Новости электротехники № 4-2001
Электроустановкам необходимо обеспечить электробезопасность
Предлагаемая вниманию читателей статья является продолжением начатой в предыдущих номерах нашего журнала темы — изложение основ электробезопасности в свете современных представлений. В сегодняшнем материале изложены сведения о сопротивлении изоляции и емкости электроустановок относительно земли.
Термины и определения
Согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ, п. 1.1.3) под электроустановкой понимается « совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены), предназначенных для производства, преобразования, трансформации, передачи, распределения электрической энергии и преобразования ее в другой вид энергии». Электрическая сеть — это совокупность электроустановок для передачи и распределения электрической энергии, состоящая из подстанций, распределительных устройств, токопроводов, воздушных и кабельных линий электропередачи, работающих на определенной территории (п. 1.2.7). С целью большего акцентирования внимания под этим термином будем подразумевать более узкое понятие — устройство, состоящее из источника и приемников электроэнергии и линий связи между ними.
Приемником электрической энергии (электроприемником) называется аппарат, агрегат, механизм, предназначенный для преобразования электрической энергии в другой вид энергии (п. 1.2.8). Потребителем электрической энергии называется электроприемник или группа электроприемников, объединенных технологическим процессом и размещающихся на определенной территории (п. 1.2.9).
Виды электрических сетей переменного тока
В зависимости от требуемых технико-экономических показателей и ограничений, обусловленных необходимостью обеспечения условий электробезопасности, применяют различные виды электрических сетей.
Трехфазная сеть с заземленной нейтралью (рис. 1, а). Применяется в основном в высоковольтных линиях передачи электроэнергии. Здесь источником является вторичная обмотка трансформатора подстанции (электростанции), а приемником — первичная обмотка понижающего трансформатора, питающего данный производственный объект. Напряжение в сети — выше 1000 В. Различают сети с эффективно заземленной нейтралью и с компенсированной нейтралью. В первом случае сопротивление заземления нейтрали Z0 не должно превышать 0,5 Ом. Во втором случае между нейтралью обмотки трансформатора 0 и землей включается индуктивный реактор. В последние годы стали находить применение сети с резистированной нейтралью — с заземлением через высокоомный резистор (2–4 кОм).
Рис. 1. Виды электрических сетей переменного тока: трехфазная сеть с заземленной нейтралью (а), трехфазная четырехпроводная сеть с глухим заземлением нейтрали (б), трехфазная сеть с изолированной нейтралью (в), сеть двойного рода тока (г), двухпроводная сеть, изолированная от земли (д).
Трехфазная четырехпроводная сеть с глухим заземлением нейтрали (рис. 1, б). Глухозаземленной называется нейтраль обмотки трансформатора или генератора, присоединенная к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление (например, через трансформатор тока).
Сеть имеет три фазных провода и выведенный из нейтрали обмотки трансформатора нулевой провод N. Благодаря наличию последнего в этой сети обеспечивается возможность подключения электроприемников Zнл и Zнф не только к линейному напряжению Uл, но и к фазному Uф. То есть здесь, не применяя трансформаторов, потребитель получает для своих нужд два напряжения (127/220, 220/380, 380/660 В), при этом нулевой провод N называют рабочим, если он используется для питания электроприемников. Благодаря экономии на трансформаторах эти сети получили наиболее широкое применение.
Стандартом ГОСТ Р 50571.2-94 «Электроустановки зданий» регламентировано применение как четырехпроводных, так и пятипроводных сетей с глухим заземлением нейтрали. В первых нулевой рабочий проводник N используется также в качестве нулевого защитного PE (система заземления типа TN-C, где C — combine, то есть объединенный), Пятипроводные сети содержат два нулевых проводника — рабочий и защитный (система заземления типа TN-S, где S — separe, то есть раздельный).
Трехфазная сеть с изолированной нейтралью (рис. 1, в). В этой сети нейтраль источника электроэнергии (генератора или трансформатора) изолирована от земли. Нагрузка — трехфазная или однофазная — подключается к линейным проводам. Применяется в тех случаях, когда предъявляются повышенные требования к безопасности, надежности питания приемников электроэнергии при эксплуатационных повреждениях электрической изоляции или к их помехозащищенности. Диапазон напряжений — 36 В–35 кВ.
Если в сети есть приемники электроэнергии постоянного тока, получающие питание через управляемые или неуправляемые полупроводниковые выпрямительные мосты (рис. 1, г), то такую сеть называют сетью двойного рода тока. В такой сети цепи переменного и постоянного тока имеют между собой гальваническую связь. Здесь характеристики, влияющие на условия безопасности, существенно отличаются от характеристик обычных сетей переменного тока. Мощность полупроводникового выпрямителя практически не имеет значения для перевода сети переменного тока в качество сети двойного рода тока, так как в вопросах обеспечения условий электробезопасности оперируют значениями токов в диапазоне 10–100 мА (если в сети имеется хотя бы один маломощный выпрямитель, например, в магнитном пускателе для питания катушки контактора, то ее следует классифицировать как сеть двойного рода тока). Отметим, что понятие сеть двойного рода тока фигурирует только в технической литературе.
