МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
УПРАВЛІННЯ ОСВІТИ І НАУКИ ПОЛТТАВСЬКОЇ
ОБЛДЕРЖАДМІНІСТРАЦІЇ
Професійно – технічне училище №49 села Красногорівка
В – Багачанського району Полтавської області
"ЕЛЕКТРОТЕХНІКА і СПЕЦТЕХНОЛОГІЯ електромонтерів "
2009 р.
План
І.Виробництво і використання електричної енергії
1)Що представляє собою Енергія ? (визначення , способи виробництва)
ІІ. Трифазні трансформатори
1)Трифазні електродвигуни
2)Несправності електродвигунів
3)"Перекинута" фаза
4) Визначення придатності електродвигуна
5)Захист електродвигунів
ІІІ. Заземлення і заземлюючі пристрої сільського електрообладнання
1) Призначення заземлюючих пристроїв
2)Опір заземлюючого пристрою
3)Крокова напруга . Напруга дотику
4)Вирівнювання потенціалів
5)Захисні заходи в мережі з ізольованою нейтраллю
6)Захисні засоби в мережі з глухозаземленою нейтраллю
7)Заземлення опор та обладнання повітряних ліній
8) Обладнання , яке підлягає заземленню або зануленню
I.
Виробництво і використання електричної енергії
1) Що представляє собою Енергія ?
З усіх видів енергії найчастіше використовується електромагнітна , яку на практиці називають електричною .
Енергія – це кількісна міра руху і взаємодії всіх форм матерії . Будь – який вид енергії має свого носія . Наприклад , механічною енергією володіє вода , що падає на колесо гідротурбіни , заведена пружина ; тепловою – нагрітий газ , пара , гаряча вода .
Носієм електричної енергії є електромагнітне поле , яке виявляється за силовою дією на позитивно заряджені частинки .
Широке використання електричної енергії зумовлює можливістю ефективного перетворення її в інші види енергії (механічну , теплову , світлову , хімічну) з метою приведення в дію машин і механізмів , одержання тепла та світла , зміни хімічного складу речовин , виробництва та обробки металів тощо .
Перетворення електричної енергії в механічну з допомогою електродвигунів дає змогу зручно , технічно досконало й економічно вигідно приводити в рух різного виду робочі машини та механізми (металорозрізальні верстати , прокатні стани , піднімально – транспортні машини , насоси , вентилятори , швейні та взуттєві машини, зерноочищувальні , мукомельні машини тощо).
За допомогою електродвигунів рухаються поїзди , морські та річкові судна , міський транспорт .
Електрифікація робочих машин дає змогу не тільки механізувати , але й максимально автоматизувати силові процеси , оскільки електродвигун дозволяє в широких діапазонах регулювати потужності і швидкості привода .
У багатьох технологічних процесах використовують перетворення електричної енергії у теплову та хімічну . Наприклад, електронагрівання і електроліз дає змогу одержувати високоякісні спеціальні сталі , кольорові метали тощо . Під час електротермічної обробки металів , гумових виробів , пластмаса , скла , деревини одержують продукцію високої якості .
Електрохімічні процеси , які складають основу гальванотехніки , дають змогу одержувати антикорозійне покриття , ідеальні поверхні для відбивання променів і т.д.
Електроенергія є практично єдиним видом енергії для штучного освітлення , оскільки електричні джерела світла забезпечують його високу якість . Завдяки використанню електричної енергії одержані разючі результати в галузі зв’язку , автоматики , електроніці , керуванні та контролі за технологічними процесами .
У таких галузях як медицина , біологія , астрономія , геологія , математика втілюють спеціалізовані електричні прилади , апарати , установки , які забезпечують їх подальший розвиток .
Величезне значення для розвитку науки і техніки мають комп’ютери , які є поширеним і високоефективним засобом наукових досліджень , економічних розрахунків , у плануванні , керуванні виробничими процесами , діагностиці захворювань . Без них не було б розвитку кібернетики , обчислювальної і космічної техніки .
Єдиним недоліком електричної енергії є неможливість запасати її і зберігати ці запаси тривалий час. Запаси електроенергії в акумуляторах , гальванічних елементах і конденсаторах достатні лише для роботи малопотужних установок , причому термін зберігання цих запасів обмежені . Тому електроенергія повинна бути вироблена в такій кількості , яка потрібна споживачам .
Повсюдне використання електроенергії при концентрації природних енергетичних ресурсів в окремих географічних районах зумовило необхідність передачі її на великі відстані , розподіл між електроприймачами у великому діапазоні потужностей .
Електрична енергія легко розподіляється по приймачах довільної потужності. В автоматичній та вимірювальній техніці використовуються пристрої малої потужності (одиниці та частки вата). Водночас є електричні пристрої (двигуни , нагрівальні установи) потужністю в тисячі та десятки тисяч кіловат .
Для передачі та розподілу електричної енергії використовують повітряні лінії електропередачі , кабельні лінії , у цехах промислових підприємств – шинопроводи та електропроводки , які виконують металевими проводами з алюмінію , сталі та міді . У проводах установлюються електромагнітне поле , яке несе енергію .
За наявністю проводів поле досягає великої концентрації , тому передача здійснюється з високим коефіцієнтом корисної дії .
При дуже високій напрузі між проводами починається коронний розряд , що призводить до втрати енергії . Допустима напруга повинна бути такою , щоб при заданому поперечному перерізу провода втрати енергії внаслідок коронного розряду були незначними.
Електричні станції областей нашої країни об’єднані високовольтними лініями передач і утворюють загальну електричну мережу , до якої приєднані споживачі . Таке об’єднання називається енергосистемою , яка дає змогу згладити "пікові" навантаження у ранкові та вечірні години і безперебійно подавати енергію споживачам незалежно від місця їх розташування та оперативно перекидати енергію в ту зону , де споживання енергії в даний момент максимальне .
