Технические средства защиты от поражения электрическим током

Технические средства защиты от поражения электрическим током

Евгений Иванов

Назначение

Технические средства защиты (ТСЗ) предназначены для уменьшения тока через тело человека до безопасного значения при случайном контакте с токоведущими частями или при необходимости выполнения работ под напряжением. Этот эффект достигается одним из двух способов: либо напряжение прикосновения (то есть напряжение, приложенное непосредственно к телу человека) уменьшается до безопасного значения, либо оно становится равным нулю.

В зависимости от параметров сети (рабочее напряжение, уровни сопротивления изоляции и емкости относительно земли, режим нейтрали и пр.), технических требований у обеспечению непрерывности питания электроприемников, экономических соображений, особенностей эксплуатации (например, уровень квалификации персонала) и других условий применяют различные виды ТСЗ.

Классификация

Необходимость применения конкретного вида ТСЗ при эксплуатации электроустановок указана в ПУЭ и ПЭЭП. Тем не менее, вопросы обеспечения условий безопасности прорабатываются не в период эксплуатации, а на стадии проектирования (изделия, объекта, технологического процесса). Согласно ГОСТ 2.119-73, еще на стадии эскизного проекта должна быть разработана программа обеспечения безопасности (ПОБ) проектируемого объекта. Искусство разработчика и эксплуатационника состоит в грамотном анализе возможных причин возникновения опасных ситуаций на объекте и в выборе наиболее эффективных и экономичных средств защиты.

В настоящее время наиболее широко применяют следующие ТСЗ:

защитное заземление; зануление; уравнивание потенциалов; защитное отключение; защитное разделение сетей; выравнивание потенциалов; защита от опасности перехода высокого напряжения на сторону низшего; защитное шунтирование; компенсация емкостных токов; обеспечение недоступности токоведущих частей; контроль изоляции; двойная изоляция; защитные средства.

Рассмотрим особенности применения некоторых из них.

Защитное заземление

Назначение. Защитное заземление - это намеренное соединение металлических нетоковедущих частей, могущих оказаться под напряжением, с землей или ее эквивалентом; оно предназначено для защиты людей от поражения током при прикосновении к этим нетоковедущим частям. Опасное напряжение на последних может оказаться по различным причинам - заряды статического электричества, вынос потенциала, разряд молнии, наведенный заряд и пр. Основная из них - случайное замыкание фазы на корпус электротехнического изделия из-за повреждения электрической изоляции или механического повреждения токоведущих частей.

Прикосновение к корпусу такого неисправного электроприемника, по существу, является режимом однофазного прикосновения, хотя при этом человек не нарушает правил техники безопасности. Защитное заземление, как основной вид защиты именно в этом режиме в электроустановках, изолированных от земли.

Принцип действия. Пусть в электроприемнике полюс 1 замыкается на корпус (рис. 1, а). В этом случае человек, касающийся корпуса, оказывается в режиме прикосновения к полюсу 1 (рис. 1, б). Если бы корпус не был заземлен, то человек мог бы оказаться под опасным напряжением (см. "НЭТ" № 2 (8)) в соответствии с распределением падений напряжения на плечах делителя напряжения (Z1, Rh) - Z2. В данном случае корпус заземлен через сопротивление Rз << Rh, поэтому сопротивление плеча (Z1, Rh, Rз) делителя напряжения становится несоизмеримо меньше сопротивления плеча Z2 (то есть сопротивления изоляции здорового полюса). В результате рабочее напряжение U практически полностью прикладывается к сопротивлению изоляции этого полюса, а напряжение прикосновения Uпр снижается до безопасного значения; соответственно и ток через тело человека Ih = Uпр / Rh оказывается незначительным.

