Теоретические основы охраны труда в сельском хозяйстве

Так как r_П и r₀ велики, как правило, по сравнению с другими сопротивлениями цепи, их во внимание можно не принимать. Тогда

.

Комплекс полного сопротивления петли фаза-нуль:

.

В этом случае:

,

,

где : R_ф и R_н активные сопротивления соответственно фазного и нулевого проводов до зануленной электроустановки (точки к . з.); Х_ф и Х_н - внутренние индуктивные сопротивления соответственно фазного и нулевого проводов; Х_п - внешнее индуктивное сопротивление петли фаза-нуль.

Значения R_ф и R_н можно определить по известной формуле:

,

где l - длина линии, км; - удельное сопротивление проводника линии для алюминия 28 Ом.мм²/км, меди - 18; S - сечение проводника, ммІ.

Удельные внутренние индуктивные сопротивления х_ф и х_н для проводников из цветных металлов сравнительно малы (около 0,015 Ом/км) и ими можно пренебречь.

Удельное значение х_п можно определить с приемлемой погрешностью по упрощенной формуле:

,

где Д расстояние между проводами; d диаметр проводника.

Так как расстояние между проводами Д для разных линий по существу стандартизированы, а изменение диаметра незначительно, можно принять для воздушной линии х_п= 0,6 Ом/км, кабельной в трубах х_п= 0,15 Ом/км.

Учитывая изложенное:

,

где n - количество участков линий длиною l (км) из проводов определенного сечения; r_ф и r_н - удельное активное сопротивление проводников, Ом/км; х_n - удельное внешнее индуктивное сопротивление петли, Ом/км .

Сопротивление фазы трансформатора можно определить по справочным данным, а также по упрощенной формуле:

,

где C - опытный коэффициент, зависящий от величины первичного напряжения трансформатора и схемы соединения его обмоток. Для наиболее распространенных в РБ силовых трансформаторов с U_н1= 10 кВ, со схемой Y/ N= 26; Р_н - номинальная мощность трансформатора.

По вычисленным таким образом значениям определяется ток I_к.з.и анализируется неравенство. Если это неравенство соблюдается, то зануление будет эффективным, если же нет, то необходимо принять ряд мер, направленных на увеличение тока I_кз или на уменьшение произведения КI_у. Это может быть, например, в первом случае увеличение сечения нулевого защитного проводника или замена предохранителей на автоматические выключатели с электромагнитным расцепителем - во втором и т. д.

2 ситуация. Нулевой защитный проводник оборван, защитное заземление этой установки и повторное заземление нулевого провода имеются.

При замыкании фазы на корпус по цепи, образовавшейся через землю, будет проходить ток I_з :

,

где: r_з - сопротивление защитного заземления; r_on - сопротивление контура заземления подстанции в совокупности с сопротивлениями повторных заземлений.

На корпусе возникнет напряжение относительно земли U_к :

,

.

В приведенных выше формулах не учтены сопротивления обмотки трансформатора и проводов сети, так как они малы по сравнению с r_o и r_з.

Ток I_з может оказаться недостаточным, чтобы вызвать срабатывание защиты, т. е. установка может не отключиться. Предположим, что r_on = 3 Ом, r_з= 10 Ом. Тогда

А.

Если ток срабатывания защиты данной установки больше 17 А, то отключения не произойдет и корпус останется под напряжением U_к. Более того, в нулевом проводе сети и на зануленных электроустановках этой сети, т. е. выполненных правильно, появится напряжение U_o :

.

При принятых нами r_on = 3 Ом и r_з= 10 Ом

В,

что может быть опасным.

Поэтому заземление электроустановок четырехпроводной сети 380/220 В без их зануления запрещено.

3 ситуация. Выполнено зануление и защитное заземление данной электроустановки, повторное заземление нулевого провода отсутствует.

В этом случае при обрыве нулевого провода сети и замыкании фазы на корпус сохранится цепь тока через землю, благодаря чему напряжение на корпус электроустановки снизится до значения U_к:

,

где r_o - сопротивление контура заземления подстанции.

Однако при этом корпуса зануленных установок, находящихся до места обрыва, окажутся под напряжением U_o:

.

Предположим, что r_з = 10 Ом, а r_o= 4 Ом.

Тогда :

В,

В,

В.

Здесь по существу защитное заземление электроустановки выполняет роль повторного заземления нулевого провода при замыкании фазы на корпус. Опасность поражения током в результате обрыва нулевого провода сети уменьшается.

4 ситуация. Выполнено только зануление, повторное заземление нулевого провода отсутствует, защитное заземление данной электроустановки не требуется.

Зануление обеспечит уровень необходимой защиты при замыкании фазы на корпус электроустановки, потому что ток однофазного к. з. будет достаточным для быстрого отключения установки.

Однако при обрыве нулевого провода в сети 380/220 В, в случае замыкания фазы на корпус, напряжение на нем и на других корпусах исправных установок окажется равным фазному напряжению сети:

В.

Это напряжение будет существовать длительное время, т. к. поврежденная установка автоматически не отключится и ее будет трудно обнаружить, чтобы вручную отключить.

5 ситуация. Повторное заземление нулевого провода имеется, зануление и защитное заземление отсутствуют. Повторное заземление нулевого провода в этом случае практически не влияет на степень защиты персонала от поражения электрическим током, т. к. в случае пробоя фазы на корпус напряжение на нем будет:

В.

Ток через человека I_h в случае его прикосновения к корпусу равен:

,

где R_ч - сопротивление тела человека (при напряжении более 42 В применяется в пределах 800-1000 Ом).

