izolyaciya-2012

= 3 ∙ = 1,73 . (4)

3) нейтраль – нейтральная точка источника питания (генератора, трансформатора). Различают следующие режимы работы нейтрали:

-глухозаземленная (заземленная) нейтраль – это нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная непосредственно к заземляющему устройству;

-изолированная нейтраль – это нейтраль трансформатора или генератора, не присоединенная к заземляющему устройству или присоединенная к нему через большое сопротивление приборов сигнализации, измерения, защиты и других аналогичных им устройств.

Впромышленности получили распространение трех- и однофазные электрические сети, способные работать с различным режимом нейтрали, который выбирается по технологическим требованиям и условиям безопасности. Согласно ПУЭ, при напряжении выше 1000 В могут быть использованы две схемы: трехпроводные сети с изолированной нейтралью и трехпроводные сети с заземленной нейтралью. При напряжении до 1000 В следует отдавать предпочтение сетям с изолированной нейтралью и четерехпроводным сетям с заземленной нейтралью. Применение последних обусловлено тем, что имеется возможность использования двух рабочих напряжений – линейного и фазного.

Сети с изолированной нейтралью целесообразно использовать в тех случаях, когда имеется возможность поддерживать высокий уровень изоляции проводов, а емкость сети относительно земли не высока. К ним относятся малоразветвленные сети, не подверженные воздействию агрессивной среды и находящиеся под постоянным надзором обслуживающего персонала.

Сеть с заземленной нейтралью следует применять там, где невозможно обеспечить хорошую изоляцию проводов (высокая влажность и температура, агрессивная среда), когда затруднителен быстрый поиск и устранение повреждения изоляции, либо когда емкостные токи сети из-за значительной ее разветвленности достигают больших значений, опасных для человека.

Важной особенностью сетей с глухозаземленной нейтралью является возможность организации однофазного электроснабжения. Электрические сети с глухозаземленной нейтралью используются для питания основной массы электроустановок, работающих под напряжением 380/220 В (электродвигатели, осветительные приборы, установки электронагрева, бытовая электроаппаратура).

Образование замкнутой электрической цепи происходит при одновременном касании человеком двух точек, между которыми существует напряжение, с последующим прохождением через тело человека тока, величина которого зависит от схемы включения человека, режима нейтрали, изоляции токоведущих частей, емкостной составляющей и т. д.

11

Наиболее типичны два принципиальных случая замыкания цепи через тело человека: одновременное касание одного провода (однофазное прикосновение) и двух проводов (двухфазное прикосновение).

I) О д н о ф а з н о е ( о д н о п о л ю с н о е ) п р и к о с н о в е н и е к т о к о в е д у щ и м ч а с т я м . Данный тип включения человека в цепь тока происходит наиболее часто. На фактическое значение электрического тока большое влияние оказывает режим нейтрали (изолированная или заземленная), сопротивление изоляции проводов относительно земли, сопротивление пола (или другого основания), на котором стоит человек, сопротивление его обуви и другие факторы (рис. 2).

Рис. 2. Схемы однофазного прикосновения человека к электрической трехфазной сети

с изолированной (а) и заземленной (б) нейтралью. А, В и С – фазные провода; N – нулевой провод; Iчел – ток, проходящий через тело человека, мА; Ul – линейное напряжение, В;

Uφ – фазное напряжение, В; Rиз – сопротивление изоляции одной фазы сети относительно земли, Ом; R0 – сопротивление заземления нейтрали источника тока, Ом.

В сети с изолированной нейтралью в случае прикосновения человека к голому проводу одной из фаз электрический ток проходит через тело человека, землю и далее через сопротивление изоляции в сеть. Сила тока, проходящего через тело человека, определяется в данном случае по формуле:

12

где Rчел – сопротивление тела человека, Ом; Rоб – сопротивление обуви, Ом; Rп – сопротивление пола, Ом.

