Комментатор рассказал, что такое система заземления IТ и задал каверзный вопрос

345 full reads
1,2k story viewsUnique page visitors
345 read the story to the endThat's 27% of the total page views
8 minutes — average reading time

В комментариях на канале попадаются довольно интересный тип людей - "профессора", как я их называю. Они очень любят проверять мой уровень знаний, и задавать различные задачки при этом.

Я нигде не утверждаю, что я супер-пупер специалист, и всё знаю по всем темам. Наоборот, в конце каждой статьи у меня висит предупреждение - я не идеал, и каждый сам ответственен за свои действия и безопасность.

Всегда рад почерпнуть знания, лишь бы это было без агрессии и негатива в мой адрес.

Почему умные люди как правило - очень токсичные и высокомерные?
Почему умные люди как правило - очень токсичные и высокомерные?
Почему умные люди как правило - очень токсичные и высокомерные?

Ладно, со вступлением завязали, теперь расскажу, какой интересный пример схемы и расчета касательно системы IТ с изолированной нейтралью привел в комментариях к статьи про системы заземления читатель под ником "Тов. Константин".

Если отбросить оскорбления в мой адрес (за малым этого товарища не забанил), получилось довольно интересно.

По тексту буду вставлять мои реплики От автора.

Постановка задачи. Однофазный генератор

Посмотрим на простенькую схему подключения электроприёмника (ЭП) с эквивалентным сопротивлением 100 Ом к однофазному генератору (Г) небольшой мощности с внутренним эквивалентным сопротивлением 1,8 Ом. ЭП подключен к генератору через розетку шнуром с медными жилами 2х1,5 длиной 5м. Для простоты будем оперировать только эквивалентными сопротивлениями без учёта ёмкостей и индуктивностей.

Что представляет собой Г? Это источник ЭДС, создающий переменную разницу потенциалов 230 В с частотой 50 Гц, с внутренним сопротивлением Rвн. Зажимы Г выведены на двухполюсную розетку, корпус Г проводящий, но изолирован от токоведущих частей Г и, следовательно, сам Г изолирован от земли.

Генератор
Генератор
Генератор

Корпус ЭП также проводящий и все его токоведущие части также изолированы от корпуса и земли. ЭП держит в руке человек (Ч), стоящий на земле, и сопротивление его тела мы принимаем равным 1000 Ом.

Сопротивление каждой жилы проводника принимаем по ГОСТ.

Поскольку электрическая цепь замкнута, то через ЭП протекает ток, равный, согласно условленным значениям сопротивлений цепи:

I= E/(R1+R_н+R2+R_вн )= 230/(0,07+100+0,07+1,8)=2,26 А

Так как и ЭП и Г прекрасно работают, то возникает законный вопрос, зачем в эту схему добавлять какие-либо аппараты защиты (АВ или УДТ), а также какие-то там заземлители?

От Автора: Такая система с изолированной нейтралью используется довольно часто в переносных источниках питания (генераторах) либо в гальванически развязанном питании цепей управления или других маломощных потребителей. На эту тему у меня несколько статей, ссылки будут в описании.

Замыкание на выходе генератора

Очевидной неприятностью в этой благостной идиллии тарахтения Г может стать короткое замыкание (КЗ), например, в конце шнура питания по причине его перекручивания, передавливания или пробития изоляции жил проводящим предметом, с чем кто-то точно сталкивался. В этом случае по замкнутой цепи начнёт протекать ток КЗ, величина которого будет определяться сопротивлениями замкнутого контура цепи КЗ, при этом уточним, что для простоты понимания будем считать, что сопротивление в непосредственном месте КЗ равно нулю, хотя это на самом деле не так, правильнее говорить, что при КЗ сопротивление в его точке стремится к нулю. Таким образом сопротивление ЭП окажется зашунтировано нулевым сопротивлением в точке КЗ и ЭП перестанет работать.

КЗ
КЗ
КЗ

Но самой главной неприятностью окажется величина силы тока КЗ, которая составит:

I= E/(R1+R2+R_вн )= 230/(0,07+0,07+1,8)=118,56 А

Исходя из того, что протекание электрического тока такой величины будет приводить к выделению большого количества тепла и, соответственно, нагреву изоляции токоведущих частей до такого состояния, что она начнёт разрушаться и в, конечном счёте, воспламенится, приходим к выводу, что защита, в виде установленного на выходе Г автоматического выключателя (АВ), всё-таки нужна. Ориентируясь на величину тока КЗ, выбираем номинал и характеристику АВ – С10А. Следует обратить внимание на одно важное обстоятельство, если длину шнура 2х1,5 увеличить до 15м, то сила тока КЗ в принятых нами условиях уменьшится, вплотную приблизившись к порогу гарантированного срабатывания электромагнитного расцепителя АВ – 100А. Это означает, что при выборе АВ необходимо учитывать сопротивления всех участков цепи и при увеличении длины шнура питания в нашем примере следует увеличить его сечение.