мА.

Это смертельно опасно.

Проверим вышеприведенные данные исследования с помощью разработанной нами компьютерной программы и проведенных физических измерений в учебном научно-производственном комплексе (УНПК) БГАТУ.

Принято, что питающая сеть трехфазная, четырехпроводная, напряжением 380/220 В и имеет до 4-х участков разного сечения проводов, что соответствует практике проектирования и строительства.

Программа расчета.

Данные физических измерений

Исследовано состояние средств защиты от поражения электрическим током в механических мастерских УНПК БГАТУ. Для экспериментального исследования использовали прибор Щ-41160 (измеритель тока короткого замыкания цифровой, заводской номер № 007607). Результаты сведены в таблицу 4.1.

Полученные данные измерений сравнены с расчетными, выполненными по разработанной программе. Исходные данные для расчета и его итоги приведены ниже.

Результаты расчета:

Вывод: зануление эффективно.



Можно сделать вывод, что методика расчета и компьютерная программа объективны и соответствуют экспериментальным данным (табл. 4.1).

4.3. Исследование эффективности устройств защитного отключения

Как показали расчетное и экспериментальное исследования мер защиты от поражения электрическим током на примере УНПК БГАТУ (§4.2) в различных реальных ситуациях не всегда обеспечивается эффективность этих мер. Это связано с коррозией в зажимах и соединениях, неправильной эксплуатацией коммутационных аппаратов, возможными аварийными случаями (обрыв проводов), неправильным применением защитных средств. Некоторые из указанных причин можно устранить, а некоторые носят вероятностный характер. Поэтому предлагается в дополнение к защитному занулению и заземлению использовать в определенных сельскохозяйственных и других помещениях устройства защитного отключения.

Защитное отключение - быстродействующая защита, обеспечивающая автоматическое отключение электроустановки при замыкании фазы на корпус, снижении сопротивления изоляции сети ниже определенного предела и в случае прикосновения человека к токоведущей части, находящейся под напряжением. В последнем случае, устройства защитного заземления и зануления не эффективны, поэтому устройство защитного отключения здесь незаменимо.

Устройство защитного отключения состоит из двух основных элементов: прибора-датчика и выключателя. В первый входит: 1) непосредственно датчик, реагирующий на определенный внутренний сигнал; 2) усилитель для усиления входного сигнала датчика; 3) цепь контроля для периодической проверки исправности УЗО; 4) элементы сигнализации - лампы, измерительные цепи, характеризующие состояние электроустановки.

Устройства защитного отключения (УЗО) должны обеспечивать:

1) высокую чувствительность, т.е. реагировать на малые изменения входной величины;

2) быстродействие

t_б = t_д + t_в, t_в = t_св + t_г,

где tд, tв - время срабатывания датчика и автоматического выключателя соответственно; tсв - собственное время срабатывания включателя; tг - время горения дуги.

У быстродействующих автоматов tсв = 0,01…0,02, tг = 0,05 с

tб = 0,05…0,2с.

3) селективность действия - способность отключать от сети лишь поврежденный участок;

4) самоконтроль исправности, которым обладают далеко не все УЗО, является обязательным при отсутствии защитного заземления и зануления;

5) надежность.

Различают типы УЗО, реагирующие на: потенциал корпуса; ток замыкания на землю; напряжение нулевой последовательности; ток нулевой последовательности; напряжение фазы относительно земли; вентильные схемы; постоянный оперативный ток; переменный оперативный ток; комбинирование.

В устройстве, реагирующем на потенциал корпуса датчиком служит реле напряжения, включенное между корпусом и вспомогательным заземлителем.

Осуществляет защиту от замыканий на корпус и пригодно в сетях с изолированной и заземленной нейтралью любого напряжения.

Напряжение уставки:

Uуст = Uпр.доп / б1б2,

где Uпр.доп - допустимое напряжение прикосновения; б1 и б2 ?1 - коэффициенты напряжения прикосновения.

Если человек в период прикосновения стоит на земле с малым сопротивлением основания R_ос, то б1 = б2 = 1.

Напряжение срабатывания реле будет

Uср = Uпр.доп v(RрІ + Х рІ)/ б1б2 v ((Rр + rв)І + Хр),

где Rр и Хр - активное и индуктивное сопротивление обмотки реле

Rр ? 400 Ом

Х р? 200 Ом

rв - сопротивление вспомогательного заземления.

Преобразовав эту формулу, получим

Uср = Uпр.доп Zр/ б1б2(Zр + rв),

где Zр - полное сопротивление реле напряжения.

Достоинство: простота схемы.

Недостаток - необходимость вспомогательного заземления, отсутствие самоконтроля исправности, непостоянство установки при изменениях rв. Могут применяться только совместно с заземлением или другими видами защиты.

В устройстве, реагирующем на ток замыкания на землю в рассечку заземляющего (зануляющего) провода включается токовое реле. Схема аналогична предыдущей (только не нужно вспомогательное заземление и вместо реле напряжения используют токовое реле). Может включаться через трансформатор тока.

Уставкой такового УЗО будет:

Iуст = Iпр.доп ,

Iуст = Uпр.доп/б1б2(Zр + rз),

где Iпр.доп - допустимый ток прикосновения; rз - сопротивление заземляющего устройства.

Достоинство - простота, надежность срабатывания и возможность селективности.

Недостаток - отсутствие самоконтроля, тем более, что при обрыве цепи реле нарушается и цепь заземления.

