onetwoclick.ru
Внастоящее время вопросы защиты человека от поражения электрическим током в электроустановках жилых, общественных и промышленных зданий регламентируются многочисленными нормативными документами (ПУЭ, ГОСТы, СНИПы), зачастую исходящими из устаревших понятий с использованием терминологии, неадекватно отражающей физическую природу процессов в электрических установках. Наиболее ярко это выражается в использовании понятия «ток утечки». В любой электроустановке для электрического тока создается основной путь ее токоведущей системой (ТВС), элементы которой отделяются от других токоведущих и металлических нетоковедущих частей изолирующими промежутками, узлами либо деталями. По этому пути, то есть по токоведущей системе, замыкаются рабочие токи электроустановки, а иногда и токи перегрузки, если они имеют место. При аварийных условиях в схеме установки, как правило, возникают дополнительные аварийные звенья пути тока, которые изменяют основную рабочую ее схему так, что аварийный ток захватывает лишь некоторую случайную часть ТВС.
Таким образом, в любой электроустановке и рабочие токи, и токи перегрузки, и аварийные токи локализуются в ее токоведущей системе, которая функционально к этому приспособлена. Кроме этого, в любой электрической цепи имеют место дополнительные неявные пути тока, обусловленные физическими свойствами изоляционных материалов, используемых для изоляции отдельных звеньев ТВС друг от друга, от нетоковедущих конструктивных деталей оборудования из металлов разной степени электропроводности (кожухи, корпуса, детали механизмов и т.п.) и от земли. Электрическая изоляция токоведущих частей имеет весьма высокое, но конечное значение активного сопротивления Rи, обусловленное свободными носителями зарядов микропримесей, и отличную от нуля емкостную проводимость, обусловленную физическими процессами поляризации молекул изоляционного материала. Поэтому все части электрической цепи, находящиеся под напряжением, имеют дополнительные ветви связи между собой, на металлические нетоковедущие части и на землю, которые могут моделироваться параллельным соединением Rи и Си, соответственно активного сопротивления и емкости между ними. По всем этим ветвям в оборудовании с неповрежденной (исправной) изоляцией постоянно протекает небольшой электрический ток только активного характера в цепи постоянного тока, обусловленный величиной Rи, со значительной реактивной составляющей в цепи пульсирующего или тем более переменного тока, определяемой емкостью данного участка Си. С точки зрения функционального назначения электроустановки, все токи вне ТВС являются сопутствующими, их наличие нежелательно, хотя и неизбежно; поэтому их величина должна ограничиваться выбором изоляционных материалов высокого качества и целесообразными конструктивными формами и размерами деталей оборудования.
Важная особенность этих токов — рассеянный характер по всему объему изоляции; в исправном ее состоянии их нельзя контрагировать до отдельного проводящего канала, в который можно было бы включить прибор для измерения величины либо датчик для устройства прерывания. В токоведущей системе они проявляются как микросоставляющая общего рабочего тока. По существующей терминологии, используемой также в нормативных документах по защите человека от поражения электрическим током в трехфазных сетях тока промышленной частоты, такие сопутствующие токи принято называть токами утечки — как токи, протекающие с частей ТВС оборудования в сторонние проводящие незаземленные части, в защитные проводники и заземленные части оборудования и непосредственно в землю [1]. Токи утечки в находящемся под напряжением оборудовании выносят электрический потенциал на незаземленные металлические части и защитные проводники и тем самым косвенно создают проблему электробезопасности в конструкциях с возможным доступом контактирования человека с этими частями при использовании электрического оборудования любого типа — бытового или производственного назначения. Сами токи утечки не являются и не могут быть поражающим фактором, поскольку они всегда локализуются вне тела человека, находящегося в контакте с электрооборудованием. По международной терминологии (МЭК) в стандартах, устанавливающих требования к электрооборудованию по электробезопасности, используется термин ток прикосновения, как электрический ток, протекающий через тело человека или животного, когда они касаются одной или нескольких доступных частей электрооборудования, не имеющего повреждения изоляции токоведущих частей [1].
Ток прикосновения и является прямым поражающим фактором, обусловливающим характер неблагоприятных физиологических воздействий на человека вплоть до летального исхода в зависимости от его величины, которая прежде всего определяется значением электрического потенциала, приобретаемого соприкасаемой с человеком частью электрооборудования от токов утечки в них. В этом смысле следует говорить о токах утечки как косвенном факторе электробезопасности. ток прикосновения также параметр не измеряемый, а оценочный, поскольку использование человека в качестве проверочной электрической нагрузки для измерения этого тока недопустимо. Ориентировочно опасные величины токов для здоровья человека оцениваются по данным статистики электротравм в электроустановках. Предельное допустимое значение токов через тело человека в электрических установках низкого напряжения промышленной частоты в нормальном режиме работы электроустановок составляет ~ 0,3 мА с продолжительностью не более 10 мин; в аварийных условиях — несколько десятков миллиампер при продолжительности не более 1 с [2]. Понятия тока утечки и тока прикосновения — характеристики номинального режима исправного оборудования. Их величины должны задаваться безопасных значений техническими условиями и нормативными документами в соответствии с требованиями электробезопасности и обеспечиваться конструктивными решениями и качеством изоляционных материалов при разработке и производстве. Исправное электрооборудование по определению не может быть источником опасности при регламентированном способе эксплуатации. Особую сложность и важность рассматриваемая проблема имеет место при эксплуатации такого вида электрифицированного городского транспорта, как троллейбус, который представляет специфическую комплексную электроустановку нетрадиционно высокого уровня рабочего напряжения (до 800 В) для установок низкого напряжения потребителей (пассажиров). В схемах электроснабжения троллейбусов с питанием от источников с изолированными полюсами его массивный металлический корпус остается тоже изолированным от земли.
