Электробезопасность сетей с изолированной нейтралью Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

No 1,2002г.

Щ УДК 622:621.316 1

ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ СЕТЕЙ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

В. С. Сидельковский

Алматинский институт энергетики и связи

НелгШ техника куралыдары окшауланмбаган бейтарапты торапта; yuiiii электр цау^псидтшц к/\жетт'\ талаптарып цамтымайды. Макрлао^ ШШ IÇорганыстьщ шунттандыру сулбалары жоне анпаратуралары усыналдь: олар пектр.иен жабдьщтау узтстерш к;ыскартады жоне саупауж-: цораанысты жасайды.

В статье покачано, что известные технические средства обеспечен.-: иектробезипасности сетей с изолированной нейтралью не обеспечиваю' . выполнение требований правил безопасности сетей и элгктроустановс-¡Щ Предложены схемы и аппаратура защитного шунтирования '' обеспечивающего щадящую защиту и сокращение перерыве -эл-кт ро с11 а бже) шя.

It is shown in the article the well-known technical facilities that provide the electric security of the networks with the isolated neutral wire do not guarar,-tee meeting the demands of the rules of the security of networks an.: electric installations. Schemes end equipment of the safety shunting whic ■ provides the safely and decrease of the pauses in the electric supply an. proposed.

В настоящее время на многих промышленных сетей с номинал-производствах с тяжелыми и опас- ным напряжением Цюм-380 В (U, = ными условиями эксплуатации 220 В) соответствует активное :■:-(шахты, рудники, нефтяные и газо- противление изоляции относит-:."-вые промыслы и т.п.) используются но земли г = 10,5 кОм на фазу я.-« электрические сети с изолированной сопротивление однофазной уте-э я нейтралью, оснащенные устрой- / =7,5 кОм. При этом реле апп-га-ством защитного отключения (30), та 30 должно срабатывать при ::-настроенные на срабатывание и от- ключающем сопротивлении с ~отключение сети при возникновении фазной утечки =7,5 кОм, ссгро-тока утечки на землю величиной I тивлении изоляции фаз г =Г х и т«~ = 25 мА [1]. Этой величине тока для агировать на снижение изол».^нн

фаз при достижении отключающего сопротивления трехфазной утечки г"' = ] 0.5 кОм на фазу при сопротивлении однофазной утечки

Г — 00 •

Примем эквивалентные отключающим сопротивлениям г' и г"' значения сопротивлений Я'с и Я'" изоляции сети оперативному току аппарата 30 и соответствующие им условия Я'у, ^у срабатывания равные:

ь 3 г' + г

я' = к

I

Г г

3 г' + г

0) (2)

дет: 3 ЯчелЯ'у

Г~ -К

(3)

Анализируя неравенство (3), можно видеть, что при Кче> Я'у сеть защитным реле отключена не будет и не исключена вероятность опасного длительного воздействия тока не человека. Величина этого тока определяется по общеизвестной формуле [1]

з ил

Ж.. + г

Если в этой формуле вместо величины г подставить правую часть выражения (3), то получим уравнение

к, -к

(4)

1...=ил

В частном случае сопротивлением утечки г' может оказаться сопротивление тела человека Лчел, случайно коснувшегося токоведущего элемента сети или электрооборудования. В этом случае аппарат 30 должен отключить сеть. Однако отключение сети может и не произойти, например, при достаточно высоком сопротивлении изоляции г фазы или высоком сопротивлении тела человека Я .

чел

Определим, используя выражение (1), величину сопротивления изоляции, при котором отключение сети защитным устройством при касании человека к фазе не произой-

Исследуем выражение (4) как функцию 1чел = /(Ячел) на экстремум. Первая и вторая производные соответственно равны:

Я'.

Гчел=иФ( 2

Я.

^ (5)

т

чел

Вторая производная функции /„„ = /(/?,,,) при любых заданных значениях параметров иф, Я[, меньше нуля, поэтому функция 1чеч = /{Ячел) имеет максимум. Приравнивая выражение (5) нулю,

находим что при Ячед=2Я'ча1 функция 1чел = /(Ячел) приобретает максимум.

