Виды электросетей переменного тока
Согласно НПАОП 40.1-1.32-01. «Правила устройства электроустановок. Электрооборудование специальных установок» (ПУЭ) по условиям электробезопасности все электроустановки подразделяются на:
- электроустановки напряжением до 1 кВ в электрических сетях с глухозаземленной нейтралью;
- электроустановки напряжением до 1кВ в электрических сетях с изолированной нейтралью;
- электроустановки напряжением выше 1 кВ в электрических сетях с глухозаземленной или эффективно заземленной нейтралью (с большими токами замыкания на землю);
- электроустановки напряжением выше 1 кВ в сетях с изолированной, компенсированной и (или) соединенной через резистор нейтралью (с малыми токами замыкания на землю).
Приступая к анализу электробезопасности электрических сетей, питающих различные потребители электроэнергии напряжением до 1 кВ, необходимо, прежде всего, рассмотреть их классификацию. В современной нормативно-технической документации все электроустановки напряжением до 1кВ рассматриваются как системы различных типов. Под системой следует понимать совокупность источника электроэнергии, питающей линии и потребителя электроэнергии.
Термином “ питающие электрические сети ” обозначается составная часть системы, включающая источник электроэнергии и питающие линии.
Питающие сети различаются по типам:
- систем токоведущих проводников;
- систем заземления.
|
|
Существуют следующие т ипы систем токоведущих проводников переменного тока:
- однофазные двухпроводные;
- однофазные трехпроводные;
- двухфазные трехпроводные;
- двухфазные пятипроводные;
- трехфазные четырехпроводные;
- трехфазные пятипроводные.
Системы заземления могут быть следующих типов: TN-S, TN-C, TN-C-S, IT, TT.
Система TN – система, в которой нейтраль источника электроэнергии глухо заземлена, а открытые проводящие части электроустановки присоединены к глухозаземленной нейтрали (занулены) при помощи нулевых защитных проводников.
В приведенном определении использован ряд терминов.
Нейтраль – общая точка обмоток генераторов или трансформаторов, питающих сеть. Напряжения на выходных зажимах источника электроэнергии, измеренные относительно нейтрали, равны.
Глухозаземленная нейтраль источника электроэнергии – нейтраль генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока напряжением до 1 кВ, присоединенная к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление.
Изолированная нейтраль – нейтраль генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока напряжением до 1 кВ, не присоединенная к заземляющему устройству или присоединенная к нему через приборы сигнализации, измерения, защиты и подобные им устройства, имеющие большое сопротивление.
|
|
Проводящие части – части, которые могут проводить электрический ток.
Токоведущие части – проводники или проводящие части, предназначенные для работы под напряжением в нормальном режиме, включая нулевой рабочий проводник.
Открытые проводящие части – доступные прикосновению человека проводящие части электроустановки, нормально не находящиеся под напряжением, но которые могут оказаться под напряжением при повреждении основной изоляции.
Нулевой проводник – это проводник, соединенный с глухозаземленной нейтралью, предназначенный либо для питания потребителей электроэнергии, либо для присоединения к открытым проводящим частям.
Нулевой рабочий проводник (N – проводник) – нулевой проводник в электроустановках напряжением до 1 кВ, предназначенный для питания электроприемников.
Нулевой защитный проводник (PE – проводник) – нулевой проводник в электроустановках напряжением до 1 кВ, предназначенный для присоединения к открытым проводящим частям с целью обеспечения электробезопасности.
Рассмотрим классификацию и схемы электрических систем с напряжением до 1000 В.
|
|
Система TN-C – система TN, в которой нулевой защитный и нулевой рабочий проводники совмещены в одном проводнике на всем ее протяжении (см. рис. 3). При этом совмещенный нулевой и рабочий провод обозначается символом PEN.
Рисунок 3 - Система TN-C
Система TN-S – система TN, в которой нулевой защитный и нулевой рабочий проводники разделены на всем ее протяжении (см. рис.4).
Рисунок 4 - Система TN-S
Система TN-C-S – система TN, в которой функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников совмещены в одном проводнике в какой-то ее части, начиная от источника электроэнергии (см. рис. 5).
