Система IT: защита от косвенного прикосновения

Материал из Руководство по устройству электроустановок

Перейти к: навигация , поиск
Общие правила проектирования электроустановок
Подключение к распределительной сети высокого напряжения
Подключение к низковольтной распределительной сети
Руководство по выбору архитектуры сети высокого и низкого напряжения
Распределение в системах низкого напряжения
Защита от поражения электрическим током
Выбор сечения и защита проводников
Низковольтная распределительная аппаратура
Защита от перенапряжений в низковольтных сетях
Энергоэффективность в электрических сетях
Компенсация реактивной мощности и фильтрация гармоник
Управление гармониками
Особые источники питания и нагрузки
Электроустановки жилых помещений и коттеджей
Электромагнитная совместимость (ЭМС)

Содержание

Первое замыкание

Современные системы контроля значительно облегчают обнаружение места первого замыкания и его устранение.

Ток замыкания на землю, который протекает при первом замыкании, измеряется в миллиамперах.

Напряжение на корпусе относительно земли является произведением этого тока на сопротивление заземлителя электроустановки и PE-проводника (от поврежденного элемента до заземлителя). Это напряжение является неопасным и, в худшем случае, может составлять всего несколько вольт (например, через сопротивление цепи заземления в 1000 Ом пройдет ток 230 мА [1], а на неэффективном заземлителе электроустановки сопротивлением 50 Ом напряжение составит 11,5 В).

Предупредительный сигнал подается устройством постоянного контроля состояния изоляции.

Принцип контроля замыканий на землю

Генератор переменного тока очень низкой частоты или постоянного тока (применяемый для снижения влияния емкости кабеля до пренебрежимо малых уровней) подает напряжение между нейтралью питающего трансформатора и землей. Это напряжение вызывает появление небольшого тока, величина которого зависит от сопротивления изоляции, по отношению к заземлителю всей электроустановки.

В системах переменного тока могут применяться низкочастотные приборы, которые при замыкании генерируют переходные постоянные составляющие тока. Некоторые модели могут выделять активную и емкостную составляющие тока утечки.

Новые разработанные приборы позволяют регистрировать изменения тока утечки, что позволяет предотвратить появление первого замыкания.

Примеры оборудования

Системы обнаружения замыканий соответствуют стандарту МЭК 61157-9.
  • Ручной поиск мест коротких замыканий (рис. F53)

Генератор может быть стационарным (например, XM100) или портативным (например, GR10X, позволяющий проверять обесточенные цепи), а приемник и токовые клещи нулевой последовательности – портативные.

  • Автоматический (стационарный) поиск мест коротких замыканий (рис. F54)


Рис F53.jpg


Рис. F53 : Неавтоматический (ручной) поиск места короткого замыкания



Рис F54.jpg


Рис. F54 : Стационарный автоматический поиск мест коротких замыканий


Контрольное реле XM100 вместе со стационарными детекторами XD1 или XD12, каждый из которых подсоединен к кольцевому трансформатору тока нулевой последовательности, охватывающему проводники соответствующей цепи, образуют систему автоматического обнаружения мест короткого замыкания в электроустановке, находящейся под напряжением.

Кроме того, для каждой контролируемой цепи отображается уровень сопротивления изоляции и контролируются два уровня: первый уровень предупреждает о необычно низком сопротивлении изоляции, с тем чтобы принять соответствующие меры, а второй уровень указывает на наличие короткого замыкания и подает предупредительный сигнал.

  • Автоматический контроль, регистрация и поиск мест замыканий (рис. F55)

Система Vigilohm обеспечивает также доступ к принтеру и/или персональному компьютеру, осуществляющему глобальный контроль состояния уровня изоляции всей рассматриваемой электроустановки и регистрирующему хронологическое изменение уровня изоляции каждой цепи. Центральное устройство контроля XM100 вместе с детекторами мест коротких замыканий XD08 и XD16, связанными с кольцевыми трансформаторами тока нулевой последовательности (рис. F55), обеспечивает автоматическое обнаружение замыканий.