Безперечно , що без електричної енергії неможливе нормальне життя сучасної цивілізації . Тому надзвичайно важливим є забезпечення високої надійності постачання електроенергії , раціональне її використання , тобто максимальне скорочення втрат в процесі її виробництва , передачі та розподілу .
Для уникнення людством "енергетичного голоду" та усунення шкідливого впливу на навколишнє середовище вчені шукають нові шляхи одержання електричної енергії , збільшенням її потужності та підвищенням коефіцієнта корисної дії установок для перетворення теплової , хімічної , сонячної енергії в електричну . Рівень розвитку продуктивних сил суспільства , здатність виробляти матеріальні блага і створювати кращі матеріальні умови для життя визначається рівнем виробництва і споживання електричної енергії .
Електрична енергія має дві чудові властивості : вона може передаватись на великі відстані з порівняно малими втратами і може легко перетворюватись в інші види енергії .
Зростання масштабів споживання електричної енергії , загострюється проблема охорони навколишнього середовища значно активізували пошуки більш екологічно чистіших способів одержання електричної енергії . У всьому світі проводяться дослідження способів освоєння термоядерної енергії , прямо без машинного перетворення внутрішньої і хімічної енергії в електричну : магнітогідродинамічні , термоелектричні й термоелектронні генератори , паливні елементи тощо .
Трансформатор для невеликої потужностей (десятки ват), які застосовують переважно в лабораторіях і для побутових цілей , мають дуже невеликі розміри . А потужні трансформатори , що перетворюють сотні й тисячі кіловат , є величезними спорудами . Звичайно потужні трансформатори вміщують в сталевий бак , заповнений спеціальним мінеральним маслом . Це поліпшує умови охолодження трансформатора , і, крім того , масло відіграє важливу роль як ізолюючий матеріал . Кінці обмоток трансформатора виводять через прохідні ізолятори, укріплені на верхній кришці бака.
Трансформатор винайшов у 1876 році П. Яблочков , який застосував його для живлення своїх "свічок" , що потребували різної напруги . Трохи пізніше самостійно дійшов думки про створення трансформатора І. Усагін , який демонстрував свій прилад і його застосування в 1882 р.
У 70 – х роках ХХ століття були в основному розроблені конструкції генераторів електричного струму . Це дало змогу перетворити теплову енергію парових машин або падаючої води на електричну .
Проте необхідність в добуванні великих кількостей електричної енергії відразу ж поставила перед технікою інше дуже важливе і принципово цілком нове завдання , а саме транспортування енергії , передавання її з одного місця в інше . До винайдення електричних генераторів це завдання здавалось зовсім нерозв’язним . Справді , якщо ми маємо водяний чи вітровий двигун або парову машину , то ми можемо передати їх механічну енергію тільки верстатові , що розміщений в безпосередній близькості до двигуна . Ця передача з допомогою валів , зубчастих коліс , пасових трансмісій тощо порівняно легко здійснюється на відстань до кількох десятків або , в крайньому разі , сотень метрів , але не можна уявити собі , щоб з допомогою таких пристроїв можна було передавати енергію на відстані кількох кілометрів або десятків кілометрів .
Енергію електричного струму можна передавати по проводах на відстані кількох тисяч кілометрів . Тому , як тільки були створені перші задовільні моделі електричних генераторів , постала проблема централізованого виробництва енергії та її передачі по проводах на значну відстань . Така постановка завдання – виробництва енергії в одному місці і споживання її в іншому – є однією з принципових важливих особливостей енергетики , яка ґрунтується на використанні електричної енергії .
Переважна частина електричної енергії , що добувається в Україні та яка є енергетичною базою всієї промисловості , виробляється на великих електропідстанціях . Потужність цих станцій вимірюється сотнями тисяч і мільйонами кіловат . Розміщуються вони там , де є великі запаси водної енергії (на Дніпрі, та інших повноводних річках), або там , де є великі запаси дешевого палива . Енергія цих станцій розподіляється по дротяних мережах на величезні відстані та споживається часто в місцях , віддалених від станцій на сотні й тисячі кілометрів .При цьому значна кількість потужних станцій об’єднуються в одну енергетичну систему (наприклад Укренерго),яка постачає енергію споживачам величезного району . Надзвичайно важливим кроком у розв’язанні цього фундаментального електротехнічного завдання стало з’ясування як значно зменшити втрати , підвищуючи напругу , під якою передається струм . Цього висновку вперше дійшов російський електротехнік Д. Лачинов , який опублікував своє дослідження в 1880 р. Приблизно через рік до таких самих висновків дійшов французький дослідник Депре , який здійснив першу передачу електроенергії значної потужності телеграфними проводами на відстань 57 км (у 1882р.).
Збільшити напругу в 10 раз ,ми зменшимо некорисні втрати в 100 раз. У сьому полягає причина того , що в сучасній електротехніці енергію , яка добувається на електростанціях , намагаються передавати у віддалені місця під якнайвищою напругою .
Звичайно , знизити некорисні втрати можна було б , зменшивши R , тобто опір проводів . Але для цього довелося б їх робити дуже товстими , бо довжина проводів задається відстанню до місця споживання . Зрозуміло , що значне збільшення перерізу проводів пов’язане з їх подорожчанням і , отже, воно нераціональне . Навпаки , застосування високих напруг дає змогу користуватися тонкими проводами , тобто проводами з великим опором , але зате набагато дешевшими .
Проте будувати генератори напругою в сотні тисяч вольт дуже важко хоча б тому , що ізоляція машин не витримує таких напруг . Крім того , не можна такі високі напруги подавати безпосередньо споживачеві .