Сопротивление проводов по отношению к земле (под землей следует

сопротивления изоляции самого проводника и последовательно с ним включенных сопротивлений воздуха, пола и земли. По этой цепочке сопротивлений под действием разности потенциалов между проводом и землей протекает т о к у т е ч к и .

В сети с заземленной нейтралью в случае прикосновения человека к проводу он оказывается под фазным напряжением – ток проходит через тело человека в землю и далее через заземление нейтрали в сеть. В этом случае ток, проходящий через тело человека равен:

где R0 – сопротивление заземления нейтрали источника тока, Ом.

При прочих равных условиях (безаварийная работа сети) прикосновение человека к одной фазе сети с изолированной нейтралью менее опасно, чем к сети с заземленной нейтралью. Но в случае замыкания одной из фаз на землю в сети с изолированной нейтралью напряжение возрастает от фазного до линейного, а в сети с заземленной нейтралью повышение напряжения незначительно. Для улучшения условий безопасности персонала в электропомещениях следует предусматривать изолирующие полы, обувь, перчатки и инструмент с изолирующими ручками.

II) Д в у х ф а з н о е ( д в у х п о л ю с н о е ) п р и к о с н о в е н и е к т о к о в е д у щ и м ч а с т я м . Двухфазное прикосновение более опасно, чем однофазное, поскольку к телу человека прикладывается наибольшее в данной сети напряжение – линейное, которое больше фазного в 1,73 раза, и поэтому через тело человека в трехфазной сети пойдет больший по величине ток (Iчел):

В условиях двухфазного прикосновения в сетях постоянного тока или однофазных сетях переменного тока человек оказывается под рабочим напряжением (Uраб , В):

чел = раб . (8)чел

13

При двухфазном прикосновении электрический ток, проходящий через тело человека, мало зависит от режима нейтрали (изолированная или заземленная) (рис. 3). Опасность прикосновения не уменьшается и в том случае, если человек будет надежно изолирован от земли. Двухфазное включение в сеть с изолированной и с заземленной нейтралью одинаково опасно.

Рис. 3. Схема двухфазного прикосновения человека к электрической сети. а – однофазная сеть (или сеть постоянного тока); б – трехфазная сеть. Uраб – рабочее напряжение, В.

III) А в а р и й н ы й р е ж и м э л е к т р о у с т а н о в к и . Работа неисправной электроустановки, при которой могут возникнуть опасные ситуации, приводящие к электротравмированию людей, взаимодействующих с электроустановкой, называется ее аварийным режимом (рис. 4). В случае аварийной ситуации, при замыкании одной из фаз на землю, сила тока, проходящего через человека, составит (для сети с изолированной нейтралью):

где Rзамык – сопротивление замыкания на землю, Ом.

Если принять, что сопротивление замыкания на землю Rзамык = 0 или Rзамык << Rчел (реальный аварийный случай), то человек окажется под линейным

напряжением, т. е. попадет под двухфазное включение. Однако, как показывает анализ аварийных случаев, имеет место неравенство Rзамык ≠ 0, поэтому человек будет находится под напряжением, меньше линейного, но больше фазного, т. е.

под переходным напряжением (Uперех, В):

14

R0

Рис. 4. Однофазное включение человека в сеть при аварийном режиме (одна из фаз замкнута на землю). а – сеть с изолированной нейтралью; б – сеть с глухозаземленной нейтралью.

Rзамык – сопротивление замыкания на землю, Ом.

При включении человека в аналогичных условиях в сеть с глухозаземленной нейтралью ток, прошедший через тело человека составит:

чел = перех . (11)чел

При нормальном режиме работы более безопасна сеть с изолированной нейтралью, а в аварийном – с заземленной нейтралью.

IV) Н а п р я ж е н и е п р и к о с н о в е н и я – это напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек. Нарушение изоляции электроустановок приводит к замыканию электрического тока на корпус оборудования, что способствует появлению напряжения прикосновения. Опасность такого прикосновения оценивается величиной силы тока, прошедшего через тело человека и зависит от схемы включения человека в электрическую цепь, режима работы нейтрали, степени изоляции токоведущих частей от земли и емкости токоведущих частей относительно земли. Напряжение прикосновения не должно превышать 40 В.