Величина сопротивления изо-

ляции, при котором касание человека, имеющего сопротивление тела

Ячеп-2 Я.' , не приводит к отключению сети и при этом через него проходит максимальный ток, находится из равенства (3) при подстановке в него выражения Ячел =2Я'чел, в результате имеем:

г = 67?'.

у

(6)

Решая уравнения (5) и (6), получим соотношение у

г

У

Я.

3

токов попадает так называемый н;-отпускающий ток величиной . мА, то не исключается электротт-матизм и при действующей аппаг_-туре 30.

Найденная выше величина, тока 1чел = 15,8 мА возрастает в сетях с несимметричной проводимостью изоляции отдельных фаз относительно земли, что можно оценить, используя прилагаемую ниже зависимость:

1

У(ку+2)+уче;

из которого видно, что независимо от величины уставки реле максимальный ток, проходящий через человека, будет иметь место при наиболее неблагоприятном соотношении сопротивления изоляции фазы и человека, равном 3.

Таким образом, для сетей с ин= 380 В и уставке реле 30 Я\,= г' = 7.5кОм значения сопротивлений изоляции и человека, не приводящие к отключению сети, равны: г= 6*7.5=45 кОм на фазу, Ячея= 45/3=15 кОм, при уставке

/£ = 10.5/3 = 3.5 кОм,

г— 6*3.5=21кОм на фазу, Ячеп =21/3=7

кОм.

Ток по формуле (4) 1щл = 7,35 мА при уставке 7,5 кОм и Гкл =15,8 мА при уставке 3,5 кОм (Ю,5кОм на фазу), а поскольку в этот интервал

(?)

где у - проводимость изоляции фазы относительно земли;

Учея - проводимость тела

человека;

и - у у

А у..... ( -коэффициентнесимметрии проводимости изоляции, здесь у'- проводимость утечки.

Устойчивое значение несимметрии в сетях с изолированной нейтралью с ин = 380 В для большинства сетей, например, рудничных, находится в пределах Ку = 1,2 -И ,5".

С учетом несимметрии, например К,. = 1,5 для условий предыдущего примера: 11ф =220 В, у = 1/21мСм, У = 1/7 мСм имеем

чел

25 )1чел = П,5мА)10мА,

т.е. касание человека с сопротивлением Ячел >7 кОм и уровне сопротивления изоляции г>21 кОм на фазу не приводит к защитному от-

ключению и возможно длительное протекание через человека тока не-отпускающей величины 18,5 мА >10 мА, что на 17% выше, чем в симметричных сетях сК,= 1.

Положение с выполнением требований электробезопасности усугубляется также из-за наличия в сетях емкости фаз относительно земли. Предельное значение емкости, предложенное авторами [2,3], с использованием предлагаемой ниже формулы, учитывающей емкостную несимметрию Кв, можно определить следующей величиной:

^+2,27(^+1)

211,

К] +К. +1

(8)

где I 6 - длительный безопасный ток;

Кв - коэффициент несимметрии емкостной проводимости фаз относительно земли.

При иф =220 В; 1д 6 =10 мА; Кв=1,25 [3]; Ь =0,0153 мСм на фазу предельная величина емкости не может быть скомпенсирована серий-ными автокомпенсаторами АЗАК, АЗТС и др. с достаточной точностью, т.к. сопоставима с погрешностями в работе этих устройств, поэтому некомпенсированный емкостной ток при оценке электробсзопас-иости должен быть добавлен к рассчитанному выше неотпускающему току I . Исходной для этой цели мо-

жет служить предлагаемая ниже формула:

1 ¿иф-С-чел

где Оче1 - проводимость тела человека;

g, в - активная и емкостная проводимости изоляции фаз относительно земли;

К г, Кв - коэффициенты активной и емкостной несимметрии проводимости изоляции фаз.

При Очед = 1/7 мСм; % = 1/21 мСм; в = 0,0153 мСм; К =1.5; К =

8 в

1,25 по (9) получим

25> I = 19 >10 мА,

-^(Ку+2)+в-Ке 2 - ~]2

1 2 + [в(Кв + 2)]2

(9)

что на 20% выше, чем в симметричных сетях при отсутствии емкости. Такое состояние сети при бездействующей защите (ЗО) весьма распространено и может сопровождаться летальным исходом (асфиксия) для человека, коснувшегося фазы, т.к. через него проходит ток, превышающий отпускающую величину (10 мА) почти в 2 раза, а ЗО не срабатывает.

