РАЦИОНАЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ ПО УСЛОВИЯМ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ

Сидоров А. И.¹, Саидалиев Ш. С.²

¹Доктор технических наук, профессор; ²ORCID: 0000-0001-5801-9140, Аспирант, Южно–Уральский государственный университет

РАЦИОНАЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ ПО УСЛОВИЯМ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ

Аннотация

В статье приведены результаты исследования влияния сопротивления заземления нейтрали источника питания (R₀) электрической сети напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью на условия электробезопасности. Приведены графики изменения значений R₀ для классов напряжений сети при длительно допустимом напряжении прикосновения, равное U_Zh = 20 В и U_Zh = 12 В.

Ключевые слова: зануление, заземления нейтрали, напряжение на PEN–проводнике.

Sidorov A. I.¹, Saidaliev Sh. S.²

¹PhD in Engineering, Professor; ²ORCID: 0000-0001-5801-9140, Postgraduate student, South Ural State University

THE RATIONAL VALUE OF THE GROUNDING RESISTANCE OF THE NEUTRAL ON THE ELECTRICAL SAFETY CONDITIONS

Abstract

In the article results of research of influence of grounding resistance of a neutral of the power source (R₀) in electric network with voltage up to 1000 V with dead-earthed neutral on terms of electrical safety are provided. The graphs of changing of R₀ values for the voltage of the network at the long-term permissible touch voltage equal to U_Zh = 20 and U_Zh = 12 V are showed.

Keywords: neutralling, neutral grounding, voltage PEN–conductor.

Общеизвестно, что в настоящее время основным недостатком системы зануления является длительное время отключения поврежденного участка сети при однофазном коротком замыкании [1, 2, 3]. При этом, появившееся на PEN–проводнике относительно земли напряжение (U_PEN) представляет угрозу для жизни человека, прикоснувшегося к корпусу поврежденной электроустановки.

Согласно Правилам устройств электроустановок (ПУЭ) [4], для снижения напряжения прикосновения на время до отключения поврежденного участка сети или на случаи обрыва нулевого провода (PEN–провода) рекомендуется устраивать повторные заземлители PEN–провода.

Нормирование параметров системы зануления несколько повышает эффективность и надежность ее показателей, как защитной меры, однако не устраняет недостатки, возникающие при эксплуатации системы зануления. При значениях сопротивлений заземления нейтрали и повторного заземления, соответствующих требованиям ПУЭ, напряжение на корпусах и металлических нетоковедущих частях электроустановок существенно превышает предельно допустимый уровень напряжений прикосновения. Такое положение ставит под сомнение рациональность значений R₀, регламентированных в ПУЭ с точки зрения обеспечения электробезопасности. Тем не менее, при нормируемых в ПУЭ значениях R₀ и R_п (R₀/R_п=0,4), величина U_PEN остается неизменной при всех напряжениях сети – 660/380, 380/220 и 220/127 В и составляет 0,714 U_ф. Следовательно, величины сопротивления этих заземлителей нельзя считать рациональными с точки зрения обеспечения электробезопасности [5].

Компьютерное моделирование системы зануления.

Для проведения исследований влияния параметров системы зануления на условия электробезопасности нами была использована компьютерная модель, ранее разработанная на кафедре безопасности жизнедеятельности Южно-Уральского государственного университета в программе MATLAB/Simulink [2]. С целью решения поставленных задач указанная модель была дополнена рядом элементов, в частности, были добавлены: блок, имитирующий сопротивление тела человека, прикоснувшегося к нетоковедущей части, блок имитации возникновения однофазного замыкания фазы на землю (ОЗЗ) при различных значениях сопротивлений растеканию тока [6].

При моделировании были приняты следующие допущения:

• земля будет считаться проводником, обладающий бесконечно малым сопротивлением;
• при моделировании не учитываются сопротивления обуви и пола.

Исходя из данных, приведенных в литературе, исследования проводились на компьютерной модели четырехпроводной воздушной сети напряжением 380 В системы TN–C длиной 500 м, и проводами марки АС.

На компьютерной модели были проведены исследования по определению:

– зависимости значений ожидаемого напряжения на PEN–проводнике относительно земли (U_PEN) и тока, проходящего через тело человека (I_h), от соотношения R₀/R_п при возникновении однофазного короткого замыкания (ОКЗ);

– изменение значения U_PEN в зависимости от соотношения R_зм/R₀ при возникновении однофазного замыкания на землю (ОЗЗ);

– распределение U_PEN от изменения соотношения R₀/R_п при обрыве PEN–проводника и возникновении однофазного замыкания.

