2.4 Выбор схемы сети и режима нейтрали

Схема сети и режим нейтрали выбираются по технологическим требованиям и по условиям безопасности.

По технологическим требованиям предпочтение отдается четырехпроводной сети, поскольку она позволяет использовать два любых напряжения – линейное и фазное.

По условиям безопасности выбор одной из двух схем производится с учетом выводов, полученных при рассмотрении этих сетей, а именно: по условиям прикосновения к фазному проводу в период нормального режима работы сети. более безопасна, как правило, сеть с изолированной нейтралью, а в аварийный период – сеть с глухозаземленной нейтралью.

Сети с изолированной нейтралью целесообразно применять на объектах с повышенной опасностью поражения током и в тех случаях, когда имеется возможность поддерживать высокий уровень изоляции проводов сети относительно земли, то есть короткие сети; не подверженные воздействию агрессивной среды и находящиеся под постоянным надзором электротехнического персонала (сети для передвижных установок, торфяных разработок, шахт и т. д.).

Сети с глухозаземленной нейтралью (четырехпроводные) следует применять там, где невозможно обеспечить хорошую изоляцию проводов (из-за высокой влажности, агрессивной среды, большой протяженности и т. д.), когда нельзя быстро отыскать или устранить поврежденные изоляции или когда емкостные токи замыкания на землю достигают больших значений, опасных для человека (сети крупных промышленных предприятий, городские и сельские сети и т. п.).

3 Способы и средства обеспечения электробезопасности

Для обеспечения защиты от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции, используют следующие способы:

– изоляцию токоведущих частей и контроль изоляции;

– оградительные устройства;

– предупредительную сигнализацию и блокировку;

– знаки безопасности, плакаты;

– малые напряжения;

– электрическое разделение сетей;

– электрозащитные средства;

– защитное заземление;

– выравнивание потенциала;

– зануление;

– защитное отключение;

– систему защитных проводов;

– компенсацию токов замыкания на землю.

Все вышеперечисленные способы и средства защиты могут использоваться как отдельно, так и в сочетании друг с другом.

Ниже рассмотрены способы защиты: защитное заземление, зануление и устройство защитного отключения (УЗО).

3.1 Защитное заземление и его расчет

3.1.1 Назначение, принцип действия и область применения. Однофазные замыкания тока, которые могут возникать в электрических машинах, аппаратах, на ЛЭП, опасны тем, что на корпусах и опорах появляются напряжения, достаточные для поражения человека и возникновения пожара. Ток замыкания создает опасные напряжения не только на самом оборудовании, но и возле него, растекаясь с оснований и фундаментов.

Защиту от поражения электрическим током и возгораний можно осуществить защитным отключением (отключают поврежденный участок сети быстродействующей защитой) либо защитным заземлением за счет снижения напряжения прикосновения и шага до безопасных значений (рисунок 3.1).

В сетях с изолированной нейтралью (см. рисунок 3.1) тока однофазного замыкания недостаточно для надежного отключения аварийного участка, поэтому применяют защитное заземление. Снижение напряжения прикосновения и шага достигается путем уменьшения потенциала заземленного оборудования (уменьшением сопротивления заземлителя), а также путем выравнивания потенциалов основания, на котором стоит человек, и заземленного оборудования (подъем потенциала основания, на котором стоит человек, до значения, близкого к значению потенциала заземленного оборудования).

Защитное заземление следует отличать от рабочего заземления (например, в нейтральных точках обмоток генератора, трансформаторов и заземления молниезащиты).

Рисунок 3.1 – Принципиальная схема защитного заземления в сетях трехфазного тока

При замыкании тока на корпус нормально изолированные части электрооборудования окажутся под напряжением. Прикоснувшись к ним, человек попадает под напряжение прикосновения. Оно будет равно разности между полным напряжением φ₃ на корпусе, к которому прикасается человек рукой, и потенциалом φ_х поверхности земли, пола, где он стоит:

,

где α₁ – коэффициент прикосновения, учитывающий форму потенциальной кривой, (где ).

В местах, где расположены ступени ног, на поверхности земли имеются разные электрические потенциалы (φ₁ и φ₂) и на длине шага возникает напряжение, соответствующее разности этих потенциалов:

,

где а – длина шага, равная 0,8–1 м.

Напряжение между двумя точками цепи тока, находящимися на расстоянии шага, на которых одновременно может стоять человек, называется напряжением шага U_ш.

Защитное заземление является наиболее простой и в то же время эффективной мерой защиты от поражения током в сетях: напряжением до 1000 В переменного тока – трехфазных трехпроводных с изолированной нейтралью, однофазных двухпроводных, изолированных от земли, а также постоянного тока двухпроводных с изолированной средней точкой обмоток источника тока; напряжением выше 1000 В переменного и постоянного тока с любым режимом нейтральной или средней точки обмоток источников тока.

