Вероятностная оценка системы защиты нестационарных электроустановок

Введение. По мере повышения уровня экономического развития объектов экономики страны, в том числе АПК, совершенствования способов производства, передачи и распределения электроэнергии следует ожидать увеличение темпов роста механизации и автоматизации производственных процессов и расширения применяемого номенклатурного перечня нестационарных электроустановок, ручного электроинструмента и других средств малой механизации, выпускаемых отечественными и зарубежными производителями.

Нестационарные электроустановки входят в класс электроустановок напряжением до 1000 В с глухим заземлением нейтрали, токи замыкания на землю в которых всегда существенно меньше 100 А, однако продолжительность существования замыкания на землю в некоторых случаях может быть значительной (десятки часов). Выбор необходимых средств электрической защиты нестационарных электроустановок должен производиться с учетом анализа системы электроснабжения и возможности использования устройств защитного отключения для обеспечения безопасности установок [1].

Цель исследования : анализ систем защиты нестационарных электроустановок.

Задачи исследования : определение вероятностной оценки эффективности защитного заземления, зануления и системы «защитное отключение – зануление».

Методы и результаты исследования . При решении задач моделирования и оптимизации системы электробезопасности возникает необходимость оценки эффективности защитных мер и изучения общих закономерностей, связанных с функционированием моделируемого объекта. Ниже дана вероятностная оценка эффективности трех видов систем защиты нестационарных электроустановок.

Вероятностная оценка эффективности защитного заземления. Для нестационарных электроустановок, часто меняющих место своего расположения, применение защитного зазем- ления не всегда эффективно и сопряжено с определенными трудностями, в первую очередь эксплуатационного характера. Вместе с тем большинство находящихся в эксплуатации данных электроустановок подпадают под требования ПУЭ, предусматривающие применение этой традиционной защитной меры. Так, 7-е издание ПУЭ [2] регламентирует применение защитного заземления в схеме IT-электроснабжения передвижных электроустановок при соблюдении соответствующих требований либо к его сопротивлению, либо к напряжению прикосновения при однофазном замыкании на открытые проводящие части.

В соответствии с ПУЭ электроприемники передвижных электроустановок могут получать питание как от стационарных, так и от передвижных источников электроснабжения с глухоза-земленной или изолированной нейтралью. В этом случае режим нейтрали источника питания должен соответствовать режиму нейтрали электроприемников передвижных электроустановок. В реальных условиях эксплуатации передвижной электроустановки в системе IT-электроснабжения даже при небольшой протяженности питающей линии между землей и различными токоведущими частями, включая провода, кабели и связанное с ними электрооборудование, имеют активные и емкостные проводимости (рис.).

В уравновешенной трехфазной IT-системе, в которой сопротивления между фазными проводниками и землей равны, с каждого фазного провода стекают в землю одинаковые токи утечки. Поскольку активная проводимость (ток утечки через изоляцию) значительно меньше емкостной проводимости, результирующий ток утечки 1 ут может быть определен по упрощенной формуле:

7 ут ^ ф ^й С или /ут ^ UСО С (Кут « ^) - (1)

Фрагмент системы IT-электроснабжения передвижной электроустановки

Если между одним из фазных проводов IT-системы и землей в результате повреждения изоляции возникает полное замыкание, напряжение между этой фазой и землей практически упадет до нуля. В то же время напряжение двух других фазных проводов в IT-системе возрастет до линейного. При возникновении однофазного замыкания полный ток замыкания на землю равен сумме токов утечки неповрежденных фаз и определяется как = √3 . В системе с изолированной нейтралью с фазным напряжением 220 В, имеющей емкость «фаза-земля» 0,3 мкФ (в электроустановках, используемых непосред- ственно на земле, емкость фазы на землю составляет от десятков до долей микрофарад), при замыкании фазного провода на корпус ток замыкания на землю будет равен з =√3 ⋅ 220 ⋅    = √3 ⋅ 220 ⋅ 2  ⋅ 50 ⋅ 0,3 ⋅ 10   =

= 35,8 мА . Полученное значение 1 з достаточно мало и не достигает величины уставки электрозащиты от сверхтока. Поэтому такой аварийный режим может оставаться незамеченным достаточно длительное время. В этом случае человек, прикасающийся к корпусу электроустановки, при отсутствии активной меры электрозащиты может получить смертельную электротравму.