Єдиний можливий вихід полягає в тому , щоб на електричній станції підвищувати напругу , яку дає генератор , передавати енергію під цією високою напругою в місце споживання і тут знову знижувати напругу до потрібних меж . Здійснити таке перетворення напруг для постійного струму надзвичайно важко . Навпаки , для змінного струму таке перетворення можна провести з допомогою трансформатора легко і з дуже малими втратами енергії.
Потужні електричні станції виробляють величезні кількості електричної енергії при змінній напрузі в 6 – 20 тисяч вольт і частоті 50Гц. Ця енергія подається в підвищувальні трансформатори і потрапляє в лінії передачі під напругою в 110 – 220 тисяч вольт . По лініях передачі енергії подається до місця споживання .Тут струм приймається насамперед на головну знижувальну підстанцію , де з допомогою трансформатора напруга його підвищується звичайно до 35 тисяч вольт .Під цією напругою струм потрапляє в проводи районної розподільної мережі , яка сполучає головну знижувальну підстанцію з порівняно близькими місцями споживання . У кожному такому місці встановлюють вторинні знижувальні підстанції, тобто трансформатори , які знижують напругу до 3 , 6 або до 10 тисячі вольт .Звідси по проводах місцевої розподільної мережі струм потрапляє в численні трансформаторні пункти , які є на окремих заводах або обслуговують невелику групу будинків , а іноді й один великий будинок . Тут напруга знижується до 127 , 220 або 380В і під цією низькою напругою енергія подається в окремі квартири , до верстатів тощо , по так званій внутрішній мережі .
Звичайно електрична енергія передається майже виключно у вигляді змінного струму високої напруги . Але розрахунок показує , що передавати її у вигляді постійного струму високої напруги набагато вигідніше , бо це потребувало б проводів з перерізом , а отже , й вагою в 1,5 рази меншими , а при далеких відстанях передачі (на тисячі кілометрів) це дуже істотний момент . Використання постійного струму замість змінного гальмується тим , що досі не знайдено способу добування потужних постійних струмів високої. напруги і не існує способів трансформації напруги постійного струму Це одне з дуже важливих завдань , які стоять перед електротехнікою.
У наш час електричні вимірювання й електричні прилади посідають одне з чільних місць у житті цивілізованого людства . За частотою застосувань електричні вимірювання поступаються хіба що лише вимірюванням довжини , маси та температури . Електричні вимірювання застосовуються не лише для вимірювань власне електричних величин (напруги, струму, потужності, енергії, опору, частоти, зсуву фаз, ємності та ряду магнітних величин), а й при використанні перетворювачів для вимірювання багатьох неелектричних величин (тиску, температури, швидкості, параметрів вібрації, рівня рідин та сипучих матеріалів, витрати рідин та газоподібних речовин, величин потужних деформацій , відстаней тощо).
Найбільшого розмаїття електровимірювальних приладів досягнуло в енергетиці . Без застосування електровимірювальних приладів була б неможливою робота сучасних електричних станцій , де нормальна дія кожного енергоблоку може підтримуватись персоналом лише на основі аналізу інформації , що находять від багатьох десятків (а іноді й сотень)приладів , які контролюють безліч параметрів енергоблоку. При цьому чи не найбільша частина цих електричних приладів контролює неелектричні величини .
В енергетиці електровимірювальні прилади використовують не тільки для поточного контролю роботи енергообладнання, а й для пошуку його пошкоджень. Причому саме за допомогою електричних вимірювань візуально недосяжні пошкодження обладнання знаходять найвище й найточніше. Потенціальні можливості промисловості , що виробляє електровимірювальні прилади , в Україні надзвичайно великі й значною мірою перевищують потреби країни у цих приладах .
Важко уявити нашу працю і побут без електрики . Її широко використовують у промисловості , на транспорті , у зв’язку , в медицині й мистецтві . Електрика дозволила створити нові технології виробництва і матеріали , яких немає в природі.
ІІ. Трифазні трансформатори
1) Трифазні електродвигуни
Основним недоліком двигунів з короткозамкненим ротором є трудність регулювання частоти обертання ротора , а значить і пуску навантаженого електродвигуна .
Змінити частоту обертання можна зміною кількості пар полюсів або частоти . Перший спосіб застосовують для зменшення частоти обертання , а другий – для збільшення .
У деяких двигунах кількість обмоток (а отже ,й частота обертання) зміна , але плавно не регулюється . Двигуни мають не великий пусковий момент і значну кратність пускової сили струму .
Однією із найважливіших характеристик двигуна є ККД . Він обернено пропорціонально залежить від зазору між магніто проводами статора й ротора .
Електродвигун вибирають за потужністю , частотою обертання , режимом роботи та конструктивним виконанням .
Режим роботи – тривалий , короткочасний та повторно – короткочасний , позначають відповідно S1 , S2 , S3 .
У тривалому режимі працюють двигуни вентиляторов, водяних насосів тощо.
На паспорті двигуна короткочасного режиму надпису S2 немає , а вказана тривалість періоду навантаження : 10 , 30 , 60 або 90 хв.
У двигунів повторно – короткочасного режиму вказують тривалість вмиканнях в процентах : ПВ 15, 25 , 40 чи 60 %
Для всіх режимів недопустиме перевантаження двигуна , тому що при перегріванні він виходить із ладу .
Кожний клас нагрівостійкості ізоляції має допустиму температуру нагрівання : А – 105 °С (волокнисті матеріали , папір , емаль , лаки , деякі полімери) ; Е – 120 °С (деякі синтетичні матеріали) ; В – 130 – (на основі слюди , азбесту чи скловолокна з органічними просочувальними сумішами ); С – понад 180 °С (слюда, кварц , скло , фарфор ) .
