Профилактика электропоражений при обслуживании приборов учёта электрической энергии путём совершенствования схемы включения счётчика электрической энергии в трёхфазную сеть Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

14. Колосовский В.В., Жуланов В.П., Галкин С., Иванов Б.А., Петров C.B. Определение саморазряда свинцово- кислотных аккумуляторов косвенным методом //Морской вестник.-2008.-№ 2. -С. 65.

15. Lardner W.L, Mitchell R.E., Cobble J.W. Электродные потенциалы электродов с ионами сульфата. - "J. Phys. Chem.", 1969, vol.73, #6, p. 2001-2024.

16. Колотыркин Я.М., Бунэ Н.Я. Перенапряжение водорода и емкость двойного слоя свинцового электрода //Журнал физики и химии,- 1947 - Т.21- №5- С. 581-587.

УДК 331.46

Аспирант П.Ф. МАЛЫШЕВ

(СПбГАУ, [email protected]) Аспирант Р.Х. ДАВЛЯТШИН (СПбГАУ, [email protected])

ПРОФИЛАКТИКА ЭЛЕКТРОПОРАЖЕНИЙ ПРИ ОБСЛУЖИВАНИИ ПРИБОРОВ УЧЁТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПУТЁМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ СЧЁТЧИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ТРЁХФАЗНУЮ СЕТЬ

Электротравматизм, профилактика, приборы учёта, ограничение тока, короткое замыкание

Известно, что современное промышленное производство повсеместно электрифицировано. Не является исключением и агропромышленный комплекс страны, в том числе и его подотрасль - растениеводство. Использование широкого спектра электроустановок в технологических процессах обусловливает наличие обширной электрической транспортной сети с множеством распределительных устройств и узлов учёта электрической энергии, количественное значение которых наибольшее в сетях напряжением до 1000 В, что определяется большим количеством потребителей, запитанных на напряжение до 1000 В по сравнению с высоковольтными сетями. Это же обстоятельство обусловливает и большее число случаев электротравм при эксплуатации низковольтных электрических сетей [1]. Помимо персонала электросбытовых компаний, наиболее часто контактирующих с действующими электроустановками (от 5 до 20 раз за смену) и узлами учёта электроэнергии, с ними же часто контактирует и рабочий персонал производств, что при нарушении требований техники безопасности приводит к реализации травмоопасного случая. Такое положение дел требует разработки и внедрения эффективных средств профилактики электротравматизма, направленных на снижение или недопущение воздействия опасных факторов, связанных с электрическим током.

Чаще всего потенциально опасный с точки зрения электробезопасности контакт электротехнического персонала и работников предприятия с элементами электрической сети происходит в электрощитовых шкафах с приборами учёта электрической энергии и защитной автоматикой при обслуживании и техническом ремонте, устранении неисправностей и снятии показаний. Наибольшее число травм связано с приборами учёта электрической энергии - счётчиками электрической энергии, которые подразделяются на несколько групп [2]:

1. Прямоточные счётчики электрической энергии - однофазные и трёхфазные, имеют широкое распространение в сетях 0,4 кВ при токах нагрузки до 100 А. Характеризуются тем, что ток нагрузки протекает непосредственно через токовые измерительные элементы счётчиков, а цепи измерительных элементов включены непосредственно на рабочее напряжение сети (рис. 1).

Рис. 1. Схемы включения прямоточных счётчиков: а) - однофазный; б) - трёхфазный

2. Трёхфазные счётчики с измерительными трансформаторами тока, измерительные элементы напряжения которых включаются непосредственно на действующее напряжение сети 0,4 кВ. В таких приборах учёта токовые измерительные элементы включаются во вторичную цепь трансформаторов тока с номинальным током 5 А или 1 А при токах в первичной цепи свыше 50 А (рис. 2).

УУИ

В.

с,

N _

ТТТ Н

• 1 ..

123 456 789 10

ж

а.

