Опасность поражения человека электрическим током при замыкании одной из фаз на землю

Кроме рассмотренного в п. 3.2.2 случая аварийного замыкания одной из фаз на корпус электроустановки в электрической сети с заземлённым нулевым проводом возможна другая разновидность аварийного режима – замыкание одной из фаз на землю. Схема электрической сети и её эквива­лентная схема для данного случая приведены на рис. 12, где R_зм – сопро­тивление замыкания, характеризующее процесс растекания тока в грунте земли в точке максимального потенциала при замыкании фазы на землю.

Сопротивление R_зм обычно больше сопротивления специально вы­полненного заземления нейтрали (R_зм > R₀) и может иметь значение от не­скольких десятков ом и выше. Однако при достаточно хорошем контакте с сильно увлажнённым грунтом величина сопротивления замыкания мо­жет составлять 15 – 20 Ом [5].

Величинами сопротивления фазного и нулевого проводников в дан­ном случае без заметной погрешности можно пренебречь из-за их относи­тельной малости по сравнению с величинами сопротивления заземлителей и замыкания.

 

а б

Рис. 12. Электрическая и эквивалентная схемы сети для случая замыкания фазы на землю

 

С учётом сделанного допущения из эквивалентной схемы на рис. 12,б следует выражение для напряжения прикосновения к корпусу занулённой электроустановки:

(8)

Из эквивалентной схемы на рис. 12,б следует, что величина тока в контуре замыкания ограничена относительно большой величиной сопро­тивления замыкания фазы на землю и, следовательно, в большинстве слу­чаев срабатывания отключающих устройств не произойдёт. Таким обра­зом, напряжение, появляющееся на занулённых корпусах электроаппаратуры при замыкании фазы на землю, может существовать длительное время, создавая опасность поражения электрическим током.

В связи с тем, что при замыкании на землю во многих случаях уста­новка автоматически не отключается (из-за малой величины тока замыка­ния), длительно допустимым до устранения причины аварии принимается значение напряжения прикосновения, непревышающее 20 В (ГОСТ 12.1.038-82*).

Если принять в качестве реально возможного минимальное значение сопротивления замыкания фазы на землю равным 15 Ом [5], а величины сопротивлений заземления нейтрали и повторного заземления НЗП рав­ными нормативным значениям, т.е. R₀ = 4 Ом и R_П = = 10 Ом для U_Ф = 220 В, то расчётная максимальная величина напряжения прикосно­вения (для случая наиболее тяжёлых условий, когда α₁ = 1 – человек на­ходится за пределами зоны растекания) и α₂ = 1 (сумма дополнительных сопротивлений мала по сравнению с сопротивлением тела человека) будет иметь значение: U_{пр max} ≈ 35 В. Если же принять (R_П ≈ R₀) = 4 Ом, что часто и бывает на практике, то при R_зм = 15 Ом получим U_{пр max} ≈ 26 В.

Таким образом, наличие повторного заземления НЗП, удовлетво­ряющего требованиям ПУЭ, в общем случае не обеспечивает безопас­ность прикосновения к занулённым корпусам электроустановок при за­мыкании фазы на землю.

Для обеспечения электробезопасности при замыкании фазы на землю имеются несколько возможностей:

· использовать повторное заземление НЗП;

· уменьшить значения коэффициента α₁ путём выравнивания распределе­ния потенциала земли в зоне обслуживания. Эта мера реа­лизуема обычно лишь при строительстве новых зданий;

· уменьшить значение коэффициента α₂ в результате использования пола с хорошими изолирующими свойствами [см. формулу (8)]. Вели­чины удельного сопротивления полов, выполненных из некоторых ма­териалов, приведены в табл. 9.

 

Т а б л и ц а 9

Удельные сопротивления некоторых разновидностей полов

Материал пола	Состояние пола	Влажность пола, %	Удельное со­противление, × 106 Ом·м
Метлахские плитки	Сухой Влажный Мокрый	60 – 65 65 – 75 75 – 100	80,4 – 95,6 10,1 – 21,6 2,2 – 3,8
Дубовый паркет	Сухой Влажный Мокрый	60 – 65 65 – 75 75 – 100	160,4 – 185,6 45,4 – 68,7 1,7 – 2,9
Берёзовый паркет, крашеные доски	Сухой Влажный Мокрый	60 – 65 65 – 75 75 – 100	51,9 – 75,8 18,0 – 29,9 1,5 – 2,9
Бетон	Сухой Влажный Мокрый	60 – 65 65 – 75 75 – 100	56,1 – 105,2 6,4 – 17,8 1,8 – 2,8
Цемент	Сухой Влажный Мокрый	60 – 65 65 – 75 75 – 100	24,0 – 38,0 0,8 – 1,8 0,08 – 0,15