Рис F55.jpg


Рис. F55 : Автоматическе поиск замыканий и регистрация данных о сопротивлении изоляции

Реализация устройств постоянного контроля состояния изоляции

  • Соединение

Такое устройство обычно включается между нейтралью (или искусственной нейтралью) питающего трансформатора и его заземлителем.

  • Питание

Питание к устройству контроля изоляции должно подводиться от надежного источника питания. На практике это обычно осуществляется непосредственно от контролируемой электроустановки через устройства максимальной токовой защиты с соответствующим номиналом.

  • Уставки уровней

Некоторые национальные стандарты рекомендуют использовать первую уставку на уровне 20% ниже уровня изоляции новой электроустановки. Эта величина позволяет обнаружить снижение качества изоляции и в ситуации зарождающегося отказа требует принятия предупредительных мер.

Пороговый уровень для подачи предупредительного сигнала о замыкании на землю будет соответствовать гораздо более низкой величине сопротивления.

Например, такими двумя уровнями могут быть:
  -  уровень изоляции новой электроустановки: 100 кОм;
  -  безопасный ток утечки: 500 мА (риск пожара при токе утечки > 500 мА);
  -  уровни индикации, установленные пользователем:
     •  порог для профилактического технического обслуживания: 0,8 x 100 = 80 кОм;
     •  порог для подачи сигнала о первом замыкании: 500 Ом.

Примечания:
  -  После длительного периода вывода из работы электроустановки, когда вся электроустановка или часть ее оставались обесточенными, из-за влажности может произойти снижение общего уровня сопротивления изоляции. Такая ситуация, обусловленная главным образом током утечки по сырой поверхности неповрежденной изоляции, не означает аварийного состояния изоляции. Сопротивление изоляции быстро восстановится, как только в результате нормального повышения температуры токоведущих частей снизится поверхностная влажность изоляции.
  -  Устройство контроля состояния изоляции (XM) способно измерять активную и емкостную составляющие тока утечки на землю в отдельности. Это позволяет на основании полного постоянного тока утечки определить истинное сопротивление изоляции.


Случай двойного замыкания

Второе замыкание на землю в системе IT (если оно не происходит на том же проводнике, что и первое замыкание) представляет собой межфазное замыкание или замыкание между фазой и нейтралью. Независимо от того, происходит ли оно в той же цепи, что и первое замыкание, или в другой цепи, устройства максимальной токовой защиты (плавкие предохранители или автоматические выключатели) нормально сработают, что приведет к автоматическому устранению короткого замыкания.

Уставки отключения максимальных токовых реле и номинальные токи срабатывания плавких предохранителей являются основными параметрами, которые определяют максимальную практическую длину цепи, которая может быть удовлетворительно защищена (этот вопрос рассматривается в подразделе Система TN: защита от косвенного прикосновения).

Примечание: при нормальных обстоятельствах ток короткого замыкания проходит по общим PE-проводникам, соединяющим все открытые проводящие части электроустановки, поэтому сопротивление цепи замыкания является достаточно низким для того, чтобы обеспечить необходимый уровень тока замыкания.

В случаях когда цепи являются чрезмерно длинными, особенно, если бытовые электроприборы цепи заземлены отдельно (так, что ток короткого замыкания проходит по двум заземлителям), надежное отключение с помощью максимальной токовой защиты может оказаться невозможным. В этом случае в каждой из цепей электроустановки рекомендуется установить по УЗО.Однако, в случае если система IT заземлена через сопротивление, необходимо следить за тем, чтобы УЗО было не слишком чувствительным, иначе первое замыкание может привести к нежелательному отключению.

Отключение защитных устройств, реагирующих на дифференциальный ток и удовлетворяющих стандартам МЭК, может происходить при величинах от 0,5 I∆n до I∆n,
где I∆n – номинальный уровень уставки по дифференциальному току.