Неверная трактовка принципа работы. Зачастую, и даже к некоторых учебниках, бытует другая трактовка принципа защиты с применением заземления, которую можно сформулировать следующим образом: "Без заземления весь ток течет через тело человека, коснувшегося корпуса неисправного приемника. Если корпус заземлить, то наибольшая часть тока будет протекать по пути с наименьшим сопротивлением, то есть через заземление Rз << Rh. В результате ток через тело человека уменьшается до безопасного значения". Эта трактовка принципа работы неверна. Более того, она опасна, так как, исходя из нее, применяют заземление и в тех случаях, когда оно не улучшает, а наоборот, ухудшает условия безопасности.

Действительно, когда нет заземления, через тело человека протекает ток Ih1, и при наличии сопротивления Rз << Rh новый ток Ih2 << Ih1 (рис. 2, а и б). Рассмотрим схемы замещения этих режимов, соответствующие приведенному выше неправильному толкованию принципа работы (рис. 2, в и г). Согласно рис. в, ток Ih1 = Uпр / Rh. Неверная трактовка права в том, что при наличии заземления (рис. г) ток Iзам через сопротивление Rз безусловно будет много больше тока Ih2. Но если последний оценить количественно, то, согласно второму правилу Кирхгофа, из схемы рис. г имеем Ih2 = Uпр / Rh = Ih1, то есть небольшой (по сравнению с током замыкания) ток Ih2 имеет прежнее, опасное для жизни значение. Ошибка заключается в том, что в схеме на рис. г не учтено влияние сопротивления изоляции сети. Правильные схемы приведены на рис. 1, б и в, из которых видно, что Uпр2 << Uпр1 и поэтому Ih2 << Ih1. При наличии заземления значение тока уменьшается до безопасного за счет перераспределения напряжения с тела человека на изоляцию здорового полюса сети.

Неэффективность работы защитного заземления в сетях с глухим заземлением нейтрали. Пусть происходит замыкание фазы на заземленный корпус (рис. 3). В контуре "фаза - корпус электроприемника - сопротивление защитного заземления Rз - сопротивление заземления нейтрали R0 - нейтраль обмотки трансформатора" будет протекать ток замыкания Iзам. В этом контуре фазное напряжение Uф распределяется на примерно равных сопротивлениях Rз и R0, то есть напряжение между корпусом неисправного электроприемника и землей максимально может уменьшиться только в 2 раза. При этом Uпрmin = 110 В, то есть ток через тело человека Ih = 110 мА - выше фибрилляционного и порогового неотпускающего тока.

Тем не менее несанкционированные инициативные случаи применения заземления в этих сетях достаточно часты. Поскольку во многих производственных помещениях и в бытовых помещениях шины заземления отсутствуют, корпуса электроприемников в нарушение требований ПУЭ подключают к любым металлоконструкциям, имеющим связь с землей (водопроводные трубы, батареи отопления и пр.). Учитывая социальную опасность подобных операций, рассмотрим подробнее вопрос использования водопроводных труб в целях заземления.

На эквивалентной схеме (рис. 4) корпус прибора, получающего питание от двухпроводной сети с заземленным нулевым проводом, электрически соединен с трубой Т1 системы водопровода. В случае замыкания фазы на корпус прибора ток замыкания Iзам. протекает по контуру "фаза - корпус - труба Т1 - сопротивление зоны растекания тока с трубы на землю Rтр-з - сопротивление заземления нейтрали R0 - нейтраль обмотки трансформатора". В этом контуре фазное напряжение источника распределяется на сопротивлениях R0 и Rтр-з.. Первое сопротивление подлежит периодическому контролю. Сопротивление Rтр-з - случайная величина, несоизмеримо большая первой. Поэтому основная часть фазного напряжения будет падать на этом сопротивлении, то есть соответствующий потенциал будет на "заземленном" корпусе и на всех трубах.

Пусть человек касается батареи отопления Т2 (потенциал равен нулю) и корпуса прибора. Тогда Uпр = Uф., то есть сделавший заземление себя же и убил. Пусть другой человек, находящийся в другом помещении и не знакомый с первым, принимает душ (ванну) после работы и касается водопроводной трубы. Потенциал водосточной фановой системы равен нулю. Тогда напряжение прикосновения равно фазному и здесть также вероятна электротравма с летальным исходом.