В УЗО, реагирующем на токи утечки, в качестве датчика используют трансформатор тока тороидального типа, в котором роль первичной обмотки выполняют фазные проводники. Вторичная обмотка имеет большое число витков, равномерно расположенных по тороиду, подключается к управляющему органу (в электромеханических УЗО - к чувствительному электромагнитному реле, в электронных - к промежуточному усилителю и другим электронным элементам исполнительного реле). Роль исполнительного механизма обычно выполняет коммутационный аппарат.

Геометрическая сумма токов, протекающих по первичной обмотке в нормальном режиме работы, равна нулю: I₁ + I₂ + I₃ + I_N = 0. При утечке тока равновесие их в первичной обмотке нарушается: Тогда в магнитопроводе создаётся магнитный поток, индуктирующий ток во вторичной обмотке, отключающий цепь.

Под I_у понимается ток, который протекает в сети с заземленной нейтралью по участку цепи, параллельному нулевому рабочему проводу, при снижении сопротивления изоляции фазного провода, замыкании на открытые проводящие части через землю или нулевой защитный проводник, а также в случае прикосновения человека к токоведущим частям. Таким образом, устройства защитного отключения данного типа способны защитить человека, коснувшегося непосредственно токоведущих частей, отключить поврежденный электроприемник при замыкании на открытые проводящие части и предотвратить пожары, возникающие при неисправности изоляции или при снижении ее сопротивления.

Относительная электрозащитная эффективность:

,

где средняя плотность потока отказов (величина, обратная средней наработке на отказ); T - период между контрольными испытаниями работоспособности УЗО.

Величина определяет, во сколько раз увеличивается электробезопасность при использовании тех или иных средств защиты по сравнению с электробезопасностью электроприёмника без их применения, принимаемой за единицу. Так, для электронных УЗО при времени между контрольными испытаниями мес . Для более надёжных электромеханических УЗО электрозащитная эффективность выше, и при средней наработке на отказ , т. е. в 1,7 раза выше, чем у электронных УЗО. Для обеспечения электробезопасности (при допустимой вероятности электропоражения 1х10^-6) средняя наработка на отказ устройств защитного отключения не должна быть менее 80000 часов, при которой Э = 82.

В одних случаях целесообразно применять групповую защиту, при которой одно устройство защитного отключения (УЗО) обеспечивает безопасность нескольких установок, в других индивидуальную, предусматривающую размещение защитного аппарата непосредственно на каждой электроустановке.

Групповая система защиты имеет широкую зону действия, т.е. позволяет контролировать появление утечки тока на землю не только в отдельных электроприемниках, но и во всей сети. Однако при значительном числе электроустановок, защищаемых одним УЗО, в случае его срабатывания при повреждении какого-либо из электроприемников существенно затрудняется поиск поврежденной установки. Это приводит к резкому возрастанию длительности перерывов в электроснабжении потребителей, нарушению технологических процессов (дойка, кормление) и, следовательно, к значительному материальному ущербу.

Индивидуальная защита устраняет недостатки групповой: она снижает время поиска поврежденного участка и простой оборудования. Но при использовании индивидуальной системы защитного отключения капитальные и эксплуатационные затраты выше, чем при групповой.

Как видим, каждая из рассмотренных систем защиты обладает своими достоинствами и недостатками. Выбор рациональной системы сводится к определению мест установки и числа УЗО из условий обеспечения заданного уровня электробезопасности с наименьшими затратами. Решить такую задачу можно с помощью математической модели работы системы защитного отключения (СЗО). На основе модели могут быть определены время поиска повреждения и общее время простоя электроустановок, вызванное срабатыванием устройства защитного отключения, что в конечном счете позволит найти функционал затрат - рычаг оптимизации СЗО.

Решим задачу на примере животноводческого комплекса. Выделим из всей совокупности электроустановок рассматриваемого комплекса r групп одного типа, работающих в достаточно близких условиях в рамках одного технологического процесса. Пусть i-я группа (i =1…r) содержит li электроустановок, защищаемых ni УЗО (ni = 1.li). Каждая из ni подгрупп защищена одним УЗО и состоит из mp электроустановок (p = 1…ni).

Чтобы выяснить, как функционируют СЗО, рассмотрим один из возможных вариантов работы электроустановок подгруппы на некотором конечном интервале времени. Для этого допустим, что mp = 3. В момент t = 0 электроустановки рассматриваемой подгруппы одновременно начали работу и безаварийно продолжали ее до момента t3?№? , когда произошло срабатывание УЗО из-за возрастания тока утечки в третьей электроустановке до значения установки защиты. Затем в течение tп3?№? ищут поврежденную установку, а за промежуток tв3?№? восстанавливают ее работоспособность. В момент t3?І? повторно включают третью электроустановку. Далее все установки работают до t1?№?, когда защита срабатывает вторично - теперь из-за неисправности первой электроустановки. За интервалы tп1?№? и tв1?№?, ищут установку и восстанавливают ее работоспособность.

Определим среднее время поиска поврежденной электроустановки. Предположим, что при поиске неисправности обслуживающий персонал просматривает электроустановки в определенной неизменной последовательности. В этом с лучае электроустановки можно пронумеровать. Тогда в i-й группе, защищенной одним УЗО, номер установки j будет изменяться в пределах 1? j ? li, а в р-й подгруппе i-й группы 1? j ? mp. Срабатывание УЗО можно трактовать как событие, в результате которого случайная величина Х - номер электроустановки в подгруппе, вызвавшей срабатывание защиты, - принимает значение хi = j. Заметим, что введение Х возможно при условии появления предельного тока утечки только в одной электроустановке. Предложенный способ нумерации позволяет считать Х и как число электроустановок, которые необходимо просмотреть в подгруппе для определения поврежденной, вызвавшей срабатывание УЗО.

