Bilim.techО проекте

Защита и электробезопасность

Что почувствует человек, если коснется корпуса двигателя с пробитой изоляцией? Меняй систему заземления, обрывай защитный провод, ставь УЗО и смотри, кто сработает первым.

01 Что это такое

Опасен не провод под напряжением, а корпус, который под напряжением оказался неожиданно. Защита должна либо отключить такой корпус за доли секунды, либо не дать на нем появиться опасному напряжению.

Если изоляция обмотки пробилась на корпус двигателя, корпус оказывается под фазным напряжением. Коснулся человек, и ток идет через его тело в землю. Чтобы этого не случилось, корпус соединяют защитным проводником с нейтралью (система TN) или с заземлителем (TT). Тогда пробой превращается в короткое замыкание, и автомат отключает линию. УЗО ловит даже малую утечку через человека. В карьерах сеть делают с изолированной нейтралью (IT): первое замыкание на землю почти не дает тока, а реле утечки сразу отключает линию.

TNMкорпус на PE к нейтралиTTMкорпус на свой заземлительITMнейтраль изолированаPERзнейтральбез землиемкость кабелей
Первая буква говорит про нейтраль трансформатора (T: заземлена, I: изолирована), вторая про корпус потребителя (N: соединен с нейтралью, T: заземлен отдельно).
PE
Защитный проводник. Желто-зеленая жила, которая соединяет корпус с нейтралью трансформатора. По ней идет ток короткого замыкания при пробое.
УЗО
Устройство защитного отключения. Сравнивает ток в фазе и в нуле. Разница больше 30 мА значит, что ток утекает в землю, может быть, через человека.
Uпр
Напряжение прикосновения. Разность потенциалов между корпусом и местом, где стоит человек. Длительно безопасно до 50 В.
02 Опыт
Пробей изоляцию. Оборви защитный провод. Поставь УЗО. 380/220 В
ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ

Что будет с человеком, который коснулся корпуса?

Рис. 11.6
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ
Ток через человека
Отключение
Что почувствует человек
03 Формулы по буквам

Сработает ли защита и сколько вольт на корпусе

Для каждой системы заземления своя главная формула: в TN важен ток короткого замыкания, в TT напряжение на заземлителе, в IT ток через емкость сети. Числа берутся из опыта. Закон Ома для цепи через тело человека тот же, что в теме «Закон Ома».

Хватит ли тока, чтобы выбил автомат?

Iк = U0 / Zп

В сети TN пробой на корпус замыкает фазу на PE. Ток определяется сопротивлением петли фаза–PE. Он должен быть таким, чтобы автомат отключил за 0,4 с при 220 В: для характеристики C это не меньше 10 номинальных токов.

Iк
ток однофазного короткого замыкания, А
U0
фазное напряжение, 220 В
Zп
сопротивление петли: фазный провод плюс PE, Ом

Сколько вольт будет на корпусе?

Uпр = Iз · Rз

Ток замыкания, стекающий через заземлитель, поднимает потенциал корпуса. В системе TT ток мал для автомата, поэтому обязательно УЗО, а заземлитель выбирают так, чтобы IΔn · Rз ≤ 50 В.

Uпр
напряжение прикосновения, В
Iз
ток замыкания на землю, А
Rз
сопротивление заземлителя корпуса, Ом
IΔn
ток срабатывания УЗО, 0,03 А

Какой ток в сети с изолированной нейтралью?

Iз = 3U0 / |3Rз + Z|

В сети IT земля не соединена с нейтралью, и ток замыкания может вернуться в сеть только через изоляцию и емкость двух других фаз. Чем короче кабели и лучше изоляция, тем больше Z и меньше ток.

Iз
ток однофазного замыкания на землю, А
Rз
сопротивление цепи замыкания: заземлитель корпуса или тело человека, Ом
Z
сопротивление изоляции и емкости одной фазы на землю, Ом

Почему опасен ток, а не напряжение, и откуда 50 вольт

Сердце управляется слабыми электрическими сигналами. Переменный ток 50 Гц через грудную клетку больше 30–50 мА за доли секунды может сбить ритм: начинается фибрилляция, сердце дрожит и не качает кровь. Чем дольше течет ток, тем меньший ток опасен. Поэтому защита оценивается двумя числами: током через человека и временем отключения.

Сопротивление тела от руки до ног около 1000 Ом, на мокрой коже и в луже меньше. При 50 В ток около 50 мА: такое напряжение длительно считается допустимым для сухих помещений, для сырых и для карьера нормы строже.

Изоляцию проверяют мегаомметром: прибор подает 500–2500 В постоянного напряжения между жилой и корпусом и показывает сопротивление. Для двигателей и кабелей до 1 кВ норма не меньше 0,5 МОм. Падение сопротивления изоляции заранее предупреждает о будущем пробое.

МОммегаомметр 1000 Вжила кабелякорпус и землянорма ≥ 0,5 МОмменьше: искать влагу
Измерение делают на отключенном и разряженном оборудовании: на жиле после проверки остается заряд.
04 Где и зачем это применяют

Защита работает, только если ее проверяют

Допущения модели+

Сеть 380/220 В, пробой фазы L1 прямо на корпус без переходного сопротивления. Петля фаза–PE 0,5 Ом (фазный провод и PE по 0,25 Ом), заземление нейтрали 4 Ом. Тело человека от руки до ног 1000 Ом, в сырости 650 Ом; сопротивление обуви и пола не учтено, оно обычно снижает ток. Автомат с характеристикой C: мгновенно от 10 Iн, ниже по упрощенной тепловой кривой. УЗО 30 мА отключает за 0,3 с при 30 мА и за 0,04 с при 150 мА и больше. В сети IT емкость каждой фазы на землю 0,5 мкФ, реле утечки отключает за 0,15 с, если сопротивление на землю меньше 30 кОм. Если защита не отключает, время воздействия взято 5 с. Зоны воздействия тока построены по IEC 60479-1 приближенно и показывают тенденцию, а не точные границы.

Еще в направлении «Инженерия»

Все темы направления «Инженерия» →