Название: Исследование системы автоматического отключения питания с защитным занулением - (В.М. Попов)

Жанр: Экономика

Просмотров: 1152


1.3.  назначение заземления нейтрали в системе автоматического отключения питания с защитным занулением

 

Поскольку при однофазном замыкании на открытые проводящие части электроприемника ток через заземление нейтрали на несколько порядков меньше, чем через нулевой проводник, отсутствие этого заземления никак не повлияло бы на срабатывание аппарата защиты. Но помимо замыканий на открытые проводящие части электроприемников в электроустановках возможны и другие виды аварий, среди которых одним из самых распространенных является замыкание фазы на землю.

Если бы нейтраль не была заземлена, то при замыкании фазы на землю напряжение на зануленных корпусах электроприемников относительно земли равнялось бы фазному. Действительно, в этом случае конец одной из обмоток источника питания вследствие замыкания оказался бы соединенным с землей, а начало обмотки (нейтраль) – только с зануленными корпусами электроприемников. Причем в этом случае ток замыкания на землю оказался бы очень малым – на несколько порядков меньше номинального тока защитного аппарата. Поскольку в такой ситуации не произошло бы автоматического отключения питания, высокое напряжение на корпусах электроприемников оставалось бы неопределенно долго – либо до отключения питания вручную, либо до ликвидации замыкания на землю.

На рис. 3 представлена схема, иллюстрирующая ситуацию замыкания фазы на землю в сети с глухозаземленной нейтралью источника питания.

Рис. 3. Замыкание на землю одной из фаз сети напряжением

до 1 кВ, получающей питание от источника с глухозаземленной нейтралью

 

Ток замыкания на землю проходит через сопротивление rзм растеканию тока в месте замыкания и разветвляется. До источника питания сети большая часть I0 этого тока идет через сопротивление заземления нейтрали и меньшая часть Ih – через сопротивление человека и нулевой проводник. Распределение напряжений в цепи тока замыкания на землю поясняет эквивалентная схема, изображенная на рис. 4.

Рис. 4.  Эквивалентная схема для случая замыкания на землю

одной из фаз электрической сети с защитным занулением

 

Данную схему (рис. 4) можно рассматривать как делитель напряжения, подключенный к источнику фазного напряжения. Напряжение источника делится на две части, пропорциональные сопротивлениям плеч делителя. В одном плече делителя находится параллельное соединение сопротивления тела человека Rh и сопротивления заземления нейтрали r0, в другом – сопротивление замыкания на землю rзм.

Значение сопротивления тела человека Rh более 700–800 Ом. Сопротивление заземления нейтрали в любое время года должно быть не более 2, 4 и 8 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока. Поскольку эти два сопротивления соединены параллельно, сопротивление первого плеча делителя напряжения будет определяться малым сопротивлением заземления нейтрали. Таким образом, потенциал зануленных корпусов электроприемников определится как

Замыкание на землю возникает случайно, поэтому сопротивление rзм растеканию тока в месте замыкания во много раз больше сопротивления r0 преднамеренно устроенного заземления нейтрали. Значение сопротивления rзм обычно составляет сотни Ом. Даже если принять его равным 40 Ом, то при фазном напряжении 220 В и сопротивлении заземления нейтрали 4 Ом

,

т.е. потенциал зануленных корпусов при замыкании фазы на землю не превышает предельно допустимого напряжения прикосновения, установленного стандартом [3]. Таким образом, в случае замыкания фазы на землю заземление нейтрали обеспечивает снижение потенциала зануленных корпусов до допустимого значения.

1.4.  Повторное заземление нулевого защитного проводника

 

На концах воздушных линий электропередачи (ВЛ) или ответвлений от них длиной более 200 м, а также на вводах ВЛ к электроустановкам, в которых в качестве защитной меры применено автоматическое отключение питания, должны быть выполнены повторные заземления нулевого защитного провода. Общее сопротивление растеканию заземлителей (в том числе естественных) всех повторных заземлений нулевого защитного проводника каждой ВЛ в любое время года должно быть не более 5, 10 и 20 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока или 380, 220 и 127 В источника однофазного тока. При этом сопротивление растеканию заземлителя каждого из повторных заземлений должно быть не более 15, 30 и 60 Ом соответственно при тех же напряжениях.

Необходимость применения повторных заземлений нулевого защитного провода именно в воздушных линиях электропередачи обусловлена тем, что в таких линиях возможна ситуация, когда нулевой защитный проводник окажется поврежден (оборван), а хотя бы один из фазных проводников при этом останется цел. Если в такой ситуации к линии подключен однофазный электроприемник, корпус которого соединен с PEN-проводником после места его обрыва, то без применения повторных заземлений нулевого провода часть PEN-проводника после места обрыва и соединенные с ней корпуса электроприемников окажутся под фазным потенциалом. Такая же угроза возникает и в случае однофазного замыкания на корпус, соединенный с частью нулевого защитного проводника после места обрыва. Схема сети с поврежденным PEN-проводником и графики изменения потенциала нулевого проводника представлены на рис. 5.

