Киев 2005

Библиотечка электрика(публикации компании «ШНЭЙДЕР ЭЛЕКТРИК»)

В ы п у с к 1

СИСТЕМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯВ ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХНИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Bernard Lacroix, Roland CalvasCahier Technique № 172

Перевод с английского С. В. БожкоПод редакцией В. И. Мозырского

Редакционная коллегияБожко В. М., Божко С. В., Вакуленко С. Е., Лободин М. А.,Мозырский В. И.

Bernard Lacroix, Roland CalvasСистемы заземления в электроустановках низкого напряжения. —Киев, 2005. — 52 с.: ил. Библиотечка электрика (публикации компа&нии «Шнейдер Электрик»), выпуск 1

В брошюре рассмотрена опасность для людей, имущества и электрообо&рудования, вызываемая однофазными замыканиями в электроустановкахнизкого напряжения, приведена методика расчетов величины токов замы&кания и возникающих при этом напряжений на корпусах электрооборудо&вания, указаны требования к защитным устройствам и предложен подход квыбору типа системы заземления.Брошюра предназначена для специалистов&электриков, занимающихсяпроектированием, монтажом и эксплуатацией электроустановок. Можетбыть также полезна преподавателям и студентам учебных заведений.

Воспроизводить, тиражировать и распространять данную брошюру — полностьюили частично — допустимо исключительно с письменного разрешения компании«Шнейдер Электрик». Использование материалов брошюры возможно только соссылкой на источник.

© «ШНЕЙДЕР ЭЛЕКТРИК»© В. И. Мозырский

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие к русскоязычному изданию. . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Краткий терминологический словарь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.1. Системы заземления и эволюция требований . . . . . . . . . . . . 7

1.2. Причины повреждения изоляции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.3. Опасность при повреждении изоляции . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2. СИСТЕМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ И ЗАЩИТА ЛЮДЕЙ . . . . . . . . . . . . . 15

2.1. Система заземления TN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2. Система заземления ТТ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.3. Система заземления IT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3. ОПАСНОСТЬ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОЖАРА И ПЕРЕБОЕВЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИРАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ СИСТЕМ ЗАЗЕМЛЕНИЯ. . . . . . . . . . . . . . 29

3.1. Пожар . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.2. Перебои электроснабжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4. ВЛИЯНИЕ СЕТИ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯНА ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯВ ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТИПА СИСТЕМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ . . . . . . 33

4.1. Молния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.2. Коммутационные перенапряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.3. Замыкание обмотки среднего напряжения трансформатора на корпус . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.4. Замыкание между обмотками среднего и низкого напряжений внутри трансформатора . . . . . . . . . . . 37

5. ЗАЩИТНЫЕ УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ . . . . . 39

5.1. Система заземления TN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

5.2. Система заземления ТТ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

5.3. Система заземления IT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5.4. Выполнение защиты нейтрального проводника . . . . . . . . . . . 46

6. ВЫБОР СИСТЕМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ . . . . . . . . 48

6.1. Выбор системы заземления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

6.2. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

–3–

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОЯЗЫЧНОМУ ИЗДАНИЮ

Данным выпуском мы начинаем издание «Библиотечки электрика»,состоящей из публикаций специалистов одного из мировых лидеров вобласти разработки и изготовления электротехнического оборудоваHния — компании «Шнейдер Электрик».

Компания «Шнейдер Электрик» уже несколько десятков лет издаетброшюры под общим заголовком «Cahier Technique» (справочник техHника), предназначенные для инженеров и техников, желающих расшиHрить свой кругозор и получить дополнительную информацию об электроHоборудовании и условиях его применения.

Каждая брошюра «Cahier Technique» способствует углубленномуизучению определенной темы из области электрических сетей, аппаHратостроения, защитных устройств, систем управления, контроля иавтоматики. Эти материалы часто используются компанией как «инHструмент» для обучения персонала.

Анализ содержания публикаций «Cahier Technique» показал, чтоони могут оказаться весьма интересными и полезными для широкогокруга отечественных специалистовHэлектриков, особенно в условияхсложившегося у нас «информационного голода». Это и явилось побуHдительной причиной для начала издания русскоязычного варианта пуHбликаций «Cahier Technique».

Данный выпуск «Библиотечки…» посвящен системам заземления вэлектроустановках низкого напряжения. Выбор этой темы в качествепервой не случаен. Дело в том, что в последние годы произошли суHщественные изменения нормативных требований, относящихся кэлектробезопасности в электроустановках низкого напряжения, в чаHсти приближения их к требованиям стандартов Международной электроHтехнической комиссии, а значит и национальных стандартов развитыхстран мира. Эти изменения повлекли за собой новые подходы к решеHнию проблем защиты людей и животных от поражения электрическимтоком и, в частности, к выполнению систем заземления. Учитывая, чтозаземление является обязательным для подавляющего большинстваэлектроустановок, вопросы, касающиеся специфики его выполнения,крайне актуальны. Актуальность темы, а также новизна в подходе крешению некоторых проблем (с точки зрения отечественнойпрактики), например, при выборе типа системы заземления, и предоHпределили первоочередность издания именно этой публикации.

Работа над переводом и редактированием брошюры «Системы заHземления в электроустановках низкого напряжения» выявила целесоHобразность введения в текст редакторских пояснений, связанных в

–4–

основном с определенными расхождениями французской и отечеHственной нормативных баз (хотя, как было указано ранее, эти расхожHдения постепенно устраняются) и отличиями в терминологии. Поэтому втекст брошюры введены замечания и ремарки редактора, а также пояснеHния некоторых терминов (редакторский текст выделен курсивом). ДумаHется, что такая практика сохранится и в дальнейших наших выпусках.

Последующие выпуски будут посвящены вопросам, связанным суглублением знаний об отдельных типах систем заземления, расчетамитоков короткого замыкания, применением устройств защитного отHключения (УЗО), защитой от перенапряжений, коммутационным обоHрудованием различного напряжения, качеством электроэнергии и т. д.

Надеемся, что наши публикации будут использованы специалиHстамиHэлектриками в качестве полезного пособия при проектироваHнии, монтаже и эксплуатации электроустановок.

канд. техн. наук В. И. Мозырский

–5–

–6–

КРАТКИЙ ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ

Ниже приведены определения некоторых терминов, использованHных в брошюре.

1. Низкое напряжение (переменного тока) — напряжение, котоHрое не превышает 1 кВ.

2. Среднее напряжение (переменного тока) — напряжение выHше 1 кВ, но не превышающее 35 кВ.

3. Напряжение прикосновения — напряжение между двумя проHводящими частями (одна из них может быть землей) при одновременHном касании к ним человека или животного.

4. Токоведущая часть — проводящая часть электрооборудования,которая в рабочем режиме этого электрооборудования находится поднапряжением.

5. Открытая проводящая часть — доступная прикосновению проHводящая часть электроустановки, которая в нормальном режиме рабоHты электроустановки не находится под напряжением, но может оказаHться под напряжением в случае повреждения изоляции (например,корпус электрооборудования).

6. Сверхток — ток, величина которого превышает наибольшее раHбочее (расчетное) значение тока электрической цепи.

7. Дифференциальный ток — векторная сумма токов, протекающихчерез устройство определенного назначения (например, устройствозащитного отключения — УЗО), которая используется для управленияэтим или другим устройством.

8. Автоматическое отключение питания (защитное) — автомаHтическое размыкание одного или нескольких фазных проводников(если требуется, и нейтрального проводника) защитным устройствомв целях электробезопасности.

9. Система заземления (в электроустановках низкого напряCжения) — совокупность заземлителей источников питания, заземлиHтелей открытых проводящих частей и защитных проводников, котораяпредназначена для обеспечения эффективности защиты при косвенHном прикосновении (см. подраздел 1.3) в случае использования дляэтой зищиты автоматического отключения питания.

10. Независимые заземлители — заземлители, которые распоHложены на таком расстоянии друг от друга, что максимально возможHный ток замыкания на землю, стекающий с одного из них, не вызываетзаметного повышения потенциала на другом заземлителе.

–7–

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

В данной работе рассматриваются вопросы, касающиеся опасноHсти для людей и имущества, возникающей в случае повреждения изоHляции в электроустановке. Большое внимание уделяется системам заHземления электроустановок и бесперебойности электроснабжения.

Анализируются три основных типа системы заземления, которыеиспользуются в той или иной мере во всех странах мира и соответствуютстандартам IEC 60364.

Каждая из систем заземления рассматривается с точки зрения ееэффективности (в части обеспечения безопасности и надежностиэлектроснабжения).

Ни одна из этих систем заземления не является «в целом плохой»и все системы обеспечивают безопасность людей. Каждая из них имеетсвои преимущества и недостатки и поэтому при выборе типа системызаземления владелец электроустановки должен руководствоватьсясвоими интересами, не нарушая, однако, предписаний действующихнормативных документов.

Читателям, интересующимся практикой применения систем заземHления в разных странах и их эволюцией, рекомендуется ознакомитьсяс нашими дальнейшими публикациями.

1.1. Системы заземления и эволюция требований

В настоящее время в соответствии со стандартами IEC 60364 и станHдартом Франции NF C 15H100 используются три типа системы заземления:

система TN — открытые проводящие части электроустановкиприсоединены к заземленной нейтрали источника питания;система TT — открытые проводящие части электроустановкиприсоединены к заземлителю, являющимся независимым от заHземлителя нейтрали источника питания;система IT — открытые проводящие части электроустановки приHсоединены к заземлителю, а нейтраль источника питания изолиHрована или заземлена через достаточно высокое сопротивление.

Назначение этих трех систем заземления в отношении защитылюдей и имущества одинаково и состоит в обеспечении условий дляосуществления управления ситуацией, возникающей в результате повHреждения изоляции. Все указанные системы заземления считаютсяравноценными с точки зрения защиты людей при косвенном прикосноHвении. Однако они не равноценны с точки зрения обеспечения надежHности (безотказности, ремонтопригодности) системы электроснабжеHния электроприемников низкого напряжения.

Требования к значениям показателей надежности электроснабжеHния промышленных предприятий и объектов гражданского назначения,

которые могут быть вычислены, постоянно ужесточаются. Кроме того,все более важную роль в вопросах обеспечения надежности электроHснабжения играют системы контроля и управления технологическимипроцессами и системы управления распределением электроэнергии.Эта эволюция требований в отношении к надежности электроснабжеHния оказывает влияние и на выбор типа системы заземления.

Следует также помнить, что сохранение работоспособности расHпределительной сети путем отключения потребителей с поврежденнойизоляцией оказалось возможным, когда появились первые системызаземления.

1.2. Причины повреждения изоляцииДля обеспечения защиты людей и бесперебойного электроснабH

жения токоведущие части электроустановок изолируют от конструкHций, соединенных с землей. Изоляция осуществляется за счет:

использования изоляционных материалов, покрывающих токоHведущие части;дистанцированием, которое обеспечивается наличием промеHжутка в газовой среде (например, воздухе) и требуемой длинойпути утечки изоляции.