При отсутствии внешних признаков повреждения каждую электроустановку подгруппы поочередно включают через аппарат защиты, пока не обнаруживают неисправную. В дальнейшем ограничимся рассмотрением следующих причин повреждения: естественное старение изоляции, пробой на корпус и однофазное замыкание на землю. В этом случае правомерно ввести понятие среднего элементарного времени поиска t, одинакового для всех групп электроустановок. Значение этой величины в дальнейшем будем считать заданным.

Представим время поиска поврежденной электроустановки как

t = tМ [X],

где М[X] - математическое ожидание номера электроустановки, вызвавшей срабатывание УЗО.

Данное уравнение позволяет свести задачу моделирования времени поиска к определению значения М[X], зависящего лишь от числа аппаратов защиты в группе. Если i- я группа из li электроустановок защищена одним УЗО, то

где хj = j при 1? j ? li - значение случайной величины Х;

рi = 1/li - вероятность значений Х.

При защите электроустановок более чем одним аппаратом вероятности значений хj величины Х возрастают в связи с повторением одних и тех же номеров в подгруппах.

Введение ni УЗО в группу приводит к появлению подгрупп с m1, m2, …, m_p, …, mni электроустановок в каждой. В этом случае для поиска неисправной установки достаточно просмотреть одну подгруппу, в которой произошло срабатывание защитного аппарата. Следовательно, если хj= j при 1? j ? mp и 1? р ? ni, то

При защите i-ой группы электроустановок с помощью ni УЗО (1< ni) возможно несколько вариантов ее разделения на подгруппы, каждому из которых соответствует определенное значение Мi(ni), причем существуют такие варианты (не обязательно единственный), когда Мi(ni) минимально. Это можно представить оптимальным вектором m = {m1, …, mp, …, mni}, при котором достигается наименьшее время поиска, что в принципе возможно в том случае, когда каждая из компонент вектора минимально отличается от других, а Мi (ni) = min. Используя эту формулу, можно для любых li и ni найти компоненты m и математическое ожидание Мi (ni) числа электроустановок, которые необходимо просмотреть. В ряде случаев Мi (ni) может быть представлено таблично как

Мi (ni) = f (ni, li),

Рассмотрим конкретный пример определения среднего времени поиска поврежденной установки tni. Пусть в группе из 10 электроустановок (l =10) для защиты используются 3 аппарата (n = 3). Оптимальный вектор m = (3, 3, 4) и Мi (3) = 2,2. Это значит, что при поиске электроустановки, вызвавшей срабатывание защиты, в рассматриваемой группе в среднем придется просматривать 2,2 установки. Среднее время поиска после первого срабатывания защиты в i-й группе, имеющей ni УЗО,

tпi = tѓ(ni, li) = 2,2t,

Выше приведена методика определения tni при одном срабатывании УЗО, которое условно можно принимать первым. Последующие срабатывания можно представить как дискретный случайный процесс появления хj^(р)(t). Но можно предположить равновероятность значений хj^(р) и для последующих отключений защиты в группе. Такое упрощение оправдано тем, что, во-первых, существует много причин, вызывающих срабатывание УЗО, при которых распределение хj? в момент отключения практически не зависит от предыстории процесса (например, механическое повреждение изоляции), во-вторых, число срабатываний УЗО в группе за период Q обычно мало и для последующих отключений Мi (ni) изменяется медленно.

4.4. Допустимые сопротивления и методы расчета заземляющих устройств

Сопротивление заземляющего устройства, используемого для заземления электроустановок различных назначений и различных напряжений, должно удовлетворять требованиям к заземлению того оборудования, для которого необходимо наименьшее сопротивление заземляющего устройства.

Наибольшие допустимые значения сопротивления заземляющих устройств rз или искусственного заземлителя rи нормированы в ПУЭ. Рассмотрим более подробно методику определения допустимых сопротивлений заземляющих устройств rз для различных электроустановок.

1. Для электроустановок напряжением выше 1000 В с эффективно заземленной нейтралью (подстанции напряжением 110 кВ и выше) наибольшее значение rз равно 0,5 Ом.

2. Для электроустановок напряжением выше 1000 В с изолированной нейтралью (установки напряжением 6, 10, 20, 35 кВ), если заземлитель не используется одновременно для установок напряжением до 1000 В, наибольшее значение сопротивления rз определяется условиями:

rз ? 250/Iз,

но при этом

rз ? 10 Ом,

где Iз - ток замыкания на землю, А; 250 - потенциал заземлителя, В.

При расчетах Iз приближенно определяется по формуле

Iз = uн (lв + 35lк)/ 350,

где uн - линейное номинальное напряжение, кВ; lв - протяженность электрически связанных воздушных линий, км; lк - протяженность электрически связанных кабельных линий, км.

В качестве расчетного тока замыкания на землю в установках с изолирванной нейтралью можно принимать ток срабатывания релейной защиты Iс.в. от многофазных к.з. или ток плавления плавкой вставки Iв предохрантеля при условии, что эта защита обеспечивает отключение замыкания на землю, причем Iз ?1,5 Iс.в. или Iз ?3 Iв.

Условия действуют при удельном электрическом сопротивлении земли в месте расположения заземлителя с ? 500 Ом·м, а при с > 500 Ом·м допустимые значения сопротивления rз увеличивается в с/500 раз, но не более, чем в 10 раз.