Двухпроводная сеть, изолированная от земли (рис. 1, д). Такие сети, так же как и предыдущие, применяются для обеспечения условий электробезопасности. Источниками электроэнергии в них обычно являются обмотки понижающих трансформаторов напряжением от 6 до 220 В.
Параметры цепей связи токоведущих частей с землей, влияющие на безопасность электрических сетей
При расчете и эксплуатации электрических сетей обычно рассматривается цепь «источник электроэнергии И-линия связи ЛС-приемник электроэнергии П» (рис. 2, а). В ней обеспечивается необходимое качество электроэнергии и защита от аварийных пожароопасных ситуаций типа коротких замыканий и перегрузки, ведется учет потребления электроэнергии. Между тем подавляющее большинство электротравм происходит в так называемом режиме однофазного (однополюсного) прикосновения, то есть они формируются в других цепях, а именно в цепях, имеющих связь с землей: источник электроэнергии И-токоведущая часть-тело человека-земля-цепь связи сети с землей Zу-токоведущая часть (рис. 2, б).
Рис. 2. Связь источника и приемников электроэнергии без учета (а) и с учетом (б) цепей связи с землей.
Наибольшее количество пожароопасных ситуаций формируется также в режимах однофазного замыкания на землю. Очевидно, в обоих вариантах опасность режима зависит от параметров цепи Zу — сопротивления изоляции, емкости, заземлений.
Сопротивление изоляции электротехнических изделий
Изоляционные материалы, применяемые в технике, не являются идеальными диэлектриками. Им всем присуща активная проводимость, характеризующаяся удельным объемным r v и удельным поверхностным r s сопротивлениями. Соответственно любая изоляционная конструкция (изоляция жил кабелей, изоляция обмоток электрических машин и т. п.) имеет конечное значение объемного Rv и поверхностного Rs сопротивлений. Значения последних зависят от значения удельных сопротивлений материалов и геометрических размеров конструкции.
Обычно оперируют понятием сопротивление изоляции электротехнического изделия Rи как эквивалентным параллельному соединению Rv и Rs. Такой прием упрощает нормирование и контроль состояния изоляции. Так, сопротивление изоляции отдельного коммутационного аппарата обычно не менее 100 МОм, обмоток электрических машин в нагретом состоянии — не менее 10 МОм; значение сопротивления изоляции кабеля (сопротивление между токоведущей жилой и металлической оплеткой или между токоведущими жилами) зависит от длины отрезка кабеля и обычно при испытаниях на заводе-поставщике бывает не менее 100 МОм/км.
Численное значение сопротивления изоляции Rи, (то есть его составляющих Rv и Rs) изменяется под влиянием внешних эксплуатационных факторов. Поверхностное сопротивление Rs может в тысячи раз уменьшиться при увлажнении или загрязнении. Объемное сопротивление Rv уменьшается при увлажнении изоляции или при повышении температуры ее нагрева.
Сопротивление изоляции изделий — величина, нормируемая ПУЭ и ПЭЭП при приемке новых изделий и при техническом обслуживании электрооборудования. При снижении его ниже установленных норм возможно формирование пожароопасных ситуаций из-за теплового пробоя изоляции. При снижении сопротивления изоляции в месте повреждения (загрязнение, увлажнение и т. п.) увеличивается ток, протекающий под действием рабочего напряжения сети; соответственно повышается температура нагрева этого места. Повышение температуры нагрева изоляционного материала снижает его сопротивление, что приводит к соответствующему увеличению тока. Последнее вызывает новое повышение температуры и соответствующее дополнительное снижение сопротивления изоляции. Процесс нарастания электрического тока продолжается до тех пор, пока не установится равновесие между тепловыделением и теплоотводом (при какой-то установившейся температуре перегрева). В случае, когда условия охлаждения не соответствуют интенсивности тепловыделения в месте повреждения, наступает лавинообразное нарастание тока, приводящее к тепловому разрушению материала и дуговому замыканию. Поэтому при снижении сопротивления изоляции необходимо принимать меры к устранению неисправности.
Сопротивление изоляции сети
Сеть состоит из комплекса гальванически связанных электротехнических изделий —
источника электроэнергии, распределительных щитов, приемников электроэнергии, линий связи и пр.
Каждое изделие имеет определенное значение сопротивления изоляции.
Если все токоведущие части данной фазы находятся под электрическим потенциалом jф,
а земля имеет электрический потенциал j0, то сопротивления изоляции Rфi этой фазы у всех элементов
сети оказываются под одной и той же разностью потенциалов. Отсюда следует, что сопротивления Rфi
всех элементов сети включены между собой параллельно. Обычно измеряют эквивалентное сопротивление
изоляции не отдельных фаз, а сети в целом (или ее отдельных участков). Тогда
R = ( е 1/Rni)-1,
где Rni — сопротивление изоляции отдельного электротехнического изделия, n — количество изделий в сети.