Уровень изоляции характеризуется определенными величинаминапряжений, которые в соответствии со стандартами не должны привоHдить к нарушению работоспособности новых изделий и оборудования:

выдерживаемым наибольшим напряжением;выдерживаемым напряжением грозовых разрядов (импульсы1,2/50 мкс);выдерживаемым в течение одной минуты напряжением промышHленной частоты.

Например, для распределительных шкафов низкого напряженияPRISMA:

выдерживаемое наибольшее рабочее напряжение — 1000 В;выдерживаемое импульсное напряжение — 12 кВ.

Для нового электрооборудования, изготовленного надлежащимобразом согласно соответствующим стандартам, риск возникновенияповреждения изоляции крайне мал, но степень этого риска по мереувеличения срока службы электроустановки возрастает (см. замечаниередактора). В процессе монтажа и эксплуатации электрооборудованиеподвергается влиянию различных агрессивных факторов, уменьшаюHщих срок службы изоляции и повышающих вероятность ее повреждеHния, которые возникают изHза воздействия:

а) при монтаже — повреждений механического характера;б) при эксплуатации:

токопроводящей пыли;

–8–

–9–

термического старения изоляции вследствие повышенной темHпературы (климатическое воздействие; слишком большое колиHчество кабелей в канале; недостаточная вентиляция в местах,где она требуется; гармонические составляющие тока; сверхтоHки и т. п.);электродинамических сил, возникающих при коротких замыкаHниях, которые могут повредить электрооборудование или уменьHшить изолирующий промежуток;коммутационных и грозовых перенапряжений;перенапряжений промышленной частоты, вызванных повреждеHниями изоляции в сети среднего напряжения.

Обычно к повреждению изоляции приводит сочетание указанныхпричин.

Замечание редактора. В отечественной практике считается, что рискповреждения изоляции мал после истечения начального периода эксплуа�тации электрооборудования, так называемого периода «приработки». Этообъясняется как причиной, указанной в а), так и возможностью брака приизготовлении электрооборудования.

Повреждение может произойти:либо между токоведущими частями, что приводит к междуфазHному короткому замыканию;либо между токоведущей частью и открытой проводящей частьюили землей. Ток замыкания при таком повреждении представляетсобой ток нулевой последовательности и протекает через заHщитный проводник (РЕHпроводник) и (или) землю.

Системы заземления, как правило, имеют отношение к замыкаHниям на открытую проводящую часть или землю, которые возникают вбольшинстве случаев в электроприемниках или питающих их линиях.

1.3. Опасность при повреждении изоляции

Повреждение изоляции независимо от вызвавшей его причиныпредставляет опасность для:

жизни людей;сохранности имущества;бесперебойности электроснабжения.

Все вышеперечисленные виды опасности связаны с надежностьюэлектрической сети.

Поражение людей электрическим токомТело человека (или животного), находящееся под воздействием

электрического напряжения, приобретает электрический заряд. В заHвисимости от тяжести поражения электрическим током у человека моHгут возникнуть (см. рис. 1):

дискомфортные ощущения;сокращения мышц;ожоги;остановка сердца.

Поэтому защита людей от опасного воздействия электрическоготока имеет приоритетное значение, а поражение электрическим токомявляется главным из указанных ранее видов опасности.

Величина тока I, проходящего через тело человека (в особенностичерез сердце), и длительность ее воздействия на организм являютсяфакторами, определяющими степень опасности. При этом величинасопротивления тела, существенной составной частью которой являетсясопротивление кожи, в значительной мере зависит от окружающей челоHвека среды (сухое или влажное помещение, наличие испарений и т. п.).

Нормативными документами установлено максимально допустиHмое напряжение прикосновения при контакте продолжительностью неменее 5 с. Согласно стандартам комплекса IEC 60364, оно известнокак условно безопасное напряжение UL.

–10–

10 000

5000

2000

1000

500

200

100

50

мс

20

432

a в c1 c2 c3

1

10

0,1 0,2 0,5 1 2 5 2010 50 100 200 500 1000 2000 5000

мА

Зона 1 — легкие ощущения; зона 2 — значительный дискомфорт; зона 3 —мышечные сокращения; зона 4 — риск фибриляции желудочков сердца, т. е. егоостановки (с2 — вероятность менее 5%; с3 — вероятность не менее 50%)

Рис.1. ВремяHтоковые зоны, характеризующие эффект воздействияэлектрического тока частотой от 15 до 100 Гц на организм человека(согласно стандарту IEC 60479H1)

Пороговоезначение — 30 мА

Время протекания токачерез тело человека

Ток, протекающийчерез тело человека

Стандартом IEC 60364441 (пункт 413.1.1.1) и стандартом ФранцииNF С 15100 предписывается, что если имеется опасность возникновениянапряжения прикосновения UC, превышающего значение UL, время воздействия этого напряжения на человека должно быть ограничено путемприменения защитных устройств (см. таблицу 1).

Замечание редактора. Данные стандарта IEC 604791, приведенные втаблице 1, послужили основанием для нормирования в стандарте IEC60364441 величин максимально допустимого времени автоматическогоотключения питания в электроустановках с различными типами системызаземления (приведены в таблицах 3, 5 данной работы). Согласно ГОСТ30331.3 и другим нормативным документам, введенным в действие в нашей стране, эти же величины времени приняты в качестве максимально допустимых и в отечественной практике.В то же самое время является действующим и ГОСТ 12.1.03882 (с изменениями, внесенными в 1988 году), в котором, как и в стандарте IEC604791, нормируется максимально допустимая продолжительность воздействия напряжения прикосновения на тело человека в зависимости отвеличины этого напряжения.Однако, данные ГОСТ 12.1.03882 и стандарта IEC 604791 имеют существенные расхождения, что нетрудно заметить при их сравнении. Это означает, что ГОСТ 12.1.03882 является «несовместимым» с ГОСТ 30331.3и другими не так давно введенными в действие отечественными нормативными документами. Поэтому ГОСТ 12.1.03882 нуждается в пересмотре и внесении соответствующих изменений.

–11–

Таблица 1

Максимально допустимая продолжительность воздействиянапряжения прикосновения на тело человека в соответствии

со стандартом IEC 60479�1

Сухие и влажные помещения (UL ≤ 50 B)

Ожидаемое напряжениеприкосновения, В < 50 50 75 90 120 150 220 280 350 500

Максимальноевремя отключенияпитания защитнымустройством, с

~ 5 5 0,60 0,45 0,34 0,27 0,17 0,12 0,08 0,04

= 5 5 5 5 5 1 0,40 0,30 0,20 0,10

Сырые и особо сырые помещения (UL ≤ 25 B)

Ожидаемое напряжениеприкосновения, В 25 50 75 90 110 150 220 280

Максимальное времяотключения питаниязащитнымустройством, с

~ 5 0,48 0,30 0,25 0,18 0,10 0,05 0,02

= 5 5 2 0,80 0,50 0,25 0,06 0,02

Замечание редактора.Определения сухих, влажных, сырых и особосырых помещений приведены в Правилах устройства электроустановок(ПУЭ).

Пожар

Пожар может иметь драматические последствия как для людей,так и для имущества. Большое число пожаров вызывается существенным локализованным возрастанием температуры или электрическойдугой, обуславливаемых наличием повреждения изоляции. Опасностьвозникновения пожара возрастает при больших величинах тока замыкания, а ее степень зависит от условий распространения открытогоогня и вероятности взрыва.

Перебои электроснабжения

При нарушении электроснабжения крайне важны квалифицированные действия персонала, обслуживающего электроустановку. Действительно, если для исключения развития аварии поврежденнаячасть электроустановки автоматически отключается, имеет место:

а) опасность для людей, например:изза внезапного отключения освещения;изза прекращения работы устройств, используемых для обеспечения безопасности;

б) экономические потери вследствие остановки производственного процесса, особенно в случае непрерывного производства, когдатребуется длительное и очень дорогостоящее его восстановление.

Более того, если величина тока замыкания велика, следует учитывать, что:

повреждения электрооборудования могут быть весьма значительными и существенно увеличить стоимость ремонта и времяего проведения;протекание токов по цепи «фаза — земля» может оказать негативное влияние на работу чувствительного оборудования, особенно на слаботочные устройства, географически распределенные и имеющие гальванические связи.

В заключение следует также отметить, что возникающие при отключении электропитания перенапряжения и (или) электромагнитноеизлучение могут приводить к сбоям в работе и даже к повреждениямчувствительного оборудования.

Прямое и косвенное прикосновения

Прежде чем приступить к анализу характеристик систем заземления,целесообразно рассмотреть вопросы, связанные с поражением электрическим током человека при прямом и косвенном прикосновениях.

–12–

Прямое прикосновение и защитные мерыПрямым прикосновением называют случайный контакт человека с

находящейся под напряжением токоведущей частью (см. рис. 2 а).В случаях, когда риск такого контакта велик, приемлемым решением

является использование напряжения сети питания, величина которогоне превышает установленного значения безопасного напряжения. Этамера защиты осуществляется за счет применения сверхнизкого напряжения (системы БСНН и ЗСНН).

В сетях низкого напряжения 400/230 В защита от прямого прикосновения осуществляется расположением токоведущих частей вне зоныдосягаемости либо изоляцией этих частей, либо размещением их заограждениями или в оболочках, либо установкой барьеров. Дополнительной мерой защиты от прямого прикосновения является использование высокочувствительного устройства защитного отключения(УЗО), выполняющего автоматическое отключение питания при превышении величины дифференциального тока значения 30 мА.

Требования к применению дополнительной меры защиты от прямого прикосновения не зависят от принятой системы заземления, ноее использование является необходимым, когда выполнение требований к системе заземления в цепях электроприемников не может бытьпроконтролировано. Поэтому в ряде стран данная мера является обязательной:

для сетей штепсельных розеток с номинальным током до 32 А;в некоторых типах электроустановок (временных, для строительных площадок и т. д.).

Косвенное прикосновение, защита и меры по предупреждениюКосвенным прикосновением называют контакт человека со слу

чайно оказавшимися под напряжением открытыми проводящими частями (см. рис. 2 б).

–13–

а) прямое прикосновение

Рис. 2. Прямое и косвенное прикосновения.

Uc UcId

б) косвенное прикосновение

Указанная ситуация визникает в результате повреждения изоляции. Протекание аварийного тока вызывает появление разности потенциалов между открытыми проводящими частями и землей, котораяявляется опасной, если ее величина превосходит значение UL.

Рассматривая эту опасность, международные стандарты, относящиеся к электроустановкам зданий (IEC 60364), устанавливают специальный статус трем типам систем заземления и определяют соответствующие им правила выполнения монтажа и защиты.

В основе мер защиты при косвенном прикосновении лежат три базовых положения. Первое из них заключается в заземлении открытыхпроводящих частей электрооборудования для исключения возникновения при повреждении изоляции опасности, аналогичной имеющейместо при прямом прикосновении.