От Автора: при низком токе КЗ нужно будет либо увеличивать сечение ТПЖ кабеля, либо уменьшать его длину. Либо выбирать более чувствительную защиту, понижая номинальный ток и букву автоматического выключателя. С этим всё понятно.

КЗ на корпус в системе IT. Что произойдёт и произойдёт ли вообще?

Ещё одной очевидной неприятностью, может стать КЗ на корпус ЭП. И тут возникает вопрос, что при этом будет происходить и будет ли происходить вообще?

КЗ на корпус в системе IT
КЗ на корпус в системе IT
КЗ на корпус в системе IT

Да ничего особенно страшного не произойдет. АВ не сработает, ЭП продолжит свою работу в штатном режиме, а человек даже и не ощутит никаких изменений. Почему?

Потому, что электрический ток протекает по проводящему замкнутому контуру между точками с различными потенциалами. Разницу потенциалов между точками в пространстве создаёт сила, которую называют электродвижущей (ЭДС). В нашем случае, источником ЭДС выступает Г и точками пространства, между которыми создается разница потенциалов, являются зажимы его обмотки, которые, напомню, изолированы от земли.

Ток протекает от одного полюса Г к другому по замкнутому контуру нагрузки (синий штрих-пунктир), и замкнутому контуру замыкания первой жилы на корпус ЭП, через тело Ч на землю и возвращается ко второму полюсу источника ЭДС через, изображенное красным штрих-пунктиром, сопротивление. Это сопротивление - эквивалентное суммарному сопротивлению исправной изоляции. Условно принятая величина сопротивления изоляции 500 кОм выбрана исходя из норм годности изоляции шнура питания ЭП, согласно которым, сопротивление изоляции при испытании повышенным напряжением не должно быть менее 0,5 МОм. Таким образом через АВ протекает суммарный ток нагрузки и ток через тело человека.

Эквивалентная схема при КЗ на незаземленный корпус
Эквивалентная схема при КЗ на незаземленный корпус
Эквивалентная схема при КЗ на незаземленный корпус

Но, если посмотреть на приведённую в более удобоваримый вид схему (в центре рисунка), с целью лучшего понимания, где последовательное, а где параллельное, соединения сопротивлений и рассчитать токи, то станет очевидным тот факт, что ток через тело человека не превышает 450 мкА (микроампер), а напряжение прикосновения составляет менее полувольта.

Т.е., суммарный ток, протекающий через АВ:

I= E/(R1+((R_н+R2)(R_ч+R_и))/(R_н+R2+R_ч+R_и )+R_вн )= 2,2566715 А

Следовательно, на участке параллельно последовательного соединения сопротивлений падает напряжение:

U=((R_н+R2)(R_ч+R_и))/(R_н+R2+R_ч+R_и ) I= 225,7800196 В

Под действием которого в каждой из ветвей последовательно соединенных сопротивлений протекают токи:

I_н= U/(R_н+R2)= 2,2562208 А

I_ч= U/(R_ч+R_и )= 450 мкА

И значит напряжение прикосновения:

Uпр=I_ч R_ч= 0,45 В

Стоит напомнить, что порог силы тока, который человек может хоть как-то ощутить, по разным исследованиям, начинается от 500 мкА, а с учётом условности в выборе величины эквивалентного сопротивления, ток через тело человека, в действительности, будет ещё меньше. В ситуации на реальном железе, в нашем примере, это единицы микроампер, в худшем случае – десятки, а в лучшем – доли. Естественно, если изоляция исправна за исключением места замыкания на корпус ЭП.

И теперь стоит ещё раз задать тот же вопрос: «Зачем нам какие-то заземлители и УДТ?»

Низкое напряжение прикосновения

Такая благодать (низкое напряжение прикосновения) будет продолжаться ровным счётом до того момента, пока не случится замыкание второй жилы на землю или второго полюса Г на корпус, стоящий на земле и, следовательно, также на землю. В этом случае, из-за исключения из цепи сопротивления изоляции, изменится суммарное сопротивление всей цепи и, стало быть, соотношение токов и падений напряжения в её ветвях.

