Электробезопасность производственных систем

Современное производство является исключительно высоко электровооруженным. Практически во всех видах оборудования и технических системах применяются электротехнические машины и устройства. Собственно электроустановки, источники электричества, преобразователи и проводящие системы (электросети, освещение) имеются во всех производственных, а также бытовых и иных системах.

Поэтому обеспечение безопасных условий труда при использовании электрического тока, статического электричества, а значит, электротехнического оборудования и инструмента имеет исключительно большое значение.

Под электробезопасностью следует понимать комплекс организационных, технических, медицинских и правовых (нормативных) мероприятий:

- вытекающих из современного представления об электрическом токе, статическом электричестве и электрической дуге;

- основанных на анализе механизма воздействия электрического тока на человека, электротравматизма и аварий электрооборудования;

- направленных на повышение надежности конкретных единиц электрооборудования, электроинструмента и электрических сетей;

- исключающих возможности несчастного случая в результате поражения электротоком или статическим электричеством.

Эксплуатация действующих электроустановок на предприятиях производится согласно Правилам эксплуатации электроустановок потребителей (ПЭЭП), Межотраслевыми Правилам охраны труда (ПОТ М) при эксплуатации электроустановок, соответствующих ГОСТов ССБТ (ГОСТ 12.3.003-86*, ГОСТ 12.3.019-80, 12.3.032-84), инструкциям по технике безопасности, должностным и производственным инструкциям для персонала, обслуживающего электротехническое оборудование и установки.

Основными мерами обеспечения электробезопасности являются: недоступность токоведующих частей; ограждения доступных токоведующих частей; электрическое разделение сети с помощью разделительных трансформаторов; применение усиленной и двойной (рабочей и дополнительной) изоляции в сетях и потребителях тока; защитное заземление; зануление; устройство защитного отключения; выравнивание потенциалов; устройство блокировок; применение малого напряжения 42... 12В; применение специальных электрозащитных средств, включая средства индивидуальной защиты, инструментов с изолированными рукоятками и др.; регулярное проведение проверок и испытаний, технических осмотров и ремонтов персонала; установка знаков безопасности, предупредительных плакатов и надписей.

Все электроустановки, вводимые в действие вновь или после реконструкции, должны выполняться в соответствии с действующими Правилами устройства электроустановок (ПУЭ). При этом необходимо учитывать, что производственные помещения согласно ПУЭ делятся на три группы опасности поражения электротоком:

1. Помещения с повышенной опасностью, имеющие следующие признаки:

- сырость (помещения с относительной влажностью, длительно превышающей 75%, или содержащие технологическую токопроводящую пыль, которая оседает на проводах, проникает внутрь машин);

- токопроводящие полы (металлические, земляные, железобетонные, кирпичные и т.п.);

- температура воздуха, длительно превышающая 30 градусов Цельсия;

- возможность одновременного прикосновения человека к заземленным металлоконструкциям зданий, технологическим аппаратам, механизмам и к металлическим корпусам электрооборудования.

2.0собо опасные помещения имеют следующие признаки:

- особая сырость (относительная влажность воздуха близка к 100%);

- химически активная среда;

- наличие одновременно двух или более признаков повышенной опасности.

3.Помещения без повышенной опасности, которые характеризуются отсутствием признаков повышенной и особой опасности.

Главнейшим средством электробезопасности является изоляция. Основной характеристикой изоляции является ее сопротивление. Наиболее эффективной служит двойная изоляция, представляющая собой совокупность рабочей (основной) и защитной (дополнительной) изоляции. При этом доступные прикосновению части не приобретают опасного напряжения при повреждении только рабочей или только защитной изоляции. Рабочей называется основная изоляция токоведущих частей машины, устройства, прибора, необходимая для нормального их функционирования и защиты человека. Это изоляционные покрытия обмоточных проводов кабелей, изолирующие детали устройств, разъемных и неразъемных соединений и т д. Роль дополнительной изоляции выполняют корпуса машин и аппаратов из пластмасс и других диэлектрических материалов. Применяется также усиленная изоляция в виде рабочей изоляции такого уровня, который обеспечивает степень защиты, как и двойная изоляция.