Это определяет сравнительно высокую электропроводность изоляции корпуса от ТВС на каждый полюс и непосредственно на землю (см. рисунок). Поэтому и токи утечки Iут1 и Iут2 имеют повышенную величину против типичных для бытового оборудования значений. Тем не менее, в силу полной симметрии схемы при работе троллейбуса с неповрежденной изоляцией электрический потенциал корпуса ?к остается нулевым, и ток прикосновения через тело человека Iчел практически отсутствует, что, кстати, показывает недопустимость смешивания понятий ток утечки и ток прикосновения. По ряду причин электрические характеристики изоляционных материалов и конструкций со временем снижаются, иногда лавинообразно вплоть до разрушения. Ослабление электрической изоляции троллейбуса имеет место также за счет увлажнения дождем или при мойке и, как правило, происходит локально с нарушением симметрии параметров. При этом важным оказывается не только ослабление изоляции самого троллейбуса, но и сети питания, вызывающей дисбаланс токов утечки Iут+ и Iут– и потенциалов j+ и j-. В результате и то, и другое приводит к появлению на корпусе троллейбуса электрического потенциала тем большей величины, чем сильнее ослаблена изоляция любого из звеньев схемы замещения, вплоть до jк?0,5 Uном при заземлении любого полюса. При посадке и высадке пассажиров и обслуживании троллейбуса, штанги которого установлены на контактные провода, стоящий на земле человек оказывается под воздействием этого потенциала. В результате ток прикосновения возрастает до тока замыкания на землю — по определению как тока, протекающего в землю, в сторонние проводящие части при повреждении изоляции токоведущей системы оборудования [1]. Детальные исследования схемы замещения изоляции без фиксации нулевого потенциала земли [3] показали, что токи замыкания на землю в рассматриваемом аспекте, для которых, кстати, неправомерно используется термин токов утечки, определяют высокую значимость проблемы электробезопасности при эксплуатации троллейбусов.
Как известно, в основе электрозащитного действия лежит принцип ограничения продолжительности протекания тока через тело человека за счет быстрого отключения, и эта задача должна решаться выключателем QF (см. рисунок) наряду с защитой тягового оборудования (ТО) от аварийных сверхтоков. В этом аспекте решающее значение приобретают такие характеристики коммутационного аппарата, как:
• высокое быстродействие: это свойство в равной мере необходимо и для ограничения продолжительности воздействий аварийных токов;
• отсутствие неотключаемых токов;
• двухполюсность.
Так, наиболее опасные условия при эксплуатации троллейбусов создаются при посадке пассажиров, когда тяговые двигатели работают в холостом режиме, либо останавливаются и токовая нагрузка ТВС определяется работающими устройствами собственных нужд. Все сопутствующие токи в этом состоянии тоже составляют лишь часть общего рабочего тока, который, таким образом, оказывается в диапазоне так называемых малых токов, для которых в традиционных типах аппаратов имеют место критические условия гашения дуги с затягиванием продолжительности или даже отказом в гашении. Исключение критических токов — основное требование к коммутационному аппарату по условиям электрои пожаробезопасности.
В конце прошлого века ООО «Технос» стало пионером в разработке двухполюсных автоматических быстродействующих выключателей для работы в схемах электроснабжения троллейбусов. В результате был создан и освоен производством выключатель ВБ 3/2, вполне соответствующий требованиям того периода и впервые обеспечивший автоматическую дистанционную защиту электрооборудования троллейбусов от аварийных токов [4]. С развитием и совершенствованием материальной базы городского электрического транспорта и постановкой новых задач по усилению электробезопасности в быту и промышленности в целом, в том числе и на городском электрифицированном транспорте, здесь были продолжены поисковые исследования, которые уже в 2003 г. завершились разработкой нового типа аппарата того же назначения с более высокими характеристиками и расширенными возможностями — ВБ 7/2, в котором реализовано основное достижение поисковых работ — исключение критических токов из проблемы коммутации малых токов. В выключателе внедрены ряд важных результатов научно-исследовательских и расчетно-конструкторских работ в этом направлении.
1. Разработана новая компоновка основных узлов аппарата с расположением главных контактов по нормали к оси выключателя, при которой ствол электрической дуги при ее зажигании в процессе коммутации изначально ориентируется в горизонтальном направлении, что обеспечивает использование подъемной силы для усиления дугогашения.
2. Для уменьшения возможного роста вертикального габарита аппарата за счет переноса дугогасительной системы на верх выключателя разработан и использован новый тип электромагнитного привода с Н-образной магнитной системой, в котором все рычаги механизма и силовые пружины размещаются не над магнитной системой, а рядом с ней.
3. Оптимизирована магнитная система дугогасительного устройства по параметру концентрации магнитного поля в зоне зажигания и горения электрической дуги, за счет чего существенно усиливается эффект дугогашения в системе последовательного магнитного дутья.
4. Разработана и реализована схема параллельного дутья в дугогасительном устройстве, допускающая работу ее совместно с последовательным дутьем.
5. Выключатель оснащен электронной системой управления с датчиком тока на эффекте Холла, обеспечивающей управление рабочими и аварийными коммутациями, и системой параллельного дутья с необходимой гибкостью параметров защиты и высоким быстродействием.
Выключатель может управляться выходным сигналом от приборов контроля токов утечки (ПКТУ) либо устройства контроля изоляции (УКИ) для обеспечения электрои пожаробезопасности с тем же быстродействием, что и при аварийных коммутациях. В производстве аппарата ВБ 7/2 реализован ряд технологических новшеств, повысивших качество изготовления деталей и узлов аппарата по надежности и долговечности и массогабаритным показателям.
