Опасные и вредные производственные факторы при холодной обработке металлов

	МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Брянский государственный технический университет

 

 

 

 

УТВЕРЖДАЮ

Ректор университета

_____________ А. В. Лагерев  

"____"____________ 2010 г.

 

 

 

 

 

БЕЗОПАСНОСТЬ  ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

 

РАСЧЁТ СИСТЕМЫ ЗАЩИТНОГО ЗАНУЛЕНИЯ

 

Методические указания к выполнению практической работы

 для студентов всех форм обучения всех специальностей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Брянск 2010

УДК 614.84

Производственная безопасность. Расчёт системы защитного зануления [Текст] + [Электронный ресурс]: методические указания к выполнению практической работы для студентов всех форм обучения всех специальностей. – Брянск: БГТУ, 2010. – 20 с.

 

 

 

 

 

 

 

Разработали:

Р. В. Кареев, канд. техн. наук, доц.;

М. Н. Нагоркин, канд. техн. наук, доц.;

Р. Р. Кареев, канд. пед. наук, доц.

 

 

 

 

 

Рекомендовано кафедрой "Безопасность жизнедеятельности  и химия" (протокол № 1 от 30.08.10)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Широкое использование электроэнергии во всех сферах деятельности человека, неуклонный рост энерговооружённости труда повлекли за собой повышение опасности поражения человека электрическим током. Электрический ток не имеет каких-либо физических признаков или свойств, по которым человек мог бы его ощущать органами чувств, что усугубляет его опасность для человека. Электротравматизм составляет значительную долю в общем числе несчастных случаев.

В связи с этим важным является выбор защитных мер электробезопасности для обслуживающего персонала от поражения электрическим током.

Цель работы – изучение метода расчёта систем защитного зануления электроустановок в сетях до 1000 В.

Продолжительность работы – 3 часа.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ

Существующие электрозащитные мероприятия можно разделить на следующие основные группы:

1. Организационные мероприятия (для квалифицированного персонала), включающие оформление работ нарядом-допуском, подготовку рабочих мест и допуск к работе, надзор во время выполнения работы и т. п.

2. Организационно-технические мероприятия, включающие изоляцию и ограждение токоведущих частей электрооборудования; безопасные режимы работы сети; применение блокировок, защитных средств, защитной изоляции, сигнализации, переносных заземлителей, предупредительных плакатов; изолирование рабочего места и др.

3. Технические меры защиты, предусматривающие:

– защитное заземление;

– автоматическое отключение питания (защитное зануление, защитное отключение);

– уравнивание (выравнивание) потенциалов;

– двойную изоляцию, изолирование рабочего места;

– сверхнизкое (малое) напряжение;

– защитное электрическое разделение сетей;

– контроль, профилактика изоляции, обнаружение её повреждений, защита от замыканий на землю;

– защиту от перехода напряжения с высшей стороны на низшую;

– грозозащиту.

В стандарте ГОСТ Р  МЭК 61140-2000 основное правило защиты от поражения электрическим током сформулировано следующим образом: опасные токоведущие части не должны быть доступными, а доступные проводящие части не должны быть опасными в нормальных условиях и при наличии неисправности.

В настоящее время  одним из наиболее эффективных электрозащитных средств является автоматическое отключение источника питания, включающее защитное зануление или защитное отключение, которое защищает человека от поражения в условиях неисправности электроустановки – при повреждении или пробое изоляции электроустановки на корпус. Этот способ является превентивным электрозащитным мероприятием и в сочетании с современными системами заземления (TN-S, TN-C-S, ТТ) обеспечивает высокий уровень электробезопасности при эксплуатации электроустановок в сетях до 1000 В .

Задача защитного зануления – быстрое и надёжное автоматическое отключение электрооборудования при нарушении изоляции и появлении на корпусах электрооборудования опасного напряжения.

Для решения этой задачи металлические нетоковедущие части электрооборудования, которые могут оказаться под напряжением, соединяют проводниками с заземлённой нейтральной точкой обмотки источника тока или её эквивалентом (глухозаземлённой нейтралью). Принципиальная схема зануления в сети трёхфазного тока показана на рис. 1.

