7 Реализация системы IT
Основная особенность системы заземления IT заключается в том, что в случае замыкания на землю такая система может продолжать функционировать без перерыва питания. Это замыкание называется «первым замыканием».
В такой системе все открытые проводящие части электроустановки соединяются PE-проводниками с заземлителем этой электроустановки, а нейтраль питающего трансформатора изолируется от земли, или соединяется с землей через достаточно большое сопротивление (обычно 1000 Ом или более) при частоте 50 Гц.
Это означает, что ток замыкания на землю будет измеряться в миллиамперах, поэтому не вызовет серьезных повреждений в месте первого замыкания, не приведет к появлению опасных напряжений прикосновения и не представит опасности возгорания. Поэтому такую систему допускается нормально эксплуатировать до тех пор, пока не представится удобная возможность отключить поврежденный участок цепи для проведения ремонтных работ. Это способствует обеспечению бесперебойности электропитания.
На практике для успешной эксплуатации такой системы заземления требуются специальные меры:
постоянный контроль состояния изоляции относительно земли с подачей звукового или светового сигнала в случае первого замыкания;
установка устройства ограничения напряжения, которое может возникнуть в нейтральной точке питающего трансформатора относительно земли;
использование отработанной процедуры обнаружения места «первого замыкания» высококвалифицированным персоналом при помощи существующих автоматических устройств;
в случае если до устранения первого замыкания происходит второе замыкание, должны сработать соответствующие автоматические выключатели; по определению, второе замыкание - замыкание на землю проводника другой фазы или рабочего нейтрального проводника (1).
(1) В системах с распределенной нейтралью (рис. F56)
Двойное замыкание приводит к короткому замыканию через землю и/или PE-проводники сети уравнивания потенциалов.
7.1 Предварительные условия (рис. 51 и рис. 52)
Минимальные требуемые функции | Компоненты и устройства | Примеры реализации |
Защита от перенапряжений | 1 Ограничитель напряжения | Cardew C |
Резистор цепи заземления нейтрали (для изменения полного сопротивления в цепи заземления) | 2 Резистор | Полное сопротивление Zx |
Общий контроль замыканий на землю с подачей предупредительного сигнала в случае первого замыкания | 3 Устройство постоянного контроля изоляции с подачей предупредительного сигнала | Vigilohm TR22A или XM 200 |
Автоматическое отключение КЗ при втором замыкании и максимальная токовая защита нулевого проводника | 4 Четырехполюсные автоматические выключатели (для распределенной нейтрали) | Автоматический выключатель Compact или УЗО средней чувствительности RCD-MS |
Обнаружение места первого замыкания | 5 Устройство обнаружения места замыкания под напряжением или последовательного отключения цепей | Система Vigilohm |
Рис. F51: Основные функции в цепях системы IT и примеры их реализации с помощью изделий Schneider Electric
Рис. F52: Местоположение основных функций в трехфазной трехпроводной системе заземления IT
Современные системы контроля значительно облегчают обнаружение места первого замыкания и его устранение.
Системы обнаружения замыканий соответствуют стандарту МЭК 61157-9.
7.2 Защита от косвенного прикосновения
Первое замыкание
Ток замыкания на землю, который протекает при первом замыкании, измеряется в миллиамперах. Напряжение на корпусе относительно земли является произведением этого тока на сопротивление заземлителя электроустановки и PE-проводника (от поврежденного элемента до заземлителя). Это напряжение является неопасным и, в худшем случае, может составлять всего несколько вольт (например, через сопротивление цепи заземления в 1000 Ом пройдет ток 230 мА (1), а на неэффективном заземлителе электроустановки сопротивлением 50 Ом напряжение составит 11,5 В). Предупредительный сигнал подается устройством постоянного контроля состояния изоляции. Принцип контроля замыканий на землю
Генератор переменного тока очень низкой частоты или постоянного тока (применяемый для снижения влияния емкости кабеля до пренебрежимо малых уровней) подает напряжение между нейтралью питающего трансформатора и землей. Это напряжение вызывает появление небольшого тока, величина которого зависит от сопротивления изоляции, по отношению к заземлителю всей электроустановки.