Вторым базовым положением является эквипотенциирование(уравнивание потенциалов) проводящих частей, доступных одновременному прикосновению (см. рис. 3). Электрическое соединение такихпроводящих частей позволяет значительно снизить напряжение при

–14–

Главный(магистральный)

защитныйпроводник

Индивидуальные защит

ные проводники

Накладка дляизмерения

Система отопления

Контур заземленияна дне котлована

Заземляющийпроводник

Рис. 3. Уравнивание потенциаловздании

косновения и осуществляется защитными проводниками (РЕпроводниками). При необходимости используетсядополнительное эквипотенциирование (дополнительная система уравнивания потенциалов).

Следует помнить, что уравнивание потенциалов не может бытьсовершенным во всех точках (в особенности в одноуровневых сооружениях). Поэтому при рассмотрениисистем заземления создателямистандартов была принята гипотеза,заключающаяся в том, что Uc = Ud(поскольку на практике значение Ucможет приближаться к величинеUd). В приведенном равенстве Uc —напряжение прикосновения, представляющее собой разность потенциалов между двумя проводящимичастями при одновременном прикосновении к ним человека (однойиз частей обычно является открытаяпроводящая часть, а другой — основание, на котором стоит чело

Арматуражелезобетона

–15–

век); Ud — напряжение на открытой проводящей части относительноземли (зоны нулевого потенциала —прим. ред.) при повреждении изоляции.

Третье базовое положение заключается в своевременном выявлении возможности возникновения опасности путем принятия мер по еепредупреждению, напрямер, измерением сопротивления изоляцииэлектроустановки перед пуском ее в эксплуатацию или предсказаниемаварийной ситуации на основании постоянного контроля состоянияизоляции в сети с изолированной нейтралью (система IT). В случаеповреждения изоляции, вызывающего появление опасного напряженияприкосновения, должно быть выполнено автоматическое отключениеповрежденной части электроустановки. Особенности устраненияопасности зависят от типа применяемой системы заземления.

2. СИСТЕМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ И ЗАЩИТА ЛЮДЕЙ

В данном разделе рассматривается опасность поражения людейэлектрическим током при использовании различных типов системызаземления, указанных Международной электротехнической комиссиейв стандарте IEC 603643.

Тип системы заземления в сетях низкого напряжения характеризуетспособ заземления вторичной обмотки трансформатора (обычно нейтрали) и открытых проводящих частей электроустановок, питающихсяот этого трансформатора. Идентификация типа системы заземленияосуществляется посредством двух букв (см. рис. 4):

а) первая буква определяет характер связи нейтрали трансформатора с землей:

Рис. 4. Характер связи нейтрали источника питания и открытых проводящихчастей с землей

L1, L2, L3

N N

NN

T T

I

N

L1, L2, L3

L1, L2, L3

L1, L2, L3

T — нейтраль заземлена;I — нейтраль изолирована от земли;

б) вторая буква определяет характер связи открытых проводящих частей с землей:

T — открытые проводящие части непосредственно присоединенык земле;N — открытые проводящие части присоединенык заземленной нейтрали трансформатора.

–16–

Комбинация этих букв определяет три возможных типа системы за�земления:TT — нейтраль трансформатора и открытые проводящие частизаземлены;TN — нейтраль трансформатора заземлена, а открытые прово�дящие части присоединены к нейтрали;IT — нейтраль трансформатора изолирована от земли, а открытыепроводящие части заземлены.

Примечание 1Система TN в соответствии со стандартом IEC 60364�3 применяет�

ся в виде нескольких модификаций:TN�C, когда функции N и РЕ�проводников выполняет один про�водник (PEN�проводник);TN�S, когда функции N и РЕ�проводников выполняют разныепроводники;TN�C�S, когда система TN�C переходит в систему TN�S в частисети, расположенной ближе к потребителям электроэнергии(противоположная комбинация запрещается).

Следует заметить, что в сетях с проводниками сечением 10 мм2 именее по меди может быть использована только система TN�S.

Примечание 2Каждый из типов системы заземления может быть применен во всей

электрической сети низкого напряжения. Однако в одной сети могутбыть использованы и несколько различных типов системы заземления(см. рис. 5).

Примечание 3Во Франции стандартом NF C 13�100, в котором приведены требова�

ния к питающим подстанциям, для предупреждения об опасности, исхо�дящей от сети среднего напряжения, предписано к наименованию типасистемы заземления добавлять букву (R, N, S), определяющую способсвязи между собой различных заземляющих устройств (см. таблицу 2).

N

N

N N

PEN

PE PEPE

TT ITTN�STN�C

L1, L2, L3

Рис. 5. Пример применения различных типов системы заземления водной сети

–17–

Далее рассмотрим правила выполнения защиты людей от пораже�ния электрическим током при использовании каждого из типов систе�мы заземления.

2.1. Система заземления TNПри возникновении повреждения изоляции ток замыкания Id огра�

ничивается лишь полным сопротивлением цепи замыкания (см. рис. 6):

где U0 — номинальное фазное напряжение сети; Rph — сопротивле�ние фазного проводника до места замыкания; RРЕ — сопротивлениезащитного проводника до места замыкания; Rd — сопротивление вместе замыкания, например, электрической дуги.

На практике принимается, что полное сопротивление сети болеевысокого уровня напряжения по отношению к фидеру, в котором воз�никло повреждение изоляции (замыкание), вызывает падение напря�жения в этой сети, равное примерно 20% значения Uo.

Учитывая это, а также принимая, что Rd ≈≈ 0, получаем:

Протекание этого тока вызывает появление напряжения на корпусеэлектрооборудования по отношению к земле:

≈ od

Ph PE

0,8UI .

R +R

+ +,≈ o

dPh d PE

UI

R R R

Дополнительнаябуква

Заземляющееустройство

оборудованиянизкого

напряженияподстанции

Заземляющееустройство

нейтрали низкогонапряжения

Заземляющееустройство

оборудованиянизкого

напряженияпотребителей

R

N

S

— объединено с заземляющим устройством подстанции;

— отделено от заземляющего устройства подстанции

Таблица 2 Связь между заземляющими устройствами сети низкого

напряжения и питающей подстанции

–18–

Ud = RРЕIdили

В сетях 400/230 В это напряжение, близкое к Uo/2 (если RРЕ = RРh),представляет опасность, поскольку превосходит предельно допусти�мое безопасное напряжение даже для сухих помещений (UL = 50 В).Электроустановка или ее часть должна быть в данном случае немед�ленно автоматически отключена (см. таблицу 3).

≈ o PEd

Ph PE

0,8U RU .

R +R

L2L1

L3

NN

PE

Id

Ud

Rd

Rb

= = 0если и,≈ od PE Ph d

0,8UU R R R

2; ≈ o

dPh PE

0,8 UI

R +R

Рис. 6. Ток замыкания и напряжение на корпусе оборудования в электро�установке с системой заземления TN

Так как повреждение изоляции является по сути коротким замыка�нием между фазным и защитным проводниками, отключение цепиобеспечивается устройством защиты от сверхтоков, максимально до�пустимое время срабатывания которого зависит от величины UL.

Практическая реализация

Очевидно, что для эффективной работы защитного устройства ве�личина тока замыкания Id (независимо от места его возникновения)должна превышать значение тока Ia, вызывающего отключение питанияэтим защитным устройством в течение требуемого времени. Это условиедолжно быть обеспечено на этапе проектирования электроустановкипутем расчета токов замыкания во всех цепях схемы распределенияэлектроэнергии.

–19–

Если защитный проводник РЕ и токоведущие проводники проложеныпо одной трассе, расчет упрощается. В ряде стран такая прокладка про�водников рекомендуется стандартами.

Для обеспечения выполнения приведенного выше условия имеетсяеще один подход, который заключается в приведении максимальныхвеличин полных сопротивлений контуров замыкания в соответствие стипом и номинальными параметрами выбранных устройств защиты отсверхтоков (см. стандарт Великобритании BS 7671). Использованиеэтого подхода может привести к завышению величин поперечных се�чений токоведущих и (или) защитных проводников.

Другим средством проверки способности устройства обеспечитьзащиту людей является расчет максимальной длины каждого фидераLmax (зависит от величины Ia), которая не должна превышать фактиче�скую его длину L.

Для расчета Id и Lmax могут быть использованы три простых метода:

метод полного сопротивления;метод композиции;традиционный метод.

Согласно последнему из указанных методов при одинаковом ма�териале фазных и защитных проводников имеем:

где Z — полное сопротивление петли замыкания (петли «фаза�нуль»); ρρ — удельное сопротивление проводников при нормальнойтемпературе эксплуатации; m = SРh/SРЕ; SРh и SРЕ — поперечные се�чения фазного и защитного проводников соответственно.

,≈ ≈ ≈o o o Phd

Ph PE

0,8U 0,8U 0,8U SI

Z R +R (1+m)Lρ

Номинальное фазноенапряжение

Uо, В

Время отключенияпри UL = 50В, с

Время отключенияпри UL = 25В, с

127 0,8 0,35

230 0,4 0,2

400 0,2 0,05

> 400 0,1 0,02

Таблица 3

Максимально допустимое время автоматического отключенияпитания в цепях, питающих электроприемники

электроустановок с системой заземления TN (согласнотаблицам 41 и 48А стандарта IEC 60364%4%41)

–20–

Учитывая, что величина Id должна быть большей значения Ia, из по�следней формулы следует:

При использовании в качестве защитного устройства автоматиче�ского выключателя ток Ia, соответствующий указанному в таблице 3времени, представляет собой уставку электромагнитного расцепителяэтого выключателя. В случае применения плавких предохранителейвеличина Ia является значением тока, обеспечивающим перегораниеплавкой вставки (ее плавление с последующим гашением дуги) за вре�мя, указанное в табл. 3.

Если длина линии превышает Lmax, то следует либо увеличить по�переченое сечение проводников, либо защита должна быть осущест�влена с помощью устройства защитного отключения, управляемогодифференциальным током (УЗО).

2.2. Система заземления ТТ

В электроустановках с системой заземления ТТ при возникнове�нии повреждения изоляции (см. рисунок 7) ток замыкания Id ограничи�вается, в основном, сопротивлением заземляющих устройств.

= o Phmax

a

0,8 U SL

(1+m)Iρ

L2

L1

L3

NN

PE

Id

UdRb Ra

Рис. 7. Ток замыкания и напряжение на корпусе оборудования в электро�установке с системой заземления ТТ

≈ od

a b

UI

R +Ra

d oa b

RU = U

R +R

–21–

Номинальный отключающийдифференциальный ток УЗО

I∆n ≤≤ UL/Ra, A

Максимальное сопротивлениезаземляющего устройства, Ом

Значение UL

50 В 25 В

3 16 8

1 50 25

0,5 100 50

0,3 166 83

0,03 1660 833

Таблица 4

Максимальные сопротивления заземляющих устройствоткрытых проводящих частей электроустановки

в зависимости от чувствительностиУЗО и напряжения UL

Полагая, как и ранее, что Rd = 0, можно записать:

где Rb — сопротивление заземляющего устройства нейтрали трансфор&матора; Ra — сопротивление заземляющего устройства открытых прово&дящих частей электроустановки.