К нагрузке

Рис. 2. Схема включения трёхфазного счётчика с измерительными трансформаторами тока

3. Трёхфазные счётчики с измерительными трансформаторами тока и напряжения. Применяются для учёта электрической энергии в сетях с напряжением выше 1000 В. Токовые элементы этих счётчиков всегда питаются через высоковольтные измерительные трансформаторы независимо от величины тока первичной цепи при номинальном токе вторичной цепи (5 или 1 А). Цепи измерительных элементов напряжения рассчитаны на напряжение 57,7/100 В и запитываются от измерительных трансформаторов напряжения, включаемых в первичную сеть напряжением выше 1000 В (рис. 3).

Рис. 3. Схема включения трёхфазного счётчика с измерительными трансформаторами тока

и напряжения

Во второй описанной группе приборов учёта электрической энергии не применяются на практике технические средства по ограничению тока короткого замыкания (КЗ) в цепях измерительных элементов, что при нарушении техники безопасности при обслуживании и эксплуатации часто приводит к несчастным случаям, нередко с тяжёлыми последствиями. Максимальная возможная величина тока КЗ на вводе 0,4 кВ силового трансформатора может быть достигнута при условии питания его от энергосистемы бесконечной мощности. Как правило, энергосистема обладает мощностью в сотни и тысячи раз превышающую мощность отдельного потребительского трансформатора и её можно воспринимать практически как систему бесконечной мощности. Ток короткого замыкания будет ограничиваться только собственным сопротивлением трансформатора. Величина максимального тока КЗ в этом случае может быть определена по формуле:

1кз = (1н * 100)/ик, (1)

где 1н - номинальный ток трансформатора на стороне 0,4 кВ, А;

ик - напряжение короткого замыкания, %.

Чем больше мощность трансформатора, тем больше его номинальный ток и ток КЗ -1кз. При замыканиях в цепях счётчика этот ток будет протекать по соединительным проводам и может привести к аварии и электротравматизму.

Таким образом, необходимо разработать такую схему включения счётчика электрической энергии, при которой будет осуществляться ограничение тока короткого замыкания в цепях измерительных элементов напряжения до безопасного для обслуживающего персонала и элементов электрооборудования значения.

В настоящей статье рассматривается схема включения трёхфазного счётчика, относящегося ко второй описанной группе, и техническое решение по защите цепей измерительных элементов напряжения от токов короткого замыкания и ограничения их значений до безопасного для электрооборудования и обслуживающего персонала уровня.

Известные ограничители тока чаще всего применяются в высоковольтных электрических сетях. Для сетей ниже 1000 В они практически не применяются. Так, известен ограничитель тока короткого замыкания, содержащий измеритель тока, токоограничивающее активное сопротивление и штатный отключатель в цепи электрооборудования. Токоограничивающее сопротивление замкнуто размыкателем с разрушаемым элементом и замедляющим конденсатором, сигнал на размыкатель поступает с помощью измерителя тока и аппаратуры управления, а в цепь размыкателя введены отключатели [3]. Данное устройство применительно к рассматриваемым узлам учёта электрической энергии имеет ряд недостатков:

1. Устройство применимо только для ограничения токов короткого замыкания в цепи высоковольтного оборудования, что не позволяет его использовать для ограничения токов короткого замыкания непосредственно в цепях питания элементов приборов учёта электроэнергии.

2. Устройство предназначено для применения в высоковольтных цепях нагрузки, что обусловливает соответствующие значения уставок напряжения и тока, которые не сопоставимы с таковыми значениями в цепях питания элементов приборов учёта электроэнергии.

3. Вследствие особенностей конструкции и основного предназначения не применимо для цепей питания элементов приборов учёта электроэнергии в качестве устройства, ограничивающего токи короткого замыкания и предотвращающего их воздействие на обслуживающий персонал.

В то же время существующая известная схема включения счётчика электрической энергии хорошо описана [2] и имеет с точки зрения электробезопасности ряд существенных недостатков:

1. Имеет потенциальную опасность возникновения аварийной ситуации при замыкании в цепях измерительных элементов напряжения счётчика, что может привести к

появлению токов короткого замыкания высоких значений, которые будут воздействовать на обслуживающий персонал, что в свою очередь приводит к травмированию последнего.

2. Известная схема имеет потенциальную опасность возникновения аварийной ситуации при замыкании в цепи измерительных элементов напряжения счётчика, что может привести к появлению токов короткого замыкания высоких значений и выходу из строя электрооборудования под их воздействием.