Защитное заземление представляет собой преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом токопроводящих нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Назначение защитного заземления –предупреждение поражения электрическим током в случае прикосновения к токопроводящим нетоковедущим частям установок и машин при замыкании на них токоведущих частей или другой аварийной ситуации. Электробезопасность обеспечивается использованием природного явления отекания электротока в землю, что достигается приложением системы заземляющего устройства, состоящего из заземлителей и заземляющих проводников. Заземлители могут быть естественными и искусственными. В качестве естественных заземлителей принимаются любые, имеющие металлическую (токопроводящую) достаточную поверхность постоянного соединения с землей, при этом использование данного элемента не должно вызывать нарушения его обычных функций и работы. К ним относятся различные металлические трубопроводы (но не содержащие взрыво- и пожароопасных газов и жидкостей), строительные конструкции зданий и сооружений, в первую очередь железобетонные фундаменты, емкости, в некоторых случаях даже металлические оболочки кабелей и т.д.

Искусственные заземлители подготавливаются специально и закладываются в землю исключительно с целью обеспечения заземления. Это могут быть стальные трубы, пластины, уголки, стержни и т.д. Заземлитель устанавливается так, чтобы 100-200мм его выступало над поверхностью земли, эта часть соединяется заземляющим проводником с оборудованием.

Защитное заземление применяют в сетях напряжением до 1000В с изолированной нейтралью и в сетях напряжением свыше 1000В как с изолированной, так и с заземленной нейтралью.

Напряжение, приложенное к телу человека в случае прикосновения к оборудованию, можно снизить, уменьшая сопротивление заземляющего устройства; сопротивление заземления в электроустановках до 1000В не должно превышать 4 Ом, в установках 220/127 В – не более 8 Ом; если мощность источника питания не превышает 100 кВА, сопротивление заземления может быть в пределах 10 Ом.

На рис. 33 показана схема защитного заземления в однофазной двухпроводной сети, схема однофазного замыкания на заземленный корпус двигателя в сети с изолированной нейтралью трансформатора на рис. 34.

Рис. 33. Схема защитного заземления в однофазной двухпроводной сети

Рис. 34. Схема однофазного замыкания на заземленный корпус в сети с изолированной нейтралью трансформатора

Заземлитель является основным элементом всего заземляющего устройства, качество которого определяется значением сопротивления заземления и изменением напряжения относительно земли. Сопротивление заземления заземлителя есть сопротивление между заземлителем у места соприкосновения с грунтом и собственно землей, под которой надо понимать поверхность грунта вблизи заземлителя, потенциал которой равен нулю. Полным напряжением относительно земли понимают напряжения, возникающие в цепи тока размыкания на землю между заземлителем и землей (зона нулевого потенциала).

При токе замыкания I₃ и сопротивлении заземления R₃ (см. рис. 2.36) напряжение на корпусе относительно земли равно:

Um = I₃R₃.

Так как сопротивление заземления небольшое, то величина напряжения будет намного меньше, чем при отсутствии заземления. Ток замыкания в случае исправности изоляции фаз А и В (см. рис. 40) будет небольшим, и напряжение прикосновения не превысит допустимых пределов:

Uпр = α I₃R₃,

где α £ 1– коэффициент напряжения прикосновения, показывающий, какая часть потенциала заземлителя приходится на тело человека.

В случае повреждения изоляции токоведущая часть электрически соединяется с незаземленным токопроводящим элементом оборудования. При прикосновении человека к такому элементу он оказывается под напряжением прикосновения, величина которого равна фазному или близка к нему. Сущность защиты с помощью устройства защитного заземления заключается в создании такого сопротивления, которое было бы достаточно малым для того, чтобы падение напряжения на заземлении (а оно и является поражающим) не достигало значения, опасного для человека. В поврежденной цепи необходимо обеспечить такое значение тока, которое было бы достаточным для надежного срабатывания защитных устройств, установленных на источнике питания. Применяются два основных типа заземления: выносные (рис. 35) и контурное (рис. 36).

