CC BY
1ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Т.В. Ерёмина, д-р техн. наук, доц.
Г.Б. Зонхоев, канд. техн. наук, доц.
А.Л. Гармаев, соискатель, e-mail: gal787@rambler.ru Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г.Улан-Удэ
УДК 621.315
СПОСОБЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМЫ ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ В КОНТЕКСТЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ
В статье рассмотрены основные способы обеспечения безопасной эксплуатации электроустановок промышленной частоты при построении трех уровней защиты, а именно основной, защитой при повреждении изоляции, дополнительной. Указано, что: основная защита определяется применением мер против прямого контакта человека с токоведущими частями; защита при повреждении изоляции обеспечивается путем автоматического отключения; дополнительная защита осуществляется при использовании устройств защитного отключения. В сетях с глухозаземленной нейтралью причиной электротравматизма является наличие напряжения на открытых проводящих частях, поэтому все электроприемники должны заземляться путем соединения с PEN- или PE-проводником, в зависимости от системы электроснабжения, а именно TN-C, TN-S, TN-C-S. Проведен анализ систем безопасности в сетях различных модификаций и схемы включения устройств защитного отключения, с целью обеспечения максимальной электрозащитной надежности и значительного снижения опасности электропоражения при эксплуатации электроустановок, в том числе нестационарных, используемых в различных условиях.
Ключевые слова: электроустановка, электробезопасность, изоляция, защита, электротравматизм, электрические сети, устройство защитного отключения, заземление, зануление, система электроснабжения.
T.V. Eryomina, Dr. Sc. Engineering, Prof.
G.B. Zonkhoev, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
A.L. Garmaev, P.G.
METHODS OF IMPROVING THE PROTECTIVE SHUTDOWN SYSTEM IN THE CONTEXT OF ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY
The article shows the basic rule of electrical safety, the principle of which can be realized when constructing three levels ofprotection, namely: the main one, protection in case of insulation damage, additional. It is indicated that the basic protection is determined by the use of measures against direct contact of a person with live parts; protection in case of insulation damage is provided by automatic shutdown; additional protection is provided when using residual current devices. In networks with deadly grounded neutral, the cause of electrotraumatic damage is the presence of voltage on exposed conductive parts; therefore, all electrical receivers must be grounded by connecting to a PEN or PE conductor, depending on the power supply system, namely: TN-C, TN-S, TN-CS. The analysis of safety systems in networks of various modifications and schemes of inclusion of protective shutdown devices was carried out in order to ensure maximum electrical protective efficiency and a significant reduction in the danger of electroporation in the operation of electrical installations, including non-stationary ones, used in various conditions.
Key words: electrical installation, electrical safety, insulation, protection, electrotraumatic, electrical networks, protective shutdown device, grounding, zeroing, power supply system.
Введение
В связи с введением стандартов, обобщающих мировой опыт проектирования безопасных электроустановок, в настоящее время в России ведется работа по корректировке разделов
Правил устройства электроустановок (ПУЭ), являющихся для специалистов основным нормативным документом прямого действия. Однако вступившее в 2003 г. в силу 7-е издание ПУЭ с исправленными и дополненными разделами 6 и 7, не отражает современную концепцию электробезопасности, тем самым препятствуя широкому использованию эффективных устройств защитного отключения (УЗО). Отсутствуют требования к защитному заземлению и занулению электроустановок напряжением 220 В в помещениях без повышенной опасности (жилые дома, коттеджи и т.д.), а также правила использования УЗО в электроустановках зданий и сооружений и методы оценки их эффективности. Острота проблемы электробезопасности, как уже отмечалось, может быть значительно снижена только путем массового применения УЗО.
Материал и методы исследования
Рассматривая проблему электромагнитной совместимости не с позиции классической, т.е. негативного воздействия электромагнитного поля (ЭМП) на объекты в виде помех, электробезопасность можно толковать обобщенным понятием «электромагнитная безопасность», под которым условимся понимать состояние объекта, характеризующееся определенным (допустимым) значением риска (вероятности), исключающим потенциальные опасности влияния электромагнитного поля на здоровье человека и среду его обитания [1]. При этом электроустановку промышленной частоты можно рассматривать как один из множества физических объектов, генерирующих электромагнитное поле, а электрический ток, протекающий в цепи, -как интегральную характеристику ЭМП, т.е.
1= ф5айз, (1)
где <г - вектор плотности тока.