Проводник, обеспечивающий соединения зануляемых частей с глухозаземленными  нейтральной точкой, называется нулевым защитным проводником. В качестве нулевых защитных проводников применяют голые или изолированные проводники, стальные полосы, кожухи шинопроводов, алюминиевые оболочки кабелей, различные металлоконструкции зданий, подкрановые пути и т. д.

Принцип действия зануления заключается в том, что при появлении напряжения на нетоковедущих частях оборудования возникает ток короткого замыкания I_к.з, то есть замыкание между фазным и нулевым защитным проводниками (петля "фаза – ноль"). Его значение превышает номинальный ток плавкой вставки ближайшего предохранителя или автоматических выключателей (расцепителя автоматического выключателя, магнитного пускателя со встроенной тепловой защитой, контактора с тепловыми реле и т. п.) не менее чем в 3 раза. При такой силе тока короткого замыкания происходит быстрое перегорание плавкой вставки (или срабатывание других автоматических защитных средств). Перегорание плавких вставок происходит за 5…7 с, отключение повреждённых фаз автоматическими устройствами – за 1…2 с.

 

1 – аппараты защиты от токов  короткого замыкания (предохранители, автоматические выключатели и т. п.); 2 – корпус электрооборудования; Iк.з – ток короткого замыкания; Iз – часть тока короткого замыкания, протекающая через землю; Zт – сопротивление обмотки трансформатора; Rн – сопротивление нулевого провода; Rф – сопротивление фазного провода; R0 – сопротивление заземления нейтрали обмотки источника тока; Rп – сопротивление повторного заземления нулевого защитного проводника

 

Рис. 1. Принципиальная схема защитного зануления корпуса

электрооборудования в трёхфазной сети до 1000 В

 

Из рис. 1 видно, что  для схемы зануления необходимо наличие глухого заземления нейтрали обмоток источника тока и повторного заземления нулевого защитного проводника. Заземление нейтрали обмоток источника тока, питающего сеть, предназначено для снижения напряжения занулённых корпусов (а следовательно, нулевого защитного проводника) относительно земли до безопасного значения при замыкании фазы на землю. Повторное заземление нулевого защитного проводника практически не влияет на отключающую способность схемы зануления и в этом смысле без него можно обойтись. Однако при отсутствии повторного заземления нулевого защитного проводника возникает опасность для людей, прикасающихся к занулённому оборудованию в период, пока существует замыкание фазы на корпус. Это связано с тем, что напряжение относительно земли участка нулевого защитного проводника за местом обрыва и всех присоединённых к нему корпусов исправного электрооборудования окажется близким по значению фазному напряжению сети. Это напряжение будет существовать длительно, поскольку повреждённая установка автоматически не отключится, и её трудно обнаружить среди исправных установок, чтобы отключить вручную.

РАСЧЁТ ЗАЩИТНОГО  ЗАНУЛЕНИЯ

При проектировании систему  защитного зануления рассчитывают по трём характеристикам: 1) на отключающую способность; 2) на безопасность прикосновения к корпусу при замыкании фазы на землю (расчёт заземления нейтрали); 3) на безопасность прикосновения к корпусу электрооборудования при замыкании фазы на корпус (расчёт повторного заземления нулевого защитного проводника).

Расчёт системы защитного  зануления на отключающую способность сводится к выбору плавких вставок предохранителей, гарантирующих срабатывание системы.

Для надёжного срабатывания защиты необходимо выполнение условия:

I_к.з ≥ k ,                                                                                (1)

где I_к.з – ток короткого замыкания, А;

– номинальный ток плавкой вставки предохранителя или ток срабатывания автоматического выключателя, А;

k – коэффициент кратности тока замыкания.

Для плавких вставок предохранителей k = 3; для автоматических выключателей k = 1,25…1,4.

Плавкие вставки предохранителей подбирают по расчётному значению номинального тока (прил. 1), при этом должно соблюдаться условие (1). Значение номинального тока определяется по выражению

,                                                                              (2)

где – пусковой ток электродвигателя, А;

α – коэффициент режима работы.

