Каждая система защиты от поражения электрическим током должна иметь исходные данные, которые включают три основных источника информации:
знания о физиологическом воздействии электрического тока, проходящего через тело человека и домашнего животного;
накопленный опыт на основе отчетов о смертельных поражениях;
детальные технические знания об устройствах, которые могут быть использованы для защиты от поражения электрическим током, включая рассмотрение надежности, легкости выполнения, экономичности и соответствия действующим Правилам и Нормам.
Решение о том, что должно быть защищено, где защита необходима, как защита должна быть выполнена, в большой степени зависит от характеристик окружающей среды. Комнаты внутри здания являются нормальной средой обитания, свободной от особой опасности.
Тесные проводящие помещения, такие как подземные туннели, резервуары, требуют специального рассмотрения. При этом должны быть приняты во внимание уровень напряжения, в частности напряжение по отношению к земле, тип системы распределительной сети, требование к непрерывности и бесперебойности электроснабжения.
Известно, что некоторые промышленные потребители не допускают перерывов электроснабжения по условиям безопасности.
Для распределительных систем с напряжением по отношению к земле, не превышающим 120 В, необходимость защитных мер менее критична, чем для систем с напряжением по отношению к земле до 240 В. При напряжении, не превышающем 120 В по отношению к земле (эти напряжения до сих пор используются в США и Японии), широко применяются переносные приборы класса О (приборы имеют только основную изоляцию и не имеют клемм для подключения заземляющего проводника). В таких сетях могут быть использованы штепсельные розетки без заземляющих контактов тех же типов, какие устанавливались в США до 1962 г. и каких еще много в жилых домах США, Японии и России.
Следующая философия защиты была развита для трехфазных сетей напряжением 230/400 В, обычно используемых в Европе и России в настоящее время. Эта философия предусматривает три уровня защиты: (1) основная защита, (2) защита при повреждении (изоляции), и (3) дополнительная защита.
1 Основная защита
Основная защита определяется как применение мер против прямого контакта. Основная защита обеспечивает это посредством исключения контакта между человеком и опасными токоведущими частями. Некоторые токоведущие части полностью покрыты изоляцией, которая может быть удалена только в результате ее разрушения или разрушения самого защищаемого изделия. В других случаях основная изоляция может быть удалена только с использованием специальных инструментов. Кроме того, от прямого контакта защищают оболочки.
Барьеры и физическое отделение (размещение токоведущих частей за пределами досягаемости) позволяют обеспечить защиту только от преднамеренных контактов. Они не исключают возможности преднамеренного достижения за пределами барьера или преодоления расстояния, предусмотренного пределами досягаемости.
Повреждение основной защиты происходит двумя путями:
- В результате повреждения оболочки или ее части становятся доступными для прямого прикосновения опасные токов едущие части. Защита от таких видимых повреждений обеспечивается немедленным ремонтом поврежденного оборудования.
- Повреждение изоляции между опасными токоведущими частями и открытыми проводящими частями (ОПЧ). При повреждении основной изоляции доступные прикосновению ОПЧ приобретают опасный потенциал, что может не сопровождаться появлением каких бы то ни было видимых для по- требителя признаков. Защита при повреждении изоляции должна обеспечивать защиту от поражения электрическим током при косвенном прикосновении в результате такого повреждения.
Защита при повреждении
В случае повреждения изоляции между опасными токоведущими частями и доступными прикосновению открытыми проводящими частями электрооборудования, защита должна быть обеспечена посредством устройства (с надлежащей изоляцией) автоматического отключения или с помощью других мер защиты при повреждении изоляции.
Защита при повреждении может включать одно или более классических защитных мероприятий:
автоматическое отключение, в том числе, с использованием устройств защиты от сверхтоков и устройств защиты, реагирующих на дифференциальный ток (УЗО-Д);
зануление (система TN); использование PEN-проводника; уравнивание потенциалов, в том числе местное;
защитное заземление с использованием защитных устройств для отключения сверхтоков (системы ТТ или ГГ); выравнивание потенциала; защитный мониторинг изоляции; двойная изоляция;
защитное электрическое разделение (разделяющий трансформатор); безопасное сверхнизкое напряжение (БСНН); функциональное сверхнизкое напряжение (ФСНН).
Дополнительная защита
Дополнительная защита посредством использования УЗО-Д применяется в качестве третьей и последней защитной меры для распределительных сетей. УЗО-Д с током уставки не более 30 мА будет предотвращать возникновение вентрикулярной фибрилляции в результате протекания тока повреждения через тело человека.
Дополнительная защита должна применяться для переносных приборов, т. е. для цепей, питающихся от штепсельных розеток, или для цепей, проложенных в помещениях с повышенной опасностью Согласно современной философии электробезопасности полная система защиты должна быть представлена в виде трехступенчатой системы мер, каждая из которых готова действовать для защиты потребителя электроустановку* (рис. 1).
Главная задача дополнительной защиты состоит в обеспечении защиты при случайном непреднамеренном прямом прикосновении к токоведущим частям (рис. 2).
Более того, дополнительная защита будет предотвращать смертельные поражения электрическим током и в том случае, когда защитный проводник оборван или неправильно присоединен, а также — при повреждении двойной изоляции. Защитное действие дополнительной защиты иллюстрируется рис. 2 — 5.
