Руководство по устройству электроустановок - Реализация системы IT

7 Реализация системы IT
В приведенных ниже таблицах указана предельная длина цепи, при которой защита людей от косвенного прикосновения обеспечивается с помощью защитных устройств. Основная особенность системы заземления IT заключается в том, что в случае короткого замыкания на землю такая система может продолжать функционировать без перерыва питания. Это замыкание называется «первым коротким замыканием». В такой системе все открытые проводящие части электроустановки соединяются PE- проводниками с заземлителем этой электроустановки, а нейтраль питающего трансформатора
или 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 короткого 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 изолировать поврежденный участок цепи для проведения ремонтных работ. Это способствует обеспечению бесперебойности электропитания.
На практике же для успешной эксплуатации такой системы заземления требуется применение специальных мер:
постоянный контроль состояния изоляции относительно земли с подачей звукового или светового сигнала в случае первого короткого замыкания
устройство для ограничения напряжения, которое может возникнуть в нейтральной точке питающего трансформатора относительно земли
отработанная процедура обнаружения места «первого замыкания» высококвалифицированным ремонтным персоналом. Поиск места короткого замыкания значительно облегчается при использовании 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 через другой токоведущий проводник, а не тот, по которому проходил ток первого короткого замыкания, или нулевой проводник 1.
Второе замыкание приводит к короткому замыканию через землю и/или PE-проводники системы уравнивания потенциалов.
7.1 Предварительные условия (Рис. 55 и Рис. 56 )

Рис. F5 . Основные функции в цепях системы IT и примеры их реализации с помощью изделий марки Merlin Gerin

Рис. F5t. Местоположение основных функций в трехфазной трехпроводной системе заземления IT
(1) В системах с распределенной нейтралью (рис. F60)

F32
Современные системы контроля значительно облегчают обнаружение места первого короткого замыкания и его устранение
Системы обнаружения коротких замыканий соответствуют стандарту IEC 61157-9
7.2 Защита от косвенного прикосновения
Первое короткое замыкание
Ток замыкания на землю, который протекает при первом коротком замыкании, измеряется в миллиамперах.
Напряжение короткого замыкания 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 заземлительное сопротивление в 1000 Ом пройдет ток 230 мА1,а на неэффективном заземлителе электроустановки сопротивлением 50 Ом напряжение составит 11,5 В).
Аварийный 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 полное сопротивление изоляции любого подсоединенного бытового электроприбора.
В системах переменного тока могут применяться низкочастотные приборы, которые при коротком 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. F57)
Генератор может быть стационарным (например, XM100) или портативным (например, GR10X, позволяющий проверять обесточенные цепи), а приемник вместе с магнитным датчиком прижимного типа - портативные.

Рис. F57. Неавтоматический (ручной) поиск места короткого замыкания
■ Автоматический (стационарный) поиск мест коротких замыканий (рис. F58 на следующей странице)
Контрольное реле XM100 вместе со стационарными детекторами XD1 или XD12 (каждый из них подсоединен к кольцевому трансформатору тока нулевой последовательности, охватывающему проводники соответствующей цепи) образуют систему автоматического обнаружения мест короткого замыкания в электроустановке, находящейся под напряжением. 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 предупредительные меры, а второй уровень указывает на наличие короткого замыкания и подает предупредительный сигнал.
(1) On a 230/400 V 3-phase system.

Рис. F5t. Стационарный автоматический поиск мест коротких замыканий
■ Автоматический контроль, регистрация и поиск мест коротких замыканий ( ic. F59) 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. F59), обеспечивает автоматическое обнаружение коротких замыканий.

Рис. 5 . Автоматический поиск коротких замыканий и автоматическая регистрация данных по сопротивлению изоляции

Обычно используются три расчетных метода:
метод сопротивлений, основанный на суммировании векторов полных сопротивлений системы
композиционный метод
F34
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 номинальным током короткого замыкания. 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 ремонтных 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 коротком замыкании: 500 Ом.
Примечания:
После длительного периода временного выключения 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 проводников снизится поверхностная влажность изоляции.
Устройство контроля состояния изоляции (XM) способно измерять активную и емкостную составляющую тока утечки на землю в отдельности. Это позволяет на основании полного постоянного тока утечки определить истинное сопротивление изоляции.
Случай второго 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, и поэтому сопротивление цепи замыкания является достаточно низким для того, чтобы обеспечить необходимый уровень тока замыкания.
В случаях, когда цепи являются чрезмерно длинными, и особенно если бытовые электроприборы цепи заземлены отдельно (так что ток короткого замыкания проходит по двум заземлителям), то надежное отключение по максимальной токовой защите 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 IEC, может происходить при величинах от 0,5 I4n до I4n, где I4n - 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 токов 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 полных сопротивлений».
Максимальная длина цепи с заземлением типа IT составляет для:

трехфазной четырехпроводной схемы

цепи с заземлением типа IT
традиционным метод», в котором предполагается, что минимальная величина напряжения на входе в поврежденную цепь оставляет 80% от номинального напряжения сети, а длины цепей определяются 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. F60)         .
Принцип этого метода для системы IT аналогичен тому, который описан в подразделе 6.2 для системы TN: расчет максимальных длин цепей, расположенных ниже автоматического выключателя или плавких предохранителей, при которых может быть обеспечена защита        I
посредством максимальных токовых реле.
Очевидно, что нельзя проверить длины 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:

Рис. F6. Расчет величины Lmax. для системы с заземлением типа IT. Показан путь тока для случая двойного замыкания

т.е. всего 50% от длины кабеля, допускаемой для системы TN1.
(1) Напоминание: При использовании схемы заземления TT отсутствует ограничение на длину цепи, поскольку защита обеспечивается применением УЗО высокой чувствительности.

В следующих таблицах *указана длина цепи, которая не должна превышаться для обеспечения защиты людей от косвенного прикосновения с помощью защитных устройств

*Эти таблицы приведены в подразделе 6.2 (F45 - to F48). Однако таблица поправочных коэффициентов (рис. F61), 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.
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-мм /м *(22,5 10-3 для меди и 36 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

SPE - площадь сечения защитного PE-проводника в мм2
S1 - площадь сечения нулевого проводника, если рассматриваемая цепь включает 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 указаны максимальные длины цепей, при превышении которых 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. В этих таблицах учитывается:
Тип защиты: автоматические выключатели или плавкие предохранители, уставки по току срабатывания Площади сечения фазных и защитных проводников Тип системы заземления
F36
Поправочный коэффициент: в таблице на рис. F61 представлены значения поправочного коэф­фициента, которые следует применять к длинам, указанным в таблицах F44 - F47, для системы IT

Рис. F61. Поправочный коэффициент для длин, приведенных в таблицах F45 - F48 для систем TN

Рис. 6 . Цепь питания штепсельных розеток
Пример
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. F46 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 IEC 60364-4-471 рекомендует использовать УЗО с высокой чувствительностью (У 30 мА) в следующих случаях (см. рис. F62):
в цепях штепсельных розеток на номинальные токи У 32 А в любых помещениях2
в цепях штепсельных розеток в сырых помещениях для всех номинальных токов2
в цепях штепсельных розеток во временных электроустановках2
в цепях, питающих помещения прачечных и плавательные бассейны2
в цепях питания рабочих площадок, домов-фургонов, прогулочных катеров и передвижных выставок-ярмарок2.
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 для использования 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. F63).

Рис. F6,. Защита пожароопасного помещения

Рис. F6. Автоматический выключатель с магнитным расцепителем мгновенного действия с пониженной уставкой срабатывания

       *Эти случаи рассматриваются подробно.

Рис. F6t. Защита с помощью УЗО
Использование УЗО с чувствительностью 300 мА позволяет также обеспечить защиту от пожара.
7.5 Когда полное сопротивление цепи замыкания на землю особенно большое
Когда ток замыкания на землю 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:
Вариант решения 1 (рис. F64 )
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 аномально большой длины. При этом однако следует проверить, что большие переходные токи, например пусковые токи электродвигателей, не вызовут ложных срабатываний.
Решения, предложенные компанией Schneider Electric
Автоматический выключатель Compact типа G (2Im У Irm У 4Im)
Автоматический выключатель Multi 9 тип B Вариант решения 2 (рис. F65 )
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 Вариант решения 3
Увеличить сечение PE- или PEN-проводников и/или фазных проводников с тем, чтобы снизить сопротивление цепи замыкания на землю.
Вариант решения 4 (рис. F66 )
Установить дополнительные проводники уравнивания потенциалов. Это обеспечит такой же эффект, что и вариант решения 3, т.е. снижение сопротивления цепи замыкания на землю, 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. F6t. Усовершенствованная схема уравнивания потенциалов