Výpočet dotykového napětí | Ochranná zařízení

Velikost napětí, kterému je člověk vystaven během jednofázových zkratů na elektrických zařízeních, určuje velikost proudu procházejícího lidským tělem, a proto je spolu s dobou expozice kritériem elektrické bezpečnosti. Je zřejmé, že rozumný přístup k výběru požadované doby odezvy ochranných zařízení je možný pouze na základě posouzení velikosti dotykového napětí v obvodech s ochranným uzemněním.

Obr. 4-12. Rozložení napětí na tělese bez opakovaného uzemnění.

Velikost napětí na prvcích elektrických zařízení, kde došlo k jednofázovému zkratu, je určena především velikostí zkratového proudu a vodivostí uzemňovacího vedení (nulového vodiče). Pokud v obvodu nejsou opakovaná uzemnění, fázové napětí se v režimu zkratu dělí úměrně odporům fázového a nulového vodiče (obr. 4-12). Pokud jsou dodržena přijatá omezení minimální vodivosti nulového vodiče (ne méně než 50 % vodivosti fázového vodiče), bude maximální úbytek napětí (V) na nulovém vodiči:

Obr. 4-13. Napětí na tělese při přerušení nulového vodiče.

Je zřejmé, že se bude jednat o maximální možné kontaktní napětí, protože uzemnění se používá pouze v elektrických instalacích s fázovým napětím 127 a 220 V. Proto vezmeme-li v úvahu , je nutné, aby doba odezvy ochranných zařízení nepřekročila 0,3 s (viz kapitola 1).
V praxi je však možné výrazně snížit velikost dotykového napětí opakovaným uzemněním nulového vodiče. Je známo, že hlavním účelem opakovaného uzemnění je snížení napětí na pouzdrech při přerušení nulového vodiče (obr. 4-13). V tomto případě, pokud je dodržena akceptovaná norma odporu opakovaného uzemnění, napětí na pouzdře spojeném s jedním opakovaným uzemněním nepřekročí

kde — odpor opakovaného uzemnění nulového vodiče.
Napětí na těle se tedy v tomto případě neliší od napětí s řádně uzemněným uzemněním, ale doba jeho účinku se prudce zvyšuje, protože proudový chránič nemusí vůbec fungovat. V souladu s tím se prudce zvyšuje i riziko zranění osoby, proto je třeba si uvědomit, že jednorázové opakované uzemnění nulového vodiče nezajišťuje bezpečnost v případě přerušení nulového vodiče. Zvýšení počtu opakovaných uzemnění snižuje jejich celkový odpor, ale není možné dosáhnout ekvivalentních bezpečnostních podmínek pro všechna elektrická zařízení. Snížením celkového odporu opakovaných uzemnění je skutečně možné dosáhnout prudkého poklesu kontaktního napětí na zařízení umístěném za přerušením nulového vodiče vzhledem k nulovému vodiči (obr. 4-13). V tomto případě se zvyšuje napětí na nulovém uzemnění a tím i napětí na tělech elektrických zařízení připojených k nulovému vodiči až do přerušení. Například pokud dojde k pěti opakovaným uzemněním, napětí na pouzdrech za přerušením nulového vodiče nemůže překročit 4 V, ale napětí na pouzdrech před přerušením se zvýší na 148 V. Bezpečného dotykového napětí není možné dosáhnout ani současným snížením odporu nulového uzemnění a opakovanými uzemněními.

Optimální odpor opakovaných uzemnění by neměl být menší než odpor normovaný pro uzemnění nulového vodiče. V tomto případě, pokud se nulový vodič přeruší, bude napětí na pouzdrech před a po přerušení přibližně 110 V a napětí nepoškozených fází bude mírně překračovat jmenovitou hodnotu.

Obr. 4-14. Obvod pro sledování integrity nulového vodiče a ochranné vypnutí.
Obr. 4-15. Obvod pro monitorování integrity nulového vodiče.

