Лекція 5 Аналіз небезпеки дотику до струмоведучих частин, які знаходяться під напругою

Двофазний дотик у трифазних мережах. Випадковий дотик людини одночасно до двох фаз трифазної мережі або до двох полюсів у мережі постійного струму може відбутися у процесі експлуатації діючої електроустановки в результаті помилкових дій персоналу (наприклад, при роботах без зняття напруги та без застосування засобів захисту) [3].

При двофазному (двополюсному) дотику тіло людини може бути ввімкнене в електричне коло за різними схемами.

Рисунок 5.1 – Схема двофазного дотику людини в мережі з ізольованої нейтраллю

Рисунок 5.2 – Чотирипроводова трифазна система із заземленою нейтраллю джерела живлення

Рисунок 5.3 – Замикання на корпус у мережі із заземленої нейтраллю при наявності занулення

Наприклад, людина, ізольована від землі, торкається двох фаз руками (рис. 5.1), стоячи на ізольованих сходах або на дерев'яній опорі, опорі повітряної лінії електропередачі, при перенесенні тимчасової електропроводки з ушкодженою ізоляцією, при підтягуванні болтових з'єднань ошиновки розподільчого пристрою напругою до 1 кВ, ввідних контактів апаратів й електроприймачів тощо. У цьому випадку крізь людину на ділянці рука – рука, опір якої визначається головним чином станом шкіри рук, протікатиме струм І_люд = U/R_люд, величина якого не залежить від опору взуття, підлоги або основи, на якій стоїть людина. Якщо прийняти в якості розрахункової величини опору людини R_люд = 1000 Ом, то при лінійній напрузі електроустановки U_л = 220 B сила струму дорівнюватиме 0,22 А, тобто є смертельно небезпечною. Ще небезпечнішим буде двофазний дотик за схемою голова – руки та голова – ноги, оскільки при цьому струм проходить крізь життєво важливі органи.

Однофазний дотик у трифазній мережі із заземленою нейтраллю. У промислових, міських і сільських схемах електропостачання на останній ланці широко застосовується чотирипроводова система з номінальною напругою 380/220 В із заземленої нейтраллю трифазного трансформатора. (рис. 5.2). Перевагою такої системи є сумісне живлення від одного джерела силового й освітлювального навантажень, тобто трифазних електроприймачів напругою 380 В та однофазних (освітлення) напругою 220 В. Заземленням нейтрали вторинної обмотки силового трансформатора забезпечується захист від переходу вищої напруги первинної обмотки на вторинну мережу при порушенні ізоляції між обмотками трансформатора, а також з'являється можливість забезпечити захист людей від ураження електричним струмом при торканні кожухів електроустаткування з ушкодженою ізоляцією. Для цього корпуси електроустаткування з'єднуються із заземленої нейтраллю трансформатора за допомогою четвертого, заземленого нульового проводу (рис. 5.3). У випадку замикання однієї фази на корпус електроприймача, в колі замикання виникає струм однофазного короткого замикання, який значно перевищує номінальний струм захисного апарата. У результаті максимальний струмовий захист спрацьовує та відключає електроприймач. Такий спосіб захисту називається зануленням.

При нормальному режимі роботи трифазної мережі із заземленої нейтраллю або справній ізоляції фаз щодо землі, людина у випадку однофазного дотику потрапляє під фазову напругу .

В аварійному режимі при замиканні фази на корпус напруга на ньому щодо землі зберігатиметься дуже короткий час, рівний часу спрацьовування захисту. Якщо замикання на корпус відбудеться через деякий перехідний опір (неповне замикання) або захист з якої-небудь причини не спрацює та не відключить аварійну ділянку мережі, на корпусі електроприймача напруга щодо землі зменшиться в порівнянні з фазною, у той час як напруги двох інших фаз зі справною ізоляцією збільшаться.