Під впливом теплоти , вібрації та інших факторів ізоляція старіє , тобто втрачає електроізоляцію та механічні властивості , а надмірна напруга її прибиває .
Температуру нагрівання електродвигуна визначають рукою . Якщо її можна втримати , то перегрівання не має .
Якщо двигун при тривалій роботі залишається холодним або трохи теплим , то це певна ознака недовантаження . Його слід повністю завантажити або замінити двигуном меншої потужності .
При виборі двигуна звертають увагу на виконання за ступенем захисту . У захищених двигунах обмотка закрита лише від дощу , а сторонні предмети різної величини можуть потрапити всередину. Це двигуни серії 4А з ступенем захисту ІР23 . Закриті обдувні двигуни захищені від потраплянням предметів , розміри яких більші 1 мм. Їх ступінь захисту ІР44 .
Іноді має значення з якого матеріалу виготовлений корпус та інші деталі двигуна . Літерою Х позначають алюмінієвою станину і чавунні щити .
Перед пробним пуском двигуна перевіряють правильність підключення (згідно схеми) двигуна , приладів, апаратів . Мегомметром вимірюють опір ізоляції між проводами та кожним проводом і землею при відключеному приймачі і апаратах . Він неповинний бути меншим 0,5 МОм . Ротор прокручують рукою . Перевіряють справність робочої машини , прокручують рукою всі її частини .
Перед пуску двигуна слід відійти від нього , щоб не бути травмованим у випадки несправності .
Перший раз вимикають двигун на одну мить . Зразу ж після натискання кнопки "Пуск" натискають на кнопку "Стоп". При справності двигуна , апаратури і електричного кола та при наявності струму він встигне зробити кілька оборотів . Це буде доказом справності електроустановки і покаже напрямок обертання ротора .
Якщо ротор обертається в інший бік і не реверсується , міняють місцями будь – які два проводи на клемах двигуна або пусковому обладнанні .
У випадку ,якщо напрямок обертання двигуна візуально визначити не можна ,стежать за показами приладів . Наприклад , заглибний двигун знаходиться на глибині 20 м. На його роботу і напрямок обертання вкаже амперметр .
2)Несправності електродвигунів
Якщо двигун не працює , індикатором перевіряють наявність напруги на запобіжниках , пусковій апаратурі , а потім на затискачах двигуна . Операції можна виконувати і в зворотній послідовності . Відсутність напруги на всіх трьох фазах може бути у випадках : якщо струм не надходить від джерела або не проходить через пускові апарати .
Відсутність напруги на двох або на одній фазах може виникнути внаслідок перегоряння запобіжника , поганого контакту , обриву проводу . Поганий контакт визначають вольтметром , заміривши напругу на ньому при працюючому двигуні . За показами амперметра і вольтметра обчислюють опір у контакті і усувають чи зменшують його зачищенням і затягуванням .
3) "Перекинута" фаза
Початки виводів трифазних двигунів позначають С1, С2 і С3 , а кінці -С4, С5 і С6 . При розбиранні та складанні двигунів бирки іноді гублять , а кінці плутають з початками .
Оскільки фаза "перекинута" (обмотка залишилась на місці) , то струм іде у зворотному напрямку . Отже , ця обмотка не тільки не допомагає двом іншим , а й гальмує їх роботу (двигун не розвиває оберти , втрачає потужність). Виникає потреба перевірити чи правильно взято кінці і початки фаз . Найзручніше це зробити так . Провонюють всі обмотки , щоб з’ясувати , який кінець якій обмотці належить . На обидва кінці однієї обмотки надівають шматочки ізоляційної трубки з надписами А1 та А2 , другої – В1 та В2 , третьої – С1 та С2 (рис. 66).
До виводів А1 та А2 приєднують міліамперметр для постійного струму , а кінцями С1 і С2 на одну мить доторкаються до джерела постійного струму (сухий елемент або акумулятор). Стрілка приладу повертається вправо або вліво. Тепер доторкаємося виводом В1 до мінуса , а В2 до плюса , стрілка повинна відхилитися в той же бік , що і в попередньому випадку . Якщо вона відхиляється в протилежний , то трубка з надписами В1 та В2 міняють місцями .
Повторюємо дослід , приєднавши міліамперметр до виводів фази В . Якщо тепер відхилення не збіглися , то трубки міняють місцями на фазі А . Для більшої впевненості експеримент можна повторити .
Тепер використовують стандартні позначення .
Якщо стрілки не відхиляються , значить джерело струму слабке . У цьому випадку прилад переключають на чутливі ший діапазон .
Визначити , у якій з фаз виникло коротке замикання , можна так . На виводи С1 і С2 подають на кількість секунд зміну напруг і замірюють індуковану напругу на виводах А1 і А2 ,а потім на В1 і В2. Якщо , напруга на В1 і В2 буде меншою , значить частина витків там замкнута , а якщо однакова – випробування повторюють, подаючи напругу на А1 і А2 і замірюючи напругу на В1 і В2 та С1 і С2. Джерелом змінного струму може бути лампа , ввімкнута в штепсельне розняття (рис. 67).
Пошук міжвиткового короткого замикання ускладнюється , якщо виведено лише три кінці обмотки і нуль не поданий на масу . Це означатиме , що фазні обмотки з’єднано в трикутник , а прикладена напруга (до точок А і В , рис.68) викликатиме струм не лише в обмотці АВ , а й в двох інших . Зрозуміло , що струм в одній обмотці буде більший струму в двох інших . Зрозуміло , що струм в одній обмотці , де немає короткого замикання .
4) Визначення придатності електродвигуна
Якщо у вас є двигун , що не працює , то не відправляйте його зразу ж на перемотування . Він , можливо , його не потребує . На нього , як правило , немає паспорта , або відсутні виводи обмоток . При наявності виводів вимірюють опір обмоток . Якщо якась з них обірвана , то опір буде безмежним .