В системах переменного тока могут применяться низкочастотные приборы, которые при замыкании генерируют переходные постоянные составляющие тока. Некоторые модели могут выделять активную и емкостную составляющие тока утечки.
Новые разработанные приборы позволяют регистрировать изменения тока утечки, что позволяет предотвратить появление первого замыкания.
Примеры оборудования
Ручной поиск мест коротких замыканий (рис. F53)
Генератор может быть стационарным (например, XM100) или портативным (например, GR10X, позволяющий проверять обесточенные цепи), а приемник и токовые клещи нулевой последовательности - портативные.
Автоматический (стационарный) поиск мест коротких замыканий (рис. F54 на следующей странице)
Рис. F53: Неавтоматический (ручной) поиск места короткого замыкания
Контрольное реле XM100 вместе со стационарными детекторами XD1 или XD12, каждый из которых подсоединен к кольцевому трансформатору тока нулевой последовательности, охватывающему проводники соответствующей цепи, образуют систему автоматического обнаружения мест короткого замыкания в электроустановке, находящейся под напряжением.
(1) Для трехфазной системы 230/400 В.
Кроме того, для каждой контролируемой цепи отображается уровень сопротивления изоляции и контролируются два уровня: первый уровень предупреждает о необычно низком сопротивлении изоляции, с тем чтобы принять соответствующие меры, а второй уровень указывает на наличие короткого замыкания и подает предупредительный сигнал.
Рис. F54: Стационарный автоматический поиск мест коротких замыканий
■ Автоматический контроль, регистрация и поиск мест замыканий (рис. F55) Система Vigilohm обеспечивает также доступ к принтеру и/или персональному компьютеру, осуществляющему глобальный контроль состояния уровня изоляции всей рассматриваемой электроустановки и регистрирующему хронологическое изменение уровня изоляции каждой цепи. Центральное устройство контроля XM100 вместе с детекторами мест коротких замыканий XD08 и XD16, связанными с кольцевыми трансформаторами тока нулевой последовательности (рис. F55), обеспечивает автоматическое обнаружение замыканий.
Рис. F55: Автоматический поиск замыканий и регистрация данных о сопротивлении изоляции
Обычно используются три расчетных метода:
метод полных сопротивлений, основанный
на суммировании векторов полных сопротивлений системы;
композиционный метод;
традиционный метод, основанный на предполагаемой величине падения напряжения и использовании специальных таблиц.
Реализация устройств постоянного контроля состояния изоляции
Соединение
Такое устройство обычно включается между нейтралью (или искусственной нейтралью) питающего трансформатора и его заземлителем.
Питание
Питание к устройству контроля изоляции должно подводиться от надежного источника питания. На практике это обычно осуществляется непосредственно от контролируемой электроустановки через устройства максимальной токовой защиты с соответствующим номиналом.
Уставки уровней
Некоторые национальные стандарты рекомендуют использовать первую уставку на уровне 20% ниже уровня изоляции новой электроустановки. Эта величина позволяет обнаружить снижение качества изоляции и в ситуации зарождающегося отказа требует принятия предупредительных мер.
Пороговый уровень для подачи предупредительного сигнала о замыкании на землю будет соответствовать гораздо более низкой величине сопротивления. Например, такими двумя уровнями могут быть:
уровень изоляции новой электроустановки: 100 кОм;
безопасный ток утечки: 500 мА (риск пожара при токе утечки > 500 мА);
уровни индикации, установленные пользователем:
порог для профилактического технического обслуживания: 0,8 x 100 = 80 кОм;
порог для подачи сигнала о первом замыкании: 500 Ом.
Примечания:
После длительного периода вывода из работы электроустановки, когда вся электроустановка или часть ее оставались обесточенными, из-за влажности может произойти снижение общего уровня сопротивления изоляции. Такая ситуация, обусловленная главным образом током утечки по сырой поверхности неповрежденной изоляции, не означает аварийного состояния изоляции. Сопротивление изоляции быстро восстановится, как только в результате нормального повышения температуры токоведущих частей снизится поверхностная влажность изоляции.
Устройство контроля состояния изоляции (XM) способно измерять активную и емкостную составляющие тока утечки на землю в отдельности. Это позволяет на основании полного постоянного тока утечки определить истинное сопротивление изоляции.