Такая ситуация, как два и более повреждения на корпус или землю, в нашем примере может возникнуть с большой долей вероятности постольку, поскольку, как было понятно из предыдущих рассуждений в нашей системе нет приборов, которые могли бы «заметить» такие повреждения (АВ на данном этапе единственный прибор защиты и явно не справляется с такой задачей, кроме задачи защиты непосредственного КЗ между токоведущими частями разных полюсов Г, неважно посредством чего, корпуса или земли).

Суммарный ток:

I= E/(R1+((R_н+R2)R_ч)/(R_н+R2+R_ч )+R_вн )= 2,477 А

Падение напряжения на на участке параллельно последовательного соединения сопротивлений:

U=((R_н+R2)R_ч)/(R_н+R2+R_ч ) I= 229,96 В

И токи в каждой ветви:

I_н= U/(R_н+R2)= 2,298 А

I_ч= U/R_ч = 229,9 мА

А напряжение прикосновения практически станет равным разности потенциалов ЭДС генератора:

U_пр=I_ч R_ч= 229,9 В

И снова АВ не отключит поврежденные участки, т.к ток 2,5 А для него вполне нормален, ЭП продолжит свою работу в штатном режиме, а с человеком, если он не смог оторвать руку, скорее всего придётся распрощаться.😄

В связи с чем, становится понятным то, что необходим ещё какой-то способ защиты. Вопрос в том, какой именно.

Нужно ли заземление в системе IT?

Насколько понятно из множества Ваших статей, господин СамЭлектрик, и множеств комментариев по всему, а не только Вашему пространству Интернета, одним из предложений будет заземление корпуса ЭП, чтобы ток «стекал на землю».😂

Ну, что ж…. попробуем...😉

Заземляем
Заземляем
Заземляем

Действительно, мысль, шунтировать тело человека малым сопротивлением заземляющего устройства (ЗУ), выглядит вполне логично. Поскольку тело человека обладает сопротивлением 1000 Ом, то совершенно понятно, что больший ток пройдет через участок с меньшим сопротивлением. И, таким образом, мы наконец-то пришли к тому, что наша электроустановка обладает системой заземления типа IT! (когда полюсы Г изолированы от земли, а корпуса ЭП присоединены к ней через малое сопротивление! УРА!?)

Высокое напряжение прикосновения
Высокое напряжение прикосновения
Высокое напряжение прикосновения

Но, существует один не очень широко известный факт, что сделать это сопротивление очень малым может оказаться непростой задачей, а в некоторых случаях и попросту невыполнимой. Различные грунты, и даже одни и те же в течение смены времен года, имеют разную удельную проводимость, а значит и различные величины сопротивлений ЗУ в них. И нет никакой возможности гарантировать постоянство величины этого сопротивления в течение всего срока эксплуатации и, тем более, с учётом смены времен года. Поэтому, для простоты расчетов и, учитывая хорошую вероятность получения в целом ряде случаев, величины сопротивления ЗУ, равную 10 Ом, принимаем её в качестве расчетной. Хотя, на практике, полученный результат может оказаться значительно хуже – 30, 50 и даже 150 Ом.

Понятно, что снова меняются величины токов и напряжений на различных участках цепи.

Суммарный ток через АВ:

I= E/(R1+(R_з R_ч (R_н+R2))/((R_з R_ч)+(R2+R_н )(R_ч+R_з))+R_вн )= 21,14 А

Напряжение прикосновения:

U_пр=I (R_з R_ч (R_н+R2))/((R_з R_ч)+(R2+R_н )(R_ч+R_з))= 190,46 В

Совершенно ясно, что через тело Ч будет протекать ток порядка 190 мА. И это смертельно опасно. Да, ток через АВ в 2 с лишним раза превышает номинал, но отключение неисправной цепи произойдет далеко не мгновенно. Да, напряжение прикосновения несколько уменьшилось, но безопасности это не слишком прибавило. Может тут какой-то подвох? Слишком сложная и разветвленная сопротивлениями схема, дающая ошибку? Что ж, упростим.

Вопрос на засыпку

Исключив из замкнутого контура электрической цепи тело Ч и нагрузку, оставив при этом её включённой в цепь генератора посредством шнура питания, но разорвав эту цепь внутри самого ЭП, например, кнопкой. Достаточно легко рассчитать ток в цепи в этом случае:

I= E/(R1+R_з+R_вн )= 19,38 А

И напряжение прикосновения:

U_пр=IR_з= 193,8 В

Самый плохой случай в системе IT
Самый плохой случай в системе IT
Самый плохой случай в системе IT

АВ по прежнему не справится с задачей защиты Ч от поражения током вовремя, а разница по напряжению прикосновения с предыдущим случаем невелика и стремится к ЭДС генератора. Заколдованный круг? Заземление не спасло? Ну, почему же? Что там говорит ПУЭ, а, господин СамЭлектрик, особенно практикующий? Да и все любители ссылаться на ПУЭ, когда собственного мнения нет, подтягивайтесь, не стесняйтесь!😁

От Автора: у меня на этот вопрос с подвохом, который описывает самый неблагоприятный случай, ответа нет.

