальванических элементов, аккумулятор, выпрямительная установка, преобразователь частоты и безопасный разделительный трансформатор. Аккумуляторы и гальванические элементы не зависимы от стационарных сетей, но неудобны в эксплуатации.
Выпрямительная установка, применяемая как источник малого напряжения, должна соединяться с питающей сетью через понижающий трансформатор. Включение выпрямителей через автотрансформатор не допускается, так как токоведущие части сети малого постоянного напряжения в этом случае электрически связаны с сетью высшего напряжения.
Преобразователи частоты позволяют при той же мощности уменьшить габариты и массу электродвигателей, питающихся током повышенной частоты (200, 400 Гц и более). При снижении массы ручного электроинструмента улучшаются условия труда, так как уменьшается физическая нагрузка рабочего. Повышение электробезопасности при этом достигается в большей степени за счет малого напряжения, хотя при частотах 400 Гц и выше опасность снижается. В разветвленных сетях опасность повышается также вследствие увеличения емкостного сопротивления фаз относительно земли. Наиболее часто как источники малого напряжения применяются безопасные разделительные трансформаторы. В ряде случаев в целях уменьшения опасности при переходе высшего напряжения на сторону вторичного малого напряжения вторичная обмотка и корпус трансформатора заземляется или зануляется.
Для этого в однофазных трансформаторах заземляют один из выводов: в трехфазных, соединенных в звезду, — нулевую точку, а при соединении в треугольник — одну из фаз. Корпус понижающего трансформатора соединяют с защитным нулевым проводником сети с глухозаземленной нейтралью или подключают к магистрали заземления специальным проводником в сети с изолированной нейтралью.
Следует отметить, что в этом случае ток через человека не будет ограничен сопротивлением изоляции, а будет зависеть только от сопротивления тела человека и применяемых изолирующих электрозащитных средств. Поэтому в таких цепях следует выполнять защитное отключение электропитания.
Использование малых напряжений — эффективная защитная мера, но ее широкому распространению мешает трудность осуществления протяженной сети малого напряжения. Поэтому источник малого напряжения должен быть максимально приближен к потребителю. Вследствие того, что потребители рассредоточены на значительных территориях, надо устанавливать источники питания (трансформаторы) на небольшую группу потребителей или даже на каждый потребитель, что экономически невыгодно. Поэтому область применения малых напряжений 12, 36 и 42 В ограничивается ручным электрифицированным инструментом, ручными переносными лампами и лампами местного освещения в помещениях с повышенной опасностью и особо опасных.
Согласно ПУЭ (1.7.73—1.7.75): сверхнизкое (малое) напряжение (СНН) в электроустановках напряжением до 1 кВ может быть применено для защиты от поражения электрическим током при прямом и/или косвенном прикосновениях в сочетании с защитным электрическим разделением цепей или в сочетании с автоматическим отключением питания.
В качестве источника питания цепей СНН в обоих случаях следует применять безопасный разделительный трансформатор в соответствии с ГОСТ 30030 «Трансформаторы разделительные и безопасные разделительные трансформаторы» или другой источник СНН, обеспечивающий равноценную степень безопасности.
Токоведущие части цепей СНН должны быть электрически отделены от других цепей так, чтобы обеспечивалось электрическое разделение, равноценное разделению между первичной и вторичной обмотками разделительного трансформатора.
Проводники цепей СНН, как правило, должны быть проложены отдельно от проводников более высоких напряжений и защитных проводников, либо отделены от них заземленным металлическим экраном (оболочкой), либо заключены в неметаллическую оболочку дополнительно к основной изоляции.
Вилки и розетки штепсельных соединителей в цепях СНН не должны допускать подключение к розеткам и вилкам других напряжений. Штепсельные розетки должны быть без защитного контакта.
При значениях СНН выше 25 В переменного или 60 В постоянного тока должна быть также выполнена защита от прямого прикосновения при помощи ограждений или оболочек или изоляции, соответствующей испытательному напряжению 500 В переменного тока в течение 1 мин.
При применении СНН в сочетании с электрическим разделением цепей открытые проводящие части не должны быть преднамеренно присоединены к заземлителю, защитным проводникам или открытым проводящим частям других цепей и к сторонним проводящим частям, кроме случая, когда соединение сторонних проводящих частей с электрооборудованием необходимо, а напряжение на этих частях не может превысить значение СНН. СНН в сочетании с электрическим разделением цепей следует применять, когда при помощи СНН необходимо обеспечить защиту от поражения электрическим током при повреждении изоляции не только в цепи СНН, но и при повреждении изоляции в других цепях, например, в цепи, питающей
источник.
При применении СНН в сочетании с автоматическим отключением питания один из выводов источника СНН и его корпус должны быть присоединены к защитному проводнику цепи, питающей источник.