Рис. 35. Схема выносного заземления

Рис. 36. Схема контурного заземления

Выносное заземление характеризуется размещением заземлителей за пределами площадки, на которой размещено заземляемое оборудование, что позволяет выбрать месторазмещение электродов, в том числе с наименьшим сопротивлением (влажные, глинистые почвы, низины и т.д.). Но отдаленность заземлителей от оборудования может привести к тому, что на всей площадке коэффициент прикосновения будет равен единице, т.е. возможно возникновение опасного напряжения прикосновения и напряжение шага. Выносное заземление применяют при малых значениях тока замыкания на земле, например в установках с напряжением до 1000 В.

При размещении заземлителей по контуру площадки внутри нее заземление называется контурным. В этом случае напряжения прикосновения и напряжения шага имеют в пределах площадки небольшие величины по сравнению с потенциалом заземления и не представляют реальной опасности. Для снижения напряжения шага за пределами контура заземления в землю закладываются горизонтальные электроды, как правило в виде стальных полос, соединенных с вертикальными электродами. Этим достигается более равномерное распределение потенциалов, что особенно важно при использовании электроустановок с большими токами замыкания на землю. Сопротивление заземляющего устройства включает эквивалентное сопротивление вертикальных и горизонтальных электродов относительно земли и сопротивления заземляющих проводников, а также сопротивление грунта.

Расчет защитного заземления проводится из условия допустимых напряжения прикосновения и напряжения шага в аварийных режимах электроустановок. Определяются основные параметры заземляющего устройства: размеры, число и схема размещения заземлителей, сечение и длина заземляющих проводников. Исходными данным для этих расчетов являются: тип электроустановки, рабочее напряжение, режим нейтрали, схема размещения электрооборудования, электропроводность грунта, климат (в первую очередь влажность, осадки и температуры), материал и его свойства, размеры естественных и искусственных заземлителей и выбранная глубина их закладки, расчетных ток замыкания на землю. В качестве расчетного тока принимается:

- в сетях без компенсации емкостных токов – полный ток замыкания на землю;

- в сетях с компенсацией емкостных токов:

*ток, равный 1, 25 номинального тока компенсирующих аппаратов, подсоединенных к заземляющим устройствам;

*остаточный ток замыкания на землю, проходящий в данной сети при отключении наиболее мощного из компенсирующих аппаратов, или наиболее разветвленного участка сети.

Кроме того, в качестве расчетного тока может быть принят ток плавного предохранителя или ток срабатывания релейной защиты от однофазных замыканий и междуфазных замыканий, если защита обеспечивает отключение замыканий на землю. При этом ток замыкания на землю должен быть равен 1, 5-кратной величине тока срабатывания релейной защиты или 3-кратной величине номинального тока плавного предохранителя.

Если применяется заземление для установки, имеющий естественные заземлители, то сопротивление искусственного заземлителя Rи равно:

,

где R_e – сопротивление естественных заземлителей; R_з – сопротивление заземляющего устройства.

Зануление представляет собой преднамеренное соединение токопроводящих токоведущих частей, которые могут оказаться под напряжением, с нулевым защитным проводом (рис. 37).

Таким образом, занулить – значит надежно постоянно электрически соединить подлежащие защите элементы оборудования с нулевым проводом, который принудительно многократно заземлен. Зануление превращает пробой в короткое замыкание между фазным и нулевым проводами, что приводит к возникновению тока большой силы через устройства защиты сети (выполняемые в виде плавных предохранителей или автоматических выключателей) и в конечном итоге отключению поврежденного оборудования от сети. Время отключения с момента появления напряжения на корпус составляет до 7с при использовании плавких предохранителей и до 2с при защите автоматическими выключателями. Необходимо отметить, что при неблагоприятном стечении обстоятельств за это время может произойти поражение электротоком человека, оказавшегося в электрической цепи.

Рис. 37. Схема зануления: I_k – ток короткого замыкания, ПП – плавкие предохранители, ЗП – зануляющий проводник

Область применения зануления в электроустановках промышленных предприятий – трехфазные сети напряжением до 1000В с глухозаземленной нейтралью, а также трехпроводные сети постояного тока с заземленным полюсом. Таким образом, назначение зануления заключается в автоматическом отключении неисправного электрооборудования при однофазном замыкании на корпус за счет возникновения большого тока в цепи " фаза - корпус - нулевой проводник - нейтраль источника питания" и срабатывания токовой защиты.