Результаты, полученные на компьютерной модели, подтвердили, что установленные в ПУЭ значения R₀ и R_п (соотношения R₀/R_п = 0,4) не обеспечивают необходимый уровень электробезопасности, поскольку при однофазном коротком замыкании на PEN–проводник величина U_PEN относительно земли и I_h существенно превышают предельно допустимые нормы (ПДУ), установленные ГОСТом 12.1.038–82 [7].

Аналитическое исследование системы зануления.

Для обеспечения требований электробезопасности значение R₀ должно быть таким, чтобы в случае замыкания любой фазы на землю через сопротивление R_зм, напряжение, под которым окажется человек, прикоснувшийся к зануленному корпусу или к PEN–проводнику непосредственно, не превышало допустимого напряжения прикосновения U_Zh = 20 В для производственных электроустановок и U_Zh = 12 В для бытовых электроустановок.

Наиболее тяжелые, но вполне реальные условия, это когда человек, касаясь зануленного корпуса, находится за пределами зоны растекания тока замыкания на землю, т.е. α₁ = 1 (α₁ – коэффициент напряжения прикосновения, учитывающий форму потенциальной кривой); сопротивление растеканию ног человека незначительно по сравнению с сопротивлением тела человека R_h, и им можно пренебречь, т.е. α₂ = 1 (α₂ – коэффициент напряжения прикосновения, учитывающий падение напряжения в сопротивлении растеканию основания, на котором стоит человек). Следовательно:

     (1)

Обозначив в (1) , получим:         (2)

Как правило, при возникновении замыкания фазы на землю автоматическое отключение питания сети не происходит, и зануленные корпуса будут длительное время находиться под напряжением U_PEN (до устранения повреждения или отключения вручную сети либо поврежденной фазы от источника питания). Поэтому, длительно допустимое напряжение прикосновения принимаем, согласно требованию ГОСТа 12.1.038–82 [7]: для производственных электроустановок U_Zh = 20 В, для бытовых электроустановок – U_Zh = 12 В.

Подставив в (2) соответствующих значений U_ф и U_Zh находим величину x,

– для U_Zh = 20 В:            (3) – для U_Zh = 12 В:           (4)

Графики изменения значений R₀ для классов напряжений сети при длительно допустимом напряжении прикосновения, для производственных электроустановок U_Zh = 20 В приведены на рис. 1.

Рис. 1 - Изменение сопротивления заземления нейтрали источника питания, при котором U_Zh ≤ 20 В

 

Графики изменения значений R₀ для классов напряжений сети при длительно допустимом напряжении прикосновения, для бытовых электроустановок U_Zh = 12 В приведены на рис. 2.

Рис. 2 - Изменение сопротивления заземления нейтрали источника питания, при котором U_Zh ≤ 12 В

 

Следует отметить, что согласно данным, приведенным в литературе, R_зм, в основном, зависит от длины провода, упавшего на землю. Статистические исследования показывают, что наибольшую вероятность обрыва имеют провода марки А-16, а обрыв проводов сечением более 50 мм² происходит очень редко.

Из материалов типовых проектов опор воздушных линий напряжением до 1000 В следует, что расчетная длина промежуточного пролета для ВЛ-0,38 кВ принимается не более 50 м. Следовательно, при обрыве фазного провода (с учетом высоты подвески верхнего провода на опоре и свободного провисания его на соседних пролетах) наибольшая его часть, находящаяся на земле, оказывается равной 30 м. Однако ввиду того, что оборвавшийся провод не лежит строго прямолинейно, а также вследствие неровностей почвы, непосредственный контакт провода с землей составит менее 50% его длины и поэтому максимально возможную длину оборвавшегося провода, касающегося земли, можно принять равным 15 м. Исходя из этого, с высокой вероятностью можно принять, что сопротивление лежащего на земле после обрыва фазного провода определяется выражением: [8].

Таким образом, например, для удельного электрического сопротивления земли ρ = 100 Ом·м, значение R_зм составляет 30 Ом. По графикам, приведенным на рис. 1 определяем значение R₀ для трехфазной сети напряжением 380/220 В, что составляет величину R₀ = 3.

Заключение.