Задача профилактики электропоражений в узлах учёта электроэнергии решается за счёт того, что схема включения счётчика электрической энергии в трёхфазную сеть переменного тока с нулевым проводом содержит трёхэлементный счётчик активной энергии, токовые измерительные элементы которого включаются во вторичную цепь трансформаторов тока, а измерительные элементы напряжения включаются непосредственно на действующее напряжение сети. В цепь измерительных элементов напряжения счётчика электрической энергии включаются токоограничивающие сопротивления [4].

Установка токоограничивающего активного сопротивления в цепь питания измерительных элементов напряжения в каждой фазе счётчика электрической энергии, в точке присоединения к шинам обеспечивает защиту от тока короткого замыкания цепи напряжения счётчика электрической энергии путём ограничения его величины (тока) до допустимого значения по термической устойчивости соединительных проводов и до безопасного для обслуживающего персонала величины (значения). На рис. 4 изображена схема включения счётчика в трёхфазную сеть с нулевым проводом.

Рток

А В

ТТ1

УТГ1К-

Ш

1?тсж

ту

N

а

п

4 4 4

Рис. 4. Схема включения счётчика электрической энергии в трёхфазную сеть переменного тока с нулевым проводом: 1 - трёхэлементный счётчик электрической энергии; 2 - токовые измерительные элементы; 3 - вторичная цепь трансформатора тока; 4 - трансформатор тока;

5 - измерительные элементы напряжения; 6 - токоограничивающие сопротивления

Схема включения счётчика электрической энергии в трёхфазную сеть переменного тока с нулевым проводом содержит трёхэлементный счётчик электрической энергии 1, токовые измерительные элементы 2 которого включаются во вторичную цепь 3 трансформаторов тока 4, а измерительные элементы напряжения 5 включаются непосредственно на действующее напряжение сети. В цепь измерительных элементов напряжения 5 счётчика 1 включаются токоограничивающие сопротивления 6.

Схема включения счётчика к трёхфазной сети переменного тока с нулевым проводом работает следующим образом: при нормальных режимах работы цепи измерительные элементы напряжения 5 счётчика электрической энергии 1 питаются непосредственно от шин А, В, С сети 0,4 кВ. Протекающие токи в цепях измерительных элементов напряжения 5 имеют нормальные значения. В случае возникновения аварийной ситуации включённые токоограничивающие сопротивления 6 в цепях питания измерительных элементов напряжения 5 в каждой фазе счётчика электрической энергии 1 ограничивают величину

протекающего тока короткого замыкания (его возможные достигаемые величины 10 к А и более).

Выбор значения токоограничивающих сопротивлений (Rtoc) осуществляется по допустимому падению напряжения и допустимому нагреву проводов соединений. Возможна установка Rtoc, превышающих по номиналу расчётные значения. Однако в этом случае необходимо вводить поправочный коэффициент в программу счётчика или учитывать его при расчётах отпуска электроэнергии (в связи с требованиями Правил устройства электроустановок по падению напряжения в цепи, питающей элементы напряжения счётчика (от шин до счётчика) не более 0,5%) [5].

Рассмотрим пример: узел учёта установлен на выводе 0,4 кВ трансформатора ТМ -1000/10, подключённого к системе бесконечной мощности (условно). Номинальный ток трансформатора на стороне 0,4 кВ составляет 1520 А.

Счётчик электрической энергии включён через трансформаторы тока 1500/5 А, цепи измерительных элементов напряжения счётчиков электрической энергии присоединены к шинам РУ - 0,4 кВ.

Расчёт трёхфазного замыкания на шинах РУ - 0,4 кВ:

I кз (3) = 1н/ е*к, А, (2)

где 1н - номинальный ток трансформатора А, е*к - напряжение короткого замыкания трансформатора в относительных единицах.

I КЗ (3) = 1520 / 0,055 = 27636 А. Расчёт однофазного короткого замыкания на счётчике электрической энергии (без учёта сопротивления трансформатора):

I КЗ (1)= и„/ Rnp ; 220 / 0,1 = 2200 А. > 1н.

С уменьшением длины соединительных проводов ток однофазного короткого замыкания I ^ (1) стремится к значению тока трёхфазного короткого замыкания I ^ (3).