Указанный ток замыкания обуславливает наличие напряжения накорпусах электрооборудования (по отношению к земле), величина кото&рого равна:

Поскольку величина сопротивления Ra в обычных условиях соста&вляет примерно 10 Ом, т. е. является не меньшей величины Rb, напря&жение Ud представляет опасность. Поэтому часть установки, в которойпроизошло повреждение изоляции, должна быть автоматически от&ключена.

Максимально допустмые величины сопротивления Ra при исполь&зовании в качестве защитного устройства УЗО приведены в таблице 4.

= = o ad a d

a b

U RU R I

R +R.

≈ od

a b

UI

R +R,

–22–

Практическая реализация

В связи с тем, что величина тока замыкания, как правило, намногониже значений токов, вызывающих срабатывание устройств защиты отсверхтоков в течение требуемого времени, в цепи питания электро�приемников должно быть установлено, по крайней мере, одно УЗО.Для повышения уровня бесперебойности электроснабжения использу�ются несколько установленных последовательно УЗО, обеспечивающихселективность отключения по времени и току. Все эти УЗО имеют номина�льный отключающий дифференциальный ток I∆n значительно меньший,чем величина Id. Стандартом предписано, что автоматическое отклю�чение питания посредством УЗО в распределительных цепях должноосуществляться за время, не превышающее 1 с.

Следует заметить, что защита с помощью УЗО может быть приме�нена при любой длине линии и допускает использование индивидуальных(отдельных) заземляющих устройств для разного электрооборудования.

В дальнейших наших публикациях будет дано детальное описаниеконструкций УЗО и условий их применения.

2.3. Система заземления IT

В электроустановках с системой заземления IT нейтраль изолиро�вана, т. е. не соединена с землей. Открытые проводящие части обычноприсоединены к одному заземляющему устройству (так же, как при ис�пользовании систем заземления TN и ТТ).

В нормальном режиме работы (при отсутствии повреждения изоля�ции) сеть с системой заземления IT связана с землей через сопротивле�ние утечки. Напомним, что трехфазный кабель длиной 1 км характери�зуется следующими средними показателями:

погонная емкость относительно земли С = 1 мкФ/км;погонное активное сопротивление относительно земли —1 МОм/км.

При частоте тока 50 Гц величины реактивного и активного сопро�тивлений между кабелем длиной 1 км и землей составляют:

X = 1/jСωω ≈ 3 200 Ом;R = 1 МОм.

Поэтому полное погонное сопротивление кабеля относительно зем�ли Z ≈ 3 200 Ом.

Чтобы должным образом стабилизировать потенциал сети с си�стемой заземления IT относительно земли, рекомендуется подклю�чить между нейтралью трансформатора и землей сопротивление ZN ≈≈ 1 500 Ом (система заземления IT с заземленной через сопротивле�ние нейтралью).

Далее рассмотрим ситуацию, возникающую при первом замыкании.

–23–

При изолированной и нераспределенной нейтрали (т. е. при отсутствии нейтрального проводника — прим. ред.) комплексный ток замы�кания одной из трех фаз, например L3, определяется суммой токов,протекающих через емкости двух других фаз по отношению к земле:

В приведенных формулах ωω = 314 — угловая частота; U13 — ком�плексное линейное напряжение между фазами L1 и L3; — то же, номежду фазами L2 и L3. Выполнив несложные преобразования, получа�ем действующую величину тока замыкания:

Id = 3UoωωCf .

Величина напряжения между корпусом электрооборудования и зем�лей в месте замыкания определяется формулой:

Ud = RbId ,

что при Rb = 10 Ом в сети 400/230 В составит 0,7 В.Это напряжение не представляет опасности, и электроустановка

может продолжать работу в таком режиме.Если в электроустановке используется система заземления IT с за�

земленной через сопротивление ZN нейтралью, то комплексный токзамыкания определяется формулой:

Нетрудно убедиться, что напряжение между корпусом электро�оборудования и землей в месте замыкания и в этом случае мало и непредставляет опасности. Поэтому электроустановка не нуждается вотключении.

Если нейтраль распределена (т. е. в электроустановке используетсянейтральный проводник — прим. ред.) и сопротивление ZN отсутствует(см. рис. 8), напряжение смещения нейтрали вызывает дополнитель�ный ток:

IcN = UoωωCf ,Поэтому

Id = 4UoωωCf ..

Следует отметить, что чрезвычайно важным является обеспечениебесперебойности электроснабжения и поэтому необходимо:

где ;= =1 2c f 13 c f 23I jC U I jC U .� � � �ω ω

+=1 2d c cI I I ,� � �

13U�

23U�

= ,od

e

UI

Z�

где .= + fe N

1 1j C

Z Zω33

–24–

быть осведомленным о наличии замыкания;как можно быстрее (до возникновения второго замыкания)устранить первое замыкание.

Для удовлетворения указанных требований нужно:иметь информацию о возникновении замыкания, обеспечивае�мую устройством мониторинга изоляции (IMD), которое контро�лирует все токоведущие проводники, в том числе и нейтральный;определить место замыкания, что выполняется с помощью пред�назначенных для этого устройств.

В случае возникновения второго замыкания при неустраненномпервом возможны три ситуации.

Одна из них заключается в том, что оба замыкания возникли на то�коведущих частях одной фазы. Эта ситуация не является опасной, иэлектроустановка может продолжать работу в таком режиме.

Вторая ситуация заключается в том, что замыкания возникают натоковедущих частях разных фаз сети, когда все открытые проводящиечасти присоединены к одному заземляющему устройству и через РЕ�проводник проходит ток двойного замыкания. Опасность пораженияэлектрическим током в этом случае аналогична имеющей место призамыкании в электроустановке с системой заземления TN. Наиболее

Устройствоконтроляизоляции

Ограничительнапряжения

Рис. 8. Ток и напряжение на корпусе оборудования при первом замыканиив электроустановке с системой заземления IT

L2

L1

Cf Cf Cf Cf

L3

N

PE

Id

Id

Id

Rb

U1 U2

Ud = Rb Id

U23U13

U3

IcN Ic1Ic2

Id

1cI

cNI

2cI

–25–

сложные условия для работы устройств защиты от сверхтоков (из�за не�больших значений тока Id) при этом возникают, если замыкания суще�ствуют на фидерах, характеристики которых (поперечное сечение про�водников и длина фидеров) одинаковы (см. рисунок 9).

Устройства защиты от сверхтоков в рассматриваемой ситуациидолжны обеспечивать выполнение следующих требований:

если нейтраль распределена и одним из двух проводников с по�врежденной изоляцией является нейтральный проводник:

где Z1 — сопротивление петли замыкания в случае замыкания на откры�тые проводящие части фазного и нейтрального проводников;

если нейтраль не распределена:

где Z2 — полное сопротивление петли замыкания в случае замыкания наоткрытые проводящие части двух проводников разных фаз.

,≤ oa

2

0,8U 3I

2Z

≤ ,00,,88

22oo

aa11

UUII

ZZ

Рис. 9. Ток и напряжение на корпусе оборудования при двойном замыка�нии в сети с системой заземления IT (поперечные сечения фазных и ней�тральных проводников одинаковы, длина фидеров одинакова)

L2L1

L3

N

PE

Id0,8Uo

Id

Rb

Ud Ud

RPE RPERPh RPh

( )≈ o

dPE Ph

0,8UI

2 R R+ ,≈ od

0,8UU

2

,≤ oa

1

0,8UI

2Z

–26–

Заметим, что если одним из проводников с поврежденной изоляциейявляется нейтральный проводник, ток замыкания и напряжение на откры�тых проводящих частях по отношению к земле в два раза меньше, чемпри замыкании в электроустановке с системой заземления TN. Поэтомуразработчики стандартов допускают большее время автоматическогоотключения питания устройствами защиты от сверхтоков в электроуста�новках с системой IT, имеющих распределенную нейтраль (см. таблицу 5).

Так же, как и при использовании системы заземления TN, в электро�установках с системой заземления IT максимальная длина линии огра�ничивается параметрами устройств защиты от сверхтоков:

при распределенной нейтрали:

при нераспределенной нейтрали:

Первое из приведенных равенств справедливо, если поперечноесечение фазных и нейтрального проводников одинаковы. Следует такжеучесть, что использование распределенной нейтрали требует установкив нейтральном проводнике устройства защиты. Эти обстоятельстваявляются основной причиной того, что стандарты некоторых стран нерекомендуют применять электроустановки с системой заземления IT,в которых нейтраль распределена.

.( )

≈ o Phmax

a

0,8 3U SL

2 1+m Iρρ

;≈ o Phmax

a

0,8 U SL

2 (1+m)Iρ

Номинальныелинейное и

фазноенапряжения

электроуста�новки U/Uo, B

Максимально допустимое время отключения питанияпри величене UL, с

UL = 50 B UL = 25 B

нейтраль нераспределена

нейтральраспределена

нейтраль нераспределена

нейтральраспределена

220/127 0,8 5 0,4 1

400/230 0,4 0,8 0,2 0,5

690/400 0,2 0,4 0,06 0,2

1000/580 0,1 0,2 0,02 0,08

Таблица 5Максимально допустимое время автоматического отключения

питания в цепях, питающих электроприемникив электроустановках с системой заземления IT

(согласно таблицам 41В и 48А стандарта IEC 60364�4�41)

–27–

Замечание редактора. В проекте нового издания стандарта IEC 60364�4�41(введение в действие намечено в 2005 году) максимально допустимоевремя автоматического отключения питания для электроустановок с систе�мой заземления IT (как с распределенной, так и нераспределенной ней�тралью) и с системой заземления TN принято одинаковым.Такое изменение по сравнению с предыдущим изданием стандарта являетсявполне оправданным. Действительно, напряжение прикосновения при од�новременном замыкании двух разных фаз в электроустановке с системойзаземления IT (независимо от того распределена нейтраль или нет) и призамыкании в електроустановке с системой заземления TN почти равны(при одинаковых параметрах сети). Поэтому, исходя из принципа равно�ценности типов систем заземления, максимально допустимое время авто�матического отключения питания для рассматриваемых электроустановокпринято одинаковым.

Третья возможная ситуация относится к случаю, когда каждая от�крытая проводящая часть или отдельные группы этих частей присое�динены к разным заземляющим устройствам. При указанном способезаземления в каждой цепи, содержащей такие открытые проводящиечасти или группы этих частей, должны быть установлены УЗО.

По существу, ситуация, возникающая при замыканиях в цепях, от�крытые проводящие части которых присоединены к разным заземляю�щим устройствам, аналогична той, которая имеет место при замыканиив электроустановке с системой заземления ТТ (аварийный ток проте�кает через землю). Защита людей при косвенном прикосновении вэтом случае должна обеспечиваться таким же образом, как и в электро�установке с системой ТТ:

Следует заметить, что в электроустановках с системой заземленияIT для обеспечения приоритета в части бесперебойности электроснаб�жения определенных электроприемников может быть осуществленагоризонтальная избирательность по времени.

Замечание редактора. Под горизонтальной избирательностью здесь по�нимается использование разных выдержек времени срабатыванияустройств защиты фидеров, принадлежащих к одному иерархическомууровню в системе электроснабжения, например, фидеров между распре�делительными щитками и электроприемниками. Вертикальная избира�тельность, в отличие от горизонтальной, обеспечивается за счет нараста�ния выдержек времени срабатывания устройств защиты в направлении отэлектроприемников к источникам питания.