В случаях, когда в электроустановке применено электрооборудование с наибольшим рабочим (функциональным) напряжением, не превышающим 50 В переменного или 120 В постоянного тока, такое напряжение может быть использовано в качестве меры защиты от прямого и косвенного прикосновения, если при этом соблюдены все предыдущие требования ПУЭ.
14. Технические требования к разделительным трансформаторам и безопасным разделительным трансформаторам
Разделительный трансформатор — это трансформатор, первичная обмотка которого электрически не связана с вторичными обмотками в целях исключения опасности, обусловленной возможностью случайного одновременного прикасания к земле и токоведущим частям или нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в случае повреждения изоляции.
Разделительные трансформаторы, применяются в тех случаях, когда правила безопасности требуют электрического разделения цепей для питания оборудования или определенных частей цепи (переносного инструмента, бытовых электроприёмников и др.).
Безопасные разделительные трансформаторы применяются для питания цепей низковольтного оборудования (переносных ламп, переносных инструментов, электрических звонков, игрушек, и т.д.) с безопасным сверхнизким напряжением.
Технические требования ГОСТ 30030-93 распространяются на стационарные и переносные однофазные или многофазные сухие (в том числе воздушные) разделительные и безопасные разделительные трансформаторы, вмонтированные или автономные, с номинальным первичным напряжением, не превышающим 1 кВ переменного тока и 1*√2 кВ пульсирующего
постоянного тока, номинальной частотой не выше 500 Гц и номинальной выходной мощностью, не превышающей:
• для разделительных трансформаторов: 25 кВА для однофазных;
40 кВА для многофазных;
• для безопасных разделительных трансформаторов: 10 кВА для однофазных;
16 кВА для многофазных.
Разделительные трансформаторы подразделяются на:
• щитовые трансформаторы — предназначенные для скрытого монтажа и установки в коробе;
• присоединенные трансформаторы — подразделяются на трансформаторы, встроенные в данное изделие и трансформаторы специального назначения, которые поставляются с электрическими бытовыми приборами или оборудованием специального назначения или входит в состав его комплекта.
Номинальная площадь поперечного сечения соединительных проводов должна быть не меньше приведенной в табл. 10:
Таблица 10. Номинальная площадь поперечного сечения питающих кабелей или соединительных шнуров
| Первичный ток при номинальной выходной мощности, А | Номинальная площадь поперечного сечения, мм2 |
| До 6 включительно | 0,75 |
| Свыше 6 до 10 включительно | 1 |
| Свыше 10 до 16 включительно | 1,5 |
| Свыше 16 до 25 включительно | 2,5 |
| Свыше 25 до 32 включительно | 4 |
| Свыше 32 до 40 включительно | 6 |
| Свыше 40 до 63 включительно | 10 |
Соединительные шнуры или гибкие кабели трансформаторов класса I должны иметь жилу с желто-зеленым покрытием, которая подсоединяется к заземляющему зажиму трансформатора и к заземляющему контакту штепсельной вилки, если таковая имеется.
По степени защиты от поражения электрическим током трансформаторы подразделяются на классы I, II и III.
По отношению к действию тока КЗ трансформаторы класифицируются следующим образом:
• стойкий к КЗ — трансформатор, в котором превышение температуры не выходит из заданных пределов при перегрузке или КЗ и который остается работоспособным после снятия перегрузки;
• условно стойкий к КЗ — трансформатор, стойкость к КЗ которого обеспечивается встроенным защитным устройством, которое размыкает первичную или вторичную цепь или уменьшает в них ток при перегрузке или КЗ. Примерами защитных устройств являются плавкие предохранители, размыкающие устройства от перегрузок, тепловые предохранители, термоограничители, термовыключатели и терморезисторы и автоматически отключающиеся механические устройства;
• безусловно стойкий к КЗ — трансформатор, стойкий к КЗ, в котором при перегрузке или КЗ температура не превышает заданных пределов без защитного устройства и который продолжает функционировать после снятия перегрузки или КЗ;
• безопасный — трансформатор, который в результате ненормальной эксплуатации не функционирует, но не представляет никакой опасности для пользователя и окружения;
• не стойкий к КЗ — трансформатор, который необходимо защищать от превышения температуры при помощи защитного устройства, находящегося вне трансформатора.
В зависимости от возможности перемещения трансформаторы подразделяются на:
• стационарные;
• переносные;
• ручные.
Разделительные трансформаторы могут выполняться со вторичной обмоткой, имеющей несколько ответвлений или с несколькими вторичными обмотками.
В этом случае указывают:
• номинальное вторичное напряжение для каждого ответвления или обмотки;
• номинальную мощность каждого ответвления или обмотки, если они неодинаковы в этих обмотках или ответвлениях.
Доступные металлические части трансформаторов класса I, которые могут оказаться под напряжением в случае повреждения изоляции, должны быть постоянно и надежно подсоединены к зажиму защитного заземления, расположенному внутри трансформатора.
Трансформаторы класса II не должны содержать никаких устройств для заземления.