При указанных значениях тока короткого замыкания провода, подводящие к цепям напряжения счётчика электрической энергии, не обеспечивают термической устойчивости. Замыкание в цепях напряжения счётчика электрической энергии при отсутствии токоограничивающего сопротивления приводит к возникновению трёхфазного короткого замыкания на шинах 0,4 кВ.

Пример выбора токоограничивающего сопротивления для счётчика электрической энергии СА4У-672М:

Потребляемая мощность в цепи напряжения S = 6 ВА; ток, потребляемый обмоткой напряжения измерительного элемента напряжения счётчика электрической энергии:

IV = S/UH,A, (3)

где S - потребляемая мощность в цепи элементов напряжения счётчика, ВА;

Iv = 6 / 220 = 0,027 А. Допустимая потеря напряжения AU доп- в подводящих проводах 0,5 %,

AU доп. = U н * 0,5 / 100, В; (4)

Дидоп. =220 * 0,5/ 100= 1,1 В. Максимальное допустимое сопротивление по допустимой потере напряжения Rmax:

Rmax < Цдоп / Iv, Ом, (5)

Rmax = 1,1/0,027 = 40,74 Ом. Учитывая, что фактическое сопротивление проводов R Пр < 0,1 Ом величина токоограничивающего сопротивления не должна превышать

Rmax тос < Rmax - Rnp , Ом, (6)

где Rmax тос - максимальная величина токоограничивающего сопротивления, Ом; Rnp - фактическое сопротивление проводов, Ом;

Rmax Toc = 40,74 - 0,1 = 40,64 Ом. Минимальное допустимое сопротивление Rmin по условиям нагрева подводящих проводов:

Rmin = Un / 1доп, Ом; (7)

Ятш = 220 / 23 = 9,57 Ом; с учётом сопротивления проводов ЯПр = 0,1 Ом минимальная величина токоограничивающего сопротивления Ятт тос будет равна:

К-тш тос — Ятт-Япр, Ом; (8)

И-тт тос = 9,47 0м.

Выбор величины токоограничивающего сопротивления Ктос определяется выражением:

К-тах тос — Яхос — К-шш тос , Ом, (9)

40,64 > Ятос > 9,47, Ом;

принимаем значение Ктос = 22 Ом.

Ток замыкания при установке токоограничивающего сопротивления Ктос = 22,0 Ом будет равным при:

-замыкании на землю (однофазное КЗ) в месте установки счётчика электрической энергии (1кз(1)):

1кз(1) = Иф / Крое, А, (10)

1КЗ(1)= 220 / 22 = 10 А; -замыкание между фазами А и В (в месте установки счётчика электрической энергии) (1кз(2)):

1кз(2) = ил / 2 * Ятос, А; (11)

1^(2)= 380/2 * 22 = 8,64 А.

Мощность, выделяющаяся в токоограничивающем сопротивлении при замыкании цепей напряжения счётчика электрической энергии РК1:

Ркз = 12кз * Ятос, Вт; (12)

Ркз = Ю2 * 22 = 2200 Вт.

Потеря напряжения на [1тс проводах в нормальном режиме работы Д итос будет равна:

А итос = IV * (Ятос + Япр), В; (13)

^доп

Д итос = 0,027 * 22,1 = 0,5967 < Д иЛоп = 1,1 В,

Ди тос = ( Д итос * 100)/ иф, %; (14)

Ди*тос = (0,5967 * 100) / 220 = 0,27 % < 0,5 %. Величину Кгос можно изменять в пределах от 11тш доп до Ятах доп.-Так, если Ктс =11 Ом, то ток короткого замыкания составит:

1кз(1)= 20 А;

мощность короткого замыкания будет равняться:

Ркз = 202 * 11 = 4400 Вт;

падение напряжения составит:

Дитос = 0,027 * 11,1 = 0,297 В < Д идоп; при этом падение напряжения в процентах будет равно:

Ди*тос =(0,297 * 100) / 220 = 0,135 %,

что меньше 0,5 %.

Принятые в расчётном примере значения токоограничивающих сопротивлений удовлетворяют требованиям по допустимому падению напряжения и допустимому нагреву проводов присоединений, что исключает негативное влияние токоограничивающего сопротивления на показатели работы приборов учёта электроэнергии.