Читатели, что скажете вы?

Ответ на вопрос - что делать с безопасностью с системе IT?

Теперь рассмотрим, что же делать?

Согласно ПУЭ 1.7.104 сопротивление ЗУ в системе IT необходимо выполнять таким, чтобы обеспечить условие:

R_з≤U_пр/I

где I – полный ток КЗ на землю, а напряжение прикосновения 50 В. Иными словами:

U_пр≥R_з I

т.е., падение напряжения на ЗУ должно быть не более 50 В, что в нашем примере возможно только при Rз = 0,5 Ом и менее:

I= E/(R1+R_з+R_вн )= 230/(0,07+0,5+1,8)=97,05 А

U_пр=R_з I=0,5*97,05=48,5 В

Максимальное напряжение прикосновения = 50 В
Максимальное напряжение прикосновения = 50 В
Максимальное напряжение прикосновения = 50 В

Чтобы не возникало ощущения, что это какая-то подстановка цифр, памятуя о том, что мы исключили нагрузку и Ч, и, следовательно, замкнутый контур по которому течет ток КЗ I не имеет ветвлений, получаем:

E=R1I+R_з I+R_вн I

или

E=R_з I+(R1+R_вн)I

Поскольку

R_з I=50 В

E=230 В

То

(R1+R_вн )I=180 В

И значит

50/R_з =180/(R1+R_вн )

R_з=(50(R1+R_вн))/180=0,519 Ом

Вряд ли такая цифра достижима простым вбиванием арматур и закапыванием равнополочных уголков в огороде, если достижима вообще на конкретном грунте.

Почему же составители ПУЭ выбрали именно 50 В, в качестве максимальной величины? Видимо, исходя из компромисса. С одной стороны, заставить выполнить ЗУ с заведомо недостижимой цифрой не логично, с другой, порог силы тока, вызывающий паралич дыхания, как раз таки 50 мА, что с учетом сопротивления тела человека 1000 Ом и даёт требуемые 50 В напряжения прикосновения.

Стоит отметить ещё один момент, как видно из формул, Rз зависит от суммы сопротивлений прочих участков цепи и, в нашем случае, с одной стороны, при более мощном Г сопротивление ЗУ (для выполнения требования ПУЭ 1.7.104) придется сделать ещё более низким, с другой, при более протяжённой линии питания, его величина, может быть несколько повышена.

Впрочем, и так вполне очевидно, что в системе IT одним лишь заземлением электробезопасность человека не обеспечить, а потому мы приходим к обязательной необходимости использования ещё одного аппарата защиты – УДТ. Однако, где-то в комментариях к Вашей статье натолкнулся на считающего, что достаточно будет при этом использовать ЗУ с сопротивлением около 1600 Ом, и так, мол, УДТ сработает.... Попробуем посчитать?

Что делать? Необходимо ставить УДТ (ВДТ, АВДТ)!

До сих пор речь шла о замыканиях на корпус и землю с тем условием, что в точке КЗ сопротивление очень близко к нулю и мы считали его равным нулю. Но, в действительности, если изоляция повреждается не единомоментным перерезанием или перебитием, то сопротивление её уменьшается постепенно с течением времени. Поэтому в случае, если следовать совету о достаточности сопротивления ЗУ равном 1600 Ом, то может сложиться ситуация, когда сопротивление изоляции второго полюса Г уменьшится до, например, 6,5 кОМ. Условимся для простоты, что наше УДТ срабатывает при разностном токе равном строго 30 мА. И теперь, рассчитаем ток через УДТ и напряжение прикосновения:

I= E/(R1+R_з+R_и 〖+R〗_вн )= 28,4 мА

U_пр=IR_з= 45,4 В

Случай, когда УЗО и АВ не сработают. УЗО должно размыкать оба полюса!
Случай, когда УЗО и АВ не сработают. УЗО должно размыкать оба полюса!
Случай, когда УЗО и АВ не сработают. УЗО должно размыкать оба полюса!

Такой ток, протекающий в поврежденной цепи, и УДТ, и, тем более, АВ «посчитают» нормальным и отключения цепи не произойдёт. Кроме того, и напряжение прикосновения невелико. Но, если в этот момент к корпусу ЭП прикоснётся человек, то в момент прикосновения через тело человека?