Přerušení nulového vodiče (uzemňovacího vedení) je v praxi provozu elektrických instalací poměrně vzácným jevem. Nebezpečí zranění osob a nemožnost zajistit bezpečnost v tomto případě opakovaným uzemněním však nutí hledat jiné ochranné prostředky. Mezi takové prostředky patří zařízení pro nepřetržité sledování integrity nulového vodiče (obr. 4-14) [L. 33]. Obvod pracuje na střídavém provozním proudu přijímaném z transformátoru T. Vinutí ochranných relé RZ jsou připojena k sekundárnímu napětí pomocí dalšího nulového vodiče. Kontakty relé RZ jsou sepnuty a zahrnuty do napájecího obvodu cívky magnetického spouštěče MP. Pokud je nulový vodič, vinutí relé nebo vinutí transformátoru přerušeno, odpojí se spotřebiče, jejichž vinutí relé jsou bez napájení. Tím se v případě přerušení nulového vodiče provede ochranné vypnutí se samokontrolou.
Autor obvodu se domnívá, že umožňuje ochranné vypnutí i v případě zkratů na pouzdře. K tomu by mělo být sekundární napětí transformátoru T zvoleno tak, aby součet provozního proudu a jednofázového zkratového proudu byl menší než zpětný proud relé. Takové nastavení relé je však sporné, protože rozsah změn zkratového proudu je v případě jednofázových zkratů na pouzdře velmi široký. Kromě toho se mění i napětí nepoškozených fází a v důsledku toho i provozní napětí. Selektivity při provozu ochranného vypnutí podle zadaného obvodu také nelze dosáhnout (jako obvod pro ochranu před jednofázovými zkraty je identický s obvody na zkratový proud, viz kapitola 5). Pokud se obvod používá pouze ke sledování integrity nulového vodiče, je vhodné jeho konstrukci mírně změnit, včetně vinutí relé mezi pouzdrem a zemí (obr. 4-15). Takový obvod umožňuje obejít se bez dalšího vodiče. Kromě toho se nedoporučuje zařazovat vinutí provozního napětí do nulového vodiče transformátoru, protože to výrazně zvyšuje aktivní odpor v nulovém vodiči.
Za normálních provozních podmínek uzemňovacího systému hrají opakovaná uzemnění také významnou roli při snižování dotykových napětí. Pokud nedochází k opakovaným uzemněním, prochází celý proud jednofázového zkratu do nulového vodiče transformátoru nulovým vodičem. Pokud existuje alespoň jedno opakované uzemnění, k poruchovému proudu v úseku od nulového vodiče transformátoru k opakovanému uzemnění se připočítá elektrický obvod sestávající ze sériově zapojených odporů nulového uzemnění a opakovaného uzemnění. Pokud hodnota odporu tohoto obvodu (s přihlédnutím k vnějšímu indukčnímu odporu) výrazně překročí odpor hlavního uzemňovacího vedení, bude změna rozložení proudu nevýznamná a neovlivní změnu dotykových napětí. V některých případech však opakovanými uzemněními prochází významná část poruchového proudu. Tento proud vytváří úbytek napětí U0 na odporu nulového uzemnění, o jehož hodnotu se dotykové napětí sníží (obr. 4-16,a).

Stupeň snížení kontaktních napětí v tomto případě závisí na poměru odporu uzemnění neutrálního vodiče a opakovaných uzemnění, jakož i na hodnotě proudu, který jimi prochází. Kromě toho se kontaktní napětí dodatečně snižují v důsledku malých vzdáleností od elektrického zařízení k opakovaným uzemněním. Jak je patrné z obr. 4-16, b, jak se elektrické zařízení přibližuje k uzemňovacím elektrodám, hodnota kontaktního napětí klesá, což se zohledňuje zavedením vypočítaného kontaktního koeficientu α.
Napětí na těle poškozeného elektrického zařízení s přihlédnutím k opakovanému uzemnění bude:
(4-58) kde Uн je úbytek napětí na úseku neutrálního vodiče od opakovaného uzemnění k poškozenému elektrickému zařízení; Uп.з je úbytek napětí na odporu opakovaného uzemnění; a je kontaktní koeficient; φκ je potenciál na pouzdrech uzemněného elektrického zařízení; φз je zemní potenciál v místě kontaktu.

Obr. 4-16. Rozložení dotykových napětí při opakovaném uzemnění nulového vodiče.

Výraz (4-58) je dobře ilustrován na obr. 4-16, b. Složka Uн v podmínkách výrobních prostor je malá hodnota, protože vzdálenost od poškozeného zařízení k opakovaným uzemněním je výrazně menší než vzdálenost k neutrálu zdroje. Napětí je proto rozloženo úměrně odporu nulového uzemnění a opakovaného uzemnění nulového vodiče a pokud jsou si rovny (R0=Rп.з=4 Ohm), je poloviční ve srovnání s případem uzemnění bez opakovaných uzemnění, tj. nepřekročí 73 V podle vzorce (4-57). To zase umožňuje snížit požadavky na dobu odezvy ochranných zařízení a považovat ji za rovnou 1 s.

Obr. 4-17. Diagram rozložení proudu mezi paralelními úseky uzemňovacích vedení.
Je však třeba mít na paměti, že pro přijetí takového rozhodnutí je nutné změnit stávající normy pro opakované uzemnění neutrálního vodiče, snížit hodnotu jejich odporu na 4 ohmy a zajistit krátké vzdálenosti k hlavním skupinám zátěží.

