Адрес этой страницы' ?>

§ 11. Защита от опасности перехода напряжения

В практике эксплуатации электроустановок возможны случаи, когда отдельные части установки, нормально изолированные от токоведущих частей, могут оказаться под напряжением вследствие пробоя изоляции или других неисправностей. К таким частям относятся каркасы щитов управления и распределительных щитов, металлические оболочки кабелей и проводов, металлические корпусы электрических машин и связанные с ними станины станков, корпусы трансформаторов, осветительной арматуры, рубильников, выключателей и других приборов, доступные для прикосновения.

Случайное электрическое соединение токоведущих частей электроустановки, находящихся под напряжением, с нетоковедущими металлическими конструктивными частями, возникшее непосредственно в машинах, аппаратах, приборах и т. п., называется «замыканием на корпус» или «пробоем на корпус».

Прикосновение человека к корпусу электроустановки, находящемуся под напряжением, вызовет прохождение тока через тело человека и может быть причиной травматического случая. Для предотвращения поражения людей электрическим током выполняют защитное заземление, зануление или защитное отключение электроустановки.

Защитное заземление. Это преднамеренное соединение с землей металлических частей оборудования, не находящихся под напряжением в обычных условиях, но которые могут оказаться под напряжением вследствие нарушения изоляции электроустановки. На рис. 15 приведена принципиальная схема защитного заземления.

Рис. 15. Принципиальная схема защитного заземления

Если корпус не имеет контакта с землей, то прикосновение к нему в этом случае так же опасно, как и прикосновение к фазе. Если же корпус соединен с землей (рис. 15), он окажется под напряжением

Uз = IзRз.

Из уравнения следует, что чем меньше величины Iз (ток замыкания на землю) и Rз (сопротивление заземления), тем меньший ток пройдет через человека. Поэтому защитное заземление должно рекомендоваться к применению прежде-всего в электроустановках с малыми токами замыкания на землю. В то же время следует добиваться и наименьшего сопротивления заземления. Однако это не всегда возможно.

В сетях с изолированной нейтралью при замыкании на землю или на заземленный корпус сила тока практически не зависит от величины сопротивления заземления. Поэтому устройство эффективной защиты путем заземления электрооборудования не представляет затруднения. В аналогичных сетях напряжением до 1000 В, но с заземленной нейтралью ток замыкания на землю с уменьшением сопротивления заземления увеличивается и достигнуть эффективности защитного заземления чрезвычайно затруднительно.

В сетях с большими токами замыкания на землю, т. е. в сетях напряжением выше 1000 В с заземленной нейтралью защитное заземление применяется, но принцип защиты иной. В последнем случае замыкание на землю является коротким замыканием, причем срабатывает максимальная токовая защита.

Устройство заземления. Защитное заземление устраивается исключительно для устранения опасности поражения людей электрическим током при появлении напряжения на конструктивных частях электрооборудования, нормально не находящихся под напряжением, т. е. при "замыкании на корпус". Принцип действия защитного заземления — снижение до безопасных значений напряжений прикосновения и шага, обусловленных «замыканием на корпус». Это достигается путем уменьшения потенциала заземленного оборудования, т. е. сопротивления заземления, а также путем выравнивания потенциалов за счет подъема потенциала основания, на котором стоит человек, до потенциала, близкого по величине к потенциалу заземленного оборудования.

В зависимости от места размещения заземлителя относительно заземляемого оборудования различают два типа заземляющих устройств: выносное и контурное.

Рис. 16. Выносное заземление:

1 — заземлители; 2 — заземляющие проводники (магистрали);

3 — заземляемое оборудование

Выносное заземляющее устройство (рис. 16) характеризуется тем, что заземлитель его вынесен за пределы площадки, на которой размещено заземляемое оборудование. Поэтому выносное заземление называют также сосредоточенным. Поскольку заземляемые корпуса находятся вне поля растекания электрического тока, то человек, касаясь корпуса, оказывается под полным напряжением относительно земли Uз:

Uпр=Uз, где Uпр — напряжение прикосновения.

Выносное заземление защищает только за счет малого сопротивления заземления и небольшого тока замыкания на землю. Этот тип заземления применяется, в частности, для защиты электрооборудования, механических и сборочных цехов, питаемого током от сети напряжением до 1000 В. Ток однополюсного замыкания на землю в такой сети не превышает 10 А.

Рис. 17. Контурное заземление

Контурное заземляющее устройство (рис. 17) характеризуется тем, что его одиночные заземлители размещаются по контуру (периметру) площадки, на которой находится заземляемое оборудование, а также внутри этой площадки. Часто одиночные заземлители распределяются по всей площадке равномерно, и поэтому контурное заземление называется также распределенным.

Безопасность при контурном заземлении обеспечивается за счет выравнивания потенциала на защищаемой территории до такой величины, чтобы максимальные значения напряжений прикосновения и шага не превышали допустимых значений. Это достигается путем соответствующего размещения заземлителей на защищаемой территории.