То есть эквивалентное сопротивление изоляции сети относительно земли зависит от количества входящих в эту сеть
электротехнических изделий и значений их сопротивления изоляции. Чем разветвленнее сеть, чем больше в ней элементов,
тем ниже уровень ее сопротивления изоляции. При этом даже в случае исправной изоляции у всех элементов значение
эквивалентного сопротивления изоляции сети может быть весьма низким. В разветвленной сети на фоне низкого значения
эквивалентного сопротивления изоляции незаметно аварийное снижение сопротивления изоляции одного из элементов.
Тем самым возрастает пожарная опасность разветвленных сетей.
Емкость относительно земли
Токоведущие части и корпус электротехнического изделия (либо земля) образуют своеобразный конденсатор,
обладающий определенной емкостью. Действительно, здесь мы имеем две токопроводящие среды, изолированные друг от друга
и находящиеся под разными потенциалами jф и j0.
Так, на рис. 3, а видно, что каждый элементарный участок провода длиной DL обладает емкостью DC относительно земли.
Эквивалентная емкость провода равна сумме этих частичных емкостей. Емкость жилы кабеля длиной 1 км относительно
внешней металлической оплетки колеблется в диапазоне 0,1–1,0 мкФ в зависимости от ее сечения и конструкции кабеля.
Каждый токоведущий элемент — обмотки электрических машин, трансформаторов и реле, печатный монтаж
и пр. — имеет определенную емкость.
Рис. 3. Емкость токоведущих частей относительно земли: распределенная (а) и эквивалентная (б).
Емкость относительно земли — элемент, распределенный по длине линии. Однако при анализе условий
электробезопасности распределенную емкость заменяют сосредоточенной эквивалентной и применяют аппарат
теории цепей с сосредоточенными параметрами. Это справедливо, так как длина электромагнитной волны промышленной
частоты 50 Гц равна 6000 км ( l = c/f), то есть она существенно больше геометрических размеров электрической
сети любого промышленного объекта. Емкость как распределенный элемент учитывается при анализе нестационарных
высокочастотных процессов типа импульсных перенапряжений в сети при внезапных замыканиях на землю и при расчете
процессов в протяженных линиях передачи электроэнергии.
Другим источником емкости (основным по количественному значению) являются фильтры защиты аппаратуры автоматики
и радиоэлектронной аппаратуры от помех. Эти фильтры устанавливают у источника помехи и в цепях питания радиоэлектронной аппаратуры.
В любой сети постоянного тока или промышленной частоты при каждом разрыве электрической цепи возникают высокочастотные
электромагнитные колебания (электромагнитные помехи), которые как излучаются во внешнее пространство,
так и проходят по сети. Генераторами подобных помех являются коммутационные аппараты (контакторы, реле),
коллекторные электрические машины и тому подобные элементы. Другим источником помех являются нелинейные
элементы сети, искажающие форму кривой напряжения и генерирующие высокочастотные составляющие (например, полупроводниковые выпрямители).
Обычно уровень электромагнитных помех снижают путем применения емкостных помехоподавляющих фильтров.
Например, конденсаторы Cf включаются между каждой щеткой коллекторной электрической машины и корпусом.
При этом для высокочастотной электромагнитной помехи внутри корпуса машины создается контур
«щетка Щ1-конденсатор Cf-корпус-конденсатор Cf-щетка Щ2», имеющий бесконечно низкое сопротивление
Xc = 1/2p nfCf,
где n — кратность частоты помехи по отношению к основной гармонике 50 Гц. В результате помеха не выходит за пределы корпуса машины.
Емкость каждого фильтра в зависимости от конкретных обстоятельств лежит в диапазоне 0,049–10 мкФ и более.
Емкость ухудшает изоляционные параметры сети, снижая эквивалентное сопротивление токоведущих частей относительно земли
при исправной электрической изоляции. Например, если имеем эксплуатационный уровень эквивалентного сопротивления
изоляции сети 600 кОм, то при значении емкости 1 мкФ он снижается в 200 раз — до 3 кОм; если емкость составляет 100 мкФ,
то он падает в 20000 раз — до 30 Ом.
Емкость оказывает на сеть и другие виды негативного воздействия. Так, при каждом подключении приемников электроэнергии
(отдельных участков сети) она в процессе своего заряда генерирует импульсные перенапряжения; при определенных
обстоятельствах последние могут сформировать электрические пробои воздушных зазоров и дуговые замыкания.
Паразитные емкостные связи способствуют выносу переменного напряжения сети питания в цепи систем автоматического
управления и контроля; в результате нарушения работы систем автоматики могут сформироваться разнообразные
аварийные ситуации на объектах.
Таким образом, анализ условий электробезопасности как на стадии разработки проекта электроустановки, так и при ее эксплуатации должен выполняться с учетом параметров цепей связи токоведущих элементов с землей. В качестве примера на рис. 3, б приведена эквивалентная схема трехфазной сети с изолированной нейтралью.