Оптимизация защиты в распределительных сетях
Последующее рассмотрение предполагает нормальные условия окружающей среды применительно к жилым, общественным и производственным зданиям. Оптимальная защита достигается применением необходимых и достаточных мер защиты с учетом особенностей электроустановки.
1. Система распределения энергии
Оптимальная система защиты достигается для сетей с номинальным напряжением 230/440 В при использовании зануления (система TN). Это объясняется следующими обстоятельствами.
Рис. 1. Меры защиты от поражения электрическим током
Рис. 3. Защита при обрыве защитного проводника
- Потенциал доступных прикосновению проводящих частей (ОПЧ и СПЧ) при повреждении изоляции значительно ниже напряжения сети по отношению к земле вследствие относительно низкого сопротивления цепи обратного тока, роль которой выполняет РЕ- или PEN-проводник, в качестве которого используются жилы и металлические оболочки кабелей, а также СПЧ.
- Вероятность отключения при повреждении изоляции устройствами защиты от сверхтока достаточно высока.
Рис. 4. Защита при ошибочном присоединении N- и РЕ-проводников
- Система применима к сетям с высокими номинальными токами.
- Система TN обеспечивает удобство питания электроустановок при одновременном обеспечении экономичности.
- Система TN снижает воздействие перенапряжений, вызываемых переходом напряжения с высокой стороны на низкую, а также снижает до минимума последствия коммутационных и атмосферных перенапряжений.
Если эта система защиты укомплектовывается дополнительной защитой в виде УЗО-Д, оптимальный уровень безопасности обеспечивается.
Такая система обеспечивает защиту от поражения электрическим током, перенапряжений и возгораний, вызываемых повреждением изоляции, при минимальной вероятности нежелательных отключений.
Уставки УЗО-Д по дифференциальному (разностному) току выбираются на основе предельно допустимых физиологических воздействий и с учетом ожидаемых в защищаемой цепи токов утечки в нормальных режимах.
Устройства с более высоким значением тока уставки могут быть использованы там, где фазное напряжение выше, и где влияние дополнительных сопротивлений, включенных в цепь последовательно с сопротивлением тела
Рис. 5. Защита при повреждении изоляции в оборудовании класса II
человека, как правило невелико. В большинстве случаев повреждения изоляции дифференциальный ток обеспечивает срабатывание устройств защитного отключения с током уставки не более 30 мА.
Анализ зарегистрированных случаев серьезного поражения электрическим током в сетях с фазным напряжением 220 В показал, что ток через тело человека был порядка 100 мА и более.
Необходимо учитывать, что УЗО-Д независимо от величины уставки не ограничивают значение дифференциального тока, пока их контакты замкнуты . Значение дифференциального тока ограничивается только сопротивлением петли замыкания, основную часть которого составляет сопротивление тела человека.
Рис. 6 иллюстрирует пример использования основной защиты, защиты при повреждении и дополнительной защиты.
Основная защита выполнена в форме изоляции подсоединенного электрооборудования. Изоляция предотвращает прямое прикосновение (прямой контакт) к опасным токоведущим частям.
Рис. 6. Пример распределительной сети с заземленной нейтралью (система TN-C-S) с основной защитой, защитой при повреждении и дополнительной защитой
Защита при повреждении изоляции обеспечивается в виде системы TN с устройством защиты от сверхтока.
Дополнительная защита выполняется в виде устройств защитного отключения. Если заземляющие проводники оборваны или повреждены, устройства защитного отключения защитят от повреждения изоляции «фаза — земля». Они также защитят от прямого контакта с опасными токоведущими частями.
Характеристики присоединенного электрооборудования
Основная защита требует сохранения недоступности для непреднамеренного прямого прикосновения к опасным токоведущим частям. Основная защита требует также, чтобы токоведущие части цепи, работающей на безопасном сверхнизком напряжении (БСНН) не были доступны при эксплуатации в помещениях с повышенной опасностью.
Для систем с напряжением по отношению к земле более 150 В защита при повреждении изоляции обязательна. При напряжении прикосновения выше 150 В ток через тело человека определяется сопротивлением внутренних органов человека и практически не зависит от площади контакта. При напряжении 150 В сопротивление кожи практически не оказывает заметного влияния на общее сопротивление тела человека. В этом случае защитный заземляющий проводник (РЕ-проводник) должен быть использован повсеместно во всех частях системы, и должно быть использовано оборудованием только класса 11 или класса II2. В некоторых специальных
помещениях с особо опасными условиями эксплуатации может быть использовано оборудование класса III3 (защита посредством безопасного сверхнизкого напряжения).
Штепсельные розетки без заземляющих контактов широко распространены в старых электроустановках и новые требования на них не распространяются. Переносное оборудование может быть класса О4, хотя часто используется класс 11. Оболочка оборудования класса О часто выполняется из изоляционного материала и это повышает безопасность.
Примечания:
- Оборудование класса I определяется как оборудование, имеющее основную изоляцию, и снабженное контактом для присоединения защитного заземляющего проводника к ОПЧ.
- Оборудование класса II обеспечивается системой двойной изоляции, содержащей основную и дополнительную изоляцию, или — усиленной изоляцией.
- Оборудование класса 111 определяется как оборудование, в котором защита от поражения электрическим током в случае повреждения изоляции обеспечивается питанием от цепи БСНН, которая имеет основную изоляцию для защиты токоведущих частей.
- Оборудование класса О имеет единственную изоляцию, и к ОПЧ которого не предусмотрено подключение защитного заземляющего проводника.