Ve výrobních prostorách jsou dotyková napětí dále snižována vyrovnáním potenciálů způsobeným kovovými konstrukcemi dílny, spojeným s opakovaným uzemněním. Toto snížení dotykového napětí je ve výrazu (4-58) zohledněno kontaktním koeficientem, který, jak ukazují měření (tabulka 4-6), může dosáhnout hodnot řádově setin a desetin jednotky.
V podnicích s významnými podzemními komunikacemi a vysokou hustotou elektrických zařízení může být zóna nulového potenciálu z výrobních prostor zcela odstraněna. To je typické pro výrobní prostory, ve kterých jsou podlahy tvořeny železobetonovými deskami. Je známo, že železobetonové desky se skládají z ocelového výztužného rámu pokryté betonem. Výztužné rámy jsou vyrobeny z kovové sítě a svařovány bodovým kontaktním svařováním. Rámy desek jsou vzájemně a se železobetonovými podpěrami budovy spojeny kovovými táhly z kruhové oceli o průřezu 10 mm². Při takovém provedení podlahy jsou vytvořeny ideální podmínky pro vyrovnání potenciálu a kontaktní koeficient je přibližně jedna setina, tj. kontaktní napětí nepřesahuje 2-1 V (tabulky 2,5-4).
Pro výpočet dotykových napětí pomocí vzorce (4-58) je nutné znát velikost proudu procházejícího opakovaným uzemněním.

Problém výpočtu rozložení proudu paralelními úseky uzemňovacích sítí vzniká i v některých jiných obvodech (s paralelním provozem transformátorů, s kombinací několika napájecích sítí atd.). Provádění takových výpočtů je komplikováno nutností zohlednit vnější indukční odpory, které při značných vzdálenostech mezi vodiči mohou dosáhnout značných hodnot. Podívejme se na metodiku takových výpočtů na příkladu obvodu znázorněného na obr. 4-17.
Ve schématu je fázový vodič znázorněn odporem R a vodiče spojující pouzdra elektrických zařízení s neutrálem zdroje odpory R1, R2, R3, R4 a R5. Vnitřní odpor zdroje energie je pro zjednodušení dalšího znázornění podmíněně zanedbáván. Některá z uvedených spojení se mohou nacházet v zemi (opakované uzemnění nulového vodiče atd.). U takového systému vodičů není možné stanovit rovinu symetrie, takže problém určení indukčností jednotlivých větví obvodu je nejistý. Řešení je však možné, pokud při sestavování rovnic podle 2. Kirchhoffova zákona zohledníme magnetické toky obvodů tvořených dvěma sousedními větvemi (kladné směry toků jsou ve schématu znázorněny šipkami).
Proud pronikající 1. okruhem, Ф1, bude určen výrazem

Průtok pronikající 2. okruhem se určí podobným způsobem;

Výsledná soustava rovnic nám umožňuje určit proudy ve větvích obvodu.
Pro vyhodnocení získaných závěrů byla provedena experimentální kontrola velikosti dotykových napětí metodou oscilografie proudů a napětí při vytváření umělého jednofázového zkratu. Dotyková napětí byla stanovena jako rozdíl potenciálů mezi pouzdry elektrických zařízení a povrchem podlahy v různých vzdálenostech od místa jednofázového zkratu ke pouzdru. Kontakt s podlahou byl vytvořen měděnou deskou o ploše 20X50 mm, zatíženou hmotností 80 kg [L. 34]. Některé výsledky měření jsou uvedeny v tabulkách 4-6.

Tabulka 4-6
Výsledky měření parametrů elektrické bezpečnosti v uzemňovacích obvodech

Analýzou dat v tabulkách 4–6 lze vyvodit následující závěry:

1. v podniku, kde byla měření provedena, jmenovité údaje ochranných zařízení zpravidla neodpovídají požadavkům elektroinstalačního řádu (PUE) týkajícím se zkratového proudu jednofázového zkratu;
2. doba odezvy ochranných zařízení splňuje bezpečnostní požadavky;
3. Velikost dotykových napětí je omezena vysokými hodnotami dotykového koeficientu. Měření provedená ve druhém patře průmyslové budovy se železobetonovými podlahami přinesla minimální hodnoty dotykových napětí.

Měření byla prováděna ve výrobních jednotkách zavedených podniků, kde je nasycení kovu velmi vysoké. V praxi používání uzemnění jsou možné i nepříznivější případy, kdy bude dotykové napětí vyšší. Navzdory tomu je snížení dotykového napětí opakovaným uzemněním nulového vodiče důležitým faktorem pro zvýšení účinnosti uzemňovací ochrany. Lze předpokládat, že uzemnění chrání člověka v případě jednofázových zkratů na těle snížením dotykového napětí a omezením doby trvání jeho působení. Pokud zajistíme, aby hodnota dotykového napětí a doba jeho působení splňovaly kritéria elektrické bezpečnosti, bude uzemnění poměrně účinným ochranným opatřením, které se vyznačuje jednoduchostí zařízení a vysokou spolehlivostí.