Що вказує
У невеликого двигуна викручують гвинти кріплення одного підшипникового щита до корпуса і легким ударом торцем вала об тверду підставку (дошку , колоду) , зсовують корпус двигуна з ротора . Верхній підшипниковий щит (гвинти якого вкручені) залишиться із своїм підшипником на постійному місці , а нижній – разом з гвинтами кріплення під дією сили інерції корпуса зміститься вниз на підставку . Нижній підшипник залишиться на валу або зміститься з нього разом із своїм щитом . Виконують цю операцію обережно , щоб не пошкодити ізоляцію обмоток ,а також поверхню статора та ротора .
Спочатку оглядають обмотку статора . Потемніння ізоляції хоча б на невеликій площі вказує на її непридатність . Відшукавши виводи обмоток , якщо кінці відірвані , обережно розрізують бандажі , вимірюють опір обмоток . Може статися , що припаюванні виводів ремонт закінчиться . Але здебільшого доводиться перемонтувати обмотки статора .
Замінивши мастило у підшипниках , а при наявності люфта й самі підшипники , двигун складають та випробовують , визначаючи при цьому й частоту обертання за допомогою тахометра .
Захист електродвигунів від короткого замикання здійснюються запобіжниками , а також автоматичними вимикачами . Плавкі вставки для двигунів з короткозамкненим ротором вибирають за номінальною силою струму двигуна . Автоматичні вимикачі повинні захищати двигуни від коротких замикань .
ІІІ. Заземлення і заземлюючі пристрої сільського електрообладнання
1) Призначення заземлюючих пристроїв
Основним заходом захисту людей від ураження струмом при доторканні до металевих конструкцій і корпусів електрообладнання , які опинилися під напругою внаслідок пошкодження ізоляції , є влаштування захисних заземлень .
Захисне заземлення – це з’єднання з землею металевих частин електричних установок , які можуть в будь – який час опинитися під напругою в результаті пошкодження ізоляції мереж чи приймачів електричної енергії .
З’єднують металеві конструкції електричних установок і корпуси електроприймачів з землею заземлюючими захисними провідниками приєднують їх до розміщеного у землі металевого електрода або груп електродів , з’єднаних паралельно (труби , стержні , кутники , штаби). Ці електроди називаються заземлюючими .
Сукупність заземлювачів і заземлюючих провідників називається заземлюючим пристроєм .
На рисунку 68 зображено заземлення електроприймачів у мережах з ізольованою нейтраллю . У цьому випадку , якщо людина доторкнулася до корпуса електроприймача , що перебуває під напругою , то вона приєднується до кола замикання на ділянці між корпусом і землею . Призначення захисного заземлення полягає в тому , щоб створити між металевими конструкціями або корпусом обладнання , яке захищають , і землею електричне з’єднання достатньо малого (порівняно з тілом людини) опору або конструктивного так виконаного , щоб струм через паралельно приєднане тіло людини чи тварини знижувався до величини , яка не загрожує їх життю і здоров’ю .
Крім створенні безпеки людей і тварин при однофазних замиканнях, заземлення може мати також інше призначення : обмеження перенапруги , забезпечення дії релейного захисту , визначення режимів роботи установки при нормальній експлуатації . До останніх належать : заземлення нейтралів трансформаторів в установках напругою 110 кВ і вище , яке має основне призначення – зниження вимог до ізоляції ; заземлення нейтралей генераторів ; система з використанням землі у вигляді робочого привода в мережах змінного струму або на електрифікованому транспорті ; заземлення розрядників і т. п. Ці заземлення називаються "робочими" на відміну від захисних .
У випадку , коли маємо установку напругою до 1000 В з заземленою нейтраллю генераторів чи трансформаторів, металеві корпуси електроприймачів з’єднуються з цією нейтраллю за допомогою захисних провідників достатньо малого опору . Таке з’єднання перетворює замикання струмоведучих частин на корпуси електроприймачів у коротке замикання , яке усувають автоматичним вимикачем чи запобіжником .
Таким чином , основне призначення занулення – це забезпечення автоматичного вимикання ділянки мережі , на якій відбулося замикання перебуваючих під напругою провідників на металеві частини електрообладнання .
Захисні заземлення або занулення повинні забезпечити :
1. в установках з ізольованою нейтраллю – безпечну силу струму , який проходить через тіло людини при замиканні фази мережі на заземленні частини ;
2. в установках з заземленою нейтраллю – автоматичне вимикання пошкоджених ділянок мережі .
Важливим є вимірювання потенціалів у мережах установки або окремих її частинах . Без цього у деяких випадках неможливо створити безпечні умови праці . Вирівнювання потенціалів застосовують разом із системою заземлення , занулення та ін.
Якщо заземлення або занулення малоефективні чи влаштування їх викликає значні труднощі , успішно застосовують системи захисного вмикання , які забезпечують швидкодіюче вимикання обладнання або його частин за 0,05 – 0,2 с при однофазних замиканнях на землю або на корпус обладнання , а також при доторканні людини до частин , що перебувають під напругою . Ці системи досить широко застосовуються .
Ізоляція від землі призначена для створення безпеки шляхом застосування ізолюючих площадок для ремонтних робіт , площадок обслуговування обладнання , корпуси або струмоведучі частини якого перебувають під напругою .
