Исследование эффективности действия защитного заземления в электроустановках напряжением до 1000 В

 

4.2.7. Связь между заземляющими устройствами

нескольких  аналогичных установок

 

 Защитные заземляющие устройства аналогичных электроустановок, получающих энергию от одной и той же сети с изолированной нейтралью, целесообразно соединять электрически или выполнять их как одно целое. Дело в том, что при замыкании на корпус разных фаз в двух установках, имеющих раздельные заземляющие устройства (рис. 4.6) возникает двойное замыкание на землю.

 При двойном глухом замыкании на землю эффективность заземления резко снижается, так как ток замыкания на землю зависит от величины сопротивлений тех заземляющих устройств, которые участвуют в цепи замыкания.

Рис. 4.6. Схема двойного глухого замыкания на землю

 

В случае замыкания на корпус 1 фазы А и на корпус 2 фазы В через заземления с сопротивлениями R_з1 и R_з2, не соединенные между собой, будет протекать ток замыкания на землю, который определяется по закону Ома:

,    (4.13)

где  и – напряжения фаз А и В относительно земли;

R_з1 и R_з2 – сопротивления заземляющих устройств установок 1 и 2 соответственно, Ом.

При этом

,    (4.14)

где   U_ab – напряжение между фазами А и В, то есть линейное напряжение сети, В.                                                         

Тогда  ток замыкания  определится из выражения 

    (4.15)

 

или модуль тока замыкания  на землю

,     (4.16)

где U – фазное напряжение сети, В.

Напряжения поврежденных фаз и корпусов, на которые произошло замыкание, относительно земли можно определить как падения напряжения в сопротивлениях заземлений R_з1 и R_з2:

; .    (4.17)

Подставив в эти выражения  значения тока замыкания на землю, получим:

,     (4.18)

,     (4.19)

где U_ab – линейное напряжение сети, В.

Эти выражения показывают, что напряжения каждой из двух поврежденных фаз и заземленных корпусов относительно земли являются частью линейного напряжения, которое делится пропорционально сопротивлениям R_з1 и R_з2. Если уменьшить сопротивление любого заземлителя, напряжения относительно земли перераспределяются, но одно из них остается опасным.

При равенстве R_з1 и R_з2 напряжения, возникшие на заземлённом оборудовании обеих установок, оказываются одинаковыми:

.     (4.20)

Такое напряжение на заземлённых  элементах установок опасно в  отношении поражения током, тем более что двойное замыкание в этом случае может существовать длительно.

Например, в сети напряжением 380 В произошло двойное замыкание на землю. Сопротивление заземлителя R_з1 = R_з2 = 4 Ом. Ток замыкания на землю

Напряжение заземленных  корпусов относительно земли 

U_aз=U_bз=47,5·4=190 В.

В процессе эксплуатации второго заземлителя его сопротивление увеличилось до 16 Ом, ток замыкания на землю уменьшился до 19 А, а напряжения корпусов относительно земли перераспределились: U_aз=76 В; U_bз=304 В.

Если же заземляющие устройства установок 1 и 2 соединить с помощью металлических шин или заземлители их выполнить как одно целое, то двойное замыкание на землю превратится в короткое замыкание между фазами, что вызовет быстрое отключение электроустановок от сети максимальной токовой защитой, т.е. обеспечит кратковременность аварийного режима. Вместе с тем в течение аварийного периода резко уменьшится напряжение на оборудовании, так как при этом значительно увеличится падение напряжения в сопротивлениях обмоток трансформатора и фазных проводов вследствие прохождения через них большого тока короткого замыкания.

При невозможности соединить  заземляющие устройства (из-за больших  расстояний и по другим причинам) необходимо оснастить эти установки релейной защитой от однофазных или двойных замыканий на землю.

 

 

4.2.8. Сравнение защитных свойств заземления в сетях

с изолированной и глухозаземлённой нейтралями

 

Защитное заземление может быть эффективно только в том случае, если ток замыкания на землю не увеличивается с уменьшением сопротивления заземления. Это возможно в сетях с изолированной нейтралью (системы IT) , где при глухом замыкании на землю или на заземленный корпус, ток не зависит от величины сопротивления заземления, а также в сетях напряжением выше 1000 В с изолированной и заземленной нейтралью. В последнем случае замыкание на землю является коротким замыканием, причем срабатывает максимальная токовая защита.   

Рассмотрим защитные свойства заземления на примере трёхфазных сетей с системами заземления TT и IT (рис. 4.7).

а

б

Рис. 4.7. Замыкание фазы на заземлённый корпус в сети с глухозаземлённой нейтралью (а) и в сети с изолированной нейтралью (б).

При замыкании фазы на заземлённый  корпус электроустановки, напряжение на нём (U_к) окажется равным потенциалу заземлителя (φ_з) и в любых случаях будет меньше фазного напряжения. Напряжение на заземлённом корпусе определяется током замыкания (I_з), стекающим через заземлитель, и сопротивлением заземлителя (R_з), т.е.