На рисунку 5.4 показана принципова схема й векторна діаграма напруг для випадку замикання на землю (корпус), яке не відключилося, у системі із заземленої нейтраллю. З діаграми видно, що при замиканні фази А на землю її напруга щодо землі U_А зменшиться. В ідеальному випадку, якщо перехідний опір у місці замикання R_зам близький до нуля, напруга в місці замикання впаде до нуля, у той же час напруги фаз В та С збільшаться до величини лінійної напруги мережі, отже, різко зросте струм через тіло людини при однофазних дотиках до двох інших фаз (В і С). Якщо ж у місці замикання на землю виявиться значний перехідний опір R_зам, то з урахуванням опору робочого заземлення нейтрали струм однофазного замикання І_з = U_ф/(R₀ – R_зам) може бути менше величини уставки спрацьовування захисту й електроустановка виявиться тривалий час у стані підвищеної небезпеки ураження електричним струмом.

Приклад 5.1. У мережі 380/220 В при величині опору заземлення нейтрали трансформатора R₀ = 3 Ом і перехідному опорі R_зам = 8 Ом струм однофазного замикання складе Із = 220/(3 + 8) = 20 А. Напруга пошкодженої фази А дорівнюватиме U_А = I_з∙R_зам = 20∙8 = 160 В. Напруга зсуву нейтрали складе U₀ = I_з∙R₀ = 20∙30 = = 60 В. Напруга щодо землі двох інших фаз із неушкодженою ізоляцією визначається з векторної; діаграми на рисунку 5.4, в за формулою

. (5.1)

У цьому прикладі напруги фаз В і С дорівнюватимуть:

а – пояснювальна схема і графік напруги щодо землі; б – розрахункова схема;

в – векторна діаграма

Рисунок 5.4 – Однофазний дотик у мережі із заземленої нейтраллю при наявності замикання на землю фази А

В.

Отже, у випадку замикання на землю, яке не відключилося, в мережі із заземленої нейтраллю небезпека при однофазному дотику підвищується, і це треба враховувати при проектуванні й експлуатації електроустановок. У розглянутому прикладі при торканні фази В або С розрахунковий струм крізь людину дорівнюватиме

І_люд = U_Bз/R_люд = 255/1000 = 0,255 А = 255 мА,

тобто смертельно небезпечний.

У розрахунку не враховувалися додаткові опори в колі замикання взуття (R_вз) і основи (підлоги), на якій стоїть людина (R_п). Тому фактична величина струму крізь тіло людини буде трохи меншою. З огляду на захисні властивості взуття, обслуговуючому персоналу рекомендується на роботі перебувати в сухому взутті, без цвяхів, а при роботах у сирих виробничих приміщеннях та у зовнішніх електроустановках надягати діелектричні калоші.

Однофазний дотик у трифазній мережі з ізольованої нейтраллю. На другому щаблі електропостачання промислових підприємств живлення цехових (міських, сільських) знижувальних підстанцій здійснюється повітряними або кабельними лініями напругою 6 – 35 кВ від вторинних обмоток понижуючих трансформаторів енергосистем. Ці мережі працюють з ізольованими від землі нейтралями й, отже, з малими струмами замикання на землю.

Ємнісний струм однофазного замикання на землю визначається за наближеною формулою

, (5.2)

де U_л – лінійна напруга мережі, кВ;

l_к – довжина електрично зв'язаних між собою приєднаних до джерела живлення кабельних ліній, км;

l_пов – довжина приєднаних повітряних ліній, км.

Приклад 5.2. Від шин знижувальної підстанції напругою U_л = 10 кВ відходять кабельні лінії загальною довжиною 10 км і повітряні лінії довжиною 20 км. Визначити ймовірну величину струму замикання фази на землю.

Рішення. За формулою (5.2) знаходиться величина струму

А.

Отримана величина струму менша струму навантаження в аварійній лінії, тому максимальний струмовий захист не спрацьовує на відключення.

Нормативні документи дозволяють продовжувати роботу мереж напругою 6 – 35 кВ із малими струмами замикання на землю при однофазному замиканні на землю нетривалий час (близько 2 год.), протягом якого треба ввімкнути резервну лінію, а ушкоджену вивести в ремонт.

У цих мережах максимальний струмовий захист від однофазних замикань працює не на відключення, а на сигнал. Крім того, ведеться постійний контроль стану ізоляції.