Останнім часом використовують додаткову ізоляцію , тобто роблять корпуси електрообладнання апаратів , електроінструментів , побутових електроприймачів та інших приладів з ізолюючих матеріалів або з додатковими ізолюючими вставками між корпусом , робочим інструментом і частинами , які можуть потрапити під напругу при пошкодженні ізоляції струмоведучих частин . Внаслідок цього таке електрообладнання має подвійну ізоляцію . Подвійна ізоляція гарантує безпеку , при цьому відпадає необхідність у заземленні або зануленні і пов’язаних з цим витрат на їх влаштування та обслуговування . Разом з тим в процесі експлуатації можливі випадки перекриття ізоляції провідним пилом (електроінструмент). Для запобігання цьому потрібно проводити нагляд ,профілактичні перевірки та випробування . Крім того , ізолюючі перекриття тільки тоді надійні , коли вони механічно достатньо міцні і відповідають вимогам роботи . Покриття з фарби , лаків , емалі тощо не задовольняють умови додаткової ізоляції .
2) Опір заземлюючого пристрою
Опір , який чинить струму земля , називається опором розтікання . Опір розтікання заземлювача R3 визначають як відношенні напруги на цьому відносно землі U3 до сили струму що проходить через заземлювачі у землю І3 :
Замість терміна "опір розтікання заземлювача" часто вживається умовний скорочений термін "опір заземлювача".
Щоб забезпечити захисні функції , заземлювачі повинні мати опір , який не перевищує певної величини .
Опір заземлюючого пристрою складається з опору заземлювача і опору заземлюючої мережі .
До опору заземлювача входить також опір переходу струму від заземлювача до прилеглої до неї землі , тобто опір контакта становить тільки незначну частину опору заземлювача , навіть наявність на стальному заземлювачі шару окису не впливає на опір розтіканню заземлювача в цілому . Опір заземлювача залежить від багатьох умов і перш за все від властивостей землі , в яку він заглиблений .
Величина опору заземлюючої мережі залежить не тільки від активної , а й реактивної складової . На величину реактивного опору впливає матеріал провідника , зокрема сталь ; при збільшенні відстані між фазним і заземлюючим провідниками реактивна складова збільшується . Цей фактор повинен враховуватися при експлуатації електроустановок з заземленою нейтраллю напругою до 1000 В , а також при влаштуванні виносних заземлень . При постійному і змінному струмах розтікання в землі струмів замикання на землю проходить по – різному .
Постійний струм поширюється через досить значний поперечний переріз землі , так що опір її , за винятком ділянки , яка прилягає безпосередньо до заземлювачів і становить основну частину опору розтіканню , можна не враховувати . При змінному струмі його розподіл у землі значною мірою залежить від індуктивного опору кола лінія – землі .Відомо , що при цьому енергія магнітного поля , а внаслідок цього самоіндукція кола наближається до мінімуму , завдяки чому зворотній струм через землю концентрується у зоні проходження лінії вздовж її траси , поширюються при промисловій частоті на ширину і глибину приблизно 2 – 3 км.
Активний опір землі в цьому випадку залежить від довжини ділянки розтікання струму та частоти і не змінюється від опору землі.
3) Крокова напруга . Напруга дотику
Між кожними двома точками землі , які знаходяться у зоні розтікання струму замикання , існує певна різниця напруги . Тому людина , яка перебуває в межах цієї зони , зробивши крок , підлягає дії так званої крокової напруги , внаслідок чого струм проходить через тіло людини і замикається через ноги .
Величину крокової напруги в різних пунктах розтікання струму визначають за різницею між напругами точок землі або підлоги , які знаходяться одна від одної на відстані 0,8 м. При віддаленні людини від заземлювача крокова напруга зменшується .
Від крокової напруги небезпека збільшується , якщо людина опинилася в межах її дії і впала . В цьому випадку величина крокової напруги зростає , тому що струм проходить через усе тіло людини .
Ураження людини кроковою напругою може статися поблизу провода , який впав на землю . Найнебезпечніша вона при ударі блискавки .
Для деяких тварин (коні , корови) величина крокової напруги більша 0,8 м , і шлях струму захоплює грудну клітку . Отже , вони більше підлягають ураженню дії крокової напруги .
Другою величиною , яка характеризує ступінь небезпеки і виникає при однофазних замиканнях , є напруга , що діє на людину в колі однофазного замикання . Ця напруга залежить від суми і величини опорів кола . У кожному з цих опорів відбувається спад частини напруг , яка діє в колі замикання .
Та частина напруги , припадає на тіло людини в колі замикання , називається напругою дотику .
З точки зору безпеки для людини має значення тільки величина напруги дотику , а не повна напруга відносно землі .
Крім сили струму замикання і опору заземлюючого пристрою , напруга дотику залежить , як і крокова , від віддаленості заземлювача і від опору та стану поверхні , на якій стоїть людина .
При розрахунках крокової напруги і напруги дотику опір взуття не враховують , тому що воно може бути вологим , підбитим металевими цвяхами або його зовсім може не бути . Опір підлоги враховують , оскільки , знаходячись у колі замикання , він обмежує напругу дотику і струм через тіло людини . Малий опір підлоги особливо не безпечний при безпосередньому дотику до частин , які перебувають під напругою .
Якщо опір підлоги великий , допускається безпосереднє дотикання до частин , які перебувають під напругою , але таке дотикання повинне бути обмежене часом дії .
Значний досвід проведення захисних заходів дає можливість замість розрахунків вибирати певні величини опору заземлюючих пристроїв та параметри інших захисних засобів .
4) Вирівнювання потенціалів
Напругу дотику і струму через тіло людини можна значно зменшити, якщо вирівняти потенціал біля електрообладнання . Фактор вирівнювання потенціалів має вирішальне значення для поліпшення умов безпеки .
В електрообладнанні напругою до 1000 В вирівнюють потенціал шляхом влаштування заземлювачів , які складаються із заглиблених у землю стальних стержнів , трубок або кутників , з’єднаних стальною штабою , або тільки із смуг , розміщених в один чи кілька рядів у межах об’єктів що захищають .
