Об уставках устройств защитного отключения в трехфазных сетях с изолированной нейтралью Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

СЕМИНАР 21

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© Ю.Е. Бабичев, 2001

УДК 621.3

Ю.Е. Бабичев

ОБ УСТАВКАХ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ В ТРЕХФАЗНЫХ СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

К

ак известно, устройства защитного отключения (УЗО) предназначены главным образом, для защиты людей от поражений электрическим током, которые могут привести к смертельному исходу, и, кроме того, для снижения вероятности опасности взрыва от утечек тока [1, 2, 3, 4].

В настоящей работе рассматриваются УЗО в трехфазных сетях с изолированной нейтралью, реагирующие на ток утечки в соответствии с классификацией по ГОСТ 12.4.155-85 или аппараты общесетевой защиты от токов утечки в соответствии с ГОСТ 22929-78 (СТ СЭВ 230980).

К таким аппаратам в России [2] предъявляются требования непрерывного контроля активного сопротивления изоляции и утечек всей находящейся под рабочим напряжением сети, а также обеспечение возможности её отключения коммутационным аппаратом при снижении указанных сопротивлений ниже нормированных значений. При этом сопротивления срабатывания защиты 'сраб при симметричной трехфазной утечке должно соответствовать значениям, приведенным в стандарте [2]. Например, для сетей с напряжением 220/380 В оно должно быть не менее 10 кОм на фазу, а для сетей 660 В - не менее 30 кОм на фазу. Эти сопротивления получены из условия ограничения наибольшего тока утечки допустимым значением, оговоренным в стандарте [2] - 25 мА. При симметричной утечке в любой из трех фаз при активном сопротивлении изоляции относительно земли, равным

R,

сраб,

и.

ф

ток

220

3

утечки

равен

= 22 -10 , А, то есть не пре-

Rсраб 10 -10

вышает допустимого. Однако в реальных условиях эксплуатации активные сопротивления изоляции фаз

относительно земли не симметричны [5]. При этом возможны случаи, когда общее сопротивление изоляции всех фаз не меньше сопротивления срабатывания и УЗО при этом не срабатывает, однако ток утечки превышает допустимый. Объясняется это тем, что все УЗО и аппараты защиты от токов утечки (реле утечки) не измеряют собственно токи, но реагируют на суммарное активное сопротивление изоляции всех фаз относительно земли [3]. Суммарное сопротивление определяется параллельным соединением активных сопротивлений изоляции отдельных фаз или, что одно и то же, суммарная активная проводимость равна сумме активных проводимостей изоляции отдельных фаз. Например, возможен случай, когда активная изоляция двух фаз «идеальная»: —------> 0, —----> 0, утечка происходит в фазе

'в 'с

«А», а суммарное сопротивление изоляции равно Rсраб. Тогда активное сопротивление утечки в фазе

«А» определяется по формуле:

1 3 1 1 3

. При этом ток утечки

R а Rс

'А Rсраб 'в 'с Rсраб может в три раза превышать допустимый! Поэтому для ограничения токов утечки в реальных сетях необходимо увеличить уставки существующих УЗО. Становится актуальной задачей определить зависимости токов утечки отдельных фаз от активных сопротивлений изоляции сети. Ее решение позволит обосновать уставки для срабатывания УЗО.

Теоретические предпосылки. Сеть с изолированной нейтралью представляется эквивалентной схемой замещения с сосредоточенными параметрами [4, 5], которая приведена на рис. 1.

Каждая фаза сети соединена с землей комплексной проводимостью изоляции (У_= g + ] ОС). В дальнейшем будем считать реактивные проводимости изоляции фаз одинаковыми (СА =СВ = СС) и сопротивления линейных проводников сети пренебрежимо малыми.

На схеме обозначено:

Ца, Ц и ЦС— комплексные напряжения фаз относительно земли; Ц- комплексное напряжение земли относительно нейтрали питающей сети; ЦФА, ЦФВ, и ЦФС— комплексные фазные напряжения сети; 1уА, 1уВ и 1ус~ комплексные токи утечек; 1СА, 1СВ и 1СС- комплексные емкостные токи отдельных фаз сети на землю; gA, gB и gC— активные проводимости изоляции отдельных фаз относительно земли.

'с

Моделирование возникновения утечки показано для фазы В. В результате внезапного нарушения изоляции, активная проводимость этой фазы скачкообразно увеличивается от значения gB = gB" до значения gB = 8в + gB". При этом изменяются и распределенные токи утечки других фаз, суммарные значения которых 1уА и/уС обозначены на рис. 1. Ток утечки поврежденной фазы В 1уВ в худшем случае определяется значением gB” = 0. Очевидно, что в этом случае он будет наибольшим при прочих равных условиях. Если повреждения изоляции происходят в других фазах, то принимаем ту же самую модель, что и рассмотренная в фазе

врежденных) определяются соотношениями:

1ул

■8л

-В -

1с

1ус - 8с ■!