Проводимость нулевого провода должна быть не менее половины проводимости фазного провода; ток короткого замыкания, возникающей в сети, должен в три раза превышать номинальный ток расцепителя автоматического выключателя, имеющего характеристику, обратнозависимую от тока.

Расчет зануления заключается в определении его отключающей способности и условий безопасного прикосновения к электрооборудованию при замыкании на корпус и на землю. Значение тока в цепи однофазного короткого замыкания зависит от фазного напряжения и полных сопротивлений трансформатора и цепи " фаза-нуль".

Защитное отключение представляет собой автоматическое отключение всех фаз (полюсов) участка цепи, если на токопроводящих частях электрооборудования появляется напряжение, значение которого опасно для человека. Защитное отключение рекомендуется применять в качестве основной меры защиты, если необходимая степень безопасности не достигается системами защитного заземления и зануления или их выполнение не достигается но техническим причинам либо иным причинам.

Защитное отключение, конструктивно и технически более сложное, чем защитное заземление и зануление, требует достаточной культуры исполнения и эксплуатации, однако оно обладает целым рядом преимуществ, в том числе может срабатывать и не при полном замыкании, а уже в начале развития повреждения. Структура защитного отключения показана на рис. 38.

Рис. 38. Структурная схема защитного отключения

В качестве аппаратов (приборов) защитного отключения используют различные технические системы, в состав которых входят датчики входного сигнала (измерительный трансформатор, реле максимального напряжения, фильтры тока и напряжения нулевой последованости и др.); усилители; цепи контроля и проверки исправности схемы защитного отключения; сигнальные устройства (лампы, табло), измерительные приборы.

Устройства защитного отключения обеспечивают:

- защиту от полного и неполного замыканию на землю;

- непрерывный контроль цепей защитного заземления и зануления;

- непрерывный контроль изоляция защищаемого оборудования.

Входной сигнал с датчика 1 постоянно подается на усилитель 2. Когда его величина превысит заданное значение по току или напряжению, усилитель выдаст команду (сигнал) аппарату 3 защитного отключения, который прервет цепь 4, питающую электроустройство.

На рис. 39 показано устройство защитного отключения, контролирующее напряжение (потенциал) электрооборудования относительно земли, с использованием реле напряжения. Электроустановка 1 запитана от трехфазной сети, заземлена через цепь 2 с сопротивлением R₃ и одновременно соединена со вспомогательным заземлителем 3 через катушку 4 реле напряжения. Необходимая чувствительность и надежность защиты достигается тем, что сопротивление реле значительно выше сопротивления цепи заземления R_В3. Контроль исправности схемы защиты осуществляется с помощью кнопки 5, замыкающей одну из фаз на корпус. Заданным значением напряжения в данном случае является напряжение срабатывания реле напряжения. При срабатывании защиты отключающая катушка 7 прервет цепь питания установки.

Рис. 39. Схема защитного отключения с реле напряжения

На рис. 40 показана схема защитного отключения с токовым реле 6 А. В этом случае применена соответствующая катушка 4 А токового реле. Сопротивление цепи заземления (зануления) должно быть достаточно малым, поскольку корпуса электрооборудования могут иметь параллельные связи через опорные поверхности и естественные заземлители.

Сущность разделения электрических сетей заключается в том, что электрическая сеть разделяется через разделяющие трансформаторы на отдельные, электрически не связанные между собой участки. В этом случае номинальное напряжение первичной обмотки не должно превышать 1000В, а вторичной – 380В. Разделяющие трансформаторы имеют повышенную надежность межобмоточной изоляции, их вторичные обмотки не заземляются. Часто разделяющие трансформаторы выполняют одновременно роль понижающих. К одному разделяющему трансформатору подключается только одно электроустройство. Для разделения электрических сетей используются преобразователи частоты, выпрямительные агрегаты и другие агрегаты.

Рис. 40. Схема защитного отключения с токовым реле

Малым напряжением называется номинальное напряжение переменного тока промышленной частоты не более 42В между фазами и по отношению к земле. Оно применяется для электроинструментов, светильников и другого электрооборудования, используемого в помещениях с особой опасностью и в ряде других случаях (на улице, например). Наиболее используемое малое напряжение переменного тока составляет 42, 36, 12В, а для постоянного – не более 110В.