Предложенное авторами совершенствование схемы включения счётчика электрической энергии в трёхфазную сеть позволяет во многом решить проблему электрических травм при эксплуатации приборов учёта, которая вытекает из каждодневной производственной практики. Широкий спектр других вопросов профилактики электротравматизма является предметом исследований трудоохранной научной школы СПбГАУ, где накоплен богатый теоретический и практический опыт решения части из них [6] в рамках стратегии и тактики динамичного снижения и ликвидации производственного травматизма [7].

Литература

1. Шкрабак B.C., Орлов П.С., Ряхин А.Н. Повышение надёжности электроснабжения и снижение электротравматизма в распределительных сетях АПК // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2013. - №30. - С. 271-276.

2. Федотов Б.Н. Схемы электрических счётчиков Под ред. И.Н. Ошер. - М.: Госэнергоиздат, 1960.-С. 17.

3. Патент № 2467446 РФ. Способ ограничения тока короткого замыкания в системах защиты от разрушения высоковольтного оборудования /А.Н. Чулков, И.А. Смирнов, A.A. Виноградов. Бюл. № 32, опубл. 20.11.2012 г.

4. Патент № 154378 РФ. Схема включения счётчика электрической энергии в трёхфазную сеть с нулевым проводом /B.C. Шкрабак, А.О. Мурашов, Н.И. Рузанова, П.Ф. Малышев, Р.Х. Давлятшин, В.В. Мурашова. Бюл. № 23, опубл. 20.08.2015 г.

5. Правила устройства электроустановок. Издание 7. (СО 153-34.20.120-2003) (утв. Приказом Минэнерго РФ от 20.06.2003 N 242)

6. Шкрабак B.C. Биобиблиографический указатель трудов / СПбГАУ, Библиотека; Сост. Н.В. Кубрицкая. - 2-е изд., перераб. и доп. - СПб., 2012. - 315с.

7. Шкрабак В.В. Стратегия и тактика динамичного снижения и ликвидации производственного травматизма в АПК. Теория и практика: Монография/ СПбГАУ. - СПб., 2007. - 580с.

УДК 631.334

Соискатель О.Н. ТЕПЛИНСКАЯ

(СПбГАУ, [email protected])

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ АНТРОПОГЕННЫХ ХИМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА АГРОЭКОСИСТЕМУ ПРИ ФУНКЦИОНИРОВАНИИ ТУКОВЫСЕВАЮЩИХ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ КОМБИНИРОВАННЫХ МАШИН

Припосевной способ, туковысевающее приспособление, информационная модель, технологический и экологический критерии

Одним из эффективных методов управления продукционным процессом в начальный период вегетации растений при высокой интенсификации агротехнологий является использование припосевного способа применения минеральных удобрений, позволяющего локально внести стартовые дозы агрохимикатов, с помощью которых оптимизируется их питание, когда корневая система ещё слабо развита [1].

Техническое оснащение технологических процессов применения твердых минеральных удобрений с помощью припосевного способа в высокоинтенсивных технологиях призваны осуществлять автоматизированные машинотракторные агрегаты, в состав которых входят комбинированные посевные и посадочные машины, оборудованные туковысевающими приспособлениями. Эксплуатация таких машин в автоматизированных агрегатах протекает под управлением глобальных навигационных спутниковых систем [2]. При функционировании комбинированных машин минеральные удобрения вносятся внутрипочвенно вместе с посевным (посадочным) материалом или вблизи него, разделяясь небольшим почвенным слоем [3]. Это позволяет обеспечить минимизацию технологических и экологических рисков, возникающих при машинном применении агрохимикатов, что в свою очередь приводит к снижению антропогенного химического загрязнения агроэкосистемы и значительному ресурсосбережению по сравнению с другими способами.

Туковысевающие приспособления комбинированных посевных (посадочных) машин представляют собой сложные динамические системы, включающие несколько подсистем: дозирующую, распределительную и заделывающую. В общем виде технологический процесс, выполняемый такой системой, может быть представлен в виде многомерного объекта, блок-схема информационной модели которого показана на рисунке. Приведенная