ПримечаниеДля защиты сетей низкого напряжения с изолированной ней�

тралью (система IT) от перенапряжений, вызванных дуговыми замыка�ниями, между обмотками среднего и низкого напряжений трансфор�

.< Ln

a

UI

R∆∆

Системазаземления

Id Ud Lmax

Способыобеспечения

бесперебойностиэлектроснабжения

1 2 3 4 5

TN Вертикальнаяизбирательность

TTНе ограни�

чиваетсяВертикальная

избирательность

IT

Первоезамыкание < 1A << UL – Отключение

не выполняетсяДвойноезамыканиепри распре�деленнойнейтрали

Вертикальнаяизбирательность

и возможностьгоризонтальной

избирательностис выделениемприоритетных

фидеров

Двойноезамыканиепри нерас�пределен�ной ней�трали

–28–

матора, случайными сосединениями с токоведущими частями болеевысокого напряжения, трансформацией из сети среднего напряжениягрозовых импульсов, стандарт Франции NF C 15�100 предписываетобязательную установку между нейтралью обмоток низкого напряже�ния питающего трансформатора и землей ограничителя напряжения(в отечественной практике для этих целей используется пробивнойпредохранитель — прим. ред.).

Подытоживая вышеизложенное, в таблице 6 в качестве краткогообзора количественных характеристик различных типов систем зазем�ления приведены основные расчетные формулы.

Замечание редактора. Обращают на себя внимание некоторые упрощенияметодологического характера, используемые в расчетах. К ним, преждевсего следует отнести введение в расчетные формулы коэффициента 0,8,учитывающего падение напряжения в питающей сети среднего напряженияи трансформаторе при замыканиях в электроустановках с системой зазем�ления TN или IT. Известно, что такое упрощение используется во многихстранах мира, и, по�видимому, имеет смысл его нормативное введение вотечественную практику проектирования, что сохраняя достаточную точ�ность расчетов, позволит существенно упростить их выполнение.

+

0,8U So Ph(1 m)Lρ +

0,8Uo1 m

UoR +Ra b

U Ro aR +Ra b

+

0,8U So Ph(1 m)Iaρρ

+

0,8U So Ph2 (1 m)Lρ +

0,8U mo2(1 m)L +

0,8U So Ph2 (1 m)Iaρρ

+

0,8 3U mo2(1 m) +

0,8 3U So Ph2 (1 m)Iaρρ+

0,8 3U So Ph2 (1 m)Lρρ

Таблица 6Характеристики систем заземления

Напоминаем:

— ρ = 22 × 10–3 Ом мм2/м для медных проводников и 36 х 10–3 Ом мм2/м дляалюминевых проводников (при температуре 75°С);

— поперечное сечение РЕ�проводника обычно равно поперечному сечениюфазного проводника, но может быть равным половине (не менее) поперечного

сечения фазного проводника, если величина последнего превышает 35 мм2. Приэтом увеличивается величина напряжения Ud в электроустановках с системамизаземления TN и IT.

— = ;SPhmSPE

–29–

3. ОПАСНОСТЬ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОЖАРАИ ПЕРЕБОЕВ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАЗЛИЧНЫХТИПОВ СИСТЕМ ЗАЗЕМЛЕНИЯ

3.1. Пожар

Было доказано, а затем учтено разработчиками стандартов, чтозамыкание может вызвать возникновение пожара (в особенности в по�жароопасных помещениях), если аварийный ток превышает 500 мА.

Наиболее тяжелые последствия пожара могут иметь место как в со�оружениях в значительной мере подверженных риску его возникновения,например, на нефтехимических предприятиях и фермах, так и в такихсооружениях с умеренным риском возникновения пожара, как, например,в зданиях, открытых для общественного доступа.

В электроустановках с изолированной нейтралью риск пожаравесьма незначителен при первом замыкании, но при появлении второгозамыкания так же велик, как и в электроустановках с системой зазем�ления TN.

При использовании системы заземления ТТ или TN ток замыкания

представляет опасность, что обусловлено выделением мощности P = I2dRd.Обычно в электроустановках с системой заземления ТТ величина токазамыкания Id находится в пределах от 5 до 50 А, а в электроустановкахс системой заземления TN — от 1 до 100 кА.

Мощность, выделяемая при замыкании, значительна, особеннопри использовании системы заземления TN, и поэтому даже при срав�

1 2 3 4 5

Окончание таблицы 6

–30–

нительно небольших значениях тока замыкания крайне важно срочно

принять защитные меры для ограничения рассеиваемой энергии ∫∫i2dRddt.Защита, указанная в стандартах IEC и требуемая стандартом

Франции NF C 15�100 (пункт 482�2�10), обеспечивается УЗО с номиналь�ным отключающим дифференциальным током до 500 мА независимо оттипа системы заземления.

Если риск возникновения пожара особенно высок, например, в со�оружениях для производства или хранения горючих материалов,необходимо применять систему заземления, специфика выполнениякоторой минимизирует рассматриваемую опасность (ТТ или IT).

Следует заметить, что система TN�С при наличии риска возникно�вения пожара и (или) взрыва в ряде стран запрещена, так как из�засовмещения функций РЕ и нейтрального проводников в одном провод�нике не может быть использовано УЗО.

3.2.Перебои электроснабжения

Этот вид опасности также очень важен, поскольку при остановкепроизводства коммерческие потери могут быть весьма значительными.

Степень этой опасности зависит от выбора той или иной системызаземления.

Напомним, что с точки зрения надежности электроснабжениясредняя вероятность работоспособного состояния электроприемни�ков D (в отечественной терминологии — установившееся значениекоэффициента готовности — прим. ред.) является статистической ве�личиной (см. рис. 10), равной отношению двух интервалов времени:

Отключениепитания

Восстановлениепитания

D — коэффициент готовности; ВВ — время восстановления (обнаружение местаповреждения + ремонт + запуск в работу); НО — наработка на отказ

Рис. 10. Перебои в подаче электроэнергии

Отключениепитания

Восстановлениепитания

Отключениепитания

Восстановлениепитания

Время

BB HO BB BBHO

=HO

DBB+HO

–31–

среднего интервала, в течение которого работоспособностьсохраняется (в отечественной терминологии — наработка на от�каз — прим. ред.);интервала, равного сумме наработки на отказ и среднего време�ни восстановления питания.

Каждый тип системы заземления должен быть поэтому рассмот�рен с точки зрения обеспечения бесперебойности электроснабжения,уделив особое внимание системе заземления IT, поскольку применениетолько этой системы не требует отключения в случае замыкания.

Чтобы сохранить преимущество системы заземления IT, заключа�ющееся в непрерывности электроснабжения при первом замыкании,двойное замыкание, учитывая, что оно так же опасно, как замыкание вэлектроустановке с системой заземления TN, должно быть предотвра�щено. Поэтому первое замыкание должно быть устранено до того каквозникнет второе. Применение эффективных методов обнаружения илокализации, а также наличие квалифицированного обслуживающегоперсонала значительно уменьшают вероятность двойного замыкания.Кроме того, в настоящее время имеются приборы мониторинга, которыеконтролируют во времени эволюцию состояния изоляции на различныхфидерах, осуществляют предсказание замыкания и тем самым преду�преждают о возможности первого замыкания. Это обеспечивает мак�симальный уровень надежности электроснабжения при использова�нии системы заземления IT.

При применении системы заземления TT или TN в случае автома�тического отключения для повышения уровня надежности электро�снабжения используется принцип избирательности. В системе зазем�ления TN выполнение этого принципа достигается с помощьюустройств защиты от сверхтоков, если проект этой защиты выполненнадлежащим образом (избирательность по току и времени). В системезаземления ТТ избирательность по току и времени обеспечивают засчет УЗО.

Следует также помнить, что при применении системы заземления

TN время ремонта из�за большого значения ∫∫i2ddt может превышатьаналогичное время в случае использования системы заземления ТТ,что также влияет на показатели надежности электроснабжения.

Независимо от принятой системы заземления всегда полезно пред�угадывать возможность повреждения изоляции, особенно в некоторыхдвигателях перед их запуском. Известно, что около 20% отказов дви�гателей происходит из�за повреждения изоляции, возникающего впроцессе их включения. Фактически, ухудшение изоляционныхсвойств даже в небольшой степени в горячем двигателе, охлаждаю�щемся во влажной атмосфере, из�за конденсации приводит к полному

–32–

нарушению изоляции при повторном запуске, вызывая тем самым зна�чительные повреждения обмоток и производственные потери. Такиеповреждения изоляции могут привести к еще большему урону, еслидвигатель служит для обеспечения безопасности (дренаж, пожароту�шение, вентиляция и т. д.)

Случаи подобного рода могут быть исключены при любом типе си�стемы заземления путем применения устройств, контролирующих со�стояние изоляции электроприемников при отключении питания. В слу�чае повреждения изоляции запуск двигателя блокируется.

Заканчивая рассмотрение темы данного подраздела, отметим, чтос точки зрения обеспечения бесперебойности электроснабжения сис�темы заземления следует расположить в таком порядке (по предпочти�тельности использования): IT, TT, TN.

ПримечаниеЕсли для обеспечения бесперебойности электроснабжения в

электроустановке используется генератор резервного питания илиустройство бесперебойного питания UPS, имеется опасность нарушенияработы или задержек в срабатывании устройств защиты от сверхтоков,поскольку величины токов короткого замыкания при питании от этих ис�точников уменьшаются (см. рис. 11).

Поэтому в электроустановках с системой заземления TN или IT дляобеспечения безопасности людей и имущества крайне важно удосто�вериться, что требования к защите (время и ток срабатывания) при пере�ключении питания на резервный источник удовлетворяются (особеннопри наличии длинных фидеров). В противном случае должны приме�няться УЗО.

Генератор компаундного(смешанного) возбуждения илигиперкомпаундный генератор

Генератор последовательноговозбуждения

Время10–20 мс 0,1–0,3 с

Ток

≈ 3In

In

≈ 0,3In

Предпереходноесостояние

Переходноесостояние

Возникновение замыкания

Рис. 11. Процесс короткого замыкания в сети, питаемой резервнымдизельным генератором

–33–

4. ВЛИЯНИЕ СЕТИ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯНА ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТИПА СИСТЕМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯЭлектроустановки низкого напряжения, за исключением тех, в ко�

торых используются источники бесперебойного питания или раздели�тельные трансформаторы с первичными и вторичными обмотками до1000 В, подвержены влиянию сетей среднего напряжения.

Это влияние осуществляется через:емкостную связь, когда перенапряжения от обмоток среднегонапряжения трансформатора передаются в обмотки низкого на�пряжения;гальваническую связь, когда происходит контакт между токове�дущими частями среднего и низкого напряжений внутри тран�сформатора;общее сопротивление, когда сети среднего и низкого напряже�ний связаны через заземления и аварийные токи сети среднегонапряжения могут протекать по сети низкого напряжения.