Здесь 2

I—ж п-р 3 -_

1ф _ ф

1 . л/з

------+ |-----фазовый множитель;

2

2

2

иы - иф •

8л + 8в ■ П + 8с • П

(2)

8 л + 8В + 8с +1 •

Из (1) и (2) следует, что для определения токов утечки отдельных фаз нужно знать:

• активные проводимости изоляции фаз;

• суммарную реактивную проводимость изоляции;

• фазное (или линейное) напряжение сети. Предполагая все эти величины известными, будем

считать, что суммарная активная проводимость после повреждения изоляции точно равна предельно допустимой по ГОСТ 22929-78, то есть

8Е - 8л + 8В + 8с - 3 •

1

удоп

Поскольку активные

ф

проводимости изоляции отдельных фаз на практике всегда не равны друг другу [5], то (для упрощения анализа) можно принять, что они связаны между собой линейной зависимостью, например, такой:

этом, зная допустимый ток утечки, можно найти соответствующее значение проводимости 8л из (3):

1

8л --

Удоп

иф

(4)

С учетом (3) из (2) получим:

иы - иф

1 + (1 _ k) • п 2 + (1 + k) • п

8л

Цф_

л/3

1 +1 •

I•иф•k

процесса и непо- дем:

1УЛ

1 1Удоп

■ы) *1) 1УВ

-ы ^ 1Удоп

1УС 1Удоп

-1 _

V3 •(1 +} • {88)

Подставив (5) в (1), с учетом (4) най] •k

- п2 .(1 _к )_-1 •к (1_к)

- п • (1 + к ) _

(6)

Эти соотношения положены в основу расчетов.

Расчетная часть. Для расчетов по (6) необходимо задавать емкость фаз относительно земли или, что одно и то же, /88 . Как показано в работе [5], для шахтных сетей параметры изоляции соответствуют значениям ¡88 в диапазоне от 0.3 до 3.0. Поэтому токи утечки отдельных фаз можно определять в зависимости от коэффициента к (характеризующего степень несимметрии параметров изоляции) при различных /%8 . Полученные результаты расчетов приведены в виде графиков модулей токов в функции к на рис. 2. Здесь по оси ординат отложены кратности токов утечки в отдельных фазах по отношению к предельно допустимому току утечки.

3

Ф

2

п

8Е - 8Л + 8В + 8С - 8Л + (1 _ к) • 8Л + (1 + к) • 8Л -

3• 8Л - 3• 1уд0П (3)'

иф

При к = 0 изоляция симметрична. Варьируя коэффициент к в пределах от -1 (изоляция фазы "В" идеальна) до +1(изоляция фазы "С" идеальна), можно рассчитать токи утечки для любой фазы по (1). При

Легко видеть, что токи в фазах В и С могут превышать допустимый ток в 1,5 и более раз. Причем емкость фаз относительно земли существенно влия-

ет на эти значения. Так с увеличением емкостной проводимости ¿2 (или ¡88 ) токи утечки растут, особенно сильно в фазе В.

Выводы. Неравенство активных проводимостей изоляции отдельных фаз может приводить к возникновению токов утечки, которые превышают предельно допустимый по условиям безопасности ток в 1,5 и более раз, несмотря на то, что активное суммарное сопротивление изоляции сети больше сопротивления срабатывания существующих УЗО.

Отсюда следует, что для ограничения токов утечки отдельных фаз величиной 25 мА необходимо, по крайней мере, в 1.5 раза увеличить сопротивление срабатывания УЗО (реле утечки) по сравнению с приведенным в ГОСТ 2292978.

1. Система стандартов безопасности труда. ГОСТ 12.4.155-85 Устройства защитного отключения. / Классификация. Общие технические требования. - М.: Издательство стандартов, 1987.

2. ГОСТ 22929-78 (СТ СЭВ 230980) Аппараты защиты от токов утечки рудничные для сетей напряжением до

1200 В. / Общие технические условия.

- М.: Издательство стандартов, 1982.

3. ГОСТ Р 50571.3_94 (МЭК 3644-41-92) Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Защита от поражения электрическим током. - М.: Издательство стандартов, 1995.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Колосюк В.П., Ихно С.А. Взры-вобезопасность горного оборудования.

- М.: Недра, 1994.

5. Изоляция подземных электроустановок и электробезопасность. А.В. Гладилин, Б.Г. Меньшов, В.И. Щуцкий и др. - М.: Недра, 1966.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Бабичев Юрий Егорович - кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники, Московский государственный горный университет.

и