Чим менша відстань між окремими елементами заземлювача , тим краще вирівнюється потенціал землі на зайнятій ним площі при однофазних замиканнях і тим менше значення крокової напруги та напруги дотику . В електрообладнанні напругою 110 кВ і вище на краях заземлювача та за його межами може виникати крутий спад потенціалів і відповідно небезпечна крокова напруга . Щоб запобігти цьому , по краях заземлювача та за його межами , особливо при вході і виході , укладають додаткові з’єднані з основними заземлювачем стальні штаби , поступово збільшуючи глибину їх прокладання .
У промислових установках потенціали вирівнюють часто природнім шляхом завдяки наявності обладнання , розгалуженої мережі заземлення , зав’язаної з різноманітними металевими конструкціями , трубопроводами , кабелями і т. ін.
У сільському господарстві в корівниках та інших приміщеннях для тварин для зменшення напруги дотику закладають у бетонну підлогу стальний круглий дріт або штаби , з’єднані з металевими корпусом обладнання і трубопроводами . Так вирівнюють потенціали по поверхні підлоги , яка має низький опір , і між підлогою та корпусами обладнання , яке може виявитись під напругою через пошкодження ізоляції .
5) Захисні заходи в мережі з ізольованою нейтраллю
У електромережі з ізольованою нейтраллю сила струму , що проходить через тіло людини при доторканні до частин , які перебувають під напругою , або до корпуса з пошкодженою ізоляцією при обриві заземлення , залежить в основному від опору ізоляції мережі . При великому опорі ізоляції струм може мати дуже малу величину , і доторкання до частини , яка перебуває під напругою , може в деяких випадках не викликати ураження . Такі умови можливі лише в мережах малої довжини , які мають великий опір ізоляції і малу ємність проводів відносно землі .
В установках з ізольованою нейтраллю треба врахувати виникнення замикань на землю , які не вимикаються .Самі по собі однофазні замикання в цих мережах ураження не викликають . Проте за час їх усунення збільшується небезпека ураження при доторканні до струмоведучих частин і , крім того , не виключається можливість виникнення другого замикання на землю у другій фазі тієї ж мережі , чому сприяє збільшення напруги непошкоджених фаз тієї ж мережі , в √3 рази . При подвійних замиканнях на заземлених частинах може виникнути небезпечна напруга , в тому числі у мережах напругою до 1000 В . Такі випадки неодноразово спричиняли тяжкі ураження .
З точки зору безпеки має істотне значення вид подвійного замикання (на корпус чи безпосередньо на землю).
Якщо замикання виникло в двох точках електрообладнання , яке живиться від одного генератора або трансформатора і має загальні зв’язки (наприклад , через оболонки кабелів , трубопроводи , мережі заземлення) , то подібні подвійні замикання перетворюються в короткі замикання і вимикаються захистом . Тому , де є можливість , слід зв’язувати мережі заземлення окремого обладнання через водопровід , оболонки кабелів тощо , а при їх відсутності і малих відстаней між обладнаннями – за допомогою спеціальних провідників . У промисловому електрообладнанні ці зв’язки майже завжди існують , а у непромисловому – немає , тому мережі з ізольованою нейтраллю мають істотний недолік .
Якщо одне із замикань виникло на корпус , а друге безпосередньо на землю , то в електрообладнанні напругою до 1000 В на корпусі , як правило , виявляється значно менша частина між фазної напруги , тому що контакт з землею має відносно високий опір . У мережах напругою понад 1000 В такі подвійні замикання викликають спрацювання захисту або одне з місць замикання через короткий час відгоряє , і замикання перетворюється в однофазне .
Замикання безпосередньо на землю проводів двох фаз при досить високих напругах призводить до їх вимикання . Якщо опір аварійного кола виявиться більшим , а струм замикання – недостатнім для спрацювання захисту , таке замикання може бути тривалим . У таких випадках здійснити будь – які заходи захисту , пов’язані з використанням заземлення , неможливо .
Та обставина , що однофазні замикання слід невідкладно усувати , дає можливість відмовитися від спеціальних заходів щодо подвійних замикань на землю .
Для своєчасного виявлення однофазних замикань і запобігання періоду їх у двофазні необхідно своєчасно контролювати стан ізоляції . Заземлюючі пристрої в мережах з ізольованою нейтраллю напругою до 1000 В відповідно до вимог правил влаштування електроустановок повинні мати опір , не вищий 4 Ом . При живленні від генератора чи трансформатора потужністю до 100 кВА або якщо сумарна потужність кількох генераторів чи трансформаторів не перевищує 100 кВА , опір заземлюючого пристрою не повинен перевищувати 10 Ом .
Величина опору 4 Ом встановлена тому , що в мережах напругою до 1000 В з ізольованою нейтраллю значних струмів однофазного замикання в умовах нормального середовища не буває . Виходячи з цього , у практиці проектування мереж з ізольованою нейтраллю напругою до 1000 В прийнято розрахункову досить високу силу струму замикання на землю – 10 А . При І3 = 10 А одержимо таку напругу дотику :
Uд = к дI3R3 =к д •10•4 < 40В,
що навіть при к д = 1 не перевищує допустимої величини .
У електрообладнанні малої потужності , що має , як правило , короткі мережі , струми замикання на землю мають дуже малу величину . Таким чином , незважаючи не допустиме для цього обладнання , збільшення опору заземлюючого пристрою до 10 Ом напруга дотику буде мати при однофазних замиканнях дуже малі значення .
У мережах з ізольованою нейтраллю напругою понад 1000 В опір заземлюючого пристрою при проходженні розрахункового струму замикання на землю у будь – який час згідно з вимог правил влаштування електроустановок визначають за формулою :
Для поліпшення умов безпеки правил влаштування електроустановок обмежують максимальний опір заземлюючого пристрою в електрообладнанні без компресії ємність сил струму не більше 10 Ом .
