Основным мероприятием по повышению электробезопасности в электроустановках напряжением до и выше 1000 В является защитное заземление.
Рис. 8-3. Заземление корпуса электроприемника в сети с изолированной нейтралью.
Заземлением какой-нибудь части электроустановки называется преднамеренное электрическое соединение ее с заземляющим устройством. Основными элементами заземляющего устройства являются заземлители (металлические проводники), имеющие непосредственный контакт с землей, и заземляющие проводники, соединяющие заземляемые элементы с заземлителями.
Согласно действующим Правилам, защитному заземлению подлежат: все электроустановки, находящиеся в производственных помещениях при напряжении 127 В и выше, а в некоторых случаях (взрывоопасные помещения, наружные установки) и при более низких напряжениях. В сухих помещениях с сухими нетокопроводящими полами, где отсутствует возможность одновременного прикосновения человека к электрооборудованию и к другим заземленным предметам, заземление электроустановок не требуется при номинальном напряжении 380 В и ниже.
Основная задача защитного заземления — снизить относительно земли до безопасной величины напряжение, возникающее на нетоковедущих металлических частях электроустановок в случае пробоя изоляции. Величина такого напряжения, согласно Правилам, не должна превышать 40 В.
В трехфазных установках напряжением до 1000 В защитное заземление имеет свои особенности, обусловленные режимом нейтрали.
В установках с изолированной нейтралью (рис. 8-3) при пробое изоляции на корпус электродвигателя Д последний относительно земли окажется под некоторым напряжением, величина которого равна падению напряжения на сопротивлении заземления при протекании через него тока. Ток однофазного замыкания на землю определяется напряжением и полным сопротивлением изоляции. При нормальном состоянии изоляции ток имеет небольшую величину. Поэтому при малом сопротивлении напряжение корпуса электродвигателя по отношению к земле в случае пробоя изоляции будет мало и прикосновение к нему человека малоопасно.
Но допускать длительное существование такой «земли» нельзя, так как при всяком однофазном замыкании в сети с изолированной нейтралью напряжения исправных фаз по отношению к земле возрастают до линейных. Это способствует возникновению второго замыкания на землю в другой фазе. Образовавшееся двойное замыкание на землю создает более серьезную опасность для человека по сравнению с однофазным замыканием. Поясним это на примере.
Пример 8-1. В сети 500 В, питающейся от одного трансформатора, произошли два замыкания на корпус в удаленных одна от другой установках (рис. 8-4). Сопротивления заземлений установок: r31= 1,50 Ом; r32=40 Ом. Вставки предохранителей на аварийных линиях имеют номинальный ток 100 А.
Рис. 8-4. Двойное замыкание на землю в сети с изолированной нейтралью.
Решение. В цепи замыкания действует линейное напряжение. Ток замыкания равен
т. е. вставки предохранителей в обеих установках не расплавятся.
Напряжения по отношению к земле на заземленных частях установок будут соответственно равны:
Полученные напряжения очень опасны.
Учитывая большую опасность, которую представляют однофазные замыкания в сетях с изолированной нейтралью, Правила требуют при эксплуатации таких сетей создания надежных устройств непрерывного контроля изоляции, а в ряде установок (например, торфяные, горные электроустановки) также автоматического мгновенного отключения участка сети с поврежденной изоляцией.
Для непрерывного контроля состояний изоляции в сетях до 1000 В можно использовать схемы, приведенные на рис. 8-5. В качестве индикаторов И можно применять высокоомные вольтметры, а лучше — электронные или газоразрядные лампы (неоновые, аргоновые и др.).
Рис. 8-5. Схемы включения приборов контроля изоляции: а — схема включения ламп или вольтметров; б — схема включения асимметра
Нельзя применять обычные лампы накаливания. Лампы и вольтметры, применяемые для контроля изоляции, должны обладать достаточно, большим сопротивлением, чтобы при подключении их между проводами и землей самим не быть причиной ухудшения изоляции сети, а следовательно, и причиной опасной эксплуатации электроустановки.
