Охрана труда. 
Методика применения устройств компенсации мощности электроснабжения на предприятии

Электробезопасность

Разрабатываемое в данной работе устройство компенсации реактивной мощности является многофункциональным устройством, применяемым в системах электроснабжения, питающих мощные тиристорные преобразователи. Это устройство производит компенсацию реактивной мощности в электрической сети, а также обеспечивает стабилизацию напряжения на шинах потребителей, фильтрацию высших гармоник, симметрирование токов и напряжений в сети.

В этом разделе проанализируем потенциальные опасные и вредные факторы, возникающие при эксплуатации разработанного устройства.

Все опасные факторы, которые могут возникнуть в процессе установки, наладки и эксплуатации устройства связаны с электробезопасностью.

Электробезопасность — система организационных и технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от вредного и опасного воздействия электрического тока, электрической дуги, электромагнитного поля и статического электричества.

Проходя через живые ткани, электрический ток оказывает термическое, электролитическое и биологическое воздействия. Это приводит к различным нарушениям в организме, вызывая как местное поражение тканей и органов, так и общее поражение организма.

Опасность электрического тока в отличие от прочих опасностей усугубляется тем, что человек не в состоянии без специальных приборов обнаружить напряжение дистанционно, как, например, движущиеся части, раскаленные объекты, открытые люки, неогражденные края площадки, находящейся на высоте, и т. п.

Анализ смертельных несчастных случаев на производстве показывает, что на долю поражений электрическим током приходится до 40%, а в энергетике — до 60%. Большая часть смертельных электропоражений (до 80%) наблюдается в электроустановках напряжением до 1000 В.

Эта статистика становится еще более актуальной, если учесть, что разработанное устройство предназначается для использования в энергетической отрасли промышленности, в том числе и в электроустановках напряжением до 1000 В.

Анализ опасности электрических сетей практически сводится к определению значения тока, протекающего через тело человека в различных условиях, в которых может оказаться человек при эксплуатации электрических сетей и электроустановок. Анализ также ставит перед собой задачу оценки влияния различных факторов и параметров сети на опасность поражения.

Поражение человека электрическим током может наступить при двухфазном и однофазном прикосновении к токоведущим частям, при прикосновении к заземленным нетоковедущим частям, оказавшимся под напряжением, и при включении на шаговое напряжение.

Электроустановками называются установки, предназначенные для производства, преобразования, распределения энергии, а также потребления электроэнергии.

В различных электроустановках различна опасность поражения электрическим током, так как параметры электроэнергии, условия эксплуатации электрооборудования и характер среды помещений, в которых оно установлено, очень разнообразны. Комплекс защитных мер должен соответствовать виду электроустановки и условиям применения электрооборудования и обеспечивать достаточную безопасность.

Опасность поражения током, а также возможная его тяжесть прежде всего зависят от номинального напряжения. По напряжению различают электроустановки напряжением до 1000 В и электроустановки напряжением выше 1000 В.

Существенно влияние на безопасность условий среды, от которых зависит состояние изоляции, а также электрическое сопротивление тела человека.

В зависимости от вида электроустановки, номинального напряжения, режима нейтрали, условий среды помещения и доступности электрооборудования необходимо применять определенный комплекс необходимых защитных мер, обеспечивающих достаточную безопасность, которая редко может быть обеспечена единственной мерой.

В электроустановках применяют следующие технические защитные меры:

• 1) малые напряжения;
• 2) электрическое разделение сетей;
• 3) контроль и профилактика повреждений изоляции;
• 4) компенсация емкостной составляющей тока замыкания на землю;
• 5) обеспечение недоступности токоведущих частей;
• 6) защитное заземление;
• 7) зануление;
• 8) двойная изоляция;
• 9) защитное отключение.

Применение этих защитных мер регламентируется ПУЭ и другими Правилами.