Наличие указанных связей может привести к нарушениям в работеэлектроустановки низкого напряжения, обусловленным перенапряже�ниями, генерируемыми из сети среднего напряжения при следующихявлениях:

ударах молнии;коммутационных перенапряжениях;замыканиях обмоток среднего напряжения трансформаторов накорпус;замыканиях между обмотками среднего и низкого напряженийвнутри трансформаторов.

Результатом этих явлений может быть пробой или перекрытие изо�ляции в электроустановке низкого напряжения и, как следствие, пораже�ние электирическим током людей и выход из строя электрооборудования.

4.1. Молния

Если питающая линия сети среднего напряжения является воз�душной, электропередающая компания для ограничения последствийпрямых ударов молнии и индуктированных перенапряжений, вызванныхразрядами молнии, устанавливает нелинейные ограничители перена�пряжений на основе окиси цинка (ZnO).

Расположенные на концевых опорах линии перед трансформато�ром, эти нелинейные ограничители уменьшают перенапряжения и от�водят токи, вызванные разрядами молнии, в землю.

Обусловленная разрядом молнии волна напряжения, однако, пере�дается из�за наличия емкостных связей во вторичную обмотку транс�

–34–

форматора и на токоведущих частях низкого напряжения может дости�гать величины до 10 кВ (пиковое значение). Хотя волна в значительнойстепени ослабляется паразитными емкостями сети относительно земли,рекомендуется независимо от применяемой системы заземленияустанавливать нелинейные ограничители перенапряжения и в началесети низкого напряжения (рис. 12).

Для исключения связи через общее сопротивление желательно неприсоединять к заземлителю нейтрали трансформатора следующееоборудование:

нелинейные ограничители перенапряжений среднего напряжения;молниеприемники, расположенные на крышах зданий (ток мол�нии может вызвать рост потенциала на защитных и нейтральныхпроводниках относительно земли, что связано с опасностьюпробоя или перекрытия изоляции, а также снижение эффектив�ности их соединения с землей за счет «спекания» грунта).

≤ 125 кB ≤ 10 кB

N

Рис. 12. Ограничение и трансформация перенапряжений, вызванныхразрядами молнии

4.2. Коммутационные перенапряжения

Некоторые виды коммутационной аппаратуры среднего напряжения(например, вакуумные выключатели) в процессе эксплуатации вызы�вают существенные перенапряжения.

В отличие от разрядов молнии, являющихся причиной перенапряже�ний в сети по отношению к земле, коммутации вызывают междуфазныеперенапряжения, которые передаются в сеть низкого напряжения засчет емкостной и электромагнитной связей. Подобно всем явлениямтакого характера, коммутационные перенапряжения не зависят либокрайне слабо зависят от типа системы заземления.

4.3. Замыкание обмотки среднего напряжения трансформа-тора на корпус

При замыкании обмотки среднего напряжения трансформатора накорпус в случае, когда корпус и нейтраль трансформатора присоеди�нены к общему заземлителю, токи нулевой последовательности сетисреднего напряжения, величина которых зависит от типа системы за�

земления этой сети, могут способствовать повышению потенциала накорпусе и нейтрали до опасных значений.

Фактически, величина сопротивления заземляющего устройстватрансформатора напрямую опеределяет напряжение прикосновения наподстанции Ut ≤ RpIhmv (см. рис. 13)и напряжение на изоляции элек�трооборудования низкого напряжения подстанции Utp = RpIhmv (еслинейтраль обмотки низкого напряжения трансформатора присоединенак заземлителю, являющемуся независимым от заземлителя подстанции).

Заземлители подстанции и нейтралей обмоток низкого напряжениятрансформаторов обычно не являются общими. Однако, если они имеютобщий заземлитель, для ограничения повышения потенциала в сетинизкого напряжения потребителей электроэнергии по отношению кземле установлена предельно допустимая величина сопротивленияобщего заземляющего устройства. На рис. 13 даны максимальныезначения сопротивления таких заземляющих устройств при различныхзначениях Ihmv в сетях общего назначения Франции. Читатели, инте�ресующиеся этим вопросом, могут обратиться к стандарту IEC 364�4�442,в котором анализируется опасность, имеющая место в рассматривае�мом случае при использовании различных типов системы заземления.

Замечание редактора. В отечественной практике, в отличие от француз�ской, заземлители подстанций и нейтралей обмоток низкого напряжениятрансформаторов являются, как правило, общими. Следует отметить, чтопри использовании общего заземлителя, далеко не во всех случаях гаранти�руется электробезопасность в электроустановках низкого напряжения по�требителей электроэнергии. Например, в случае замыкания на корпус об�мотки высшего напряжения трансформатора 6/0,4 кВ подстанции или призамыкании на землю в распределительном устройстве 6 кВ этой подстанциипри токе замыкания, равном 25 А, и сопротивлении заземляющего устрой�ства, равном 4 Ом, величина напряжения на корпусах низковольтного обо�рудования потребителей электроэнергии относительно земли составляет25 × 4 = 100 В. Учитывая, что замыкание на землю в сетях среднего напря�жения у нас в большинстве случаях автоматически не отключаются, такаяситуация при отсутствии возможности выполнения надлежащего уравни�вания потенциалов является весьма опасной.Поэтому в стандарте IEC 364�4�442 и национальных стандартах многихстран, в том числе и России (ГОСТ Р50571.18�2000, представляющий со�бой аутентичный текст стандарта IEC 364�4�442�93), приведены требова�ния, ограничивающие величины сопротивлений заземляющих устройствподстанций, к которым присоеденены нейтрали обмоток низкого напря�жения трансформаторов. В этих нормативных документах приведены так�же требования, выполнение которых предотвращает в указанных вышеаварийных ситуациях чрезмерное повышение напряжения на изоляцииэлектрооборудования низкого напряжения.В украинских нормативных документах в настоящее время такие требова�ния отсутствуют, что является их недостатком.

–35–

–36–

Величины токов замыкания в сетях общего назначения могут бытьот 10 А (в сетях с компенсацией емкостных токов Ирландии) до 1 000 Аво Франции (в кабельных сетях) и Великобритании (исключение состав�ляют Австралия и США, где эти токи могут быть значительно большими).Промышленные сети среднего напряжения обычно выполняются с сис�темой заземления IT с заземленными через сопротивления нейтралямитрансформаторов и характеризуются токами нулевой последователь�ности Ihmv порядка нескольких десятков ампер.

Z

Z

RPAB

RPB

RA

RA

Ihmv, A RPAB, Ом

300 3–20

1000 1–10

Ihmv, A RPB, Ом

300 3

1000 1

Utp, кВ 2 4 10

Ihmv, A RP, Ом

300 4 8 20

1000 1 3 10RBRP

TNR или ITR

TTS или ITS

Z — глухое заземление нейтрали в системе TN и TT или заземленная через большоесопротивление либо изолированная нейтраль (система IT); Ihmv — максимальнаявеличина тока замыкания на землю в высоковольтной питающей cети; UtР — напряже�ние промышленной частоты на изоляции электрооборудования низкого напряженияподстанцииТретья буква в обозначении системы заземления обозначает:R — все корпусы соеденены друг с другом; N — корпусы електрооборудования под�станции соединены с нейтралью; S — заземлители корпусов електрооборудованияподстанции и нейтрали являются независимыми

Схема сети Максимальное сопротивление заземляющегоустройства подстанции RP (RPB, RPAB)

Определенная величина не устанавливается, ноприведенные значения предотвращают чрезмер�ное возрастание потенциала

TTN или ITN

Z

Рис. 13. Максимальные сопротивления заземляющих устройств под�станций при разных системах заземления

–37–

Величины заземляющих сопротивлений зависят от условий выпол�нения уравнивания потенциалов в системе заземления сети низкого на�пряжения.

Замечание редактора. В отечественной практике сети среднего напряже�ния в подавляющем большинстве случаев выполняются с изолированнойили заземленной через дугогасящий реактор нейтралью. При этом ток замы�кания на землю обычно не превышает нескольких десятков ампер, а защитаот этих замыканий действует, как правило, на сигнал и в определенных слу�чаях (в целях электробезопасности) на отключение.Известно, что в указанных сетях возникают значительные трудности вобеспечении селективной работы защиты. В зарубежной практике этитрудности преодолеваются за счет рационального выбора режима зазем�ления нейтрали путем подключения между нейтральными точками и землейрезисторов с большим или малым сопротивлением. Такое выполнение сетейсреднего напряжения во многих странах считается оптимальным.

4.4. Замыкание между обмотками среднего и низкогонапряжений внутри трансформатора

Для предотвращения повышения потенциала по отношению к землев сети низкого напряжения до уровня фазного напряжения сети сред�него напряжения при рассматриваемом виде замыкания сеть низкогонапряжения должна быть заземлена.

Последствия такой аварии приведены ниже.В сети низкого напряжения с системой заземления TN вся сеть,

включая РЕ�проводники, находится под воздействием напряженияIhmvRPAB по отношению к земле. Если это напряжение превышаетзначение электрической прочности изоляции (на практике составляетоколо 1500 В), в сети низкого напряжения возможно повреждение изо�ляции (в случае, когда система уравнивания потенциалов несовер�шенна).

В сети с системой заземления ТТ, несмотря на то, что корпусыэлектроприемников заземлены, вся сеть находится под воздействиемнапряжения IhmvRPB или IhmvRB. И в этом случае, если напряжение наизоляции электроприемников превышает значение ее электрическойпрочности, имеется опасность повреждения изоляции.

В сети с системой заземления IT наличие подключенного к нейтралитрансформатора ограничителя напряжения (пробивного предохрани�теля), срабатывающего при достижении величины напряжения значе�ния дугового пробоя, сводит проблему к аналогичной той, котораяимеется в электроустановке с системой заземления TN.

Во всех случаях замыкания между обмотками среднего и низкогонапряжений трансформатора создают условия, которые при отсут�ствии контроля величины сопротивления заземляющего устройства

–38–

нейтрали могут быть весьма опасными как для распределительной сетинизкого напряжения, так и для электроприемников. Читатели, интере�сующиеся этим вопросом, могут обратиться за подробными разъясне�ниями к стандартам комплекса IEC 364 (60364).

Выполнение воздушной распределительной сети общего назначе�ния (см. рис. 14), применяемое во Франции, обеспечивает решениепроблем, имеющих место при грозовых разрядах, коммутационныхперенапряжениях, замыканиях обмотки среднего напряжения тран�сформатора на корпус и замыканиях между обмотками среднего инизкого напряжений трансформатора. Приведенный пример показывает,что эквипотенциирование всей системы рапределения электроэнер�гии (соединение корпусов электрооборудования среднего напряже�ния с нейтральными проводниками и корпусами электроприемников)не является обязательным и каждая из проблем может быть решенаотдельно.