В нормальных условиях, когда изоляция сети исправна, токи, протекающие через индикаторы И (рис. 8-5, а) или через конденсаторы К асимметра (рис. 8-5,б), равны друг другу, а их сумма в нулевой точке равна нулю. Поэтому индикаторы И будут давать одинаковые показания (лампы светятся одинаково ярко или вольтметры показывают одинаковые напряжения, равные фазному), а в схеме (рис. 8-5, б) ток в обмотке реле Р будет равен нулю. При пробое изоляции на землю соединенная с поврежденной фазой лампа гаснет (вольтметр показывает нуль), а в схеме (рис. 8-5,б) по обмотке реле Р потечет ток, реле сработает и своим размыкающим контактор подаст сигнал дежурному или команду на отключение поврежденного участка. Если замыкания на землю нет, но сопротивление изоляции одной из фаз резко уменьшилось и ей угрожает пробой, вольтметры в схеме (рис. 8-5, а) будут давать различные показания.
Схема, приведенная на рис. 8-5,б относится к типу асимметров. Подобные асимметры типа РА-74/2 предназначены для защитного отключения в электроустановках торфяных разработок напряжением 500 В. Асимметр РА-74/2 — простое и надежное устройство для защиты сетей от однофазных замыканий на землю.
Использование его в качестве прибора контроля изоляции нецелесообразно, поскольку его работу зависит от емкости сети относительно земли. Недостатком асимметра является относительно малая величина сопротивления обмотки реле, что приводит к значительному снижению сопротивления сети относительно земли. Это нежелательно с точки зрения безопасной эксплуатации.
Рис. 8-6. Заземление (зануление) корпуса электроприемника в сети с глухозаземленной нейтралью.
Контроль изоляции при помощи ламп и вольтметров, подключенных непосредственно к фазам сети и земле, несмотря на его многие недостатки, в настоящее время применяется еще довольно часто. В последние годы появились более совершенные приборы контроля и защитного отключения, в основу работы которых положены вентильные схемы (см. рис. 8-8 и 8-9).
В системе с глухозаземленной нейтралью (рис. 8-6) все металлические нетоковедущие части электроустановок связываются электрически с заземленной нейтралью трансформатора (генератора) через нулевой провод сети или специальный заземляющий проводник. Поэтому здесь при пробое изоляции па корпус электроприемника возникает ток короткого замыкания, что приводит к срабатыванию защитного аппарата и отключению поврежденного участка. Такая система называется занулением.
В сети с глухозаземленной нейтралью простое заземление корпуса электроприемника без соединения с нейтралью Правилами запрещается. Такое защитное заземление не обеспечивает необходимую надежность защиты, так как при пробое изоляции на корпус электроприемника величина тока замыкания (рис. 8-7), протекающего через два заземлителя — электроприемника и нейтрали, ограничивается сопротивлениями заземлителей и может оказаться недостаточной для срабатывания защиты. Поэтому между корпусом поврежденного электроприемника и землей возникнет и может длительно существовать опасное напряжение.
Если одновременно соединить корпус электроприемника с нейтралью и заземлить его, то это не нарушит действие защиты и не ухудшит безопасности. Наоборот, условия безопасности в такой схеме даже улучшатся, так как в случае замыкания на корпус дополнительное заземление уменьшит напряжение по отношению к земле на аварийном корпусе. Такое дополнительное заземление называется повторным заземлением нулевого провода. Правила предписывают устраивать повторные заземления нулевого провода на воздушных линиях через каждые 250 м, а также на концах линий и ответвлений длиной более 200 м.
Рис. 8-7. Случай неправильного заземления электроприемника в сети с глухозаземленной нейтралью.
Рассмотренные защитные мероприятия — заземление и зануление во многих случаях не защищают человека от поражения при прикосновении к частям, находящимся под напряжением. В сетях с изолированной нейтралью однофазные замыкания не отключаются при системе заземления, а в сетях с глухозаземленной нейтралью хотя и отключаются, но время их отключения может быть велико и доходить до десятков секунд (если ток замыкания мал или завышены токи плавких вставок предохранителей).
Более совершенной мерой защиты, получающей все большее признание и распространение в сетях напряжением до 1000 В, является защитное отключение. Защитным отключением называется система защиты, которая обеспечивает безопасность путем быстродействующего отключения аварийного участка или сети в целом при возникновении замыкания на корпус или непосредственно на землю с временем действия 0,1—0,2 сек и ниже. Наиболее совершенными системами защитного отключения считаются такие, при которых происходит быстродействующее отключение также при прикосновении человека к частям, находящимся под напряжением.