Применение малых напряжений — эффективная защитная мера, но ее широкому распространению мешает трудность осуществления протяженной сети малого напряжения. Поэтому источник малого напряжения должен быть максимально приближен к потребителю. Вследствие того, что потребители рассредоточены на значительных территориях, надо устанавливать источники питания (трансформаторы) на небольшую группу потребителей или даже на каждый потребитель, что экономически невыгодно. Поэтому область применения малых напряжений 12, 36 и 42 В ограничивается ручным электрифицированным инструментом, ручными переносными лампами и лампами местного освещения в помещениях с повышенной опасностью и особо опасных.

Область применения защитного разделения сетей — электроустановки напряжением до 1000 В, эксплуатация которых связана с повышенной степенью опасности, в частности передвижные электроустановки, ручной электрифицированный инструмент и т. п. Поскольку основная цель этой защитной меры — уменьшить ток замыкания на землю за счет высоких сопротивлений фаз относительно земли, не допускается заземление нейтрали или одного из выводов вторичной обмотки разделительного трансформатора или преобразователя.

Немалую опасность представляет возможность продолжения работы электроустановки при глухом замыкании на землю, так как человек, прикоснувшийся к исправной фазе, попадает под линейное напряжение. В этом случае защитное разделение сети не достигает цели. Чтобы избежать опасности возникновения замыкания на землю, необходимо постоянно следить за состоянием изоляции и своевременно устранять ее повреждения.

Контроль изоляции — измерение ее активного или омического сопротивления с целью обнаружения дефектов и предупреждения замыканий на землю и коротких замыканий.

Состояние изоляции в значительной мере определяет степень безопасности эксплуатации электроустановок. В сетях напряжением выше 1000 В снижение сопротивления изоляции почти всегда приводит к глухому замыканию на землю.

При заземленной нейтрали ток замыкания на землю и ток через человека не зависят от сопротивления изоляции. Но при плохом состоянии изоляции часто происходят ее повреждения, что приводит к глухим замыканиям на землю (корпус) и к коротким замыканиям. При замыкании на корпус возникает опасность поражения людей электрическим током, так как нетоковедущие части, с которыми человек нормально имеет контакт, оказываются под напряжением.

Чтобы предотвратить замыкания на землю и другие повреждения изоляции, при которых возникает опасность поражения людей электрическим током, а также выходит из строя оборудование, необходимо проводить испытания повышенным напряжением и контроль изоляции.

При испытаниях повышенным напряжением дефекты изоляции обнаруживаются вследствие пробоя и последующего прожигания изоляции (током). Выявленные дефекты устраняются, и производятся повторно испытания исправленного оборудования.

Контроль и профилактика повреждений изоляции позволяют поддерживать ее сопротивление на высоком уровне. Емкость фаз относительно земли не зависит от каких-либо дефектов; она определяется общей протяженностью сети, высотой подвеса проводов воздушной сети, толщиной фазной изоляции жил кабеля, т. е. геометрическими параметрами. Поэтому емкость сети не может быть снижена. В процессе эксплуатации емкость сети изменяется лишь за счет отключения и включения отдельных линий, что определяется требованиями электроснабжения.

Поскольку невозможно уменьшить емкость сети, снижение тока замыкания на землю достигается путем компенсации его емкостной составляющей индуктивностью. В трехфазной сети нет необходимости включать индуктивность между каждой фазой и землей; компенсирующая катушка включается между нейтралью и землей.

Компенсация емкостной составляющей тока замыкания на землю применяется обычно в сетях напряжением выше 1000 В для гашения перемежающейся электрической дуги при замыкании на землю и снижения возникающих при этом перенапряжений. Одновременно уменьшается ток замыкания на землю.

В сетях напряжением до 1000 В компенсация емкостной составляющей тока замыкания на землю применяется лишь в подземных сетях шахт и рудников.

Компенсация емкостной составляющей тока замыкания на землю эффективна, когда емкостная проводимость фаз относительно земли больше активной и снижение полного тока замыкания на землю за счет компенсации емкостной составляющей значительно. Эта защитная мера применяется в дополнение к другим защитным мерам — защитному отключению и заземлению, так как самостоятельно безопасности в большинстве случаев не обеспечивает.