В связи с этим возникает настоятельная необходимость совер-

шенствования как методов оценки электробезопасности сетей с изолированной нейтралью, так и аппаратуры защиты от утечек тока на землю в этих сетях.

В результате исследований, проведенных автором на лабораторной модели сети и в натурных условиях в сетях с изолированной нейтралью напряжением 220/380/660 В, был разработан новый метод и аппаратура защиты путем замыкания фазы с коснувшимся человеком на землю (защитное шунтирующее устройство ЗШУ). Устройство (рисунок 1) состоит из пофазных управляемых ключей КШР, замыкающих или размыкающих закоротки фаз сети с землей через ограничивающие шунтирующие сопротивления и определителя поврежденной фазы (ОПФ), воздействующего на ключи КШР.

При отсутствии утечки тока на землю или отсутствии касания человеком фазы ключи КШР разомкнуты. При проявлении утечки, например, с фазы А на землю (влага, ме-таллопроводная пыль или касание человека) ОПФ определяет поврежденную фазу, например, фазу А и дает импульс на замыкание этой фазы с землей через сопротивление Я , т.е. шунтирует утечку или тело человека малым сопротивлением, благодаря чему ток через тело человека будет сведен к минимуму (1-6 мА), и он самостоятельно или реф-лексно освободится от проводника.

Напряжение на резисторе Я фазь: Я возрастает, возникает сигнал в в ил; перепада напряжения на резистор; Яш, который через ОПФ будет пода?: на снятие шунта, т.е. на размыкание ключа КШР фазы А, таким образом, сеть возвратится в нормальное исходное положение, что обеспечивает щадящую защиту человека без перерыва электроснабжения. Если человек при постановке закоротки все же не освободился о фазы, например, из-за потери сознания, механической гравмы и т.п., то по истечении 1,75с. сеть будет отключена путем воздействия реле времени на автомат А питающей подстанции.

Предложенный способ и аппаратура позволяют:

- ограничить ток через человека, соприкоснувшегося с фазой отпускающей величины (6мА), включая долю тока отЭДС отключенных двигателей и емкости сети;

- искшочить срабатывание 30 при кратковременных самоустраняющихся утечках при одновременном ограничении тока 1чел отпускающей величины;

- отключить сеть с выдержкой времени в случае продолжения действия тока на человека, не сумевшего .освободиться по каким-либо причинам;

- выполнить устройство на бе-зинерционных бесконтактных элементах и микросхемах с самоконтролем цепей защиты и автоматики,

например, оптронах и логике ТТЛ.

При лабораторных испытаниях величина резистора, имитирующего сопротивление тела человека, составляла 0,5 - 3,0 кОм, сопротивление изоляции 2-6-10-20-30-60 кОм на фазу. Без защитного шунтирования ток 1чс1 достигал 150-200 мА, при ра-

боте защиты (1 -1 ОмА). Проведенные испытания в производственных условиях позволили установить сокращение в 2-3 раза числа перерывов в электроснабжении за счет защитных отключений от кратковременных самоустраняющихся токов, утечки от влаги и пыли длительностью до 1,75 с.

//УУУ777/У У У7

сигнал на включение КШР сигнал на отключение КШР

сигнал на снятие шунта

сигнал на отключение автомата А

КШР - ключ шунтирования - расшунтирования ОПФ - определитель поврежденной фааы Р?иел - сопротивление тела человека

- шунтирующее сопротивление л/ст- трансформаторная подстанция А - автомат подстанции Э- земля

Рисунок 1 Защитное шунтирующее устройство

ЛИТЕРАТУРА

1. Лейбов Р. М. Озерной М. И. Электрификация подземных горных работ. - М.: Недра, 1972, с 15

2. Изоляция подземных электроустановок шахт и электробезопасность. - Сб. под редакцией проф. Л.

В. Гладина. - М.: Недра, 1966.

3. Sahulkan. Bestimmung des Isolationswinderstandes und der Kapozitat einzelner von Wechselstromanlagen warend des Betriebes. ETZ, 1907, S. 457-1913.