Для асинхронных двигателей α = 1,6…2,5; для двигателей с частыми включениями (крановые двигатели) α = 1,6…1,8; для двигателей, приводящих в действие механизмы с редкими пусками (конвейеры, вентиляторы), α = 2…2,5.

Значение пускового тока электродвигателя

= · β,                                                                            (3)

где I_н.эл.дв – номинальный рабочий ток электродвигателя, А; 

β = 5…8 – коэффициент перегрузки (I_пус/I_н), принимаемый по прил. 2 или электротехническим справочникам [9].

Номинальный рабочий ток электродвигателя

,                                                                        (4)

где Р – номинальная мощность двигателя, кВт;

U_н – номинальное напряжение, В;

cos φ – коэффициент мощности.

Значения Р,  U_н и cos φ также принимаются по прил. 2 или [9].

Сила тока короткого замыкания I_к.з рассчитывается по схеме замещения, представленной на рис. 2. Значение I_к.з зависит от фазного напряжения сети U_ф и сопротивлений цепи, в том числе от полных сопротивлений трансформатора Z_т, фазного проводника R_ф, нулевого защитного проводника R_н, внешнего индуктивного сопротивления петли (контура) "фазный проводник – нулевой защитный проводник" (петли "фаза – ноль") Z_п, а также от активных сопротивлений заземлений нейтрали обмоток источника тока (трансформатора) R₀ и повторного заземления нулевого защитного проводника R_п (рис. 2а). Поскольку R₀ и R_п, как правило, велики по сравнению с другими сопротивлениями цепи, можно не принимать во внимание параллельную ветвь, образованную ими. Тогда расчётная схема упростится (рис. 2б), а выражение для тока I_к.з может рассчитываться по приближённой зависимости, в которой модули сопротивлений трансформатора и петли "фаза – ноль" складываются арифметически:

,                                                                            (5)

где U_ф – фазное напряжение сети, В;

Z_т/3 – сопротивление фазы трансформатора, Ом;

Z_п – сопротивление петли "фаза – ноль" линии, Ом.

Значения сопротивления  трансформатора Z_т выбираются по прил. 3.

Полное сопротивление петли "фаза – ноль" Z_п определяется по зависимости

,                                        (6)

где R_ф, R_н – активные сопротивления фазного и нулевого защитного проводников, Ом;

Х_ф, Х_н – внутренние индуктивные сопротивления фазного и нулевого защитного проводников, Ом;

Х_п – внешнее индуктивное сопротивление (сопротивление взаимоиндукции) петли "фаза – ноль", Ом.

Способ расчёта активных (R_ф и R_н) и внутренних индуктивных (Х_ф, Х_н) сопротивлений зависит от материала проводников.

1. Если применяются проводники из цветных металлов, то активное сопротивление определяется по зависимости

,                                                                                          (7)

где ρ – удельное сопротивление проводника (для меди ρ = 0,018 Ом·мм²/м, для алюминия ρ = 0,028 Ом·мм²/м);

L – длина проводника, м;

S – сечение мм².

Значения индуктивных сопротивлений Х_ф и Х_н для медных и алюминиевых проводников малы (около 0,0156 Ом/км) и, как правило, при расчётах ими пренебрегают.

2. Если применяются стальные проводники, то для расчёта их активных (R) и внутренних индуктивных (Х) сопротивлений также задаются сечением и длиной нулевого и фазного проводников и применяют зависимости:

R = r_ω · L,

Х = х_ω · L,

где L – длина проводника;

r_ω и х_ω – удельное активное и удельное внутреннее индуктивное сопротивления стальных проводников, значения которых определяются по прил. 4 в зависимости от размеров сечения S фазных и нулевых защитных проводников, а также ожидаемой плотности тока d, А/мм²

.                                                                                           (9)

Сечение нулевого проводника и его материал выбираются из условия, чтобы полная проводимость нулевого провода была не менее 50% полной проводимости фазного провода, то есть соблюдалось условие