Прикосновение к токоведущим частям всегда может быть опасным даже в сети напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью, с хорошей изоляцией и малой емкостью, не говоря уже о сетях с заземленной нейтралью и о сетях напряжением выше 1000 В. В последнем случае опасно даже приближение к токоведущим частям.

В электроустановках напряжением до 1000 В применение изолированных проводов уже обеспечивает достаточную защиту от поражения при прикосновении к ним. Изолированные провода, находящиеся под напряжением выше 1000 В, не менее опасны, чем голые, так как повреждения изоляция обычно остаются незамеченными, если провод подвешен на изоляторах.

Чтобы исключить возможность прикосновения или опасного приближения к изолированным токоведущим частям, должна быть обеспечена недоступность с помощью ограждения, блокировок или расположения токоведущих частей на недоступной высоте или в недоступном месте.

Ограждения применяют как сплошные, так и сетчатые. Сплошные ограждения в виде кожухов и крышек применяют в электроустановках напряжением до 1000 В. Сетчатые ограждений применяются в установках напряжением до 1000 В и выше. Сетчатые ограждения имеют двери, запирающиеся на замок.

Блокировки применяются в электроустановках, в которых часто производятся работы на ограждаемых токоведущих частях. Блокировки также применяются в электрических аппаратах, работающих в условиях, в которых предъявляются повышенные требования безопасности. Блокировки по принципу действия разделяют на электрические и механические.

Электрические блокировки осуществляют разрыв цепи специальными контактами, которые устанавливаются на дверях ограждений, крышках и дверцах кожухов.

Если управление электроустановкой производится дистанционно, блокировочные контакты включаются в цепь управления пускового аппарата. Наиболее целесообразно применение для этой цели магнитного пускателя или контактора, так как блокировочные контакты при открывании дверей размыкают цепь катушки пускателя. При обрыве этой цепи электроустановка отключается так же, как и при открывании дверей. Это предотвращает возможность несчастного случая при неисправной цепи блокировки. Электроустановка не может быть включена при закрытии дверей, т.к. замыкания блокировочных контактов еще недостаточно: для включения электроустановки требуется обязательно нажать кнопку пуска. Поэтому, если оператор вошел внутрь ограждения, он не может оказаться под напряжением при случайном закрытии дверей. Включение блокировочных контактов в силовую цепь не исключает этой возможности, и такая схема блокировки не должна применяться.

Блокировочные контакты, установленные в цепь отключающей катушки автоматического выключателя, при открывании дверей должны замыкать цепь катушки. При обрыве этой цепи замыкание контактов не приводит к отключению. При открывании дверей блокировка не сработает, человек может пройти за ограждение и попасть под напряжение.

Для обеспечения безопасности необходимо, чтобы блокировочные контакты размыкались уже при незначительном растворе дверей (10 — 15 см), чтобы человек не мог проникнуть за ограждение при неразомкнувшихся контактах. Блокировочные контакты должны устанавливаться на обеих половинках двустворчатых дверей, чтобы не было возможности включить электроустановку, оставив открытой одну из этих половин.

Механические блокировки применяются в электрических аппаратах — рубильниках, пускателях, автоматических выключателях и т. п.

В аппаратуре автоматики, вычислительных машинах и радиоустановках применяются блочные схемы. В общем корпусе устанавливаются отдельные блоки, которые соединяются с остальным устройством штепсельным соединением. Когда блок выдвигается или удаляется со своего места, штепсельный разъем размыкается. Таким образом, блок отключается автоматически при открывании его токоведущих части.

Блокировки применяются также для предупреждения ошибочных действий персонала при переключениях в распределительных устройствах и на подстанциях.

Расположение токоведущих частей на недоступной высоте или в недоступном месте позволяет обеспечить безопасность без ограждений, при этом следует учитывать возможность случайного прикосновения к токоведущим частям длинными предметами, которые человек может держать в руках.