15

Напряжение прикосновение для человека, который стоит на грунте и касается оказавшегося под напряжением заземленного корпуса электроустановки, определяется из формулы:

прик = к − н = з ∙ , (12)

где Uприк – напряжение прикосновения, В; φк – потенциал корпуса электроустановки, которой касается человек; φн – потенциал в точке земли, в которой находятся ноги человека; Uз – напряжение относительно земли, В; α – коэффициент напряжения прикосновения.

Коэффициент напряжения прикосновения (α) зависит от расстояния между точкой основания, на котором стоит человек, и заземлителем, его типа (полусферический, одиночный, групповой) и приводится в справочной литературе. В пределах зоны растекания тока коэффициент α < 1, а за пределами этой зоны α = 0.

Собственно конечная величина α есть произведение коэффициентов α1 и

α2:

где α1 – коэффициент напряжения прикосновения; α2 – коэффициент, учитывающий сопротивление пола и падение напряжения в дополнительных сопротивлениях цепи человека (сопротивление обуви и опорной поверхности ног).

На рис. 5 показаны корпуса электроустановок, присоединенных к заземлителю, и характер изменения напряжения прикосновения. Из анализа кривой напряжения прикосновения можно сделать ряд выводов:

-по мере удаления человека от заземлителя на 20 м и более напряжение прикосновения будет возрастать;

-самым безопасным случаем является непосредственное нахождение человека над заземлителем (электроустановка а), при котором напряжение прикосновения и ток, проходящий через тело человека, становятся равными нулю, т. к. коэффициент α = 0;

-на расстоянии 20 м Uприк становится равным напряжению относительно земли, ввиду того, что человек стоит на земле и потенциал его ног равен нулю, т. е. φн = 0 (электроустановка в);

-применение диэлектрических перчаток, галош и бот будет способствовать увеличению общего сопротивления и уменьшению значения тока, проходящего через тело человека.

16

Пробой фазы на корпус

Uз Uприк

х, м

20 м

Рис. 5. Напряжение прикосновения к заземленным нетоковедущим частям электроустановки, оказавшимися под напряжением.

V) Р а с т е к а н и е т о к а п р и з а м ы к а н и и н а з е м л ю . Растекание тока в грунте (замыкание фазы на землю) является одной из разновидностей аварийного режима и представляет собой случайный электрический контакт между токоведущими частями электроустановки, находящимися под напряжением, и землей. Область грунта, лежащая вблизи заземлителя, где потенциалы не равны нулю, называется полем (зоной)

растекания тока или локальной землей (простирается на расстояние до 20-40

м).

Характер растекания тока в зоне из-за различных особенностей грунта (физико-химический, гранулометрический и элементный состав, влажность) описывается сложной зависимостью. В целях упрощения рассмотрения примем, что ток стекает с провода, упавшего на землю, в однородный изотропный грунт через одиночный заземлитель (специальный металлический электрод) полусферической формы (рис. 6). Также необходимо учесть, что удельное сопротивление грунта во много раз превышает удельное сопротивление материала заземлителя.

Так как площадь поверхности сферы есть S = 4πx2, а ток растекается по полусфере (заземлитель полусферической формы), следовательно, имеем площадь поверхности полусферы S = 2πx2, где х – радиус полусферы. Тогда плотность тока (δ) в точке А на расстоянии х определяется по формуле:

где Iз – ток, стекающий с заземлителя в грунт; S = 2πx2 – площадь поверхности полусферы радиусом х.

U(φ)

Рис. 6. Схема растекания тока в грунте через полусферический заземлитель.

В этом случае, площадь поверхности полусферы радиусом х будет являться эквипотенциальной поверхностью, в которой потенциал во всех точках одинаков.