На графике 5,б показано изменение потенциалов нулевого защитного провода в сети, где нет повторного заземления. При этом корпуса, соединенные с нулевым защитным проводом до места его обрыва, имеют нулевой потенциал, а корпуса, соединенные с ним после места обрыва, находятся под фазным потенциалом. Этот потенциал передается через проводимость нагрузки второго электроприемника.

 

в

 

 

б

 

 

а

 

 

Рис. 5. Распределение потенциалов поврежденного нулевого проводника воздушной линии электропередачи

 

На рис. 5 введены следующие обозначения: на схеме (рис. 5,а): rп – сопротивление повторного заземления нулевого защитного провода; φ1, φ2 φ3 – потенциалы зануленных корпусов; на графиках (рис. 5,б и в): φ1-, φ2-, φ3- – потенциалы зануленных корпусов в сети без повторных заземлений нулевого защитного провода; φ1п, φ2п φ3п – потенциалы зануленных корпусов в сети с повторным заземлением нулевого защитного провода.

 

При наличии в сети с поврежденным нулевым проводником повторного заземления через его сопротивление протекает ток замыкания на землю IЗ. Если не учитывать малые сопротивления однофазной нагрузки, обмотки источника питания, фазного и нулевого проводников, можно считать, что ток IЗ создает падения напряжений только на сопротивлениях rп и r0. Эти напряжения и определят потенциалы на корпусах, соединенных с разными частями поврежденного нулевого проводника:

;      .

Значения сопротивлений rп и r0 могут различаться, но они имеют один порядок. Поэтому потенциалы корпусов, соединенных с разными частями поврежденного нулевого проводника, тоже одного порядка. А так как сумма этих потенциалов равна фазному напряжению, каждый из них соизмерим с фазным напряжением. Величина тока IЗ недостаточна для того, чтобы вызвать автоматическое отключение питания, так что эти потенциалы будут оставаться на корпусах электроприемников неопределенно долго.

Изменение потенциалов нулевого защитного провода, заземленного повторно в конце линии, изображено на графике рис. 5,в. Здесь показаны мгновенные значения потенциалов, которые по величине равны действующим значениям. Такое представление позволяет учесть, что направления токов через заземление нейтрали и повторное заземление противоположны.

Таким образом, благодаря повторным заземлениям нулевого защитного провода удается снизить потенциал корпусов, соединенных с частью этого провода после места обрыва, но потенциал же остается довольно высоким и опасным. В то же время применение повторного заземления нулевого защитного провода приводит – в случае повреждения этого провода – к появлению высокого потенциала на тех корпусах электроприемников, которые подключены к воздушной линии электропередачи до места обрыва нулевого провода. Следовательно, повторное заземление нулевого защитного провода позволяет снизить уровень максимальной угрозы поражения электрическим током, но не обеспечивает выполнения установленных нормативными документами требований электробезопасности.

Повторное заземление нулевого защитного проводника влияет на потенциалы зануленных корпусов и в том случае, если этот проводник не поврежден. На рис. 6,а показана схема сети с исправным PEN-проводником, на рис. 6, б и в – графики изменения потенциала нулевого проводника для времени, когда произошло однофазное замыкание, но контакты защитного аппарата еще не разомкнулись.

На схеме рис. 6     точка подключения корпуса аварийного электроприемника к РЕN-проводнику обозначена буквой а, нейтраль обозначена 0. При отсутствии повторного заземления нулевого защитного проводника напряжение между этими точками Uа0 определит значение потенциала корпуса аварийного электроприемника:

φ2– = Uа0.

Рис. 6. Распределение потенциалов исправного нулевого проводника для интервала времени от возникновения однофазного замыкания

до срабатывания защитного аппарата

 

Точки нулевого защитного проводника, расположенные за местом аварии, будут иметь тот же потенциал, так как в этой части проводника ток отсутствует и никаких падений напряжения здесь не создается. В связи с этим φ3 = φ2.

Потенциал любой точки нулевого защитного проводника в промежутке от источника питания до места однофазного замыкания зависит от сопротивления части нулевого проводника между данной точкой и нейтралью источника. В пределах одного участка линии электропередачи потенциал зависит от протяженности этой части линейно. Поскольку при отсутствии повторного заземления нулевого защитного проводника отсутствует и ток через заземление нейтрали, её потенциал равен нулю. Характер изменения потенциалов нулевого защитного проводника при отсутствии его повторного заземления показан на графике (рис. 6,б).

Если нулевой защитный проводник имеет повторное заземление, помимо тока короткого замыкания IКЗ будет протекать ток замыкания на землю IЗ по цепи: часть нулевого проводника от аварийного электроприемника до места подключения повторного заземления – повторное заземление нулевого проводника – заземление нейтрали. По величине этот ток намного меньше тока короткого замыкания и на срабатывание аппарата защиты не повлияет. Но он создаст на сопротивлениях rп и r0 падения напряжений, которые определят потенциалы нейтрали и корпуса аварийного электроприемника. Характер изменения потенциалов нулевого защитного проводника при его повторном заземления показан на графике (рис. 6,в). Наибольшее значение потенциала нулевого защитного проводника в этом случае ниже, чем для такой же сети, но без повторного заземления нулевого проводника, так что возможный электрический удар здесь будет слабее. А поскольку даже кратковременный электрический удар может быть очень болезненным, такое преимущество является существенным.