Отметим, что из всех видов проявления электромагнитного поля электрический ток в силу специфического моментального биологического воздействия на наиболее важные органы жизнедеятельности человека, а также по причине его массового использования во всех сферах человеческой деятельности представляет наибольшую опасность как для человека, так и для среды его обитания (пожары в электроустановках составляют 30-40 % от их общего числа).
Ограничиваясь рассмотрением электроустановок промышленной частоты, сформулируем принцип (основное правило) электробезопасности: токоведущие части электроустановки (ТЧЭ) не должны быть доступны для прикосновения к ним, а доступные прикосновению открытые проводящие части (ОПЧ), сторонние проводящие части (СПЧ), защитные и заземляющие РЕ- и РЕК-проводники не должны быть опаснее при прикосновении к ним как при нормальном режиме работы, так и при повреждении изоляции опасных токоведущих частей. Этот принцип может быть реализован путем построения трех уровней защиты: основной, защитой при повреждении изоляции и дополнительной.
Основная защита определяется как применение мер против прямого контакта и обеспечивается посредством исключения этого контакта между человеком и опасными токоведу-щими частями. Сюда следует отнести основную изоляцию токоведущих частей, защитные оболочки, барьеры и физическое отделение (размещение токоведущих частей за пределами досягаемости).
Защита при повреждении изоляции между ТЧЭ и доступными прикосновению ОПЧ электрооборудования должна быть обеспечена путем автоматического отключения или с помощью других мер защиты. Этот вид защиты может включать одну или несколько известных защитных мер:
- автоматическое отключение, включающее использование устройств защиты от сверхтоков и защиты, реагирующей на дифференциальный ток;
- зануление (система ТК);
- использование РЕК-проводника;
- уравнивание потенциалов;
- защитное заземление с использованием защитных устройств для отключения сверхтоков (системы TT или IT);
- выравнивание потенциала;
- двойная изоляция;
- непрерывный контроль изоляции (мониторинг);
- защитное электрическое разделение;
- безопасное сверхнизкое напряжение.
Дополнительная защита осуществляется путем использования устройств защитного отключения, реагирующих на дифференциальный ток проводящих утечки, предотвращающих возникновение «неотпускающего» тока для нестационарных электроустановок или вентрику-лярной фибрилляции в результате протекания тока поражения через тело человека при непреднамеренном прямом прикосновении к опасным токоведущим частям. Кроме того, дополнительная защита должна предотвращать смертельные электропоражения и в том случае, когда защитный проводник оборван или повреждена двойная изоляция.
В 1990-х гг. в России были введены национальные стандарты МЭК, что положило начало созданию новой нормативной и законодательной базы. В частности, принятие в России стандарта предусматривало применение защитных нулевых проводников и создание новых систем электроснабжения, что позволило создать нормативно-техническую основу применения в электроустановках УЗО [2, 3].
Как показывает анализ, одной из основных причин электротравматизма в сетях с глухо-заземленной нейтралью является наличие напряжения на открытых частях (ОПЧ) электрооборудования. Электропоражения от прикосновения к этим частям составляют значительную часть всех несчастных случаев с летальным исходом. Поэтому при проектировании и монтаже электроустановки согласно ПУЭ все ОПЧ электроприемников должны заземляться путем соединения с PEN-проводником в сетях TN-C (зануление) или с РЕ-проводником в сетях TN-S или TN-C-S. Это требование в настоящее время является обязательным, согласно [2]. Многолетний опыт использования PEN- и РЕ-проводников показал их достоинства, заключающиеся, с одной стороны, в снижении напряжения на ОПЧ (а следовательно, и напряжения прикосновения) по сравнению с фазным напряжением, а с другой - в создании условий надежного срабатывания защиты от сверхтока при возникновении замыкания на ОПЧ. Однако требование о необходимости применения систем TN-C-S или TN-S привело к появлению ряда серьезных проблем [4]:
1. Возросла вероятность электропоражения из-за наличия в жилых и общественных зданиях оборудования с ОПЧ, имеющего соединение с землей при прикосновении к токоведущим частям электроустановки, а также при использовании электроприборов с поврежденной изоляцией в случае одновременного прикосновения к незаземленным ОПЧ этих приборов и к заземленным ОПЧ других приборов.
2. Возросла опасность возникновения пожаров из-за повреждения изоляции в электроприборах с заземленными проводящими частями. Величина тока, протекающего на землю, может быть недостаточна для срабатывания защиты от сверхтоков, но достаточна для возникновения пожара.