Для защиты от прикосновения к частям нормально или случайно находящимся под напряжением применяется также двойная изоляция — электрическая изоляция, состоящая из рабочей и дополнительной изоляции. Рабочая изоляция — изоляция токоведущих частей электроустановки, обеспечивающая ее нормальную работу и защиту от поражения электрическим током. Дополнительная изоляция — изоляция, предусмотренная дополнительно к рабочей изоляции для защиты от поражения электрическим током в случае повреждения рабочей изоляции.

Наиболее просто двойная изоляция осуществляется путем покрытия металлических корпусов и рукояток электрооборудования слоем электроизоляционного материала и применением изолирующих ручек. Поверхностный слой изоляции подвержен механическим воздействиям и повреждениям. При разрушении этого слоя открывается доступ к металлическим частям, которые могут оказаться под напряжением. Повреждение и даже полное разрушение второго слоя изоляции не препятствует продолжению работы и не подает, таким образом, сигнала о потере защиты. Поэтому такой способ выполнения двойной изоляции не обеспечивает надежной защиты и может быть рекомендован лишь в редких случаях — для оборудования, не подвергающегося ударной нагрузке. Более совершенный способ — изготовление корпуса из изолирующего материала. Такой корпус несет на себе все токоведущие части, металлические нетоковедущие части и механическую часть. При разрушении корпуса освобождается доступ к металлическим токоведущим и нетоковедущим частям, но электрооборудование работать не может, так как нарушено взаимное расположение его частей.

Защитная двойная изоляция может обеспечить безопасность при эксплуатации любого электрооборудования. Однако из-за наличия некоторых недостатков у пластмасс, таких, как недостаточная механическая прочность, возможность значительных остаточных деформаций, ненадежность соединений с металлом, изменение в сторону ухудшения механических свойств по мере старения, область применения двойной изоляции ограничивается электрооборудованием небольшой мощности — электрифицированным ручным инструментом, некоторыми переносными устройствами, бытовыми приборами и ручными электрическими лампами.

Защитным заземлением называется преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.

Корпуса электрических машин, трансформаторов, светильников, аппаратов и другие металлические нетоковедущие части могут оказаться под напряжением при замыкании их токоведущих частей на корпус. Если корпус при этом не имеет контакта с землей, прикосновение к нему также опасно, как и прикосновение к фазе.

Защитное заземление может быть эффективно только в том случае, если ток замыкания на землю не увеличивается с уменьшением сопротивления заземления. Это возможно в сетях с изолированной нейтралью, где при глухом замыкании на землю или на заземленный корпус ток не зависит от проводимости заземления, а также в сетях напряжением выше 1000 В с заземленной нейтралью. В последнем случае замыкание на землю является коротким замыканием, причем срабатывает максимальная токовая защита.

В сети с заземленной нейтралью напряжением до 1000 В заземление неэффективно. Поэтому защитное заземление применяется в сетях напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью и в сетях напряжением выше 1000 В как с изолированной, так и с заземленной нейтралью.

По расположению заземлителей относительно заземленных корпусов заземления делят на выносные и контурные.

При выносном заземлении заземлители располагаются на некотором удалении от заземляемого оборудования. Поэтому заземленные корпуса находятся вне поля растекания — на земле, и человек, касаясь корпуса, оказывается под полным напряжением относительно земли. Выносное заземление защищает только за счет малого сопротивления заземления.

При контурном заземлении заземлители располагаются по контуру вокруг заземленного оборудования на небольшом (несколько метров) расстоянии друг от друга. Поля растекания заземлителей накладываются, и любая точка поверхности грунта внутри контура имеет значительный потенциал. Вследствие этого разность потенциалов между точками, находящимися внутри контура, снижена. Ток через человека, касающегося корпуса, меньше, чем при выносном заземлении. Иногда при выполнении контурного заземления внутри контура прокладывают горизонтальные полосы, которые дополнительно выравнивают потенциалы внутри контура.

В качестве искусственных заземлителей применяют стальные стержни из угловой стали 60×60 мм (или близкой по размеру), а также из стальных труб диаметром 35−50 мм и стальных шин сечением не менее 100 мм². Стержни длиной 2,5−3 м погружают (забивают) в грунт вертикально в специально подготовленной вокруг защищаемой территории траншее. Вертикальные заземлители соединяют стальной шиной, которую приваривают к каждому заземлителю.