Методы определения уровней тока короткого замыкания

Обычно используются три расчетных метода:
  • метод полных сопротивлений, основанный на суммировании векторов полных сопротивлений системы;
  • композиционный метод;
  • традиционный метод, основанный на предполагаемой величине падения напряжения и использовании специальных таблиц.

Достаточно точная оценка уровней тока короткого замыкания должна проводиться на этапе проектирования объекта.

На этом этапе тщательный анализ не требуется, поскольку величины тока важны только для соответствующих защитных устройств (например, нет необходимости определять сдвиги фаз), поэтому обычно применяются упрощенные приближенные методы, дающие заведомо заниженные оценки параметров. Такими практическими методами являются:

  • Метод полных сопротивлений, основанный на векторном суммировании всех полных сопротивлений цепи короткого замыкания.
  • Композиционный метод, дающий приближенную оценку тока короткого замыкания на дальнем конце цепи при известном уровне тока короткого замыкания на ближнем конце этой цепи. В этом методе полные сопротивления суммируются арифметически.
  • Традиционный метод, в котором предполагается, что минимальная величина напряжения на входе в поврежденную цепь оставляет 80% от номинального напряжения сети, а длина цепей определяется с помощью таблиц, основанных на этом допущении.

Данные методы дают надежные оценки лишь для случая, когда кабели и проводка, образующие цепь замыкания на землю, находятся в непосредственной близости друг от друга и не разделены ферромагнитными материалами.

Метод полных сопротивлений

Программное обеспечение Ecodial основано на методе полных сопротивлений.

Данный метод, описанный в подразделе Система TN: защита от косвенного прикосновения, идентичен для систем заземления IT и TN.

Композиционный метод

Данный метод, описанный в подразделе Система TN: защита от косвенного прикосновения, идентичен для систем заземления IT и TN.

Традиционный метод

(рис. F56)

Максимальная длина цепи с заземлением типа IT составляет :

  • для цепи с заземлением типа IT:  \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}Lmax=\frac{0,8\ Uo\ \sqrt{3}\ Sph}{2\rho Ia\left ( 1+m \right )}

  • для трехфазной четырехпроводной схемы:  \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}Lmax=\frac{0,8\ Uo\ S1}{2\rho Ia\left ( 1+m \right )}

Принцип этого метода для системы IT аналогичен тому, который описан в подразделе Система TN: защита от косвенного прикосновения: расчет максимальной длины цепей, расположенных ниже автоматического выключателя или плавких предохранителей, при которых может быть обеспечена защита посредством максимальных токовых реле.

Очевидно, что нельзя проверить длину цепей для каждой возможной комбинации двух совпадающих во времени коротких замыканий.

Однако, все случаи можно учесть, если уставка отключения по максимальному току основана на допущении, что первое замыкание происходит на дальнем конце рассматриваемой цепи, а второе – на дальнем конце аналогичной цепи, как уже отмечалось выше в подразделе Автоматическое отключение питания при втором замыкании в системе IT. В целом, это может привести только к одному отключению (в цепи с более низким уровнем уставки отключения по максимальному току), в результате чего система останется в состоянии первого замыкания, но с одной отключенной неисправной цепью.

  • В случае трехфазной трехпроводной электроустановки второе замыкание может лишь вызвать межфазное короткое замыкание, поэтому в формуле для максимальной длины цепи в качестве напряжения следует использовать \sqrt 3 \cdot Uo

Тогда максимальная длина цепи в метрах определится по формуле:

Lmax=\frac{0,8\ Uo\ \sqrt{3}\ Sph}{2\rho Ia\left ( 1+m \right )}

  • В случае трехфазной четырехпроводной электроустановки наименьшая величина тока замыкания будет тогда, когда одно из замыканий является замыканием на нулевой проводник. Тогда при расчете максимальной длины цепи в качестве напряжения следует использовать Uo и:

Lmax=\frac{0,8\ Uo\ S1}{2\rho Ia\left ( 1+m \right )}

т.е. всего 50% от длины кабеля, допускаемой для системы TN [2].