Если заземлители молниеотводов и заземляющий контур подстанции напряжением 35/6, …, 35/10 кВ объединены, то при любом удельном сопротивлении земли, но в пределах с ? 350 Ом·м должно соблюдаться условие rз ? 4Ом

3. Для электроустановок напряжением выше 1000 В с изолированной нейтралью, если заземлитель используется одновременно для установок напряжением до 1000 В (например, на потребительских подстанциях напряжением 6/0,4, …, 35/0,4 кВ), необходимо соблюдать следующие условия

rз ? 125/I_з,

но при этом

rз ? 10 Ом.

Если вторичная обмотка трансформатора имеет заземленную нейтраль (например, в сети 380/220 В), то ток Iз находят при однофазном замыкании на стороне высшего напряжения подстанции и при этом должно соблюдаться условие: rз ? 4 Ом.

При с > 100 Ом·м rз может быть увеличена в с/100 раз, но не более, чем в 10 раз.

Таким образом, для подстанций 10/0,4 кВ допустимое сопротивление заземляющего устройства rз находят, исходя из двух условий:

rз ? 125/Iз ? 10 Ом при с ? 500 Ом·м;

rз ? 4 Ом при с ? 100 Ом·м с учетом сопротивлений повторных заземлений нулевого провода на ВЛ 0,4 кВ.

При этом сопротивление заземлителя, расположенного в непосредственной близости от нейтрали трансформатора, должно быть не более 30 Ом.

4. Все требования к rз должны обеспечиваться с учетом искусственных rи и естественных rе (если они есть) заземлителей, то есть

rз = rи rе/( rи + rе) или rи = rз rе/( rе - rз),

5. Для повторных заземлений нулевого провода на воздушных линиях (ВЛ) напряжением 380/220 В сопротивление одного повторного заземлителя rзп1 не должно превышать 30 Ом, а для всех повторных и грозозащитных заземлений одной такой линии rзп.ВЛ .? 10 Ом при с ? 100 Ом·м. При с >100 Ом·м для одного повторного заземлителя rзп1 ? 30с/100 Ом, а для всех повторных и грозозащитных заземлений одной такой линии rзп.ВЛ.? 10 с/100 Ом.

Если одни естественные заземлители обеспечивают необходимое значение сопротивления, то для повторных заземлений не требуется сооружать искусственные заземлители, а для подстанций напряжением 35/6, …, 35/10 кВ и 6/0,4, …, 35/0,4 кВ обязательно, потому что в этом случае необходим замкнутый заземляющий контур. При rз > 10 Ом (при с > 250 Ом·м на ТП 6/0, 4,., 35/0,4 кВ) требуются выравнивающие полосы, образующие горизонтальную сетку.

При расчете заземления в однослойном грунте необходимо определить число и длину вертикальных элементов, длину горизонтальных элементов и разместить заземлители на плане, исходя из величины допустимого сопротивления заземления. Принимаем грунт однородный, т.е. однослойный.

Рекомендуется следующий порядок расчета:

1. Определяем допустимое сопротивление заземления rз в зависимости от параметров электроустановки.

2. Определяем расчетное удельное сопротивление грунта или принимаем приблизительное из таблиц. Измерение удельного сопротивления грунта производится методом одного контрольного электрода или методом четырех электродов. При использовании одного электрода устанавливают заземлитель в виде стальной трубы диаметром 50 мм и длиной 2,5 м на глубину 0,7 м и измеряется сопротивление Rст (которое можно принимать сразу в расчет при аналогичных заземлителях), а удельное сопротивление будет:

с = Rст/ 0,00302· ш, Ом.м,

где ш - климатический коэффициент, учитывающий влажность грунта при измерении.

При использовании метода 4-х электродов (более точном) последние устанавливают на равных расстояниях (а) в линию и измеряют сопротивление.

Тогда с = 2р · а · Rст · ш, Ом.м.

Если состав грунта известен, то приблизительно можно определить с по таблицам (например, песок среднее с = 250 Ом.м).

3. Если будут использоваться естественные заземлители, рассчитываем их сопротивление rест:

Например, труба (кабель) и т. п. на поверхности грунта

rест = с?n (2?/d)/р?; ? >> d,

где l - длина трубы; d - диаметр трубы.

4. Определяем требуемое сопротивление искусственного заземлителя с учетом, что он будет параллелен естественному

r_и = r_з· r_ест / ( r_ест - r_з).

5. Определяем сопротивление одиночного вертикального заземлителя Rод с учетом полученного удельного сопротивления грунта.

Используем, например, круглый стержень (уголок) в земле не ближе 0,5 м от поверхности земли:

Rод = с(?n (2?/ d) + Ѕ ?n ((4t + ?)/( 4t - ? )))/ 2р?,

где l - длина стержня; d - диаметр стержня; t - расстояние от поверхности земли до середины стержня.

При использовании уголка с шириной полки b:

d = 0,95b.

6. Находим приближенное количество одиночных заземлителей

n = Rод/ 0,7rи.

Округляем n в сторону увеличения до значения кратного 2.

7. Составляем предварительный план размещения одиночных заземлителей с указанием расстояний между ними. По табличным данным определяем коэффициент использования вертикальных стержней зст в зависимости от отношения расстояния между ними к длине стержней, числа стержней и схемы их расположения (в ряд или по контуру). При этом указанное расстояние между стержнями должно быть не менее длины стержня (для уменьшения экранирования).