 

3.3. Расчёт зануления

3.3.1. Расчёт на отключающую способность

Для автоматического отключения электроустановки от сети при за­мыкании фазы на занулённый корпус необходимо, чтобы значение тока однофазного короткого замыкания I_кз удовлетворяло условию

I_кз / I_{пр nom} > k_{I треб}, (9)

где I_{пр nom –} номинальное значение тока плавкого предохранителя или тока срабатывания автоматического выключателя; k_{I треб} – требуемый коэффи­циент кратности тока через предохранитель в аварийном режиме. Значение коэффициента k_I определяется типом используемых авто­матических отключающих устройств (АОУ). Если в качестве отключаю­щих устройств используются плавкие предохранители (плавкие вставки), то с целью обеспечения быстрого отключения необходимо обеспечить k_I ≥ 3 (k_{I треб} = 3); во взрывоопасных помещениях – k_I ≥ 4 (k_{I треб} = 4). Если в качестве отключающего устройства используются электро­магнитные АОУ с малыми задержками времени, то для коммутируемых токов до 100 А принимают k_{I треб} = 1,4. Если же в качестве АОУ исполь­зуются автоматические выключатели, имеющие зависимую от величины тока временную задержку то принимают k_{I треб} = 3, а во взрывоопасных помещениях k_{I треб} = 6.

Значение I_кз зависит от величины фазного напряжения и общего со­противления контура короткого замыкания. Для расчёта величины I_кз можно использовать эквивалентную схему электрической сети на рис. 11 и ранее полученное решение описывающей её системы уравнений. При этом заме­тим, что сопротивления зазем­ляющих устройств на величину тока короткого замыкания практически не оказывают влияния и, следовательно, эквивалентная схема для расчёта тока короткого замыка­ния может быть существенно упрощена.

С учётом модуля выходного сопротивления фазы трансформатора электрической подстанции Z_Т/3 и выше обоснованных упрощений эквива­лентная схема для расчёта тока короткого замыкания принимает вид, по­казанный на рис. 13.

 

Рис. 13. Упрощённая эквивалентная схема для расчёта тока

ко­роткого замыкания на корпус электроустановки

 

Непосредственно из эквивалентной схемы следует, что

I_кз = U_ф (Z_T/ 3 + Z_ФN)^-1, (10)

где Z_ФN = Z_ФС + Z_ФР + Z_{NС +} Z_{NР +} R_доп – комплексное сопротивление петли фаза – нуль. Для расчёта модуля тока короткого замыкания согласно [5] рекомендуется пользоваться приближённым вариантом формулы (12), обеспечивающим несколько более жёсткие требования безопасности. Для этого в формуле (11) следует считать:

,

где R_Ф = R_ФС + R_ФР и L_Ф = L_ФС + L_ФР – полные значения активного и ин­дуктивного сопротивлений фазного проводника данного участка электри­ческой сети; R_N = R_NС + R_NР и L_N = L_NС + L_NР – полные значения актив­ного и индуктивного сопротивлений нулевого проводника данного участка электрической сети.

Величина Z_Т зависит от параметров трансформатора распредели­тельной электрической подстанции: его мощности, конструктивного ис­полнения и схемы соединения его обмоток. Для расчётов можно исполь­зовать значения Z_Т из табл. 10 по данным, приведённым в [5].

 

Т а б л и ц а 10

Ориентировочные значения полных выходных сопротивлений масляных распределительных трансформаторов

Мощность транс­форма­тора, кВт	Номинал высокого напряжения, кВ	ZТ, Ом – при схеме соединения обмоток транс­форматора
звезда/звезда	треугольник/звезда
	6 – 10	3,110	0,906
	6 – 10	1,949	0,562
	6 – 10 20 ­– 35	0,799 0,764	0,226 0,327
	6 – 10 20 ­– 35	0,312 0,305	0,090 0,130
	6 – 10 20 ­– 35	0,195 0,101	0,056 –

 

Значения активных составляющих полных сопротивлений фазного и нулевого проводов определяются по известной формуле:

 

R =ρ_пр l_пр (s_пр)^-1, (11)

где ρ_пр – удельное сопротивление материала проводника (ρ_пр = 0,018 – для меди, ρ_пр = 0,028 – для алюминия), Ом·мм/м²; l_пр – длина проводника, м; s_пр – сечение проводника, мм².