Рисунок 5 - Система TN-C-S
Система IT – система, в которой нейтраль источника электроэнергии изолирована от земли или заземлена через приборы или устройства, имеющее большое сопротивление, а открытые проводящие части электроустановки заземлены (см. рис. 6). В этом случае защитный заземляющий проводник обозначается так же, как и нулевой защитный проводник, т.е. PE – проводник.
Рисунок 6 - Система IT
Система TT – система, в которой нейтраль источника электроэнергии глухо заземлена, а открытые проводящие части электроустановки заземлены при помощи заземляющего устройства, электрически независимого от глухозаземленной нейтрали источника (на рис. не показана).
|
|
2.3.3 Анализ опасности 3-фазной 3-проводной сети переменного тока напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью при неполном замыкании на землю (система IT)
Как правило, такие сети имеют малую длину (кабельные не более 100 м, воздушные не более 1 км). Из-за этого их емкостью относительно земли можно пренебречь.
На рис. 7 показаны: электрическая схема (а), векторная диаграмма до включения человека (б) и векторная диаграмма после включения человека (неполного замыкания фазы на землю).
А б в
Рисунок 7 – Система IT в нормальном режиме
Для схемы на рис. 7. б, когда сеть исправна (), векторная диаграмма центрально симметрична. Потенциал нейтрали (точка «0») совпадает с потенциалом земли. Значения фазных напряжений равны (). Токи утечки, протекающие через сопротивления изоляции , будут соответственно, равны
; ; . (1)
После включения человека (например, при касании к оголенному проводу 1-й фазы) симметрия нарушится, и сопротивление между этой фазой и землей изменится:
. (2)
При уменьшении сопротивления между проводом фазы и землей, «земля» на векторной диаграмме сместится в направлении вектора данной фазы. В данном случае вдоль вектора (см. рис. 7. в). Напряжения фаз относительно земли будут, соответственно, равны: . - напряжение нейтрали относительно земли.
Для данного состояния сети справедливы следующие выражения:
; . (3)
Запишем 1-й закон Киргофа для узла токов («земля»):
, (4)
где ; ; ; . (5)
Учтем, что
, (6)
. (7)
Решив уравнения (4; 5; 6; 7) совместно относительно , получим выражения для тока через тело человека
. (8)
Проделаем этот вывод.
,
,
.
Подставим это выражение в выражение для тока через тело человека.
.
Подставим в выражение (8) характерные значения напряжений и сопротивлений и убедимся, что минимальным сопротивлением изоляции в сети с напряжением до 1000 В должна быть величина 500 кОм, при которой величина тока не превышает 6 мА (меньше порогового неотпускающего тока)
.
Из выражения (5) вытекают следующие выводы:
- на исход поражения человека электротоком влияют: фазное напряжение, сопротивление тела человека и сопротивления изоляции фаз относительно земли (в том числе емкостные сопротивления);
- сопротивление изоляции каждой фазы относительно земли должно быть не менее 500 кОм;
- для снижения опасности поражения электротоком необходимо, чтобы кожа человека была чистой, сухой и не имела повреждений. Не допускаются к работе люди больные и находящиеся в состоянии алкогольного опьянения.
- в качестве дополнительных мер защиты следует применять диэлектрические коврики, щиты, перчатки, боты, инструмент с надежной изоляцией рукояток.
2.3.4 Анализ опасности 3-фазной 3-проводной сети переменного напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью при глухом замыкании на землю (система IT)
Состояние сети в нормальном режиме работы рассмотрено в предыдущем вопросе (см. рис. 7. б). На рис. 8 показаны: электрическая схема (а) и векторная диаграмма (б) после касания человека к фазе 1 и глухого замыкания фазы 2 на землю. Последнее условие означает, что сеть находится в аварийном режиме.
А б
Рисунок 8 - Система IT в аварийном режиме
Как отмечалось выше, при уменьшении сопротивления между проводом фазы и землей, «земля» на векторной диаграмме сместится в направлении вектора данной фазы. В данном случае «земля» сместится одновременно вдоль векторов и . Причем в направлении это смещение значительно преобладает. Это обусловлено тем, что сопротивление замыкания провода фазы на землю как правило значительно меньше сопротивления тела человека(). Напряжение, приложенное к телу человека, обозначено .