Jakékoli elektrické zařízení zapojené do sítě a připojené k uzemňovacímu systému se může ocitnout v situaci, kdy se ho dotkne osoba nebo zvíře. Dotyk se může stát s tělem, s částí mechanismu, která vede proud, nebo dokonce s částí podlahy pod napětím. V tomto případě dochází k tzv. „dotykovému napětí“.

Jeho nebezpečí spočívá v tom, že pokud je hodnota příliš vysoká, živý organismus bude zasažen elektrickým proudem.

Pro tento účel dotykové napětí:

• uměle omezeno – ne více než 36 V (při provozu na střídavý proud);
• je pravidelně kontrolován odborníky, aby byl zajištěn bezpečný provoz elektrických instalací.

Hlavními důvody tohoto jevu jsou poškození ochranné izolace a poškození nadzemního a kabelového elektrického vedení.

Vlastnosti měření dotykového napětí

Hlavním cílem tohoto procesu je zajistit bezpečnou práci s elektrickými zařízeními různých typů.

Měření jsou nejčastěji vyžadována u objektů, jako jsou:

• výrobní prostory, dílna;
• skladovací prostor, distribuční centrum;
• místnost s podlahami, ve kterých je instalován systém „teplé podlahy“;
• prostory pro zemědělské účely.

Podle požadavků regulační dokumentace (PTE, PUE atd.) se skutečný rozdíl potenciálů vyrovnává pomocí zařízení, kterými do země prochází zkratový proud značné velikosti. Když je izolační materiál narušen, uzemňovací systém se „zapne“ a stane se záložním vedením pro průchod elektrického proudu. V důsledku toho se vzniklý potenciál bezpečně odstraní a osoba zůstává v bezpečí.

Podstata měření je následující:

• stanovení metodiky: s přihlédnutím k konstrukčním a provozním vlastnostem kontrolovaného zařízení (do 1 kV a více, přítomnost nebo nepřítomnost nulového vodiče, použitý měřicí přístroj);
• Podle projektu napájení se vybírají kontrolní body: obvykle na pracovištích nebo u průchodů – kde je pravděpodobnost kontaktu s neizolovanými částmi vedoucími proud největší;
• studovaný napájecí systém (nebo jeho samostatná větev) je odpojen od rozvaděče – stačí odstranit neutrální vodič;
• Měří se elektrický odpor uzemňovacího systému, což může vyžadovat sestavu jednotlivých zemnicích elektrod, připojovacího kabelu, odpojovače a rezistoru.

Je důležité věnovat pozornost provozním podmínkám zařízení (nouzový nebo normální režim) a délce trvání napájení.

Pokud tedy nastanou kritické provozní podmínky, napětí by nemělo být:

• stejnosměrný proud: více než 36 V (při expozici po dobu 2 sekund) nebo více než 2 V (při expozici po dobu 10 minut);
• AC: více než 40 V (2 s) nebo 8 V (10 min).

Odečty se provádějí na standardních elektrických měřicích přístrojích s odpovídající přesností. K tomuto účelu se používají miliohmmetry, voltmetry, testery, speciální měřiče (pro dotyk, zkrat, odpor); povoleny jsou i moderní digitální přístroje.

Měření dotykového napětí by se mělo provádět alespoň jednou za 1-5 let. Důvodem pro častější testování je přestavba, oprava nebo významná modernizace napájecího systému.

Hlášení

Provádění měření je nutně doprovázeno vypracováním zvláštního protokolu.

Formát tohoto dokumentu je upraven zákonem, takže odborníci vždy přesně vědí, jak vypadá:

• charakteristiky elektrických zařízení, je povolen výňatek z technické dokumentace k výrobkům;
• účel postupu, zvláštní podmínky, které způsobily měření;
• zvolená metoda provádění měření;
• popis měřicích přístrojů a samotné měřicí techniky;
• základní dokumentace (na které byla práce založena);
• mezivýsledky a konečné výsledky měření.

Protokol musí být uložen – může nejen potvrdit funkčnost elektrického zařízení a energetického systému jako celku, ale také se stát základem pro další opravy nebo restaurátorské práce.

Elektrotechnické laboratorní služby

Jelelektrik.By rychle změří dotykové napětí na jakémkoli objektu a jakémkoli elektrickém zařízení zákazníka.

Působíme v Minsku a Minské oblasti, máme potřebná povolení a autorizační dokumenty a jsme připraveni dorazit v nouzovém i plánovaném režimu.

Veškeré práce provádíme v plném souladu s požadavky požární a elektrické bezpečnosti.

Vypínáme, kontrolujeme, instalujeme výstražná a signalizační zařízení a rychle provádíme měření – přesně, spolehlivě a se zárukou příjemné ceny.