Занулением называется преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Нулевой защитный проводник — это проводник, соединяющий зануляемые части с глухозаземленной нейтральной точкой обмотки источника тока или ее эквивалентом.

Зануление применяется в четырехпроводных сетях напряжением до 1000 В с заземленной нейтралью.

Зануление превращает замыкание на корпус в однофазное короткое замыкание, в результате чего срабатывает максимальная токовая защита и селективно отключает поврежденный участок сети. Кроме того, зануление снижает потенциалы корпусов, появляющиеся в момент замыкания на землю.

Основное назначение зануления — обеспечить срабатывание максимальной токовой зашиты при замыкании на корпус. Для этого ток короткого замыкания должен значительно превышать уставку защиты или номинальный ток плавких вставок.

Согласно ПУЭ ток однофазного короткого замыкания должен превышать не менее чем в 3 раза номинальный ток плавкой вставки ближайшего предохранителя или ток срабатывания расцепителя автоматического выключателя с обратно зависимой от тока характеристикой.

Нулевой провод должен иметь надежные соединения, и должна обеспечиваться непрерывность цепи от каждого корпуса до нейтрали источника. Нулевой провод соединяется со всеми заземленными металлическими конструкциями, создающими параллельные цепи короткого замыкания: металлическими конструкциями зданий, подкрановыми путями, стальными трубами электропроводок, свинцовыми и алюминиевыми оболочками кабелей, металлическими трубопроводами, проложенными открыто, исключая трубопроводы для горючих и взрывоопасных смесей. Эти проводники могут служить в качестве единственного нулевого провода, если по проводимости они удовлетворяют приведенным выше требованиям.

Зануление однофазных потребителей должно осуществляться специальным проводником, который не может одновременно служить проводом для рабочего тока.

Защитное отключение — система защиты, обеспечивающая автоматическое отключение электроустановки при возникновении в ней опасности поражения электрическим током. Опасность поражения возникает при следующих повреждениях электроустановки — замыкании на землю (глухом или неполном), снижении сопротивления изоляции, неисправностях заземления или зануления и устройства защитного отключения. Чтобы обеспечить безопасность, защитное отключение должно осуществлять некоторую совокупность из следующих защит: защиту от глухих и от неполных замыканий на землю (корпус), защиту от утечек, автоматический контроль цепи заземления или зануления, самоконтроль, т. е. автоматический контроль исправности защитного отключения.

Повреждение электроустановки приводит к изменениям некоторых величин, которые могут быть использованы как входные автоматического устройства, осуществляющего защитное отключение. Так, при замыкании на корпус последний оказывается под напряжением относительно земли. Если корпус заземлен или замыкание произошло непосредственно на землю, возникает ток замыкания на землю. Вследствие нарушения симметрии сопротивлений фаз относительно земли при замыкании на землю изменяются напряжения фаз относительно земли и возникает напряжение между нейтралью источника и землей (напряжение нулевой последовательности).

Замыкание на землю, даже неполное, приводит к снижению общего сопротивления сети относительно земли. Это сопротивление уменьшается также при снижении сопротивления изоляции без замыкания на землю, даже если сопротивления фаз относительно земли остаются симметричными.

Напряжение корпуса относительно земли, ток замыкания на землю, напряжение нулевой последовательности, напряжения фаз относительно земли могут быть восприняты чувствительным элементом (датчиком) автоматического устройства как входная величина. При определенном значении входной величины защитное отключение срабатывает и отключает электроустановку, это значение входной величины называется уставкой. В зависимости от того, что является входной величиной, на изменение которой реагирует защитное отключение, выделяют следующие схемы: на напряжении корпуса относительно земли, на токе замыкания на землю, на напряжении нулевой последовательности, на напряжении фазы относительно земли, на токе нулевой последовательности, вентильные, на постоянном и переменном оперативном токе, комбинированные[41,42].