8. Определяем длину соединительной горизонтальной полосы:

L = l·n,

9. Определяем сопротивление соединительной полосы Rп:

Rп = с?n (LІ/ dh)/ 2р L зпол,

где зпол - коэффициент использования горизонтальной полосы (определяется по табличным данным в зависимости от числа заземлителей и их выполнения); h - глубина прокладки полосы.

10. Находим требуемое сопротивление заземления с учетом сопротивления полосы:

Rи = rи· Rп/ (Rп - rи),

11. Определяем окончательное количество вертикальных заземлителей:

n = Rод/ зст· Rи,

12. Выполняем схему расположений вертикальных заземлителей, т.е. схему исполнения контура заземления для трансформаторных подстанций.

13. Определяют в зависимости от исполнения контура заземления и его параметров (количество полос и стержней, расстояние между ними и т.д.) коэффициенты напряжения б₁ и б₂ и шага в₁ и в₂ (по таблице), по которым можно определить абсолютные значения указанных напряжений. Последние сравниваются с предельно допустимыми уровнями напряжений (по табл.).

Uпр = Iз rи б₁б₂ ? Uпр.доп ,

14. При необходимости (в сетях с большими токами замыкания на землю) проверяются (по эмпирическим формулам) заземлители и заземляющие проводники на термическую устойчивость.

Рассмотренный выше метод расчета заземления принят для случая однородности грунта, который с определенной степенью погрешности (по средним удельным сопротивлениям) может быть использован в сетях до 1000 В. Однако расчетные и действительные электрические характеристики заземляющих устройств, в первую очередь в сетях выше 1000 В с глухозаземленной нейтралью, значительно расходятся. Причина - неоднородность удельного электрического сопротивления земли. Следует использовать модель электрической структуры земли в виде многослойного проводящего полупространства (“многослойной земли”). Однако в связи с трудностями расчета обоснована целесообразность использования модели в виде “двухслойной земли”: верхний слой земли, который зимой промерзает, летом увлажняется а также слой грунтовых вод. Даже при двухслойной модели для получения эквивалентного удельного сопротивления точный расчет возможен только с помощью ЭВМ.

Неоднородность грунта определяется отношением удельных электрических сопротивлений верхнего и нижнего слоев грунта с₁/с₂.

1 случай с₁/с₂ ? 2

2 случай 10 ? с₁/с₂ > 2

1. Определяется обобщенный параметр:

для 1 случая Т₁= ?·L/ а_ср vS,

где ? - длина вертикальных стержней; L - общая длина соединительной полосы; а_ср - расстояние между стержнями; S - площадь территории, занимаемой заземляющим устройством.

для 2 случая Т₂ = (Н + ? - h) L/ а_ср·vS,

где Н - глубина заложения горизонтальной полосы; h - толщина верхнего слоя грунта.

2. Находим сопротивление заземления

Rз = с₂ В₁/vS Т^в№,

где В₁, в1 - параметры, зависящие от степени неоднородности двухслойной земли и от мощности верхнего слоя h. Значения В₁, в1 - определяются по таблицам, вычисленным по эмпирическим формулам. Параметр Т берется соответственно Т₁ или Т₂.

3. Определяем коэффициент напряжения прикосновения (б):

б = МТ^-с1/с2,

где М - параметр, зависящий от с₁/ с₂ (находится по таблицам).

4. Находим напряжение прикосновения и сравниваем с допустимым:

Uпр = Iз Rз б ? Uпр.доп.,

Эффект уменьшения Uпр по сравнению с Uпр.доп особенно сильно проявляется при выполнении на территории электроустановки специальных покрытий (гравийных, щебеночных и т.п.) с большим удельным сопротивлением. Такой способ широко используется в США, Германии, а также у нас на тяговых подстанциях. Даже влажная щебенка и гравий обладают удельным сопротивлением, превышающим 8000 Ом.м. Толщина слоя может быть не более 10 см.

4.5 Обеспечение мер защиты от поражения электрическим током на животноводческих фермах

Выравнивание и уравнивание электрических потенциалов является одной из мер обеспечения электробезопасности сельскохозяйственных животных от поражения электрическим током в аварийном и нормальном эксплуатационных режимах наряду с занулением, устройством защитного отключения и обеспечением степени защиты оболочек электрооборудования, материалов и пускозащитной аппаратуры не ниже IP35.

Защиту сельскохозяйственных животных от поражения электрическим током необходимо предусматривать для обеспечения электробезопасности животных при следующих аварийных режимах:

1) однофазном замыкании на землю в сети напряжением до 1 кВ, включая обрыв и падение на землю фазного провода воздушной линии (ВЛ);

2) замыкании на землю на стороне высшего напряжения на подстанциях 6/0,4, 10/0,4 и 35/0,4 кВ;

3) замыкании на землю в ВЛ напряжением 6, 10 и 35 кВ;

4) однофазном замыкании на корпус в сети напряжением до 1 кВ;

5) замыкании на землю на стороне высшего напряжения на подстанции глубокого ввода на напряжении 110 кВ;

6) замыкании на землю в ВЛ напряжением 110 кВ глубокого ввода.

Защиту животных от поражения электрическим током следует предусматривать с таким расчетом, чтобы для указанных первых трех аварийных режимов напряжение прикосновения и напряжение шага для животных не превышали 12 В. Для четвертого, пятого и шестого аварийных режимов эти напряжения зависят от времени действия защиты от замыканий, т.е. от полного времени отключения, равного сумме времени срабатывания основной релейной защиты и отключения коммутационного аппарата, и не должны превышать значений, указанных в таблице 4.2. Время действия четвертого аварийного режима не должно превышать 0,4 с.