L1, L2, L3

< 50 Ом < 4 Ом< 100 Ом

PE

Неленейныйограничительперенапряжений

Счетчикэлектроэнергии

N

≥ 30 м

≥ 8 м ≥ 8 м

Рис. 14. Сельская воздушная распределительная сеть во Франции

В данном разделе рассмотрены вопросы влияния сети среднегонапряжения на сеть низкого напряжения. В заключение можно сделатьвыводы:

если питающая линия среднего напряжения и, особенно, линиянизкого напряжения являются воздушными, весьма важной яв�ляется установка ограничителей перенапряжений вблизи элек�троустановок низкого напряжения;

объединение заземляющих устройств подстанции с заземляющимустройством нейтралей обмоток низкого напряжения трансфор�маторов или корпусами электрооборудования потребителейэлектроэнергии оказывает различное влияние на сеть низкогонапряжения, зависящее от системы заземления сети среднегонапряжения, т. е. от величины тока Ihmv.

УЗО

–39–

5. ЗАЩИТНЫЕ УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯОсобенности выполнения системы заземления влияют не только на

надежность (в широком понимании этого слова), но и на выбор защит�ных устройств, в частности коммутационных аппаратов.

5.1. Система заземления TN

В системе заземления TN устройства защиты от сверхтоков (авто�матические выключатели, плавкие предохранители), отключающиецепь в соответствии с установленным временем срабатывания (зависитот номинального фазного напряжения электроустановки Uo — см. таб�лицу 3), в целом обеспечивают защиту при повреждении изоляции.

Величина тока срабатывания автоматического выключателя опре�деляется типом механизма расцепления (см. таблицу 7). Когда вели�чина тока замыкания превышает значение тока срабатывания электро�магнитного расцепителя выключателя, размыкание его контактовпроисходит практически мгновенно (для сетей 400/230 В это времянамного меньше, чем установленное допустимое время отключенияпитания — 5 с в распределительных цепях и 0,4 с в цепях, непосред�ственно питающих электроприемники).

Если полное сопротивление цепи замыкания велико, должен бытьприменен механизм расцепления с малым током срабатывания либоиспользовано УЗО в сочетании с устройством защиты от сверхтоков.При этом УЗО и устройство защиты от сверхтоков могут быть выполненыв виде отдельных аппаратов или в виде одного комбинированного ап�парата (дифференциального автоматического выключателя). В случаевозникновения замыкания УЗО срабатывает при условии:

Таблица 7Токи мгновенного срабатывания автоматических выключателей

Назначениеавтоматическихвыключателей

Тип механизмарасцепления

Диапазон токовмгновенного

срабатывания

Бытовые (EN 60898)

В 3In ≤ Ia ≤ 5In

С 5In ≤ Ia ≤ 10In

D 10In ≤ Ia ≤ 20In

Промышленные (IEC60947�2)

G 2In ≤ Ia ≤ 5In

D 5In ≤ Ia ≤ 10In

МА (для пускадвигателя)

6,3In ≤ Ia ≤ 12,5In

Как легко заметить анализируя эту формулу, применение УЗОимеет преимущество, заключающееся в том, что при его осуществле�нии проверка полного сопротивления цепи замыкания становитсянеобязательной. Этот факт имеет особое значение при реконструкцииили расширении электроустановки.

Вышеуказанное решение, как уже отмечалось ранее, неприемлемодля электроустановки с системой заземления TN�С, где функции за�щитного и нейтрального проводников выполняются одним проводником.

Время�токовые характеристики плавких предохранителей (см. таб�лицу 8), применяемых для защиты от сверхтоков, определены следую�щими стандартами:

предохранители бытового назначения — IEC 60241;предохранители промышленного назначения — IEC 60269.

.<+

on

Ph PE

0,8UI

R R∆∆

–40–

Таблица 8

Пример характеристик плавких предохранителей типа gG(согласно пункту 5-6-3 IEC 60269)

In, At = 10 cImin, A

t = 5 cImax, A

t = 0,1 cImin, A

t = 0,1 cImax, A

63 160 320 450 820

80 215 425 610 1100

100 290 580 820 1450

Проверка возможности применения плавких предохранителей поусловию отключения цепей в течение нормированного времени требуетиндивидуальной оценки номинальных параметров каждого предохрани�теля. Если предохранитель не соответствует предъявляемым к немутребованиям, следует либо уменьшить сопротивление цепи замыкания(увеличить поперечное сечение проводников), либо он должен бытьзаменен на предохранитель с меньшим временем перегорания плав�кой вставки или на дифференциальный автоматический выключатель.

5.2. Система заземления ТТ

В электроустановках с системой заземления ТТ величина тока за�мыкания не позволяет устройствам защиты от сверхтоков обеспечитьнадлежащую защиту при косвенном прикосновении. Необходимо ис�

–41–

пользовать УЗО (см. рисунки 15 и 16) в сочетании с устройством защитыот сверхтоков (см. пункт 413.1.4.2 стандарта IEC 60364�4�41).

Указанные устройства должны отвечать требованиям следующихстандартов:

IEC 60755 — общие правила;IEC 61008 — УЗО бытового назначения;IEC 61009 — дифференциальные автоматические выключателибытового назначения;IEC 60947�2 — дифференциальные автоматические выключателипромышленного назначения.

Использование УЗО должно обеспечить:защиту людей (при этом, как отмечалось ранее, надо выполнитьтакие требования: номинальный отключающий дифференциаль�ный ток устройства I∆n не должен превышать значения UL/Rа;время отключения в распределительных цепях должно не превы�шать 1 с);бесперебойность электроснабжения за счет использования такихзначений I∆n и выдержек времени, которые позволяют выпол�нить условия селективной работы по току и времени;защиту от пожара (при этом значение I∆n должно не превышать500мА).

Выходной сигнал

Выдержка времени

Уставкасрабатывания

Формированиесигнала

≠∑ 0I

Рис. 15. Модуль Vigi серии Compact NS Рис. 16. Функциональнаясхема работы УЗО

5.3. Система заземления IT

Напомним, что при наличии двойного замыкания в электроуста�новке с системой IT безопасность людей обычно обеспечивается при�менением устройств защиты от сверхтоков. В случае возникновенияпервого замыкания, как показывают расчеты, опасность отсутствует(величина напряжения прикосновения ниже значения безопасного на�пряжения). Автоматическое отключение поэтому необязательно, чтоявляется главным преимуществом системы заземления IT.

Для сохранения этого преимущества, согласно нормативным до�кументам (пункт 413.1.5.4 стандарта IEC 60364�4�41 или стандартФранции NF C 15�100) должны быть использованы устройства контролясостояния изоляции (IMD — insulation monitoring devices). Указанныйстандарт Франции обязывает также применять устройства определе�ния места первого замыкания. В случае возникновения второго замы�кания автоматическое отключение, являющееся крайне необходимымдля предотвращения опасности поражения электрическим током, осу�ществляется устройством защиты от сверхтоков или, если требуется,УЗО.

Определение места замыкания для его устранения (ремонта) су�щественно упрощается при использовании устройства обнаружениязамыкания на землю (GFLD — ground fault location device).

Также возможно применение превентивного технического обслу�живания, основанного на контроле (регистрации) изменений сопро�тивления изоляции каждой цепи.

Сеть низкого напряжения с системой заземления IT, питающаясяот трансформатора среднего напряжения, должна быть защищена, какуже отмечалось, от замыкания между обмотками среднего и низкогонапряжений посредством ограничителя напряжения.

Для стабилизации потенциала сети низкого напряжения по отно�шению к земле (в сетях небольшой протяженности) между нейтральютрансформатора (со стороны низкого напряжения ) и землей можетбыть установлено сопротивление. Величина сопротивления (полного)составляет при частоте 50 Гц примерно 1500 Ом и для постоянного токаи токов низкой частоты является достаточно большой, чтобы препят�ствовать измерению сопротивления изоляции и определению местазамыкания.

Принцип работы устройства IMDЗамыкание в сети сопровождается нарушением изоляции, т. е.

резким снижением сопротивления между фазным проводником сети иземлей.

Во Франции устройства IMD (а также GFLD) должны соответство�вать отраслевым стандартам UTE 63080.

–42–

компенсируется преимуществом, состоящим в возможности одновре�менного определения места замыкания с использованием одного ге�нерирующего устройства.

В настоящее время имеются устройства для генерирования низко�частотного тока, позволяющие определять как активное, так и реак�тивное сопротивление изоляции сети. Более того, они позволяютопределить место первого замыкания без отключения цепи независимоот величины емкости фидеров относительно земли.

Принцип работы устройства GFLD

Наиболее общим решением является генерирование идентифи�цированного тока (частотой, отличающейся от частоты сети). Генера�тором может служить устройство IMD.

Отслеживание пути тока до места замыкания осуществляетсяпосредством электромагнитных датчиков тока (тороидальных тран�сформаторов и (или) токоизмерительных клещей) в сочетании с усили�телем, настроенным на частоту генерируемого тока (см. рис. 18).

–43–

Ток для контроляизоляции

Сопротивление (около100 кОм при токе 50 Гц;намного ниже длянизкой частоты)

Пороговый елемент →временная задержка →аварийный сигнал

Измерение

Генератор тока низкойчастоты

RE

N

Z

Цель использования устрой�ства IMD — контроль величинывышеуказанного сопротивления.Обычно работа устройства осно�вана на генерировании (инжек�ции) в цепь «сеть — земля» пере�менного или постоянного тока споследующим измерением еговеличины (см. рис. 17).

Генерирование постоянноготока обеспечивает непрерыв�ную осведомленность о состоя�нии изоляции сети. Если сопро�тивление изоляции падает нижеопределенного значения, уст�ройство IMD сигнализирует оналичии замыкания.

Генерирование низкочастот�ного переменного тока (нес�колько Гц) позволяет опреде�лить величину сопротивления снекоторой погрешностью из�заналичия емкостной утечки тока.Этот незначительный недоста�ток, зависящий от частоты тока,

Рис. 17. Функциональная схема уст�ройства контроля состояния изо�ляции (IMD)

Применяется также и другое решение, заключающееся в непре�рывном сравнении на каждом фидере величины сопротивления егоизоляции относительно земли с заранее установленной или програм�мируемой допустимой величиной. Данное решение с помощью ком�пьютера позволяет получить как в определенном месте, так и на отда�ленном расстоянии от него следующую информацию:

о наличии первого замыкания (IMD);о месте нахождения данного замыкания (GFLD) для его устране�ния путем проведения ремонтных работ (см. рис. 19);об изменении состояния изоляции во времени на каждом из фи�деров для принятия соответствующих мер на тех фидерах, гдеобнаружено аномальное снижение сопротивления изоляции(превентивное обслуживание).

Ограничители напряжения

Ограничитель напряжения подключается между токоведущим про�водником (нейтралью или фазой) и землей. Пробивное напряжение Ueограничителя должно быть скоординировано с местом его предпола�гаемого подключения. Для сетей 400/230 В промышленной частотыимеются две модели:

250 В — подключение к нейтрали (400 В < Ue < 750 B);

–44–

RE

RE

Генераторнизкой частоты

Рис. 18. Определение места замыкания посредством отслеживания путитока низкой частоты, генерируемого в электроустановку

400 В — подключение к фазе (700 B < Ue < 1150 В).Рассматриваемые ограничители имеют двойное назначение:

ограничение перенапряжений в сети низкого напряжения призамыканиях между обмотками среднего и низкого напряженийпитающего трансформатора. В этом случае ограничитель дол�жен уводить в землю ток замыкания сети среднего напряжения;ограничение перенапряжений атмосферного происхождения.