У кабельній лінії при пробої фази на заземлену оболонку створюється перемежована електрична дуга (при малій величині струму І_з дуга у місці пробою, запалюючись, розкладає масло-каніфолевий наповнювач кабельного паперу, в атмосфері газу, що виділяється, дуга гасне, а потім знову виникає). Цей процес супроводжується перенапругою в мережі та ймовірністю пошкодження ізоляції двох інших фаз трижильного кабелю, що призводить вже до короткого замикання.

З метою зменшення величини струму І_з, обумовленого в мережах напругою вище 1 кВ головним чином значною ємністю фаз щодо землі, у нейтраль джерела живлення вмикається спеціальний реактор, який іноді називається дугогасною котушкою (рис. 5.5), з індуктивністю L₀, розрахованою на компенсацію ємнісного струму. Реактивні складові струму реактора I_L і струму І_з перебувають у протифазі та взаємно компенсуються.

Розглянемо докладніше питання однофазного дотику в трифазній мережі з ізольованої нейтраллю джерела живлення.

При рівності провідностей ізоляції фаз щодо землі має місце симетрія напруг фаз щодо землі U_з, причому . При замиканні фази на землю симетрія напруги порушується.

Рисунок 5.5 – Схема вмикання реактора у нейтраль трансформатора

Рисунок 5.6 – Векторні діаграми напруг фаз щодо землі

На рисунку 5.6 наведені векторні діаграми лінійних напруг мережі та фазних напруг щодо землі для випадків: замикання немає, активні опори та ємності ізоляції фаз щодо землі рівні (а), фаза А має неповне замикання на землю, наприклад, через тіло людини, яка доторкнулася до неї (б) та фаза А заземлена (в).

Як видно з векторної діаграми для випадку а, напруги всіх фаз щодо землі рівні, причому . Тому однофазний дотик буде однаково небезпечним до будь-якої фази. У випадку б (фаза А має неповне замикання на землю) дотик до фаз В і С буде небезпечнішим, чим до фази А. У випадку в дотик до фази А буде безпечним, оскільки її напруга щодо землі близько до нуля.

Нижче наводиться розв’язання завдання визначення величини струму крізь тіло людини І_люд при однофазному дотику в мережі зі справною ізоляцією та рівними ємностями фаз С_із щодо землі.

На рисунку 5.7 наведена пояснювальна схема дотику людини до фази А та схема заміщення, відповідно до якої наводиться розрахунок.

Кожна фаза має сумарну провідність щодо землі:

, (5.3)

де g_із = 1/R_із; = 314 с^-1; ; С_із – ємність фази щодо землі, яка залежить від конструкції та довжини ліній електропередачі (кабельна, повітряна), підключених до джерела живлення.

а – пояснювальна схема; б – еквівалентна схема заміщення

Рисунок 5.7 – До розрахунку струму крізь людину при однофазному дотику в мережі з ізольованою нейтраллю

Провідність тіла людини можна вважати активною, тобто

. (5.4)

Для симетричного режиму, при якому провідності фаз щодо землі рівні Y_ізА = Y_ізВ = Y_ізС = Y_із, потенціал нейтрали та її напруга щодо землі дорівнюють нулю. Після включення людини між фазою А і землею симетрія напруг U_з порушиться і напруга нейтрали щодо землі дорівнюватиме

. (5.5)

Тоді струм, який проходить крізь тіло людини, становитиме

, (5.6)

де – напруга даної фази (фаза А) щодо землі або

. (5.7)

Підставляючи у (5.7) напругу зсуву нейтрали з (5.5), одержимо величину струму крізь людину:

(5.8)

або

. (5.9)

Заміняючи провідність ізоляції її опором, одержимо

, (5.10)

де – повний опір ізоляції з урахуванням активної та ємнісної провідностей.

Струм крізь тіло людини й, отже, ступінь небезпеки залежать: від напруги дотику (напруги фази щодо землі); опору тіла людини, який у розрахунках заміняється еквівалентом, рівним R_люд = 1000 Ом; величини активної складової опору ізоляції, Ом; величини ємності ізоляції фаз щодо землі.