Проведенное исследование позволит утверждать, что фиксированное значение сопротивления заземления нейтрали R₀ для приведенных напряжений электрической сети, которое предлагается в ПУЭ, не обеспечивает ПДУ напряжений на PEN–проводнике относительно земли. Величину R₀ следует выбрать при определенном соотношении от сопротивления растеканию тока неизолированного провода, лежащего на земле R_зм.

Литература

1. Щуцкий В. И. Безопасность при эксплуатации электротехнических систем / В. И. Щуцкий, А. И. Сидоров. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2001. – 282 с.
2. Валеев Р. Г. Повышение уровня электробезопасности в электрических сетях напряжением до 1000 В при однофазных коротких замыканиях: дис. канд. техн. наук. – Челябинск, 2014. – 220 с.
3. Семенова М. Н. Обоснование перехода от глухозаземленной нейтрали к изолированной в сетях электроустановок сельскохозяйственного назначения напряжением до 1000 В: дис. канд. техн. наук. – Челябинск, 2011. – 153 с.
4. Правила устройства электроустановок: утв. Приказом Минэнерго России от 20 июня 2003 г. № 242 / М-во энергетики Российской Федерации. – 7-е изд. – М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2003.
5. Савицкий Л. В. Обоснование функций системы контроля состояния зануления / Л. В. Савицкий, К. С. Фетько, Ш. С. Сайдалиев, А. И. Сидоров // Электробезопасность. – 2012. – № 4. – С. 18-21.
6. Сидоров А. И. Компьютерная модель для исследования условий электробезопасности системы зануления в программной среде MATLAB/Simulink / А. И. Сидоров, Ш. С. Сайдалиев, Р. Г. Валеев // Вестник Таджикского технического университета им. акад. М. С. Осими. Серия «Энергетика». – 2015. – № 1 (29). – С. 59-63.
7. ГОСТ 12.1.038-82 ССБТ. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов (с Изм. № 1). - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2001.
8. Верхоглядов М. И. Обоснование сопротивлений повторных заземлений нулевого провода // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. – 1976, №6. С. 28-30.

References

1. Shchutskiy V. I. Bezopasnost' pri ekspluatatsii elektrotekhnicheskikh sistem / V. I. Shchutskiy, A. I. Sidorov. – Chelyabinsk: Izd-vo YuUrGU, 2001. – 282 s.
2. Valeev R. G. Povyshenie urovnya elektrobezopasnosti v elektricheskikh setyakh napryazheniem do 1000 V pri odnofaznykh korotkikh zamykaniyakh: dis. kand. tekhn. nauk. – Chelyabinsk, 2014. – 220 s.
3. Semenova M. N. Obosnovanie perekhoda ot glukhozazemlennoy neytrali k izolirovannoy v setyakh elektroustanovok sel'skokhozyaystvennogo naznacheniya napryazheniem do 1000 V: dis. kand. tekhn. nauk. – Chelyabinsk, 2011. – 153 s.
4. Pravila ustroystva elektroustanovok: utv. Prikazom Minenergo Rossii ot 20 iyunya 2003 g. № 242 / M-vo energetiki Rossiyskoy Federatsii. – 7-e izd. – M.: Izd-vo NTs ENAS, 2003.
5. Savitskiy L. V. Obosnovanie funktsiy sistemy kontrolya sostoyaniya zanuleniya / L. V. Savitskiy, K. S. Fet'ko, Sh. S. Saydaliev, A. I. Sidorov // Elektrobezopasnost'. – 2012. – № 4. – S. 18-21.
6. Sidorov A. I. Komp'yuternaya model' dlya issledovaniya usloviy elektrobezopasnosti sistemy zanuleniya v programmnoy srede MATLAB/Simulink / A. I. Sidorov, Sh. S. Saydaliev, R. G. Valeev // Vestnik Tadzhikskogo tekhnicheskogo universiteta im. akad. M. S. Osimi. Seriya «Energetika». – 2015. – № 1 (29). – S. 59-63.
7. GOST 12.1.038-82 SSBT. Elektrobezopasnost'. Predel'no dopustimye znacheniya napryazheniy prikosnoveniya i tokov (s Izm. № 1). - M.: IPK Izd-vo standartov, 2001.
8. Verkhoglyadov M. I. Obosnovanie soprotivleniy povtornykh zazemleniy nulevogo provoda // Mekhanizatsiya i elektrifikatsiya sotsialisticheskogo sel'skogo khozyaystva. – 1976, №6. S. 28-30.