Для промежуточных значений напряжения берется следующее, более высокое значение номинального напряжения.

Применительно к крупным животноводческим фермам, комплексам, конюшням и биофабрикам с числом животных 800 и более голов, размещенных в одном или нескольких зданиях, но объединенных между собой электропроводящими коммуникациями (металлическими трубопроводами, бронированными кабелями и т.п.), имеющими соединения с доступными для прикосновения животных металлоконструкциями, а при содержании скота особо ценных пород, независимо от количества поголовья, защита животных должна выполняться с таким расчетом, чтобы для указанных выше первых трех аварийных режимов напряжения прикосновения и шага для животных не превышали 8 В. Для пятого и шестого аварийных режимов напряжения прикосновения и шага для животных при времени действия резервной защиты 2и 3 с не должны превышать соответственно 10 и 8 В. Для четвертого аварийного режима согласно таблице 4.2.

В зоне размещения животных предельно допустимое напряжение переменного тока в нормальном эксплуатационном режиме для исключения электропатологии не должно превышать 0,2В.

Обеспечение вышеизложенных требований следует осуществлять путем выравнивания электрических потенциалов между участком пола, на котором находятся животные, и всеми доступными для прикосновения животных металлоконструкциями (автопоилками, трубопроводами, конструкциями транспортеров для раздачи кормов и уборки навоза, конструкциями ограждений боксов и другого стойлового оборудования и т.п.), которые могут оказаться под электрическим потенциалом.

В крупных животноводческих помещениях (с числом скотомест не менее 200 в одном строении) с бетонными полами, имеющими деревянное или иное покрытие, либо без него, с замоноличенными в бетонный пол стойками из металла системы автопоения и доения, имеющих навозоуборочные транспортеры и другие электрифицированные механизмы, повышающие вероятность возникновения аварийных режимов, должно применяться уравнивание потенциалов, выравнивание электрических потенциалов и повторное заземление нулевого провода ВЛ на вводе в животноводческое помещение.

В животноводческих помещениях других типов достаточно установки УЗО на вводе в помещение; автоматического отключения питания в аварийных режимах электроустановки, чтобы в случае косвенного прикосновения людей и животных разность потенциалов между открытыми проводящими частями и полом в зонах, где могут находиться люди и размещаться животные, не превышала значений допустимых напряжений, для чего рекомендуется использовать защитную металлическую сетку, заделанную в пол и соединенную с защитным проводником и всеми металлоконструкциями, которых могут коснуться животные.

Выравнивание электрических потенциалов может быть выполнено:

созданием искусственного устройства выравнивания электрических потенциалов (УВЭП);

использованием только естественного выравнивания электрических потенциалов технологическими металлоконструкциями и строительными металлическими и железобетонными конструкциями;

созданием комбинированного устройства выравнивания электрических потенциалов с использованием естественного выравнивания электрических потенциалов и искусственного УВЭП.

На открытых площадках следует применять кольцевые УВЭП, в закрытых помещениях штыревые или протяженные. Предпочтительнее штыревые УВЭП как менее металлоемкие.

Все открытые и сторонние проводящие части, которых могут коснуться животные, должны быть электрически соединены между собой, с арматурой строительных железобетонных конструкций животноводческого помещения и с нулевым защитным проводником электроустановки. При этом естественные контакты в сочленениях металлических и строительных конструкций достаточны, если сопротивление петли “фазануль” с учетом переходных сопротивлений обеспечивает кратность тока однофазного замыкания на корпус согласно §4.2 для всех электроприемников, находящихся в животноводческом помещении.

Указанные выше открытые и сторонние проводящие части должны иметь видимые электрические связи с зануленным корпусом вводного щита, с вводной трубой водопровода, с редукторами навозоуборочных и кормораздаточных транспортеров, выполненные при помощи сварки полосовой сталью толщиною не менее 4 мм или катанкой диаметром 8 мм (при использовании оцинкованной стали толщина полосовой стали должна быть не менее 3 мм, катанки - не менее 6мм).

На фермах и комплексах крупного рогатого скота, в конюшнях и на биофабриках защиту животных путем выравнивания электрических потенциалов необходимо предусматривать:

в помещениях привязного содержания животных независимо от применяемого технологического оборудования, строительных материалов и конструкций;

в помещениях для коров и лошадей при содержании их в индивидуальных денниках независимо от материалов строительных конструкций;

в помещениях беспривязного содержания животных только в тех местах, которые находятся вблизи (до 3 м) от стационарного электрифицированного оборудования, а также зануленных металлических конструкций оборудования, трубопроводов автопоилок, ограждений и т.п., к которым возможно прикосновение животных во время кормления, поения, доения или отдыха;

при содержании животных на открытых площадках и манежах УВЭП следует выполнять только в случаях, когда на площадках и манежах имеется зануленное оборудование или стационарное электрифицированное оборудование, например автопоилки с электрообогревом. При этом УВЭП должны выполняться в виде кольцевых заземлителей, закладываемых на глубину 0,44R, где R - радиус кольцевого заземлителя, выбираемый в пределах 1,5-2,0 м.

Для защиты животных от поражения электрическим током в помещениях ферм КРС, в конюшнях и на биофабриках следует применять УВЭП, содержащие металлические стержневые или протяженные элементы, электрически соединенные с технологическим оборудованием и строительными металлоконструкциями, доступными для прикосновения животных, и установленные в токопроводящем полу стойл, отделенных в горизонтальном направлении от зоны нулевого потенциала участком с высоким удельным сопротивлением.