Учитывая, что защитное заземление не обеспечивает безопасность человека при прямых прикосновениях к токоведущим частям электроустановки, при рассмотрении ситуаций косвенного прикосновения к корпусу с поврежденной изоляцией или металлическим частям, оказавшимся под напряжением, принято допущение, что данная защитная мера защищает человека только от электротравм с опасными исходами. Тогда вероятность электропоражения будет иметь следующий вид:

Р (ЭП) = P(U^ f^'" ' О_оп (i^f^di^ , (2)

где P ( U пр ) - вероятность попадания человека под напряжение; F оп ( i чел ) - функция распределения опасного исхода; f ( i чел ) - плотность распределения тока через человека.

Напряжение прикосновения может изменяться в широких пределах, от величины потенциала в точке короткого замыкания до значений, равных единиц вольт. Причем величина напряжения прикосновения на теле человека при аварийном режиме электроустановки не должна превышать нормативных значений [3]. Если же не обеспечивается с помощью заземления снижение О пр до безопасных значений, то в этих условиях не гарантируется благополучный исход электротравм. Таким образом, нестационарные электроустановки, оснащенные защитным заземлением, являются электроопасными [1].

Вероятностная оценка эффективности зануления. В соответствии с требованием ПУЭ для защиты в передвижных электроустановках при косвенном прикосновении предусматривается зануление посредством соединения корпусов оборудования с заземленной нейтралью трансформатора или какого-либо источника электроэнергии с помощью нулевого рабочего или защитного проводника. При этом в случае питания от стационарного источника время отключения устройства защиты от сверхтоков (автоматического выключателя или плавкого предохранителя) для обеспечения электробезопасности, в том числе в групповых цепях, питающих передвижные, переносные электроприемники и ручной электроинструмент класса 1, должно быть не более 0,2 с.

Плавкие предохранители, отличаясь относительной простотой и низкой стоимостью, даже при К≥4 не обеспечивают безопасность нестационарной электроустановки, так как время срабатывания при этом может составлять несколько десятков секунд [4].

Автоматические выключатели, имеющие более совершенные токовременные характеристики в сравнении с плавкими предохранителями, создают условия для повышения безопасности, что делает их основным видом защитных аппаратов, применяемых в системе зануления. Однако высокое требование обеспечения нормируемого времени не реализует в ряде случаев возможность использования системы зануления в нестационарных электроустановках. Кроме того, сама система зануления обусловливает появление таких опасных режимов, как вынос потенциала по нулевому проводнику на связанные с ним металлоконструкции при замыкании на корпус стороннего электрооборудования; появление потенциала на корпусах оборудования, вызванного несимметричным режимом в четырехпроводных сетях; возможность электропоражения при несрабатывании электрической защиты, обусловленном обрывом нулевого проводника.

Перечисленные недостатки и повышенные нормативные требования делают бесперспективным использование зануления как меры электрозащиты при эксплуатации нестационарных электроустановок. Однако отказаться от использования в настоящее время самой распространенной системы электрозащиты представляется нецелесообразным даже в свете ужесточенных нормативных требований. Выходом здесь является постепенный переход к современным системам электроснабжения (TN-S, TN-C-S) и использованию устройств защитного отключения [1].

Вероятностную оценку защитных свойств системы зануления при прикосновении человека к токопроводящей части передвижной электроустановки, оказавшейся под напряжением, можно провести, применяя статистический метод моделирования [5]. Используя токовременные характеристики плавких предохранителей или электромагнитных расцепителей автоматических выключателей, не сложно определить дли- тельность тока через человека, попавшего под напряжение.

Возможны следующие исходы электротравмы: благополучный, при условии, что I чел отп ; опасный, при соотношении: I отп чел фиб ; летальный, при условии, что I отп чел ≥ I фиб . Здесь

I отп – отпускающий ток, мА; I фиб – фибрилляци-онный ток, мА.