Вынос опасного потенциала по водопроводной трубе угрожает жизни неограниченного числа людей. Поэтому использование металлоконструкций, связанных с землей, с целью заземления корпусов электроприемников ПУЭ запрещает (п. 1.7.73-8). В целях гарантированного обеспечения условий безопасности в зданиях и сооружениях применяется система уравнивания потенциалов, предусматривающая электрическое соединение всех металлоконструкций и нулевого защитного проводника.

ЗАНУЛЕНИЕ
В предыдущем номере журнала мы начали разговор о технических средствах защиты от поражения электрическим током, предназначенных для уменьшения тока, проходящего через тело человека при случайном контакте с токоведущими частями или при необходимости выполнения работ под напряжением, до безопасного значения. В первой части материала были рассмотрены назначение и принцип действия защитного заземления, а также показана недопустимость применения защитного заземления в четырехпроводных сетях с глухим заземлением нейтрали. В этих сетях основным средством защиты от поражения током при замыкании фазы на корпус является зануление.

Зануление — это намеренное соединение металлических нетоковедущих частей с нулевым проводом питающей сети (PE-проводником или PEN-проводником).

Принцип действия
При наличии зануления всякое замыкание фазы на корпус приводит к короткому замыканию, отключаемому штатными аппаратами максимальной защиты (автоматическими выключателями или плавкими предохранителями). На рис. 1 показан принцип действия зануления.

рис. 1 Принцип действия зануления

В случае замыкания фазы В на корпус приемника К1 с помощью защитного зануляющего проводника ЗП1 формируется цепь тока короткого замыкания Iкз «фаза В — корпус К1 — зануляющий проводник ЗП1 — нулевой провод PEN — нейтраль обмотки питающего трансформатора». При этом автоматический выключатель А1 снимает питание с неисправного приемника. В результате напряжение прикосновения к корпусу неисправного приемника Uпр = 0. Аналогично при замыкании фазы С на корпус электроприемника К2 срабатывает автоматический выключатель А2. После этого потенциал корпуса К2 также становится равным нулю.
Технические требования к системе зануления, направленные на обеспечение автоматической защиты от поражения током, приведены в пп. 1.7.79 — 1.7.89 ПУЭ. Согласно п. 1.7.39 ПУЭ в этих сетях применение защитного заземления корпусов электроприемников без их зануления не допускается.

Зануление и защитное заземление

В реальных производственных условиях в сетях TN — C непосредственно с нулевым проводом соединяют только корпуса распределительных щитов (зануляют корпус щита). Корпуса всех приемников электроэнергии и нетоковедущие металлоконструкции заземляют, то есть соединяют их заземляющими проводниками ЗП с шиной заземления ШЗ (см. рис. 2).

Так как шина ШЗ всегда имеет электрическую связь с нулевым проводом или с нейтралью обмотки трансформатора, то выполненное с ее помощью «заземление» фактически является занулением корпуса приемника электроэнергии. Например, при замыкании фазы на корпус К1 возникает ток короткого замыкания Iкз, и автоматический выключатель А1 отключает неисправный приемник.
Пусть приемник с корпусом К3 получает питание от индивидуального трансформатора ТР (фактически от двухпроводной сети, изолированной от земли). Здесь при замыкании полюса сети на корпус будет протекать ток замыкания Iзам по контуру «полюс сети — корпус К3 — заземляющий проводник ЗП — шина заземления ШЗ — сопротивление заземления нейтрали R0 — сопротивление изоляции здорового полюса