Требуемое сечение жил используемых силовых кабелей определя­ется их долговременной токовой нагрузкой. В табл. 11 приведены допус­тимые длительные токовые нагрузки для выпускаемых промышленно­стью кабелей для некоторых стандартных сечений жил [2].

 

Т а б л и ц а 11

Допустимые значения длительно протекающего тока для кабелей с алюми­ниевыми жилами и стандартными сечениями жил, А

Sж, мм2
3 жилы
4 жилы

 

Длина подводящей магистрали силового кабеля от подстанции до точки ввода в здание обычно не превышает 250 м, поэтому для ориенти­ровочного выбора ее можно принять равной 150 – 200 м.

Длина вертикального ствола внутри здания определяется номером и высотой этажа. Для производственных зданий высоту этажа можно при­нять равной 4 – 5 м. Длина кабелей этажной разводки, в зависимости от расположения помещения относительно вертикального ствола, может из­меняться в пределах от нескольких метров до нескольких десятков мет­ров. Для расчётов ориентировочно можно принять длину кабеля этажной разводки равной 40 – 60 м.

Следует иметь в виду, что сечение жил кабелей поэтажной разводки выбирается меньше сечения жил кабеля (или шин) вертикального ствола в соответствии с их меньшей токовой нагрузкой. Ориентировочно можно принять этажную токовую нагрузку, в число этажей здания раз меньшей величины общего длительно потребляемого зданием тока.

Сечения жил кабеля вертикального ствола и подводящего магист­рального кабеля можно считать одинаковыми. Следует также иметь в виду, что согласно ПУЭ [2] допускается использование кабелей, четвёртая жила которых, используемая в качестве нулевого провода, имеет сечение не менее половины сечения основных жил.

Неодинаковость сечений жил кабелей на различных участках сис­темы энергоснабжения зданий следует учитывать при расчёте активного сопротивления и индуктивности петли фаза – нейтраль. Указанные пара­метры целесообразно рассчитывать отдельно для каждого участка и затем просуммировать. В таком случае величины активных и индуктивных со­ставляющих петли фаза – нейтраль будут определяться суммами:

R_ф-н = (R_Ф + R_N) _мск + (R_Ф + R_N) _квс + (R_Ф + R_N) _квр + Z_Т /3 + R_доп; (12)

L _ф-н = (L_Ф + L_N) _мск + (L_Ф + L_N) _квс + (L_Ф + L_N) _кэр, (13)

 

где R_Ф = R_ФC + R_ФР ; R_N = R_NC + R_NР ; L _Ф = L _ФC + L _ФР ; L _N = L _NC + L _NР

– слагаемые активных и индуктивных соответствующих участков петли фаза – нейтраль, в формулах (12) и (13) помеченных индексами: «мск» – для участка магистрали силового кабеля, «квс»» – для участка кабелей вертикального ствола и «кэр»» – для участка кабелей этажной разводки.

Для определения индуктивности эквивалентных петель различных участков электрической сети при однофазном замыкании совокупность фазного и нулевого проводников в первом приближении можно рассмат­ривать как эквивалентную двухпроводной линии и, следовательно, ис­пользовать известную формулу для двухпроводной линии с проводами круглого сечения одинакового диаметра:

, (14)

где L – рассчитываемая индуктивность двухпроводнной линии, Гн; l_к – длина кабеля на данном участке электрической сети, м; μ – относительная магнитная проницаемость среды (для воздушной среды μ = 1); d_ж – диа­метр жилы кабеля на данном участке электрической сети, м; D – расстоя­ние между проводниками двухпроводной линии (расстояние между осе­выми линиями жил кабеля), м. Формула (14) определяет полную индуктивность петли фаза-нейтраль как двухпроводной линии, поэтому при расчёте индуктивных составляющих формулы (13) для отдельных участков петли фаза-нейтраль необходимо брать лишь половинные значе­ния от полученных по формуле (14).