.     (4.21)

Величина I_з будет зависеть от режима нейтрали электрической сети (рис. 4.7).

В сети с глухозаземленной нейтралью (система TT) открытые проводящие части заземлены и не соединены с нулевым защитным проводником. Роль нулевого защитного проводника выполняет земля.

При замыкании фазы на корпус по цепи, образовавшейся через  землю, будет проходить ток

,      (4.22)

где U_ф  - фазное напряжение сети, В;

R_о и R_з – сопротивление заземления нейтрали и корпуса электроустановки соответственно, Ом.

Сопротивления обмоток источника тока (например, трансформатора, питающего данную сеть) и проводов сети малы по сравнению с R₀ и R_к, поэтому их в расчёт не принимаем.

В результате протекания тока через сопротивление R_з в землю на корпусе возникает напряжение относительно земли U_к, В, равное падению напряжения на сопротивлении R_з:

.     (4.23)

Ток I_з может оказаться недостаточным, чтобы вызвать срабатывание максимальной токовой защиты, т.е. повреждённая установка может не отключиться. Например, при U_ф = 220 В и R_о = R_з=4 Ом

I_з = 220/(4+4) = 27,5 А.

Если  при этом ток  срабатывания защиты больше I_з (в рассматриваемом примере больше 27,5 А), то отключения не произойдёт и корпус электроустановки будет находиться под напряжением

U_к=220х4/(4+4)=110 В,

что значительно больше допустимого значения напряжения прикосновения.

В сети с изолированной  нейтралью (система IT), при замыкании фазы на корпус, ток замыкания определится из выражения:

,      (4.24)

где r – сопротивление изоляции фазного проводника, Ом.

Поскольку сопротивление  заземления нейтрали R_о много меньше сопротивления изоляции r, то ток I_з, а следовательно, и напряжение на корпусе в сети с глухозаземлённой нейтралью будет намного больше, чем в сети с изолированной нейтралью. Кроме того, напряжение на корпусе будет зависеть от соотношения между сопротивлением R_о и R_з. Например, при уменьшении R_о относительно R_з напряжение на корпусе, согласно формулам (4.21) и (4.22) возрастает. Ввиду указанных недостатков заземление как основная мера защиты в сетях с глухозаземлённой нейтралью напряжением до 1000 В не применяется.

Поэтому, если в сети с  изолированной нейтралью для  обеспечения безопасности часто достаточно заземлить корпуса электроустановок и обеспечить высокое сопротивление изоляции, то в сети с глухозаземлённой нейтралью следует обеспечить автоматическое отключение повреждённой электроустановки от сети. Для системы TN такое отключение достигается применением защитного зануления и устройств защитного отключения, для системы TT – обязательным применением устройств защитного отключения.

В сети с изолированной  нейтралью ток замыкания на землю  практически не увеличивается с уменьшением сопротивления заземлителя, поскольку r>> R_з. Поэтому в таких сетях защитное заземление используется как основная мера защиты.

 

4.3. Экспериментальная часть

 

4.3.1. Описание лабораторного стенда

 

Стенд представляет собой  настольную конструкцию с вертикальной передней панелью. На лицевой панели стенда (рис. 4.8) изображена мнемосхема системы «электрическая сеть – потребители», которая содержит изображение источника питания (трехфазная сеть), фазных и защитных проводников, электропотребителей: полуактивного (корпус 1), активного (корпус 2) и пассивного (корпус 3), соответствующего классу защиты I от поражения электрическим током (ГОСТ РМЭК 61140-2000).

Индикация наличия фазных напряжений осуществляется тремя светодиодными индикаторами – желтым (фаза А), зеленым (фаза В) и красным (фаза С).

Стенд позволяет моделировать два, способа защиты - защитное заземление и зануление. Подключение корпусов 1 и 2 к РЕ-проводнику (зануление) или к заземляющим устройствам осуществляется путем соединения гибким проводом со штекерами клемм «X₁» или «Х₂» с одной из соответствующих клемм «X_PE1», «X_PE2» или «Х_ЗМ1», «Х_ЗМ2». Реально существующие распределенные сопротивления изоляции проводов (фазных и нулевого) относительно земли изображены на мнемосхеме в виде сосредоточенных элементов – резисторов, расположенных справа («R_AE», «R_BE», «R_CE», «R_NE»).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4.8 Лицевая панель стенда

 

На поле мнемосхемы, рядом  с изображениями элементов моделируемой сети, размещены коммутационные элементы и регуляторы с соответствующими буквенно-цифровыми обозначениями, выполняющими следующие функции:

• изменение значений фазных напряжений «U_ф» в диапазоне 220В±10% (не является необходимым средством для проведения лабораторных работ; может применяться для исключения получения одинаковых результатов разными группами студентов);
• изменение значений сопротивления изоляции проводов «R_AE», «R_BE», «R_CE», «R_NE»: 1; 5; 10; 20 кОм;
• имитацию подключения автоматическими выключателями активного 
  (корпус 2) и полуактивного (корпус 1) потребителей кнопками без фиксации с 
  индикацией, соответственно S₂ и S₁. При нажатии на эти кнопки потребитель считается включенным, о чем свидетельствует загорание соответствующего светодиода внутри кнопки; при отжатии, либо при срабатывании защиты корпуса, либо по нажатию кнопки «СБРОС» потребитель отключается от сети, и соответствующий светодиод гаснет. Корпус 3 является пассивным и изображен как однофазный потребитель;
• имитацию замыкания корпусов 1 и 2 на фазы соответственно «А» и «В» нажатием кнопок с фиксацией и индикацией «S_КЗ1» и «S_КЗ2». О замыкании корпуса при нажатии кнопки свидетельствует загорание соответствующего светодиода, при отжатии кнопки происходит размыкание корпуса от фазы, и светодиод внутри кнопки гаснет;
• изменение значений сопротивлений РЕ-проводника «R_PE»: 0,1, 0,2 и 0,5 Ом (сопротивления участков «нейтраль – корпус 1» и «корпус 1 – корпус 2» условно считаются равными);
• изменение значений переходного сопротивления между корпусом 2 и зануляющим проводником «R_ПЕР»: 0; 0,1 и 0,5 Ом;
• изменение значений сопротивления заземления корпуса 2 «R_ЗМ2»: 4; 10; 100 Ом;
• изменение значений сопротивления повторного заземления «R_ПОВ»: 4; 10; 100 Ом; значение R_ПОВ = ∞ означает отсутствие повторного заземления;
• имитацию обрыва РЕ-проводника тумблером «S_ОБР» при переводе его в нижнее положение;
• переключение режима нейтрали «глухозаземленная (переключатель «S_N» в верхнем положении) – изолированная» (переключатель «S_N» в нижнем положении) с одновременным подключением (отключением) РЕ- и N-проводников («S_N»).

Сопротивления заземления нейтрали «R₀» и заземления корпуса 1 «R_ЗМ1» установлены постоянными и равными 4 Ом.

Сопротивления фазных проводов «R_A, R_B, R_C» установлены постоянными и равными 0,1 Ом по каждой фазе, распределены равномерно на двух участках проводника – от нейтральной точки до корпуса 2 и после корпуса 2; на мнемосхеме изображены пунктиром.

Реальные уровни напряжений на доступных прикосновению частях стенда составляют не более 3 В и не представляют опасности поражения электрическим током.

Индикация токов (Амперметр) и напряжений (Вольтметр) в моделируемой трехфазной сети, а также времени срабатывания автоматического выключателя корпуса 2 (Секундомер) осуществляется цифровыми индикаторами в нижней части стенда. Индицируемые параметры зависят от положения переключателей «А₁ – А₂» (ток короткого замыкания и ток, стекающий с заземлителя «А₁» и ток замыкания на землю через повторное заземление РЕ-проводника «А₂») и «U_A – U_B – U_C – U₀ – U₁ – U₂ – U₃ – U_ф» (напряжения фазных проводов, нейтральной точки, а также корпусов 1, 2, 3 относительно земли) и фазных напряжений U_ф (между нулевой точкой и другими концами обмоток, цепь симметричная).

Срабатывание автоматического  выключателя корпуса 2 и соответствующая индикация времени срабатывания происходят при токах свыше 200 А.

По принципу работы стенд  является цифровым микропроцессорным  устройством, вычисляющим по соответствующим формулам параметры сети в зависимости от комбинаций коммутационных элементов на передней панели стенда. Результаты вычислений выводятся на цифровые индикаторы. Индикаторы отображают «измеренные» (вычисленные) значения параметров по нажатию кнопки «ИЗМЕРЕНИЕ», расположенной справа в нижней части передней панели; показания сбрасываются нажатием кнопки «СБРОС», расположенной там же. Стенд устроен таким образом, что позволяет длительно сохранять режим замыкания фазных проводов на корпуса электропотребителей 1 и 2 и полученные при этом результаты измерений исследуемых параметров.

Т.к. только корпус 2 является активным, т.е. работающим при всех экспериментах, работа стенда осуществляется только при условии включения корпуса 2 и замыкания на землю фазы «В» (кнопка с фиксацией и индикацией «SКЗ2»). Если будет попытка произвести измерение при несоблюдении этого условия, на цифровых индикаторах высветится цифра «2», (напоминание о необходимости подключить и «закоротить» корпус 2).

В памяти стенда «зашиты» в основном комбинации, относящиеся к лабораторным работам в соответствии с данными «Методическими указаниями». В случае набора некоторых не предусмотренных комбинаций на цифровые индикаторы выводится символ «----».