Падение напряжения в выделенном элементарном слое толщиной dx составит:

= x , (15)

где Е – напряженность электрического поля.

Потенциал в точке А φА (напряжение этой точки относительно земли UА) равен суммарному падению напряжения от точки А до земли, т. е. бесконечно удаленной точки с потенциалом равным нулю:

Из закона Ома (дифференциальная форма) определяется напряженность электрического поля в точке А:

18

где ρ – удельное сопротивление грунта, Ом·м.

Подставив в формулу (16) выражения (14), (15) и (17) получаем

х

Решением интеграла (18) является потенциал в точке А (19) и потенциал электрода (20):

Выражение (20) называется уравнением напряжения электрода относительно земли.

Если ввести константу (21), то формула (19) принимает вид (22):

Последнее выражение является уравнением равносторонней гиперболы. Таким образом, потенциал на поверхности грунта распределяется по закону гиперболы. Согласно этому закону, падение напряжения на расстоянии 1 м от заземлителя составляет 68 %, 10 м – 92 %, а на расстоянии более 20 м потенциалы точек стремятся к нулю. Попав в зону растекания тока, человек может оказаться под разностью потенциалов и напряжением шага.

VI) Н а п р я ж е н и е ш а г а ( ш а г о в о е н а п р я ж е н и е ) – это напряжение между двумя точками цепи тока, находящихся одна от другой на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек. Величина электрического тока, протекающего через тело человека, в случае напряжения шага зависит от тока замыкания на землю, удельного сопротивления грунта, местонахождения человека в зоне растекания тока, сопротивления основания пола и обуви, а также от характера расположения ступней ног.

Шаговое напряжение появляется в результате образования электрических потенциалов на поверхности земли в пределах поля растекания тока замыкания в грунте, возникающего при повреждении линии электропередачи с последующим падением электрического провода на землю, замыкании токоведущих частей на заземленный корпус, нарушении изоляции силового кабеля, приложенного к земле, и использовании земли в качестве проводника.

19

Напряжение шага определяется по формуле:

шага (в электротехнических расчетах принимается равной 0,8 м); β – коэффициент напряжения шага.

Коэффициент напряжения шага (β) зависит от типа, формы и конфигурации заземлителя, расстояния от заземлителя и ширины шага. Значения коэффициента β приводятся в справочной литературе.

Как и в случае коэффициента напряжения прикосновения, конечная величина коэффициента напряжения шага является произведением β1 и β2:

где β1 – коэффициент напряжения шага; β2 – коэффициент, учитывающий сопротивление обуви и опорной поверхности ног.

На рис. 7 приведена типичная кривая изменения напряжения шага в зависимости от расстояния ног человека от заземлителя. Из анализа данной кривой можно сделать следующие выводы:

-напряжение шага максимально у заземлителя (чем ближе к заземлителю и чем шире шаг, тем коэффициент β больше);

-по мере удаления человека от заземлителя на 20 м и более напряжение шага уменьшается;

-вне поля растекания шаговое напряжение равно нулю;

-шаговое напряжение равно нулю, если обе ноги человека находятся на эквипотенциальной поверхности;

-напряжение шага возрастает с увеличением ширины шага.

Как видно из сопоставления данных рис. 5 и 7, характер зависимости напряжения шага от расстояния до заземлителя противоположен той же зависимости напряжения прикосновения, которое наоборот повышается с увеличением расстояния. Соответственно и характер поражения человека будет различный, ввиду того, что электрический ток протекает по разным путям:

через грудную клетку – от Uприк и по нижней петле – от Uшаг.

При попадании под шаговое напряжение возникают непроизвольные судорожные сокращения мышц ног и, как следствие, падение человека на землю. Ток начинает проходить между новыми точками опоры – например, от рук к ногам, что чревато смертельным поражением. Основные правила перемещения в зоне шагового напряжения следующие:

а) запрещается приближаться бегом или обычным шагом к лежащему проводу или человеку на земле, т. к. шаговое напряжение возрастает с увеличением ширины шага;

20