Відзначимо, що в мережах напругою до 1 кВ (220 – 660 В) ізоляція нормується величиною її опору між фазами й щодо землі, яка повинна бути не менше 0,5 МОм на кожній ділянці розгалуженої мережі.

У мережах напругою вище 1 кВ ( 6 – 35 кВ), виконаних кабелем або повітряних ліній, повний опір ізоляції визначається головним чином величиною ємності фаз С_із. Так, ємність однієї фази кабелю з паперовою ізоляцією становить близько 0,5 мкФ на 1 км його довжини. Довгі повітряні лінії також мають значну ємність. Тому однофазний дотик у мережах 6 – 35 кВ становить смертельну небезпеку, незважаючи на великий опір їхньої ізоляції. Такий дотик при необхідності допускається тільки за умови застосування надійних ізолюючих засобів захисту (ізолюючі площадки, штанги, покажчики напруги тощо).

З метою зниження небезпеки однофазного дотику в мережах напругою до 1 кВ з ізольованої нейтраллю джерела живлення іноді застосовуються електричне відокремлення мереж для живлення окремих електроприймачів або окремих невеликих ділянок мережі. Воно здійснюється за допомогою трансформаторів невеликої потужності з коефіцієнтом трансформації п = 1. Вторинне коло трансформатора, маючи малу довжину й, отже, великий опір ізоляції R_із та малу її ємність щодо землі, характеризується малою величиною струму крізь тіло людини при однофазному дотику відповідно до формули (5.10).

Приклад 5.3. Трифазна трипроводова електрична мережа номінальною напругою 380 В з ізольованої від землі нейтраллю трансформатора ТМ 160/10 номінальною потужністю 160 кВА, напругою 10/0,4 кВ складається з п'яти магістралей, до кожної з яких підключено в середньому до десяти відгалужень, виконаних ізольованими проводами. Опір ізоляції кожної окремої лінії (ділянки) відповідно до вимог ПУЕ становить R_із1 = 0,5 МОм. Визначити величину струму крізь тіло людини неізольованої від землі, яка доторкнулася до однієї фази. Опір тіла людини прийнятий R_люд = 1000 Ом.

Рішення. Загальне число ділянок розгалуженої мережі п = 50. Еквівалентний опір ізоляції однієї фази всієї мережі щодо землі R_із = 0,5/50 = 0,01 МОм = = 10 000 Ом.

За (5.10) знаходиться струм крізь тіло людини:

А = 50 мА.

Струм такої величини дуже небезпечний і допустимий протягом часу не більше 1 с. Приклад показує, що при більшій потужності джерела живлення й, отже, більшій довжині вторинної мережі, еквівалентний опір ізоляції фази буде ще меншим, а струм крізь тіло людини – більшим. Звідси випливає, що однофазний дотик у мережі напругою до 1 кВ з ізольованої нейтраллю також небезпечний.

Приклад 5.4. Трансформатор ТМ 1600/10 із вторинною номінальною напругою U_2ном = 11 кВ живить підстанцію підприємства двома кабельними лініями довжиною 2 км кожна. Визначити можливий струм крізь людину, не ізольовану від землі, при однофазному дотику. Опір ізоляції активний R_із ; опір ізоляції, обумовлений ємністю, X_Сіз = Z_із.

Рішення. Згідно з (5.2) ємнісний струм замикання фази на землю становитиме = 4,2 А.

Визначимо ємнісний опір фази щодо землі:

Z_ф = U_ф/I_фС = 660/4,4 = 1500 Ом,

тоді струм крізь тіло людини при однофазному дотику за (5.10)

А.

Розрахунки струму крізь тіло людини при однофазному дотику в трифазних мережах показують, що в усіх випадках будь-який дотик людини, не ізольованої від землі, при напругах мережі вище 42 В є небезпечним. Тому при проектуванні, монтажі й експлуатації електроустановок згідно з ПУЕ необхідно:

1) відповідна ізоляція струмоведучих частин;

2) зниження струмів замикання на землю шляхом компенсації їхньої ємнісної складової;

3) захисне заземлення електроустановок;

4) занулення;

5) захисне відключення;

6) вирівнювання електричних потенціалів у зонах розміщення електроустаткування;

7) застосування малих напруг;

8) електричне відокремлення мереж;

9) огородження струмоведучих частин;

10) застосування сигналізації, блокувань і знаків безпеки;

11) застосування індивідуальних засобів захисту.

