4.4 Защитное заземление

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 оттекания 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 100-200 мм его выступало над поверхностью земли, эта часть соединяется заземляющим проводником с оборудованием.

Защитное заземление применяют в сетях напряжением до 1 ООО В с изолированной нейтралью и в сетях напряжением свыше 1000 В как с изолированной, так и с заземленной нейтралью.

Рекомендуемые значения сопротивления заземлителя (R3) защитного заземления до и выше 1 кВ, установленные ПУЭ

Таблица 4.4.1.

Значения R3, Ом	Характеристика электроустановок
R3 ≤0,5 Ом	Электроустановки U > 1 кВ в сетях с эффективно заземленной нейтралью
R3 ≤ 250 /I3, но не более 10 Ом	Электроустановки U > 1 кВ в сетях с изолированной нейтралью
R3 ≤ Uпр/I3. Как правило, 4 Ом ≤ R3≤10 Ом	Электроустановки U < 1 кВ в сетях с изолированной нейтралью (мощность генератора или трансформатора < 100 кВ А)

Примечание: R₃ - сопротивление заземляющего устройства;

I₃ - ток замыкания на землю;

U_пр - напряжение прикосновения, принимается равным 50 В.

На рисунке 4.4.1 показана схема защитного заземления в однофазной двухпроводной се­ти, схема однофазного замыкания на заземленный корпус двигателя в сети с изолированной нейтралью трансформатора дана на рис. 4.4.1 .

Рис. 4.4.1. Схема защитного заземления в однофазной двухпроводной сети

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 фунтом 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).

Рис. 4.4.2. Схема однофазного замыкания на заземленный корпус в сети с изолированнойнейтралью трансформатора

При токе замыкания I₃ и сопротивлении заземления R₃(см. рис. 4.4.1.) напряжение на кор­пусе относительно земли равно

Um = I₃•R₃. (4.4.1)

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. 4.4.2.) будет небольшим, и напряжение прикосновения не превысит допусти­мых пределов:

Uпр=αI_зR_з (4.4.2)

где а < 1 - коэффициент напряжения прикосновения, показывающий, какая часть потенциала заземлителя приходится на тело человека.

В случае повреждения изоляции токоведущая часть электрически соединяется с неза- земленным 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: выносное (рис. 4.4.3) и контурное (рис. 4.4.4).

Рис. 4.4.3. Схема выносного заземления Рис.4.4.4. Схема контурного заземления

Выносное заземление характеризуется размещением заземлителей за пределами пло­щадки, на которой размещено заземляемое оборудование, что позволяет выбрать место- размещение электродов, в том числе с наименьшим сопротивлением (влажные, глинистые почвы, низины и т.д.).

Однако 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;

• расчетный 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:

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

б) 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, имеющей естественные заземлители, то сопротивление искусственного заземлителя Ru равно

где Re - сопротивление естественных заземлителей; R3 - сопротивление заземляющего уст­ройства.