Контурное заземление применяется в установках напряжением выше 1000 В (на открытых подстанциях и т. п.). На рис. 17 показано распределение потенциала в момент замыкания фазы на корпус на открытой подстанции, имеющей контурное заземление. Как видно из рисунка, изменение потенциала в пределах контура заземления происходит плавно и напряжения прикосновения Uпр и шага Uш имеют небольшие значения. За пределами контура по его краям наблюдается крутой спад потенциала. Чтобы исключить опасные шаговые напряжения, которые особенно высоки при больших токах замыкания на землю, по краям контура за его пределами укладываются в землю на различной глубине дополнительные стальные полосы. Благодаря этому спад потенциала происходит по пологой кривой (рис. 18).

Рис. 18. Выравнивание потенциалов за пределами контура:

1 — спад потенциала в земле; б — спад потенциала вдоль шин

Зануление. Защитным занулением называется намеренное соединение нетоковедущих частей, которые случайно могут оказаться под напряжением, с многократно заземленным нулевым проводом питающей сети. Зануление применяется в сетях напряжением до 1000 В с заземленной нейтралью. При занулении корпус электрооборудования соединяется с четвертым — нулевым проводом этой сети (рис. 19).

Рис. 19. Схема защитного зануления

При пробое на корпус происходит короткое замыкание между поврежденной фазой и нулевым проводом. В цепи короткого замыкания нарастающий ток обеспечивает срабатывание защиты и тем самым автоматически отключает поврежденную установку от питающей сети. В качестве защиты применяются плавкие предохранители или максимальные токовые автоматы, магнитные пускатели с встроенной тепловой защитой и другие устройства.

Повторное заземление нулевого провода повышает эффективность защиты: снижает напряжение на корпусе в момент короткого замыкания и значительно уменьшает опасность поражения током, возникающую в результате обрыва нулевого провода. Поэтому устройство повторных заземлений нулевого провода обязательно должно выполняться на концах ответвлений длиной более 200 м, а также в середине линии и ответвления длиной 500 м.

Рис. 20. Схема защитного отключения

Защитное отключение. Это устройство, обеспечивающее быстрое автоматическое отключение электроустановки при возникновении напряжения на ее корпусе. Известны различные схемы защитного отключения. Одна из схем показана на рис. 20. В этой схеме выключатель состоит из электромагнитной катушки 5 и сердечника 4, которые через защелку удерживают рубильник 2 во включенном положении. Один зажим электромагнитной катушки присоединяется к корпусу защищаемой электроустановки 1, другой — к заземлению.

При появлении напряжения на корпусе защищаемой электроустановки ток проходит также через обмотку катушки, вследствие чего сердечник катушки электромагнита втягивается внутрь. Удерживаемый ранее защелкой сердечника рубильник освобождается и под действием пружины 3 выключает поврежденную электроустановку. Электромагнит может быть отрегулирован на действие тока небольшой величины, например, на 20 В или меньше.

По сравнению с защитным заземлением защитное отключение имеет следующие преимущества: напряжение, возникающее на защищаемом объекте, не может быть выше заранее установленного регулировкой; сопротивление защитного заземления может быть весьма высоко (порядка 100—150 Ом), вследствие чего оно легче осуществимо.

Область применения защитного отключения практически неограничена: оно может применяться в сетях любого напряжения и с любым режимом нейтрали.

Защитное отключение является весьма рациональной мерой защиты в электроустановках, когда по каким-либо причинам трудно осуществить эффективное заземление или зануление, например, в передвижных электроустановках, а также в стационарных, расположенных в районах с плохо проводящими грунтами и т. п. Оно должно рекомендоваться для ручных электроинструментов, которые в огромном количестве применяются в машиностроении.

Защита от опасности перехода высокого напряжения в сеть низкого напряжения. В силовых и измерительных трансформаторах возможны случаи электрического соединения между первичными и вторичными обмотками, вследствие чего высокое напряжение переходит в сеть низкого напряжения. Опасность перехода напряжения из сети высшего напряжения в сеть низшего напряжения устраняется в сетях с изолированной нейтралью устройством заземления нейтрали и установкой на пути к заземляющему устройству пробивного предохранителя (рис. 21).

Рис. 21. Схема защиты от опасности перехода высшего напряжения в сеть низшего

Пробивной предохранитель состоит из двух металлических дисков, изолированных один от другого тонкой слюдяной пластинкой с отверстиями. Один из дисков соединен с нейтралью, другой — с заземляющим устройством. При нормальных условиях-предохранитель изолирует вторичную обмотку трансформатора от земли. В случае пробоя изоляции и перехода высшего напряжения в сеть низшего происходит пробой воздушного зазора между дисками через отверстия в слюдяной пластинке. В результате этого сеть высокого напряжения окажется заземленной и автоматически отключится.

Защита с помощью пробивного предохранителя эффективна в трансформаторах с напряжением на первичной обмотке не менее 3000 В. При меньших напряжениях пробивной предохранитель не всегда срабатывает.