Указанные ограничения определяют характеристики этих устройств,например, для модели 250 В:номинальное напряжение — 250 В;напряжение пробоя при 50 Гц — минимум 400 В, максимум 750 В;напряжение пробоя импульсной волной 1,2/50 мкс — U < 1570 В(пиковое значение);выдерживаемый без повреждения импульсный ток iu — 20 им�пульсов тока амплитудой 2 500 А (волна 8/20 мкс);выдерживаемый без повреждения ток промышленной частотыi50 — 20 000 А в течение 0,2 с; 5000 А в течение 5 с; 1200 А в те�чение 2 мин.

–45–

RE

Шина

Ток определяющий место замыкания протекает по проводникам и обнаруживаетсядатчиком тока. В цепи каждого электроприемника установлены избирательныеусилительные блоки (настроены на частоту и фазу тока, предназначенного дляопределения места замыкания), которые вычисляют активное сопротивление и емкостьцепи (с учетом информации о напряжении и фазе, получаемой через шину) и указываютна наличие замыкания

Рис. 19. Принцип действия GFLD

RE

Пиковое значение тока ограничителя напряжения i50 намного пре�вышает величину тока замыкания сети среднего напряжения, посколькуограничитель, который был пробит при перенапряжении высокой крат�ности, будучи в короткозамкнутом состоянии, должен быть способнымвыдерживать ток, протекающий по нему при наличии замыкания в за�щищаемой сети низкого напряжения.

Ограничители напряжений, имеющие товарный знак фирмы MerlinGeren, могут выдерживать ток 40 кА в течение 0,2 с.

5.4. Выполнение защиты нейтрального проводникав зависимости от типа системы заземления

Нейтральный проводник должен размыкаться многополюснымустройством защиты:

в электроустановках с системой заземления ТТ и TN�S, если по�перечное сечение нейтрального проводника меньше поперечно�го сечения фазного проводника;в распределительных щитках для исключения опасности оши�бочной замены нейтрального проводника на фазный.

Нейтральный проводник должен быть защищен и разомкнут:в электроустановках с системой заземления IT для обеспечениявозможности отключения защитным устройством двойного за�мыкания, когда одно из них представляет собой замыкание ней�трального проводника;в электроустановках с системой заземления ТТ и TN�S, если по�перечное сечение нейтрального проводника меньше сеченияфазного проводника;в электроустановках с любым типом системы заземления, если всети имеется генерация токов третьей и кратных ей гармоник(особенно при уменьшенном поперечном сечении нейтральногопроводника).

В электроустановках с системой заземления TN�C, где функциинейтрального и защитного проводника выполняет один проводник,размыкание этого проводника выполнять не следует.

Для снижения степени риска в каждой электроустановке потреби�теля электроэнергии должны быть выполнены уравнивание потенциа�лов и заземление.

В таблице 9 указаны разновидности автоматических выключате�лей, которые должны использоваться в зависимости от типа системызаземления. Заметим, что для систем заземления TT и TN�S могутприменяться одинаковые разновидности выключателей (с дополни�тельными модулями дифференциального тока в системе ТТ).

–46–

–47–

Схема цепиХарактеристика

автоматическоговыключателя

Тип системы заземления

TN�C TN�S TT IT

Однофазная Двухполюсный(фазный проводникзащищен,размыкаютсяоба проводника)

нет да да нет

ОднофазнаяДвухполюсный(оба проводниказащищены иразмыкаются)

нет да да да

Трехфазная безнейтральногопроводника

Трехполюсный(защищеныи размыкаютсяфазные проводники)

да да да да

Трехфазнаячетырехпроводная

Четырехполюсный(три фазныхпроводниказащищены,размыкаются четырепроводника)

нет да да нет

Трехфазнаячетырехпроводная Трехполюсный

(защищены иразмыкаются фазныепроводники

да да да нет

Трехфазнаячетырехпроводная Четырехполюсный

(защищеныи размыкаютсячетыре проводника)

нет да да да

I > LN

I > LNI >

I > L1

L2

I >

L3

I >

I > L1

L2

I >

L3

I >

N

I > L1

L2

I >

L3

I >

N

I > L1

L2

I >

L3

I >

NI >

Таблица 9Примеры использования автоматических выключателей в

электроустановках с разными типами системамы заземления

Замечание редактора. Подход к размыканию и защите нейтральныхпроводников, используемый во Франции и в других странах, существенноотличается от принятого в отечественной практике. Безусловно, такойподход заслуживает внимания и, по�видимому, может быть использованпри разработке наших новых нормативных документов и пересмотре су�ществующих.

6. ВЫБОР СИСТЕМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯИ ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Три рассматриваемых типа систем заземления применяются вразных странах, стандартизированы в документах IEC 60364 и имеютобщее предназначение — обеспечение оптимального уровня электро�безопасности.

С точки зрения защиты людей эти три типа равноценны при условиисоблюдения всех требований к их выполнению и эксплуатации. Прини�мая во внимание характерные особенности каждой системы заземления,ни одной из них не может быть отдано особое предпочтение.

Выбор системы заземления должен быть результатом согласован�ного решения заказчика (пользователя электроустановки) и проектнойорганизации и основываться на анализе:

характеристик электроустановки;эксплуатационных условий и требований.

6.1. Выбор системы заземления

Прежде всего не следует забывать, что в одной сети могут быть ис�пользованы несколько типов системы заземления. Это в ряде случаевгарантирует наилучший результат в части обеспечения требований бе�зопасности и надежности.

Необходимо также проверить, не предопределен ли выбор системызаземления для данной электроустановки требованиями стандарта илидругого нормативно�технического документа. При отсутствии таких тре�бований представители проектной организации должны провести диалогс заказчиком для ознакомления с его пожеланиями и возможностями вчасти:

надежности электроснабжения;условий обслуживания электроустановки;обеспечения пожарной безопасности.

В общем случае:

при недопустимости перерывов в электроснабжении и наличиивозможности постоянного технического обслуживания элек�троустановки (проведения ремонтных работ) выбирается систе�ма заземления IT;

–48–

при недопустимости перерывов в электроснабжении, но отсут�ствии возможности постоянного технического обслуживанияэлектроустановки полностью удовлетворяющего решения нет.Предпочтение может быть отдано системе заземления TT, кото�рая позволяет более просто по сравнению с системой TN ре�шить вопросы избирательности защиты и минимизироватьущерб, вызванный замыканиями в электроустановке. При этомоблегчается подключение к электроустановке в процессе ее экс�плуатации новых потребителей, так как такое подключение нетребует выполнения дополнительных расчетов;при отсутствии повышенных требований к бесперебойностиэлектроснабжения и наличии возможности постоянного техни�ческого обслуживания электроустановки предпочтение отдаетсясистеме заземления типа TN�S (при этом быстрое устранениеповреждений и расширение электроустановки выполняется в со�ответствии с установленными правилами);при отсутствии повышенных требований к бесперебойностиэлектроснабжения и отсутствии возможности постоянного тех�нического обслуживания электроустановки наиболее предпоч�тительной является система заземления ТТ;при повышенной опасности возникновения пожара наиболееприемлема система заземления IT (при наличии возможностипостоянного технического обслуживания электроустановки и ис�пользовании УЗО с номинальним отключающим дифферен�циальным током до 0,5 А) либо система заземления ТТ.

Выбирая тип системы заземления, следует принять во вниманиехарактерные особенности сети и электропримников. При этом наиболеепредпочтительным является применение следующих типов системызаземления:

для очень длинной сети или, более точно, при больших значе�ниях токов утечки в сети — TN�S;при использовании предназначенных для замены или резерви�рования источников питания — ТТ;при наличии электроприемников с повышенной чувствительно�стью к большим значениям аварийных токов (например, двига�телей) — ТТ или IT;при наличии электроприемников с низким естественным уровнемизоляции (например, печей) или с мощными высокочастотнымифильтрами (например, больших компьютерных систем) — TN�S;при питании систем управления и контроля — IT (обеспечиваетбесперебойность питания) либо ТТ (обеспечивает усиление экви�потенциирования смежных устройств).

–49–

Замечание редактора. Изложенный выше подход к выбору типа системызаземления, безусловно, представляет интерес.В отечественной практике, как правило, применяется система заземленияTN и в отдельных случаях система IT.Система заземления TT получила возможность быть использованой лишьсравнительно недавно после введения в действие ГОСТ 30331.2, а до этогоее применение запрещалось Правилами устройства электроустановок(ПУЭ). Но и сейчас эта система по сути является «заблокированной» встранах бывшего СССР. Например, в пункте 1.7.59 главы 1.7 ПУЭ РоссийскойФедерации (седьмое издание, 2002 год) указано, что система заземленияTT «допускается только в тех случаях, когда условия электробезопасностив системе TN не могут быть обеспечены». Однако с учетом возможностииспользования дополнительной системы уравнивания потенциалов илиУЗО довольно сложно найти такие случаи. Это означает, что применениесистемы заземления ТТ крайне ограничено, хотя, как правильно отмечалосьавторами данной работы, все три системы заземления с точки зрения обес�печения электробезопасности являются равноценными.Еще худшая ситуация с применением системы заземления ТТ имеет местов Украине, где до сих пор остается действующей глава 1.7 ПУЭ шестогоиздания.Следует отметить, что в развитых странах мира система заземления ТТшироко используется (например, в Японии она является наиболее приме�няемой). В значительно большей мере по сравнению со странами бывшегоСССР применяется и система заземления IT. По�видимому, разработчикамотечественных нормативных документов следует обратить внимание наопыт развитых стран мира, где, кстати, уровень электротравматизма напорядок и более ниже, чем у нас, в том числе и благодаря более совер�шенной нормативной базе.

6.2. Заключение

Поскольку идеальный выбор типа системы заземления осутствует,во многих случаях рекомендуется, как уже говорилось, применять не�сколько различных систем заземления в одной сети. Это в основномобъясняется тем, что, как правило, в сетях с цельной древовиднойструктурой преобладают радиальные цепи с различными требованиямик надежности электроснабжения и использованию резервных источни�ков электроснабжения или источников бесперебойного питания.

Назначение данной работы состоит в углублении знаний читателейо системах заземления и мы надеемся, что это позволит оптимизиро�вать работу Вашей электроустановки.

ДЛЯ ЗАМЕТОК

Сдано в набор 04.04.05. Подписано в печать 14.04.05. Формат 60×84/16.Усл.�печ. л. 3,02. Тираж 5000 экз.

Изготовление оригинал�макета и печать выполнены издательством «ДІА»03022, г. Киев, ул. Васильковская, 45.

Научно�техническое издание

Bernard Lacroix, Roland CalvasCahier Technique № 172

СИСТЕМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ В ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХНИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Перевод с английского С. В. Божко

Редактор В. И. Мозырский

Библиотечка электрика(публикации компании «Шнейдер Электрик»),

выпуск 1