В обладнанні з компенсацією ємнісних струмів заземлюючим пристрій розраховують сили струмів замикання на землю повинні бути прийняті для тієї із можливих в експлуатації схем мережі , при якій струм замикання на землю мають найбільшу величину . Для цього слід врахувати розміщення компенсуючого апарата .
З метою полегшення влаштування заземлення допускається приймати за розрахункову сили струму дії релейного захисту від між фазних замикань або номінальну силу струму плавких уставок запобіжників , якщо струм замикання на землю має величину не меншу , ніж 1,5 – кратний струм установки релейного захисту або 3 – кратний номінальний струм запобіжника .
6) Захисні заходи в мережі з глухозаземленою нейтраллю
У мережах з глухозаземленою нейтраллю напругою до 1000 В основним захисним засобом є занулення корпусів електрообладнання (рис. 69). В Україні це в основному стосується мереж напругою 380/220 В .
Наявність заземленої нейтралі створює безпеку шляхом вмикання аварійної ділянки .Цього досягають з’єднанням корпусів електроприймачів з заземленою нейтраллю трансформатора або генератора . Таке з’єднання (занулення) створює при будь – якому замиканні на заземлені частини замкнене металеве коло короткого замикання , яке вимикається апаратурою захисту , незалежно від опору заземленої нейтралі .
Рис. 69. Приєднання електрообладнання до заземленого
Нульового провода (занулення).
У цехах промислових підприємств з занулюючим провідником або мережею занулення зв’язані різні металеві частини і конструкції , які утворюють третє паралельне коло . Деяка частина струму проходить через нього . Проте вона не велика , тому що коло фазний провід – віддалені металеві частини має великий індуктивний опір . Короткочасно до вимикання захистом фазна напруга розподілиться між всіма опорами пропорціонально їх величині .
7) Заземлення опор та обладнання повітряних ліній
Заземлення опор повітряних лінії визначається вимогами безпеки і вимогами захисту від грозової перенапруги . Здійснюють його на основі таких положень .
У мережах напругою понад 1000 В заземлюють залізобетонні і металеві опори ліній напругою 35 кВ , ліній 3 – 20 кВ тільки у населених пунктах , ліній всіх типів і напруг , на яких встановлені пристрої грозозахисту або підвішений трос .
На дерев’яних опорах арматуру , стержні ізоляторів та інші металеві частини необхідно заземлювати тільки при наявності на них троса або пристроїв грозозахисту .
При заземленні опор бажано використати зв'язок з землею їх фундаментів або основ , тому що в вологих ґрунтах провідність залізобетонних фундаментів і основ досить стабільна .
В електрообладнанні напругою до 1000 В всі металеві і залізобетонні опори , оскільки вони завжди знаходяться в населених пунктах повинні бути заземлені або занулені .
Опір заземлюючих пристроїв цих опор в мережах з ізольованою нейтраллю повинен становити не більше 50 Ом . Занулення роблять , з’єднуючи з нульовим проводом стержні , траверси і гаки .
Якщо на опорі є відтяжки , то їх слід також заземлювати . Заземлення роблять безпосередньо на металевій опорі приєднанням відтяжки до неї або ж до арматури чи заземлюючих спусків при залізобетонних опорах . У мережах напругою до 1000 В з заземленою нейтраллю відтяжки слід приєднувати до нульового провода .
8) Обладнання , яке підлягає заземленню або зануленню
Застосування захисних засобів є обов’язковим у всіх приміщеннях з підвищеною небезпекою і особливо небезпечних , а також в зовнішніх установах при номінальній напрузі мережі понад 42 В змінного струму і понад 110 В постійного . У виробничих приміщеннях є елементи підвищеної небезпеки : значна кількість металевих частин , верстатне та інше обладнання , трубопроводи , металеві оболонки кабелів , провідні підлоги тощо .
При напрузі 500 В і вище заземлення потрібно влаштовувати в усіх випадках .
Заземленню або зануленню підлягають всі металеві корпуси електрообладнання , які нормально не перебувають під напругою , але можуть опинитися внаслідок пошкодження ізоляції , а також труби електропроводки , металеві оболонки кабелів та ін.
Необхідно виконувати заземлення (занулення) в тих приміщеннях житлових будинків та громадських будівель , які належать до категорії виробничих і мають ознаки підвищеної небезпеки .
Кабелі та інші конструкції для прокладання проводів і кабелів слід заземлювати , як і всі інші конструкції , що можуть виявитися під напругою внаслідок пошкодження ізоляції .
Мінімальні розміри стальних захисних провідників
| Назва | У приміщеннях | У зовнішніх установках | У землі |
| Круглі діаметром , мм | 5 | 6 | 10 |
Прямокутні : площа поперечного перерізу, мм2
товщина , мм |
24 3 |
48 4 |
48 4 |
| Водогазопровідні труби , товщина стінок , мм | 2,5 | 2,5 | 3,5 |
| Зварні тонкостінні труби товщина стінок , мм | 1,5 | Не допускається | |
Бібліографічний список
1. М.В. Принц , В.М. Цимбалістий Трансформатори монтаж, обслуговування та ремонт 181 с. 2007р.
2. О.Г. Шаповаленко , В.М. Бондар Основи електричних вимірювань 317 с. 2002р.
3.О.С. Коваль Поради сільському електрику 157 с. 1990р.
4.Л.В. Журавльова , В.М. Бондар Електроматеріалознавство с. 307
5.М.В. Васильчук , Л.Е. Винокуровіа , М.Я. Тесленко Основи охорони праці с.198
6.В.Є. Китаєв Електротехніка з основами промислової електроніки с.134 – 205