Рис F56.jpg


Рис. F56 : Расчет величины Lmax для системы с заземлением типа IT. Показан путь тока для случая двойного замыкания


В приведенных выше формулах:
Lmax - максимальная длина цепи в метрах;
Uo - фазное напряжение в вольтах (230 В для системы напряжением 230/400 В);
ρ - удельное электрическое сопротивление при нормальной рабочей температуре в Ом-мм2/м (22,5 х 10-3 для меди и 36 х 10-3 для алюминия);
Ia - уставка отключения по максимальному току в амперах или Ia – ток в амперах, необходимый для срабатывания плавкого предохранителя в течение установленного времени.

m=\frac{Sph}{SPE}\ ,

где:
SPE - площадь сечения защитного PE-проводника в мм2;
S1 - площадь сечения нулевого проводника, если рассматриваемая цепь включает в себя нулевой проводник;
S1 - площадь сечения фазных проводников (Sph), если рассматриваемая цепь не включает в себя нулевой проводник.

Таблицы

В следующих таблицах [3] указана длина цепи, которая не должна превышаться для обеспечения защиты людей от косвенного прикосновения с помощью защитных устройств.

Приведенные ниже таблицы были составлены с помощью описанного выше традиционного метода.

В них указана максимальная длина цепей, при превышении которой омическое сопротивление этих проводников ограничит величину тока короткого замыкания до уровня ниже того, который требуется для срабатывания автоматического выключателя (или плавкого предохранителя), защищающего эту цепь, с достаточной быстротой, чтобы обеспечить защиту людей от косвенного прикосновения при двойном замыкании. В этих таблицах учитываются:

  • тип защиты: автоматические выключатели или плавкие предохранители, уставки по току срабатывания;
  • площади сечения фазных и защитных проводников;
  • тип системы заземления;
  • поправочный коэффициент: в таблице на рис. F57 представлены значения поправочного коэффициента, которые следует применять к длинам, указанным на рис. F41 - F43, для системы IT.

Пример

Цепь Материал проводника m = Sph/SPE
m = 1 m = 2 m = 3 m = 4
3 фазы Медь 0,86 0,57 0,43 0,34
Алюминий 0,54 0,36 0,27 0,21
3 фазы + нейтраль или 1 фаза + нейтраль Медь 0,50 0,33 0,25 0,20
Алюминий 0,31 0,21 0,16 0,12


Рис. F57 : Поправочный коэффициент для длин, приведенных на рис. F41 - F44 для систем TN


Трехфазная трехпроводная электроустановка на напряжение 230/400 В система заземления IT.

Одна из ее цепей защищена автоматическим выключателем типа B с номинальным током срабатывания 63 А и состоит из кабеля с алюминиевыми жилами с сечением фазных проводников 50 мм2. Используется PE-проводник из алюминия сечением 25 мм2. Какова максимальная длина цепи, ниже которой посредством электромагнитного расцепителя мгновенного действия, входящего в состав автоматического выключателя, обеспечивается гарантированная защита людей от опасности косвенного прикосновения?

Из таблицы на рис. F42 получаем длину 603 м, к которой должен быть применен поправочный коэффициент 0,36 (для алюминиевого проводника m = 2).

Таким образом, максимальная длина цепи составит 217 метров.

Примечания

[1] Для трехфазной системы 230/400 В.

[2] При использовании схемы заземления TT отсутствует ограничение по длине цепи, поскольку защита обеспечивается применением УЗО высокой чувствительности.

[3] Эти таблицы привeдены в подразделе Система TN: защита от косвенного прикосновения (F41 - F44). Однако таблица поправочных коэффициентов (рис. F57), в которой учитываются отношение Sph/SPE, тип цепи (трехфазная трехпроводная, трехфазная четырехпроводная, однофазная двухпроводная) и материал проводника, является специфической для системы IT и отличается от такой же таблицы для системы TN.