Случай двойного замыкания
Второе замыкание на землю в системе IT (если оно не происходит на том же проводнике, что и первое замыкание) представляет собой межфазное замыкание или замыкание между фазой и нейтралью. Независимо от того, происходит ли оно в той же цепи, что и первое замыкание, или в другой цепи, устройства максимальной токовой защиты (плавкие предохранители или автоматические выключатели) нормально сработают, что приведет к автоматическому устранению короткого замыкания.
Уставки отключения максимальных токовых реле и номинальные токи срабатывания плавких предохранителей являются основными параметрами, которые определяют максимальную практическую длину цепи, которая может быть удовлетворительно защищена (этот вопрос рассматривается в подразделе 6.2).
Примечание: при нормальных обстоятельствах ток короткого замыкания проходит по общим PE-проводникам, соединяющим все открытые проводящие части электроустановки, поэтому сопротивление цепи замыкания является достаточно низким для того, чтобы обеспечить необходимый уровень тока замыкания.
В случаях когда цепи являются чрезмерно длинными, особенно, если бытовые электроприборы цепи заземлены отдельно (так, что ток короткого замыкания проходит по двум заземлителям), надежное отключение с помощью максимальной токовой защиты может оказаться невозможным. В этом случае в каждой из цепей электроустановки рекомендуется установить по УЗО. Однако, в случае если система IT заземлена через сопротивление, необходимо следить за тем, чтобы УЗО было не слишком чувствительным, иначе первое замыкание может привести к нежелательному отключению.
Отключение защитных устройств, реагирующих на дифференциальный ток и удовлетворяющих стандартам МЭК, может происходить при величинах от 0,5 Ian до Ian, где Ian - номинальный уровень уставки по дифференциальному току.
Методы определения уровней тока короткого замыкания
Достаточно точная оценка уровней тока короткого замыкания должна проводиться на этапе проектирования объекта.
На этом этапе тщательный анализ не требуется, поскольку величины тока важны только для соответствующих защитных устройств (например, нет необходимости определять сдвиги фаз), поэтому обычно применяются упрощенные приближенные методы, дающие заведомо заниженные оценки параметров. Такими практическими методами являются:
Метод полных сопротивлений, основанный на векторном суммировании всех полных сопротивлений цепи короткого замыкания.
Композиционный метод, дающий приближенную оценку тока короткого замыкания на дальнем конце цепи при известном уровне тока короткого замыкания на ближнем конце этой цепи. В этом методе полные сопротивления суммируются арифметически.
Программное обеспечение Ecodial основано на методе
для трехфазной четырехпроводной схемы:
Рис. F56: Расчет величины Lmax для системы с заземлением типа IT. Показан путь тока для случая двойного замыкания
При использовании схемы заземления TT отсутствует ограничение по длине цепи, поскольку защита обеспечивается применением УЗО высокой чувствительности.
полных сопротивлений.
Максимальная длина цепи с заземлением типа IT составляет:
для цепи с заземлением типа IT:
Традиционный метод, в котором предполагается, что минимальная величина напряжения на входе в поврежденную цепь оставляет 80% от номинального напряжения сети, а длина цепей определяется с помощью таблиц, основанных на этом допущении.
Данные методы дают надежные оценки лишь для случая, когда кабели и проводка, образующие цепь замыкания на землю, находятся в непосредственной близости друг от друга и не разделены ферромагнитными материалами.
Метод полных сопротивлений
Данный метод, описанный в подразделе 6.2, идентичен для систем заземления IT и TN. Композиционный метод
Данный метод, описанный в подразделе 6.2, идентичен для систем заземления IT и TN. Традиционный метод (рис. F56)
Принцип этого метода для системы IT аналогичен тому, который описан в подразделе 6.2 для системы TN: расчет максимальной длины цепей, расположенных ниже автоматического выключателя или плавких предохранителей, при которых может быть обеспечена защита посредством максимальных токовых реле.
Очевидно, что нельзя проверить длину цепей для каждой возможной комбинации двух совпадающих во времени коротких замыканий.