Тогда вероятности электропоражения при защите с помощью зануления могут быть определены по выражениям:

– вероятность электропоражения со смертельным исходом ттах

р (ЭП)см = р(ипр)∫ чел см(iчел) t ср f(iчел)diчел, где Fсм(iчел) t – функция распределения опас-     – вероятность электропоражения с исходом ного исхода (смертельного);                     инвалидности ттах

p (ЭП)′ оп = p ( U пр )∫ ^чел I оп ( i чел ) t ср f ⁽ i чел ) di _чел ,                (4)

где Fоп(iчел) t – функция распределения опас-     – вероятность электропоражения с исходом ного исхода (инвалидность);                     временной потери трудоспособности

4 Tmax

p (ЭП)′′ оп = p ( U _пр)∫ чел

оп ( чел ) t ср f ⁽ i чел ) di чел ,

где F оп ( i чел ) f – функция распределения опасного исхода (временная потеря трудоспособности).

Вероятностная оценка эффективности системы «защитное отключение – зануление». Накопленный опыт массового применения устройств защитного отключения [6, 7] показывает, что наиболее перспективным представляется использование при эксплуатации нестационарных электроустановок комбинированной системы «УЗО – зануление», позволяющее одновременно учитывать достоинства каждого из них. Так, при возникновении травмоопасных ситуаций, связанных с косвенным прикосновением, зануление выступает в качестве дополнительного средства, улучшая условия срабатывания УЗО за счет перехода режима замыкания на корпус в режим короткого замыкания. В этом случае всегда, независимо от величины уставки, гарантируется отключение аварийного участка электроснабжения, а исход электротравмы будет зависеть от длительности срабатывания УЗО:

p (УЗО,зан) _(ЭП)см

^max

= ( пр )∫ ⁼0 см ( чел ) ср f ⁽ i чел ) di чел ,

p (УЗО,зан) _{(ЭП)′оп}

ттах

=( U пр )∫ ^чел f оп ( i чел ) t ср f ⁽ i чел ) di чел ,

p (УЗО,зан) _{(ЭП)′′оп =} p ( U _пр)∫ чел f оп ( i чел ) t ср f ⁽ i чел ) di _чел .                 (8)

В случае прямого прикосновения к токове- помощью УЗО. В таблице приведены расчетные дущим частям электроустановки комбинирован- значения вероятности электропоражения людей ная система превращается в электрозащиту с с различными исходами.

Значения вероятности возникновения электротравмы с летальным исходом Р(ЭП), см

Ток уставки, мА	t УЗО =1 c			t УЗО =0,05 c			t УЗО =0,02 c
	Р(ЭП) см	Р(ЭП)´ оп	Р(ЭП)´´ оп	Р(ЭП) см	Р(ЭП)´ оп	Р(ЭП)´´ оп	Р(ЭП) см	Р(ЭП)´ оп	Р(ЭП)´´ оп
6	2,98·10-6	13,92•10-6	66,72•10-6	1,42•10-6	6,72•10-6	34,17•10-6	1,34•10-6	6,16•10-6	32,31•10-6
10	11,35•10-6	54,48•10-6	135,12•10-6	9,09•10-6	43,21•10-6	70,75•10-6	8,38•10-6	38,54•10-6	67,16•10-6
15	14,15•10-6	105,85•10-6	688,50•10-6	12,14•10-6	88,33•10-6	451,35•10-6	11,95•10-6	86,87•10-6	394,25•10-6
30	17,28•10-6	125,56•10-6	735,28•10-6	14,13•10-6	102,93•10-6	524,79•10-6	13,18•10-6	98,25•10-6	497,78•10-6
100	21,57•10-6	156,95•10-6	1170,12•10-6	19,26•10-6	150,16•10-6	765,51•10-6	17,28•10-6	149,30•10-6	726,75•10-6
300	49,84•10-6	463,54•10-6	2456,55•10-6	27,39•10-6	454,02•10-6	2315,42•10-6	26,39•10-6	452,15•10-6	2199,25•10-6

Выводы

• 1.    Защитное заземление не обеспечивает безопасность людей при эксплуатации нестационарных электроустановок в сетях с изолированной нейтралью при замыкании фазного провода на корпус (землю), так как ток замыкания во много раз меньше уставки электрозащиты от сверхтока.

• 2.    Сложность реализации требования обеспечения нормируемого времени срабатывания защиты от сверхтока (0,2 с) делает бесперспективным использование зануления как защитной меры при эксплуатации нестационарных электроустановок.

• 3.    Переход к современной системе электроснабжения (TN-S, TN-C-S) в сочетании с комбинированной защитой «УЗО – зануление», позволяющей одновременно использовать достоинства каждого из них, обеспечивает при сохранении высокой эффективности УЗО надежность его срабатывания.