Выравнивание потенциалов обеспечивает снижение напряжения прикосновения и напряжения шага между точками электрической цепи, к которым возможно одномоментное прикосновение человека. Выравнивание потенциалов необходимо в цепях, не имеющих по каким-либо причинам единой системы защитного заземления или зануления всего оборудования, при проведении наладочных, монтажных и ремонтных работ на электротехническом оборудовании без снятия напряжения, монтаже заземляющих устройств и в других случаях.

Средствами индивидуальной защиты электробезопасности являются диэлектрические перчатки, боты, калоши, коврики, изолирующие подставки, кроме того к электрозащитным средствам относятся диэлектрические рукоятки отверток, кусачек, плоскогубцев, ножей и другого инструмента, изолирующие штанги и клещи и т.п.

Для автоматического предупреждения работающих служат сигнализаторы опасного напряжения, а также переносные приборы - указатели напряжения. Так же, как и в других случаях, в целях электробезопасности применяются оградительные устройства, плакаты и знаки безопасности.

Защита от статического электричества производственного происхождения основана на исключении, устранении и уменьшении интенсивности зарядов. Это достигается конструктивным выполнением, подбором материалов, изменением технологических режимов (например, уменьшением сил трения, уменьшением скоростей обработки, транспортировки), приводящих к снижению количества зарядов; обеспечивающих стекание заряда в землю; увеличивающих объемную проводимости диэлектрика для последующей нейтрализации заряда.

В частности, применяют:

- заземление с сопротивлением заземляющих устройств не более 100 Ом и соединением с общей системой заземления электроустановок не менее чем в двух местах;

- повышение влажности воздуха свыше 65%, добавку антистатических присадок и нанесение электропроводящего слоя, что приводит к уменьшению объемного и поверхностного сопротивлений материала;

- нейтрализацию электростатических зарядов с помощью ионизации воздуха между заряженными телами; с этой целью используют индукционные, высоковольтные и радиоизотопные ионизаторы.

Основными средствами индивидуальной защиты от статического электричества является специальная одежда (халаты, комбинезоны) и специальная обувь.

Атмосферное статическое электричество представляет повышенную опасность для зданий, сооружений, линий электропередач отдельно стоящего оборудования и машин. Величина тока в канале молнии достигает 200 КА при напряжении до 150 MB, температура в канале молнии до 10000 С. Молния является первичным проявлением атмосферного электричества. Вторичным проявлением является электростатическая индукция и электромагнитное влияние разрядного тока.

Молния оказывает три вида воздействия:

- прямой удар молнии;

- образование остаточных зарядов на металлических предметах вследствие электростатической индукции;

- занос высоких потенциалов в здание через металлоконструкции.

Эффективной защитой в данном случае являются молниеотводы, обеспечивающие стекание тока в землю без поражения защищаемого объекта.

Молниеотводы имеют различные устройства: одиночный стержневой, двойной стержневой, многократный стержневой, одиночный и двойной тросовые. Схема и расчет зоны защиты приведены на рис. 41.

Рис. 41. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода.

Радиус зоны защиты на высоте h_x

r_x = 1, 5(h-1, 25h_x) при 0£ h_x£ h× r/3;

r_x1 = 0, 75(h-h_x1) при 2h/3£ h_x1£ h

Защита от вторичного воздействия молнии обеспечивается заземлением металлического оборудования. Каждый агрегат должен иметь самостоятельный отвод к общему заземлителю. Для защиты от заноса высоких потенциалов в месте ввода трубопроводов, эстакад кабелей в помещения устанавливают заземления с сопротивлением не более 10 Ом.

Главными методами в защите от электрических и электромагнитных полей является экранирование, изоляция и специальная экранирующая одежда из металлизированных материалов. Применяют также заземленные тросы в рабочей зоне под токоведущими проводами, экранизирующие козырьки, экранизирующие люльки, изолирующие лестницы.

Важнейшим в электробезопасности является контроль состояния изоляции, технических систем защитного заземления, зануления, автоматического отключения и других.

Лица, эксплуатирующие электроустановки, должны пройти специальное обучение и сдать экзамен с присвоением соответствующей квалификационной группы по электробезопасности.