Однако, все случаи можно учесть, если уставка отключения по максимальному току основана на допущении, что первое замыкание происходит на дальнем конце рассматриваемой цепи, а второе - на дальнем конце аналогичной цепи, как уже отмечалось выше в подразделе 3.4. В целом, это может привести только к одному отключению (в цепи с более низким уровнем уставки отключения по максимальному току), в результате чего система останется в состоянии первого замыкания, но с одной отключенной неисправной цепью.
В случае трехфазной трехпроводной электроустановки второе замыкание может лишь вызвать межфазное короткое замыкание, поэтому в формуле для максимальной длины цепи в качестве напряжения следует использовать 3-Uo.
Тогда максимальная длина цепи в метрах определится по формуле:
В случае трехфазной четырехпроводной электроустановки наименьшая величина тока замыкания будет тогда, когда одно из замыканий является замыканием на нулевой проводник. Тогда при расчете максимальной длины цепи в качестве напряжения следует использовать Uo и:
т.е. всего 50% от длины кабеля, допускаемой для системы TN1.
В следующих таблицах (1) указана длина цепи, которая не должна превышаться для обеспечения защиты людей от косвенного прикосновения с помощью защитных устройств.
В приведенных выше формулах:
Lmax - максимальная длина цепи в метрах;
Uo - фазное напряжение в вольтах (230 В для системы напряжением 230/400 В); р - удельное электрическое сопротивление при нормальной рабочей температуре в Ом-мм2/м (22,5 х 10-3 для меди и 36 х 10-3 для алюминия);
Ia - уставка отключения по максимальному току в амперах или Ia - ток в амперах, необходимый для срабатывания плавкого предохранителя в течение установленного времени.
где:
SPE - площадь сечения защитного PE-проводника в мм2;
S1 - площадь сечения нулевого проводника, если рассматриваемая цепь включает в себя нулевой проводник;
S1 - площадь сечения фазных проводников (Sph), если рассматриваемая цепь не включает в себя нулевой проводник.
Таблицы
Приведенные ниже таблицы были составлены с помощью описанного выше традиционного метода. В них указана максимальная длина цепей, при превышении которой омическое сопротивление этих проводников ограничит величину тока короткого замыкания до уровня ниже того, который требуется для срабатывания автоматического выключателя (или плавкого предохранителя), защищающего эту цепь, с достаточной быстротой, чтобы обеспечить защиту людей от косвенного прикосновения при двойном замыкании. В этих таблицах учитываются:
тип защиты: автоматические выключатели или плавкие предохранители, уставки по току срабатывания;
площади сечения фазных и защитных проводников;
тип системы заземления;
поправочный коэффициент: в таблице на рис. F57 представлены значения поправочного коэффициента, которые следует применять к длинам, указанным на рис. F41 - F43, для системы IT.
F34
Пример
Цепь | Материал | m = Sph/SPE |
|
| |
| проводника | m = 1 | m = 2 | m = 3 | m = 4 |
3 фазы | Медь | 0.86 | 0.57 | 0.43 | 0.34 |
| Алюминий | 0.54 | 0.36 | 0.27 | 0.21 |
3 фазы + нейтраль или 1 фаза + нейтраль | Медь | 0.50 | 0.33 | 0.25 | 0.20 |
Алюминий | 0.31 | 0.21 | 0.16 | 0.12 | |
Рис. F57: Поправочный коэффициент для длин, приведенных на рис. F41 - F44 для систем TN
Рис. F58: Цепь питания штепсельных розеток
Эти таблицы приведены в подразделе 6.2 (F41 - F44). Однако таблица поправочных коэффициентов (рис. F57), в которой учитываются отношение Sph/SPE, тип цепи (трехфазная трехпроводная, трехфазная четырехпроводная, однофазная двухпроводная) и материал проводника, является специфической для системы IT и отличается от такой же таблицы для системы TN.
Трехфазная трехпроводная электроустановка на напряжение 230/400 В система заземления IT. Одна из ее цепей защищена автоматическим выключателем типа B с номинальным током срабатывания 63 А и состоит из кабеля с алюминиевыми жилами с сечением фазных проводников 50 мм2. Используется PE-проводник из алюминия сечением 25 мм2. Какова максимальная длина цепи, ниже которой посредством электромагнитного расцепителя мгновенного действия, входящего в состав автоматического выключателя, обеспечивается гарантированная защита людей от опасности косвенного прикосновения?