Если в этот момент к корпусу ЭП прикоснётся человек, то в момент прикосновения через тело человека потечет ток:

I_ч= E/(R1+(R_з R_ч)/((R_ч+R_з ) )+R_и+R_вн )(R_з/((R_ч+R_з ) ))= 19,9 мА

а напряжение прикосновения окажется равным почти 20 В.

Изменится и ток через УДТ:

I= E/(R1+(R_з R_ч)/((R_ч+R_з ) )+R_и+R_вн )= 32,3 мА

что приведет к срабатыванию УДТ.

Касание человека. УЗО должно размыкать оба полюса!
Касание человека. УЗО должно размыкать оба полюса!
Касание человека. УЗО должно размыкать оба полюса!

А если нет? Впрочем, важен сам факт того, что срабатывание УДТ может произойти только после того, как через Ч начал протекать опасный для него ток (порогом, при котором начинается паралич мышц рук считают ток от 20 мА). Кроме того, следует учесть, что если в этот момент произойдет резкий переход вялотекущего замыкания с сопротивлением 6,5 кОм в острую фазу, при котором это сопротивление упадёт до нуля, то напряжение прикосновения возрастёт до значений близких к ЭДС генератора, со всеми вытекающими.

Что нужно, чтобы система IT была самой безопасной?

Также, встречалось в Интернете мнение, что за сопротивлением заземления в системе IT, при использовании УДТ, можно вообще не следить. «Логика» утверждавших это такова:

R_з=220/0,03= 7333 Ом

так что, мол, даже если сопротивление заземления ухудшится до 7 кОм, то УДТ всё равно сработает. Предлагается самостоятельно проверить цифры на картинке в этом комментарии.

Не знаю как Вам, господин СамЭлектрик, но мне логика подсказывает, что в системе IT применение УДТ должно быть обязательным, сопротивление заземления корпусов ЭП должно быть как можно меньше и должно контролироваться с завидной периодичностью.

Когда УДТ сработает
Когда УДТ сработает
Когда УДТ сработает

А для всех, кто полагает, что система IT самая электробезопасная (есть такие) предлагаю подвести итоги, сведя воедино все нюансы этой системы в рамках рассмотренного примера…

  • В системе IT использование УДТ обязательно (безальтернативный вариант)
  • АВ можно рассматривать в качестве аппарата защиты человека от поражения электрическим током с большими оговорками (при наличии двух аппаратов защиты эффективен только один)
  • В системе IT наличие даже очень хорошего ЗУ не является гарантией низких значений напряжения прикосновения (проблема контроля состояния заземления корпусов ЭП)
  • Оба аппарата защиты (АВ и УДТ) не в состоянии «увидеть» только одно повреждение на корпус или землю (необходимо наличие второго)
  • Если аппарат защиты сработал, то мы гарантированно имеем два повреждения (проблема поиска)

Может быть, приведёте массу плюсов?

И тут снова возникает закономерный вопрос, а можно ли сделать как-то иначе?

Можно, если воспользоваться советом: «Не можешь предотвратить безобразие, организуй его!» Поскольку в нашем примере приходилось дожидаться появления второго повреждения на токоведущих частях, относящихся к другому полюсу Г по отношению к первому повреждению, почему-бы не создать его искусственно заранее? Соединим нижний по схеме вывод Г с землей намеренно через сопротивление с низким значением и плавно перейдём к обсуждению системы TT, где один зажим источника ЭДС вместе с его корпусом будут глухозаземлены, и также будут заземлены корпуса ЭП.

От Автора: Но это уже совсем другая история. Я предлагаю дополнительно использовать гальванически развязанное низкое напряжение (110 В или 24 В), как это делается в промышленном оборудовании.

Статьи на Дзене по этой теме:

Моё мнение по системам заземления

Где фаза и ноль на выходе генератора?

Система заземления IT. Как жить без нуля?

Как и зачем измерить ток КЗ у себя в квартире?

Какое напряжение в управляющих цепях?

Как правильно получить 220 В при помощи трансформатора?

-------------------------------------------------------------------

Статья заинтересовала? Лайк, подписка, комментарий!

СамЭлектрик.ру
СамЭлектрик.ру
СамЭлектрик.ру

Ещё больше статей на канале СамЭлектрик.ру

и на блоге СамЭлектрик.ру.

Спасибо, что читаете меня! Мне тоже интересно то, о чем я пишу!

Пожалуйста, будьте вежливы и уважайте мнение автора и читателей!

Внимание! Автор не гарантирует, что всё написанное на этой странице - истина. За ваши действия и за вашу безопасность ответственны только вы!

#электрика #электромонтаж #подключение #заземление #безопасность