Пренебрегая проводимостью тела человека по сравнению с проводимостью замыкания, можно считать, что . То есть к телу человека приложено линейное напряжение. Ток через тело человека равен
. (9)
При фазном напряжении 220 В через тело человека течет ток, превышающий пороговый фибрилляционный:
.
Из выражения (9) вытекают следующие выводы:
- на исход поражения человека электротоком влияют: линейное напряжение и сопротивление тела человека;
- допускается эксплуатировать только исправную сеть. Для этого необходим постоянный контроль изоляции сети;
- в качестве мер защиты следует применять диэлектрические коврики, щиты, перчатки, боты, инструмент с надежной изоляцией рукояток.
2.3.5 Анализ опасности 3-фазной 4-проводной сети переменного тока напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью (системы TN-C, TN-S, TN-C-S) при неполном замыкании на землю
На рис. 9 показаны: полная электрическая схема сети (а), векторная диаграмма напряжений до включения человека (б), упрощенная (эквивалентная) электрическая схема сети (в) и векторная диаграмма напряжений после касания человека к проводу 1-й фазы (г).
А б в г
Рисунок 9 - Система TN-C в нормальном режиме
При касании человека к проводу 1-й фазы через его тело потечет ток.
Напряжение 1-й фазы делится между двумя резисторами и пропорционально их сопротивлениям (см. рис. 9 в).
Как отмечалось выше, при уменьшении сопротивления между проводом фазы и землей, «земля» на векторной диаграмме сместится в направлении вектора данной фазы. В данном случае «земля» сместится вдоль вектора (см. рис. 9 г).
Ток, протекающий через тело человека, равен
. (10)
Сопротивлением заземления нейтрали в данном случае можно пренебречь, т. к. .
Подставив в формулу (10) реальные числовые значения, получим
.
Полученное значение превышает пороговый фибрилляционный ток. Т. е. данная ситуация для человека смертельно опасна! Однако фибрилляция наступает не всегда. Это объясняется двумя причинами:
- протекание тока не всегда приходится на фазу «Т» кардиоцикла (человек может успеть разорвать цепь до ее наступления);
- сопротивление тела человека в реальных ситуациях часто превышает 1000 Ом, хотя в теоретических расчетах принимается таким.
2.3.6 Анализ опасности 3-фазной 4-проводной сети переменного тока напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью (системы TN-C, TN-S, TN-C-S) при глухом замыкании на землю
На рис. 10 показаны: полная электрическая схема системы TN-C (а), ее упрощенная (эквивалентная) электрическая схема (в) и векторная диаграмма напряжений после касания человека к проводу 1-й фазы и глухого замыкания фазы 2 на землю. Последнее условие означает, что сеть находится в аварийном режиме.
А б в
Рисунок 10 – Система TN-C в аварийном режиме
Ток фазы 2 протекает через фазный провод, сопротивление замыкания , землю, сопротивление заземления нейтрали , нейтраль и обмотку трансформатора, которая является источником напряжения в данной цепи.
Напряжение фазы 2 делится на две величины пропорционально сопротивлениям и (см. рис. 10. б)
. (11)
Отложим их на векторной диаграмме (см. рис. 10. в). «Земля» находится между ними. Напряжение прикосновения может быть рассчитано
. (12)
Переходя от векторной формы к скалярной, получим
. (13)
Если принять, что (), то . Напряжение прикосновения будет равно линейному напряжению
. (14)
Если принять, что , то . В этом случае человек окажется под фазным напряжением
. (15)
В действительности сопротивления и никогда не равны нулю. Поэтому реальное значение напряжения прикосновения больше фазного, но меньше линейного значения
. (16)
На основании сказанного можно сделать следующие выводы:
- ток через тело человека не зависит от емкостей фаз и токов утечки фаз на землю (при условии, что их комплексные сопротивления намного больше сопротивления заземления);
- прикосновение к фазе в аварийном режиме сети более опасно, чем в нормальном;
- при касании человека к фазе в аварийном режиме он оказывается под меньшим напряжение, чем в сети с изолированной нейтралью;
- в целях безопасности необходимо, чтобы сопротивление заземления было минимальным и никогда не превышало допустимого значения. Для этого необходим его периодический контроль и профилактика.
Дата добавления: 2015-12-17; просмотров: 22; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!