В помещениях с повышенной опасностью и особо опасных, а также в наружных установках заземление обязательно при номинальном напряжении электроустановки выше 42 В переменного и 110 В постоянного тока, а в помещениях без повышенной опасности – при напряжении 380 В и выше переменного и 440 В и выше постоянного тока. Лишь во взрывоопасных зонах всех классов заземление выполняется независимо от значения напряжения электроустановки.

3.1.2 Заземляющие устройства. Заземляющим устройством называется совокупность заземлителя – проводников (электродов), соединенных между собой и находящихся в непосредственном соприкосновении с землей, и заземляющих проводников, соединяющих заземляющие части электроустановки с заземлителем.

Различают два типа заземляющих устройств: выносное и контурное.

Выносное заземляющее устройство вынесено за пределы площадки, на которой размещено заземляющее оборудование, коэффициент прикосновения = 1. Поэтому заземляющие устройства этого типа применяются лишь при малых токах замыкания на землю, в частности, в установках до 1000 В, где потенциал заземлителя не превышает значения допустимого напряжения прикосновения.

Кроме того, при большом расстоянии до заземлителя значительно возрастает сопротивление соединительного провода. Выносные заземлители сооружают не далее 2 км от участка, на котором размещено заземляемое оборудование.

Выносное заземление сооружают при невозможности разместить на защищаемой территории: при высоком сопротивлении земли (скалистый грунт), при рассредоточенном расположении заземляющего оборудования (горные выработки) и так далее.

При контурном заземляющем устройстве электроды размещают по контуру (периметру) площадки, на которой находится заземляемое оборудование, или распределяют равномерно на площадке (в виде сетки), и поэтому такое устройство называют распределенным.

Распределенное заземляющее устройство обеспечивает не только уменьшение потенциала заземлителя, но и выравнивает потенциал на защищаемой территории до такого значения, чтобы максимальные напряжения прикосновения и шага не превышали допустимых.

Различают заземлители искусственные, предназначенные только для целей заземления, и естественные – находящиеся в земле металлические предметы иного назначения.

Для искусственных заземлителей применяют обычно вертикальные и горизонтальные электроды.

Для вертикальных электродов используют стальные трубы диаметром от 50 до 60 мм с толщиной стенки менее 3,5 мм и угловую сталь с толщиной полок не менее 4 мм (обычно это угловая сталь размером 40х40 и 60х60 мм) отрезками длиной от 2,5 до 3,0 м, а также прутковую сталь диаметром не менее 10 мм длиной до 10 м, а иногда и более.

Для связи вертикальных электродов и в качестве самостоятельного электрода применяют полосовую сталь сечением не менее 4х12 мм и сталь круглого сечения диаметром не менее 6 мм.

Верхние концы вертикальных электродов, погруженные в землю, соединяют стальной полосой или сталью круглого сечения на сварке.

В качестве естественных заземлителей используют водопроводные и другие металлические трубы (за исключением трубопроводов горючих жидкостей, горючих и взрывоопасных газов), проложенные в земле, металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, свинцовые оболочки кабелей, заземлители опор и другие конструкции.

В качестве заземляющих проводников, предназначенных для соединения заземляемых частей с заземлителями, применяют, как правило, сталь полосовую или круглого сечения.

В сетях напряжением до 1000 в и выше с изолированной нейтралью заземляющие проводники должны обладать проводимостью не менее 1/3 проводимости фазных проводников. Наименьшее сечение стальной прямоугольной шины составляет 24 мм² – при прокладке внутри здания и 48 мм² при прокладке вне здания или в земле; для круглой стали наименьший диаметр равен 5 мм – при прокладке в зданиях, 6 мм – в наружных установках, 10 мм – в земле, для проводников из меди – 4 мм, из алюминия – 6 мм.

Соединения заземляющих проводников между собой выполняются, как правило, сваркой, а с корпусами аппаратов, машин и другого оборудования – сваркой или с помощью болтов.

3.1.3 Расчет защитного заземления. Расчет защитного заземления имеет целью определить основные параметры заземления – число, размеры и порядок размещения одиночных заземлителей и заземляющих проводников.

Расчет можно выполнять по допустимому сопротивлению растекания тока заземлителя или по допустимым напряжениям прикосновения (и шага). При этом расчет производится обычно для случаев размещения заземлителя в однородной земле. Расчет заземлителя в многослойной земле более трудоемок, но зато дает более точные результаты. Его целесообразно применять при сложных конструкциях групповых заземлителей в установках напряжением 110 кВ и выше.

Для установок с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В, а также выше 1000 В до 30 кВ включительно, расчет заземлителя производится обычно по допустимому сопротивлению растеканию.

Сопротивление заземляющих устройств в сетях напряжением до 1000 В при суммарной мощности генераторов или трансформаторов, питающих данную сеть, не более 100 кВ·А должно быть не более 10 Ом; во всех остальных случаях – 4 Ом.