3. При обрыве РЕ-проводника и прикосновении к ОПЧ электроустановки ток, протекающий через человека на землю, будет определяться качеством изоляции уже не одного, а группы электроприборов и может быть опасен для жизни. При использовании РЕ-проводников для защиты группы электроприемников величина токов утечки при повреждении изоляции будет достигать значений, превышающих отпускающий ток.
4. При использовании системы TN-C-S возросла опасность обрыва совмещенного нулевого рабочего и защитного PEN-провода питающей сети. При отсутствии РЕ-проводника об-
рыв PEN-проводника приводил к прекращению электроснабжения. При наличии же РЕ-проводника обрыв PEN-проводника приводит к тому, что все ОПЧ, подключенные к нулевому защитному проводнику, окажутся под напряжением 220 В.
5. Опасность обрыва РЕ-проводника усугубляется тем, что этот обрыв не проявляется в процессе эксплуатации электроустановки, поэтому риск электропоражения человека может сохраняться сколь угодно долго.
6. Использование систем TN-C-S и TN-S приводит к удорожанию электропроводки за счет дополнительного РЕ-проводника, сечение которого должно быть равным сечению фазных проводников, и высокой трудоемкости проверки сопротивления заземления.
Изложенное подтверждает неочевидность пользы присоединения электроустановки к сетям TN-C-S и TN-S, регламентируемых [5]. Поэтому для того, чтобы обеспечить необходимую безопасность электроустановок зданий, необходимо повсеместно применять устройства защитного отключения (УЗО). Так, например, использование УЗО с уставкой не более 30 мА, обеспечивает электробезопасность и при обрыве нулевого защитного проводника, когда на ОПЧ может появиться опасное для жизни человека напряжение. Вместе с тем традиционное защитное отключение не способно обеспечить безопасность при обрыве PEN-проводника. Кроме того, новая система электробезопасности с применением защитных нулевых проводников реализуется только во вновь сооружаемых зданиях, которые с учетом возможных объемов строительства в настоящее время составляют не более трех процентов от общего фонда ранее построенных зданий. Абсолютное же большинство электропоражений происходит в зданиях и жилых домах, электрические сети которых не имеют защитных проводников и УЗО. Сюда следует отнести электроустановки, эксплуатируемые вне помещений, т.е. на территории и т.д., включая передвижные электроагрегаты и ручной электроинструмент, т.е. нестационарные электроустановки. Отсюда очевидно, что снижение уровня электротравматизма невозможно без принятия мер по совершенствованию системы электробезопасности в ранее построенных зданиях и сооружениях
Результаты исследования и их обсуждение
Совершенствование систем безопасности может идти по следующим направлениям:
1. Использование системы TN-C электроснабжения с уравниванием потенциалов с помощью PEN-проводников в комбинации с автоматическим отключением питания. В этой системе нулевой провод (PEN) одновременно выполняет функции рабочего и защитного проводников. Применение УЗО возможно только при включении симметричной трехфазной нагрузки. В противном случае протекающий по нулевому проводу ток при несимметричной однофазной нагрузке из-за наличия связи нулевого провода с землей в зоне защиты может вызвать ложное срабатывание УЗО (рис. 1).
Рисунок 1 - Схема включения УЗО в системе TN-C
Если же в зоне защиты отсутствует заземление нулевого провода и корпуса электрооборудования не занулены, то УЗО может быть использовано в такой системе электроснабжения (рис. 2).
При пробое изоляции на корпус УЗО не сработает, и опасный потенциал будет сохраняться до тех пор, пока не произойдет одновременного прикосновения человека к поврежденному электроприбору и заземленной конструкции (трубопровод, батарея отопления и т.д.). УЗО при этом отключит электросеть, реагируя на ток утечки через тело человека на землю.
Рисунок 2 - Схема включения УЗО в системе ТК-С (при отсутствии зануления и заземления нулевого провода в зоне защиты)
Такое исполнение электрической защиты следует рекомендовать при эксплуатации нестационарных электроустановок, в которых применение зануления и защитного заземления сопряжено с определенными трудностями, обусловленными контролем целостности зануляю-щих (заземляющих) проводников.