Рассмотрим в качестве примера две схемы защитного отключения для сетей напряжением до 1000 В с изолированной и глухозаземленной нейтралями.
На рис. 8-8 приведена схема аппарата защитного отключения и контроля изоляции для сетей с изолированной нейтралью (типа РКЗ-Н51) напряжением 380, 220 или 127 В. Принцип действия схемы аналогичен работе асимметра (см. рис. 8-6), используемого в сетях торфопредприятий с изолированной нейтралью напряжением 500 В.
Рис. 8-8. Схема аппарата защитного отключения и контроля изоляции для сетей с изолированной нейтралью.
Электромагнитное реле Р включено в нулевую цепь выпрямительного моста из диодов Д1—Д3. Сопротивления r1, r2 и r3 служат для ограничения тока в случае пробоя одного из диодов или междуфазного короткого замыкания, а также для снижения обратного напряжения, приложенного к диодам. Переменное сопротивление r5 предназначено для регулирования чувствительности по сопротивлению изоляции.
В нормальных условиях через нулевую цепь протекает небольшой ток небаланса постоянного направления, недостаточный для срабатывания реле Р. При снижении сопротивления изоляции в одной, двух или во всех трех фазах сети через обмотку реле будет протекать дополнительный выпрямленный ток, величина которого зависит от сопротивлений изоляции фаз и величины сопротивления r5. При определенной величине тока реле Р сработает и замкнет цепь отключения 1Р. Реле сработает и при прикосновении человека к частям, находящимся под напряжением, так как при этом происходит снижение изоляций фазы, к которой прикоснулся человек.
Вторые контакты 2Р реле Р шунтируют сопротивление r5, что позволяет избежать подгорания контактов реле при неустойчивых замыканиях на землю. Для предотвращения возможности вибрации якоря реле Р параллельно его обмотке включен шунтирующий диод Д4. Проверка действия защиты производится кнопкой Д. При срабатывании реле отключается вся сеть, питающаяся от трансформатора.
Реле может также служить для контроля изоляции сети.
На рис. 8-9 приведена схема защитного отключения в трехфазной сети с глухозаземленной нейтралью. Схема содержит выключатель В с отключающим реле Р, обмотка которого получает питание от специального трансформатора тока. При однофазных замыканиях в цепи после трансформатора тока нарушается равенство токов трех фаз, вследствие чего суммарный магнитный поток в сердечнике трансформатора тока будет иметь определенное значение, что приведет к появлению тока небаланса в обмотке реле и даст импульс на отключение поврежденного участка. Аналогичные явления будут и при прикосновении человека к частям, находящимся под напряжением, так как при этом также нарушается равенство токов трех фаз, что вызовет протекание через обмотку реле тока небаланса и срабатывание реле.
Рис. 8-9. Схема защитного отключения для сети с заземленной нейтралью.
Применение систем защитного отключения особенно целесообразно в тех случаях, когда защитное заземление или зануление технически трудновыполнимы или не дают должного эффекта (например, передвижные или удаленные от системы заземления или зануления электроприемники).
Вопросы для самопроверки
- Укажите, на какие группы подразделяются помещения по степени опасности поражения электрическим током? Какие из этих групп имеются на торфопредприятиях?
- Разберите особенности поражения электрическим током в трехфазных системах напряжением до 1000 В с изолированной и глухозаземленной Нейтралями.
- Чем объяснить применение на торфопредприятиях трехфазных систем напряжением до 1000 В с изолированной и глухозаземленной нейтралями?
- Почему Правила запрещают заземлять нулевую точку трехфазного генератора на передвижных электростанциях?
- Каковы особенности защитного заземления в трехфазных сетях напряжением до 1000 В с изолированной и глухозаземленной нейтралями? Почему в сетях с глухозаземленной нейтралью корпус электродвигателя должен быть соединен с нулевым проводом?
- Поясните опасность двойного замыкания на землю в торфяных электроустановках.
- Поясните назначение защитного отключения в торфяных электроустановках. Рассмотрите роль асимметра на конкретном примере из практики работы электрифицированной торфяной машины.
- Укажите назначение прибора КИ (контроль изоляции) в торфяных электроустановках.