Ці засоби захисту застосовують окремо або в сполученні залежно від номінальної напруги електроустановки, роду струму, режиму нейтрали джерела живлення, можливих умов включення людини в електричне коло, характеру приміщення тощо.

Земля як елемент електричної мережі. Напруга кроку. При обриві проводів повітряних ліній електропередач і їх контакті з землею, пробої кабельних ліній на землю, замиканні на неструмовідні елементи електроустановок, що мають контакт з землею, доторканні людини, яка стоїть на землі, до струмовідних частин під напругою тощо, земля стає елементом електричної мережі замикання на землю [4].

Структурні елементи можливої мережі замикання на землю та послідовність вмикання цих елементів в мережу наведені на рисунку 5.1, 5.3, 5.4, 5.7. Але в усіх перерахованих випадках у мережах замикання на землю обов'язковим є структурний елемент "земля".

З емля є специфічним провідником електричного струму – неоднорідним і нелінійним – зі змінною площею поперечного перерізу.

Тому, при проходженні струму в землі, на її поверхні виникає специфічне поле потенціалів, характер якого визначається конструкцією заземлювача, параметрами електричної мережі, властивостями ґрунту тощо.

Д

Рисунок 5.8 – Розподіл потенціалів на поверхні

землі в зоні розтікання струму

етальніше зупинимося на явищі протікання струму в землі для напівсферичного заземлювача, який знаходиться на поверхні землі (рис. 5.8).

Для такого заземлювача, при умові однорідності й електричній ізотропності ґрунту, можна вважати, що струм у всіх напрямках розтікатиметься рівномірно – як показано стрілками на рисунку 5.8, а його величина в будь-якому поперечному перетині провідника "земля" дорівнюватиме І_зз.

При цьому площа поперечного перерізу провідника "земля" S_i за зроблених допущень (однорідність ґрунту) визначатиметься площею поверхні півкулі радіусом r_i. Зі збільшенням (зменшенням) r_і площа поперечного перерізу провідника "земля" збільшуватиметься (зменшуватиметься) пропорційно квадрату r_i , а опір проходженню струму, відповідно, зменшуватиметься або збільшуватиметься. Падіння напруги на будь-якій ділянці електричної мережі, в тому числі і при проходженні струму в землі, залежить від величини струму і від електричного опору R.

Тому на поверхні землі в зоні розтікання струму між рівновіддаленими в радіальному напрямку точками (при однакових l) буде тим більше, чим ближче ці точки будуть до місця замикання на землю.

Через цю причину, відповідно до викладеного, на поверхні землі в зоні розтікання струму виникає локальне поле підвищених потенціалів радіусом близько 20 м, розподіл потенціалів в якому відносно нульового потенціалу землі подібний наведеному на рисунку 5.8.

При переміщенні людини в зоні розтікання струму в землі (рис. 5.8) її ноги торкатимуться ділянок землі з різними потенціалами, а на людину діятиме напруга, яка визначається різницею цих потенціалів і відома під назвою напруга кроку (U_K) - різниця потенціалів між двома точками на поверхні землі в зоні розтікання струму, які знаходяться на відстані кроку (0,8 м) одна від одної. З наближенням до місця замикання на землю величина напруги кроку зростатиме, і вона може досягти небезпечних для людини значень вже при напрузі електроустановок 0,4 кВ, а в сиру погоду та за зволоженого ґрунту і при меншій напрузі. Тому Правила безпечної експлуатації електроустановок споживачів при наявності замикання на землю забороняють наближатися до місця замикання ближче 8 м поза приміщенням і 4 м в приміщенні без застосування засобів захисту – діелектричні боти, калоші, суха дошка, сухе гумове взуття тощо.