рис. 2 Схема зануления и защитного заземления

сети Rиз — второй полюс сети». Ток Iзам не отключается аппаратами защиты, так как его значение невелико, будучи ограниченным сопротивлением изоляции Rиз. В контуре этого тока рабочее напряжение сети падает на сопротивлениях Rиз и R0, при этом потенциал корпуса К3 равен падению напряжения на сопротивлении R0 << Rиз (напряжение прикосновения к корпусу К3 безопасно). То есть корпус К3 оказывается заземленным.
Корпус трансформатора ТР также соединен перемычкой ЗП с шиной заземления. Что это — зануление или заземление? Оказывается, и то, и другое. Если происходит замыкание полюса первичной обмотки на корпус ТР, то перемычка ЗП работает в контуре зануления. Защита срабатывает и отключает трансформатор. Если повреждается вторичная обмотка, то та же перемычка работает в режиме защитного заземления. Трансформатор и получающий от него питание электроприемник не отключаются, а значение напряжения прикосновения к корпусу трансформатора снижается до безопасного.

Таким образом, в реальных производственных условиях процессы зануления и защитного заземления одинаковы и заключаются в соединении металлических нетоковедущих частей с шиной заземления. Поэтому на практике используется обычно только один термин - заземление.

Особенности зануления однофазных приемников при отсутствии шины заземления

Именно однозначное использование термина «заземление» является причиной часто встречающегося на практике неправомерного применения защитного заземления в сетях с заземленным нулевым проводом. Особенно часто это явление встречается в двухпроводных сетях «фаза — нулевой провод» при отсутствии в помещении шины заземления.
Зачастую в таких условиях зануление корпуса приемника выполняют с помощью заземляющего контакта в питающей трехполюсной вилке: в розетке делают перемычку между нулевым проводом и контактом заземления. При таком соединении в цепи защитного нулевого проводника возникает «разъединяющее приспособление», запрещенное ПУЭ (п. 1.7.83). Тем не менее, учитывая, что при отключении вилки одновременно отключаются и питающие приемник провода, запрещение правил на такой способ выполнения зануления, по-видимому, не распространяется. Здесь функция зануления полностью выполняется, так как обеспечивается срабатывание аппаратов защиты в случае замыкания фазы на корпус.
Однако при таком соединении может формироваться другой вид опасности — пожароопасные ситуации. Дело в том, что когда в розетке силовые контакты расположены симметрично относительно «заземляющего», вилка может быть включена в любом положении, то есть любой ее контакт может быть подключен произвольно либо к фазному проводу (гнезду розетки), либо к нулевому проводу. При этом не исключается ситуация, когда штатный однополюсный выключатель в электроприемнике может оказаться в цепи не фазного, а нулевого провода. Тогда даже при выключенном вы-ключателе изоляция электроприемника будет непрерывно находиться под фазным напряжением и по контуру зануления будет непрерывно протекать ток утечки. Если имеется какое-либо повреждение изоляции (снижение ее сопротивления), то ток утечки возрастает и выделяющаяся тепловая энергия разогревает место повреждения. Так как изоляционные материалы имеют ионную проводимость (а не электронную, как проводники), то с увеличением температуры сопротивление изоляции уменьшается и соответственно увеличивается ток утечки. Этот процесс роста температуры при отсутствии должного теплоотвода приобретает лавинообразный характер и приводит к дуговому замыканию, то есть к формированию очага воспламенения. По данным ВНИИ противопожарной обороны (г. Балашиха), если в месте повреждения изоляции выделяется мощность 17 Вт, то возможно формирование электрической дуги через 20 часов протекания тока утечки (то есть при начальном значении тока 73 мА такой ток может чувствовать устройство защитного отключения, а не аппараты защиты от тока короткого замыкания).

Таким образом, для обеспечения безопасного применения однофазных приемников следует применять трехполюсные розетки и вилки с ориентированным (несимметричным) расположением контактов либо дополнительно устанавливать устройство защитного отключения (УЗО). Для обеспечения срабатывания УЗО корпус приемника должен быть заземлен, то есть соединен с любой нетоковедущей металлоконструкцией, имеющей связь с землей. Другой способ обеспечения срабатывания УЗО — подключение защитного нулевого проводника не в розетке, а вне зоны защиты УЗО, то есть перед автоматическим выключателем.
В следующем номере журнала мы продолжим разговор о технических средствах защиты от поражения электрическим током.