Стержни УВЭП следует погружать в землю под стойла вдоль их внешней стороны с разряжением в каждом ряду от периферии к центру. Длина каждого стержня должна быть не менее 0,5 длины стойла. Погружают их в землю под углом 35-50є к поверхности пола стойл. Смещение внешних концов стержней от внешней стороны стойла не более 0,5 длины стойла. Расстояния между соседними стержнями а_i увеличивают от периферии к центру по арифметической прогрессии [25]

а_i = а₁+ (i - 1)d,

где а₁ - удвоенная ширина стойла; i - порядковый номер расстояния между стержнями; d - разность, равная ширине стойла.

Допускается применение УВЭП, выполненных из протяженных элементов, прокладываемых в полу стойл под ногами животных. При этом могут использоваться как одноэлементные, так и двухэлементные УВЭП.

Протяженный элемент одноэлементного УВЭП следует прокладывать либо под передними, либо под задними ногами животных, но обязательно со стороны зоны нулевого потенциала. Токопроводящий пол с находящимися в нем элементами УВЭП, в случае применения одноэлементных УВЭП, должен быть отделен от зоны нулевого потенциала участком с более высоким удельным электрическим сопротивлением. Таким участком может служить гидроизоляция фундамента здания, асфальтовая отмостка вокруг здания или бетонная, пропитанная непосредственно у стены здания отходами нефтепродуктов. В двухэлементных УВЭП один из протяженных элементов прокладывают под передними, а второй - под задними ногами животного.

На свиноводческих и овцеводческих фермах и комплексах защиту животных от поражения электрическим током обеспечивают за счет естественного выравнивания электрических потенциалов технологическими металлоконструкциями без применения специальных выравнивающих проводников. Такое выравнивание осуществляют надежной электрической связью указанных металлоконструкций с бетонным полом животноводческого помещения. Для этого на стадии проектирования надо предусматривать глубину закладки стоек в пол не менее 20 см, либо стойки должны быть приварены к закладным деталям размером не менее 20 х 20 см, независимо от глубины их закладки в пол.

В обоснованных случаях, на действующих свиноводческих и овцеводческих фермах, где отсутствуют транспортеры раздачи кормов и навозоудаления при заглублении стоек до 20 см, допускается вместо выравнивания электрических потенциалов применять изолирующие вставки, прокладки, звенья и т.п. При этом должны быть проанализированы и исключены все возможные пути электрических соединений металлоконструкций, доступных для прикосновения животных и находящихся за изолированными вставками с зануленными металлоконструкциями (т.е. с металлоконструкциями, находящимися до изолирующих вставок).

Контроль исправности УВЭП или проверка достаточности естественного выравнивания электрических потенциалов должны осуществляться либо путем измерения распределения напряжений прикосновения и шага на полу стойл в местах размещения животных, либо по оценке реакции (по отсутствию вздрагивания) животных на кратковременную (длительностью не более 0,05 с) подачу фазного напряжения сети (220 В в режиме холостого хода) с начальной фазой 80-100є или 260-280є непосредственно на зануленные металлоконструкции, которые могут быть доступны для прикосновения животных. При этом электробезопасность животных в процессе проверки обеспечивается кратковременностью подаваемого напряжения.

Подавать напряжение на металлоконструкции следует через короткозамыкатель с той фазы, электрическая изоляция которой по отношению к земле хуже по сравнению с изоляцией двух других фаз. Несоблюдение этого требования может стать причиной пробоя изоляции и вызвать массовую гибель скота и поражение людей. В целях обеспечения надежного электрического контакта в месте подачи напряжения следует в качестве зажима для подключения фазного провода короткозамыкателя к металлоконструкциям использовать трубный ключ. Работать с ключом необходимо в диэлектрических перчатках. Подавать напряжение следует при наличии временно созданной на период измерений дополнительной электрической связи между нулевым проводом сети и всеми доступными для прикосновения животными металлоконструкциями. В том случае, когда контроль исправности УВЭП или проверка достаточности естественного выравнивания электрических потенциалов осуществлялись измерением напряжений прикосновения и шага, обязательна дополнительная проверка условий электробезопасности животных по оценке их реакции на кратковременную подачу напряжения, о чем должна быть сделана отметка в акте. Без такой отметки в акте эксплуатировать электрооборудование животноводческого помещения запрещается.

Измерения распределения напряжений прикосновения и шага должны проводиться также в режиме кратковременного (длительностью не более 0,05 с) короткого замыкания фазного провода сети напряжением 380/220 В непосредственно на зануленные металлоконструкции, которые могут быть доступны для прикосновения животных. При этом выводить животных из помещений не обязательно.

Производить измерения распределения напряжения прикосновения, напряжения шага и токов короткого замыкания рекомендуется измерителем ЭКО- 200 (НПШ-03); токов короткого замыкания - измерителем тока короткого замыкания цифрового Щ 41160. Могут использоваться и другие приборы, сертифицированные в Республике Беларусь.

Повторное заземление нулевого провода воздушной линии рекомендуется измерять с помощью калиброванного нагрузочного резистора с водяным охлаждением НР-64/220. Он может использоваться для измерения напряжений прикосновения и шага на пониженных токах с последующим пересчетом полученных значений на номинальный ток короткого замыкания или на номинальное напряжение на металлоконструкции в момент замыкания. В случае отсутствия приборов типа ЭКО-200 предварительный контроль эффективности УВЭП можно осуществлять пониженным напряжением с помощью сварочного трансформатора.

Предпусковой контроль исправности УВЭП или проверка достаточности естественного выравнивания электрических потенциалов должны проводиться в два этапа:

...