Из таблицы на рис. F42 получаем длину 603 м, к которой должен быть применен поправочный коэффициент 0,36 (для алюминиевого проводника m = 2). Таким образом, максимальная длина цепи составит 217 метров.
7.3 УЗО с высокой чувствительностью
Стандарт МЭК 60364-4-471 рекомендует использовать УЗО с высокой чувствительностью (У 30 мА) в следующих случаях (см. рис. F58):
цепи штепсельных розеток на номинальные токи У 32 А в любых помещениях *;
цепи штепсельных розеток в сырых помещениях для всех номинальных токов (2);
цепи штепсельных розеток во временных электроустановках (2);
цепи, питающие помещения прачечных и плавательные бассейны (2);
цепи питания рабочих площадок, домов-фургонов, прогулочных катеров и передвижных выставок-ярмарок (2).
Установка УЗО может быть предусмотрена для отдельных цепей или групп цепей:
Рекомендуется для цепей штепсельных розеток на ток U 20 A и обязательна, если они предназначены для питания портативного оборудования вне помещений.
В некоторых странах это требование является обязательным для всех цепей штепсельных розеток на ток У 32 A. Также рекомендуется ограничивать количество штепсельных розеток, защищаемых одним УЗО (например, 10 розеток на УЗО).
7.4 Защита пожароопасных помещений
В некоторых странах защита посредством установки УЗО с чувствительностью 500 мА на входе цепи,
питающей пожароопасное помещение, является обязательной (рис. F59).
Рис. F59: Защита пожароопасного помещения
Рис. F60: Автоматический выключатель с магнитным расцепителем мгновенного действия с пониженной у
Рис. F61: Защита с помощью УЗО
Использование УЗО с чувствительностью 300 мА позволяет также обеспечить защиту от пожара.
7.5 Защита при большом полном сопротивлении цепи замыкания на землю
Когда ток двойного замыкания ограничен из-за очень большого сопротивления цепи замыкания, и поэтому максимальная токовая защита может не отключить цепь в течение нормативного времени, должны быть рассмотрены следующие дополнительные меры:
Решение 1 (рис. F60)
Необходимо установить автоматический выключатель с пониженным порогом срабатывания магнитного расцепителя мгновенного действия, например:
2In У Irm У 4In
Это обеспечит защиту людей от поражения током в цепях большой длины. При этом однако следует проверить, что большие переходные токи, например, пусковые токи электродвигателей, не вызовут ложные срабатывания.
Решения, предложенные компанией Schneider Electric:
Автоматический выключатель Compact типа G (2Im У Irm У 4Im).
Автоматический выключатель Multi 9 типа B. Решение 2 (рис. F61)
Необходимо установить в рассматриваемой цепи УЗО. Такое устройство не обязательно должно иметь высокую чувствительность (от нескольких ампер до нескольких десятков ампер). Если предусмотрено использование штепсельных розеток, то в любом случае определенные цепи должны быть защищены УЗО с высокой чувствительностью (У 30 мА). Обычно одно УЗО устанавливается на несколько штепсельных розеток в цепи.
Решения, предложенные компанией Schneider Electric:
УЗО Multi 9 NG125: Ian = 1 или 3 A.
Vigicompact REH или REM: Ian = 3 - 30 A. Решение 3
Необходимо увеличить сечение PE-проводников и/или фазных проводников с тем, чтобы снизить сопротивление цепи двойного замыкания.
Решение 4 (рис. F62)
Необходимо установить дополнительные проводники уравнивания потенциалов. Это обеспечит такой же эффект, что и решение 3, т.е. снижение сопротивления цепи двойного замыкания, но одновременно дополнительно усилит существующие меры защиты людей от напряжения прикосновения. Эффективность такого усовершенствования можно проверить, измерив сопротивления между каждой открытой проводящей частью и местным главным защитным проводником.
Рис. F62: Усовершенствованная схема уравнивания потенциалов