В электроустановках (сети напряжением 110 кВ и более) с глухозаземленной нейтралью и большими (более 500 А) токами замыкания на землю сопротивление заземляющего устройства не должно превышать 0,5 Ом для надежного автоматического отключения места замыкания релейной защитой за доли секунды.

Проектирование заземляющего устройства при расчете заземлителей по допустимому сопротивлению растеканию тока заключается в подборе такой конструкции искусственного заземлителя, при которой выполнялись бы нормы на допустимое сопротивление при наименьших затратах на его сооружение. Порядок расчета следующий: предварительно выбирается схема заземлителя и наносится на план установки, принимается длина электродов.

При проектировании заземляющего устройства необходимо знать удельное сопротивление , Омм, грунта в том месте, где будет сооружаться заземлитель.

Удельное сопротивление грунта измеряют на месте сооружения заземлителя, но ориентировочные расчеты можно производить по приближенным значениям. Ориентировочные значения  приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Приближенные значения удельных электрических сопротивлений различных грунтов

Наименование грунта	Предел колебаний величины удельного сопротивления грунта, Омм	Рекомендация для предварительных расчетов удельных сопротивлений, Омм
1 Песок 2 Супесь 3 Суглинок 4 Глина 5 Садовая земля 6 Чернозем 7 Торф 8 Каменистый 9 Скалистый	400–700 150–400 40–150 8–70 40–60 9–53 10–30 500–800 104–107	700 300 100 40 40 20 20 700 –

Для одиночных стержневых заземлителей сопротивление растеканию тока определяют по следующим эмпирическим формулам:

– для стержневых круглого (трубчатого) сечения электродов у поверхности земли, схема 1 (рисунок 3.2, а)

;

– для стержневых круглого (трубчатого) сечения электродов в земле, схема 2 (см. рисунок 3.2, б):

,

где  – удельное сопротивление грунта, Омм;

– длина стержней, м;

d – диаметр сечения (для уголкового заземлителя d = 0,95b, где b – ширина полки), м;

t – расстояние от поверхности грунта до середины вертикального заземлителя (t = h₀ + l/2), м.

а) б)

Схема 1 Схема 2

Рисунок 3.2 – Схемы заземления

Необходимое количество стержней (без учета проводимости соединительной полосы) определяют по формуле

,

где R_доп – допустимое сопротивление заземления (должно соответствовать нормам);

_с – климатический коэффициент, учитывающий возможность изменения удельного сопротивления вследствие промерзания грунта зимой или его высыхания летом (таблица 3.2).

Зная необходимое число электродов, определяют длину полосы связи между электродами при контурном заземляющем устройстве:

,

где n – число стержней;

а – расстояние между стержнями (от 2 до 3 м).

Сопротивление соединительной полосы равно:

,

где h – глубина заложения полосы, м;

b – ширина полосы, м.

Вычисляют расчетное сопротивление заземляющего устройства с учетом коэффициентов взаимного влияния электродов и использования полосы:

,

где – коэффициент взаимного влияния (увеличения сопротивления растеканию тока группового заземления) (таблица 3.3);

– коэффициент использования полосы (таблица 3.4).

Заземление будет удовлетворять требованиям при условии R  R_доп. При условии R > R_доп увеличивают в контуре заземлителя количество вертикальных электродов, а затем вновь находят коэффициенты использования ₃ и _м и вычисляют R.

Таблица 3.2 – Коэффициенты сезонности _с

Месяц	Глубина заложения заземлителей, м		Месяц	Глубина заложения заземлителей, м
	менее 0,8	0,8–3,5		менее 0,8	0,8–3,5
Январь Февраль Март Апрель Май Июнь	1,05 1,05 1,00 1,60 1,95 2,00	1,2 1,10 1,00 1,20 1,30 1,55	Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь	2,20 1,55 1,60 1,55 1,60 1,65	1,75 1,55 1,70 1,60 1,35 1,35

Таблица 3.3 – Коэффициенты взаимного влияния ₃ (использование вертикальных электродов группового заземлителя) при размещении электродов по контуру

Число заземлителей	Коэффициент использования вертикальных электродов
2 4 6 10 20	0,85 0,73 0,65 0,59 0,48

Таблица 3.4 – Коэффициенты использования горизонтальной полосы, соединяющей вертикальные электроды группового заземлителя _п

Число вертикальных электродов	Коэффициент использования полосы
2 4 6 10 20	0,85 0,77 0,72 0,62 0,42

3.1.4 Эксплуатация заземляющих устройств. В процессе эксплуатации не исключена возможность повышения сопротивления растеканию тока заземлителя сверх расчетного и нарушения целостности заземляющей проводки и т.п.

Измерение сопротивления заземляющего устройства производится после монтажа, через год после включения в эксплуатацию и в последующем при комплексном ремонте электроустановки, но не реже, чем через 10 лет на электростанциях, подстанциях и линиях электропередачи энергосистем, через 3 года на подстанциях потребителей и через 1 год – в цеховых электроустановках потребителей.

Методика и приборы проверки заземляющих устройств изложены в [8, п. 5].