2. Использование устройства защитного отключения в сочетании с занулением и повторным заземлением (уравниванием потенциалов) в ТТ-системе электроснабжения (рис. 3). В соответствии с [5] применение УЗО с уставкой тока срабатывания 30 мА является дополнительным мероприятием по обеспечению защиты от электропоражения при прямом прикосновении в случае недостаточности или отказе основной защиты. Отметим, что протекающий через тело человека ток до 30 мА не вызывает фибрилляции сердца, которая является основной причиной электротравмы с летальным исходом. Однако величина тока уставки 30 мА значительно превышает «неотпускающий» ток, поэтому не исключаются случаи возникновения опасных (в том числе смертельных) электропоражений, вызванных асфиксией дыхательной системы и т.д. В этом случае следует рекомендовать использование высокочувствительной защиты с уставкой в 6 мА.
Рисунок 3 - Схема включения УЗО в системе ТТ
3. Использование УЗО в системе TN-S, TN-C-S электроснабжения с отдельными нулевыми и защитными проводниками. Такая система электробезопасности обеспечивает максимальную электрозащитную эффективность, позволяющую снизить опасность электропоражения в десятки раз. В большинстве случаев система электроснабжения объектов может быть построена либо по типу TN-C, либо по типу TN-C-S.
Использование системы TN-S неоправданно из-за излишних расходов, необходимость которых может быть обоснована наличием чувствительной защиты от замыкания на землю на питающей подстанции 6-10 /0,4 кВ или, как и для системы использованием для питания потребителей зданий с металлическим корпусом или каркасом. (В частности, такие здания широко применяются в сфере торговли и коммунального обслуживания.) На рисунке 4 приведена рекомендуемая для защиты нестационарных электроустановок система TN-C-S как более экономичная и надежная.
УЗО
РЕМ Ф
РЕ
Рисунок 4 - Схема включения УЗО в системе ХК-О^ Выводы
Сравнение рассмотренных трех основных вариантов исполнения системы электробезопасности применительно к производственным помещениям предприятий, а также к индивидуальным жилым домам, хозяйственным постройкам, общественным зданиям с двухпроводными сетями показывает, что наиболее эффективным является третье. В частности, этот вывод подтверждается тем, что в жилых домах с электроплитами, где на кухне установлены розетки с заземляющим контактом, как правило, подключены практически все имеющиеся электроприборы с металлическим корпусом. Таким образом, в таких домах и в помещениях с повышенной опасностью поражения (кухня, ванная) при установке УЗО на вводе (вводно-рас-пределительном устройстве) электрозащитная эффективность повышается в десятки раз.
Повышение безопасности нестационарных электроустановок, применяемых в производственных помещениях и на территории предприятий, целесообразно использование переносных УЗО, т.е. УЗО-вилок и УЗО-адаптеров, которые приобретают широкое применение в различных объектах экономики и в бытовых условиях.
Библиография
1. Карякин Р.Н., Никольский О.К., Ерёмина Т.В. и др.Основы электромагнитной совместимости: учебник для вузов / под ред. Р.Н. Карякина. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 2009. -479 с.
2. ГОСТ Р 50571.8-94 (МЭК 364-4-47-81). Электроустановки зданий. Ч. 4: Требования по обеспечению безопасности. Общие требования по применению мер защиты от поражения электрическим током. - М.: Изд-во стандартов, 1995. - 8 с.
3. Правила устройства, эксплуатация и безопасность электроустановок: нормативно-технический сборник. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 2004. - 840 с.
4. Слободкин А.Х. О концепции электробезопасности в сетях 380/220 В с заземленной нейтралью и некоторые пути ее реализации // Промышленная энергетика. - 1998. - № 4. - С. 32-34.
5. Карякин Р.Н. Нормы устройства безопасных электроустановок. - М.: Энергосервис, 2000. -
453 с.
Bibliography
1. Karyakin R.N., Nikolsky O.K., Eryomina T.V et al. Fundamentals of Electromagnetic Compatibility. Textbook for high schoolsv / edited by R.N. Karyakina. - Barnaul: Izd-vo AltGTU im. I.I. Polzunova, 2009.
- 479 p.
2. GOST R 50571.8-94 (IEC 364-4-47-81). Electrical installations of buildings. Part 4: Security Requirements. General requirements for the application of protection measures against electric shock. - M.: Izd-vo standartov. - 1995. - 8 p.
3. Rules of the electrical installations' device, operation and safety // Normative and technical collection.
- Barnaul: Izd-vo AltGTU im. I.I. Polzunova, 2004. - 840 p.
4. Slobodkin A.Kh. On the concept of electrical safety in networks 380/220 V. with grounded neutral and some ways of its realization // Promyshlennaya energetika. - 1998. - N 4. - P. 32-34.
5. Karyakin R.N. Norms of the safe electrical installations' device. - M: Energoservis, 2000. - 453 p.
