5.9. Меры защиты от поражения током при косвенном прикосновении

5.9.1. Защитное заземление

Защитное заземление – заземление, выполняемое в целях электробезопасности (в отличие от функционального заземления). Заземление – преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством. Защитное заземление предназначено для устранения опасности поражения электрическим током человека, находящегося в контакте с землей, в случае его прикосновения к корпусу или к другим открытым проводящим частям электроустановок, оказавшимся под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам (рисунок 5.17). При этом все открытые проводящие части электроустановок соединяются с землей с помощью заземляющих проводников 2 и заземлителя 1, образующих в совокупности заземляющее устройство.

Рисунок 5.17 – Схема защитного заземления в однофазной двухпроводной сети: 1– электроустановка; 2 – заземляющий проводник; 3 – заземлитель

Заземлитель – это проводящая часть или совокупность соединенных между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду.

Заземлители бывают искусственные, предназначенные исключительно для целей заземления, и естественные – находящиеся в земле проводящие ток объекты иного назначения. Для заземления оборудования в первую очередь используют естественные заземлители: железобетонные фундаменты, а также расположенные в земле металлические конструкции зданий и сооружений. Заземляющие устройства должны быть механически прочными, термически и динамически стойкими к токам замыкания на землю. Запрещено в качестве естественных заземлителей использовать трубопроводы горючих жидкостей, взрывоопасных газов и трубопроводов канализации и центрального отопления.

Защитное заземление применяют в сетях напряжением до 1 кВ: трехфазных с изолированной нейтралью (система IT) и однофазных, изолированных от земли, а также в сетях напряжением выше 1 кВ как с изолированной, так и с заземленной нейтралью. В сочетании букв IT первая (isolation) обозначает, что нейтраль источника питания изолирована от земли или заземлена через приборы, устройства, имеющие большое сопротивление, а вторая (terra) – открытые проводящие части электроустановок заземлены.

С помощью защитного заземления уменьшается напряжение на корпусе относительно земли (напряжение прикосновения) до безопасного предела.

При функционировании защитного заземления в однофазной двухпроводной сети (при r_з < r₁ и R_h < г₂):

(5.31)

Из равенства следует, что ток через тело человека можно снизить, уменьшая сопротивление заземления r_з, а также увеличивая сопротивление изоляции r₂ и сопротивление в цепи тела человека. Таким образом, сопротивление защитного заземления должно быть весьма малым и не превышать нормативных значений, наибольшее из которых составляет 10 Ом.

Аналогичен принцип действия защитного заземления в трехфазной сети с изолированной нейтралью при использовании выносного заземляющего устройства (рисунок 5.18, а). В этом случае заземляемое оборудование находится вне зоны растекания тока с заземлителя. При замыкании фазы на корпус электроустановки расчетное напряжение прикосновения между ним и землей будет максимальным и равным напряжению на заземляющем устройстве:

(5.32)

Рисунок 5.18 – Принципиальные схемы защитного заземления: а – в сети с изолированной нейтралью с выносным заземляющим устройством; б – в сети с заземленной нейтралью и напряжением выше 1 кВ: 1 – заземленное оборудование; 2 – заземлитель; I_з – ток замыкания на землю

Для упрощения анализа положим, что комплексные сопротивления Z₁ = Z₂ = Z₃ = r (например, это может быть в короткой воздушной сети). Тогда, учитывая, что между фазой и землей присоединено заземляющее устройство, а не человек, получим:

(5.33)

С учетом того, что r_з меньше r/3:

(5.34)

а ток, протекающий через тело человека, стоящего на земле и прикоснувшегося к заземленному корпусу:

(5.35)

Следовательно, U_пр и I_h напрямую зависят от сопротивления заземления r_з, которое не должно превышать нормативных значений. Согласно ПУЭ сопротивление заземляющего устройства r_з, Ом электроустановок напряжением до 1 кВ в сетях с изолированной нейтралью должно соответствовать условию:

(5.36)

где U_пр принимается равным 50 В, I_з – полный ток замыкания на землю, А.

Как правило, не требуется принимать значение r_з менее 4 Ом. Допускается сопротивление заземляющего устройства до 10 Ом, если суммарная мощность источников питания (генераторов или трансформаторов), работающих параллельно, не превышает 100 кВА.

Для защиты при косвенном прикосновении в случае замыкания фазы на землю защитное заземление дополняется контролем изоляции сети или применяются устройства защитного отключения с номинальным отключающим дифференциальным током не более 30 мА.

Защитное действие заземления особенно проявляется при повреждении изоляции. Для примера возьмем r = 3000 Ом, U = 220 В, R_h = 1000 Ом и r_з = 10 Ом. Тогда ток, проходящий через тело человека, будет равен 2,2 мА, а без заземления он бы составил 110 мА, т. е. был бы смертельно опасным.

В электроустановках напряжением выше 1 кВ в сети с изолированной нейтралью требуется, чтобы сопротивление заземляющего устройства удовлетворяло условию:

(5.37)

но при этом не превышало 10 Ом. I_з – максимально возможный при эксплуатации расчетный ток замыкания на землю, А:

(5.38)

где U – линейное напряжение, кВ; ∑ _к – сумма длин кабельных участков сети, км; ∑l_в – сумма длин воздушных участков сети, км.

В трехфазных сетях напряжением выше 1 кВ с эффективно заземленной нейтралью (рисунок 5.18, б) безопасность обеспечивается за счет малого сопротивления защитного заземляющего устройства, его особого конструктивного выполнения и быстрого срабатывания защитного автоматического отключения источника питания. Заземляющее устройство сооружают или с соблюдением требований к его сопротивлению (r_з ≤ 0,5 Ом) или к напряжению прикосновения, значение которого при стекании тока в землю I_з, не должно превышать нормативного U_{пр доп}.

В целях уравнивания (электрического соединения проводящих частей для достижения равенства их потенциала) и выравнивания (снижения шагового напряжения при помощи защитных проводников, проложенных в земле) потенциалов в пределах защищаемой территории заземлитель выполняют в виде горизонтально расположенной в земле на глубине 0,3...0,7 м металлической сетки, соединенной проводниками с заземляемыми частями (например, корпусами) электрооборудования. Тогда при замыкании фазы на корпус и стекании тока I_з в землю потенциал на ее поверхности в пределах площадки оказывается близким к потенциалу заземленных частей оборудования. Поэтому напряжение прикосновения не превысит установленных значений (уравнивание потенциалов). Кроме того, за счет сложения потенциальных полей заземлителей, образующих сетку, происходят относительное выравнивание потенциалов на защищаемой территории и снижение шагового напряжения.

Для сооружения искусственных заземлителей применяют обычно стальные вертикальные и горизонтальные электроды. В качестве вертикальных электродов используют некондиционные трубы диаметром 30...60 мм и угловую сталь с площадью поперечного сечения не менее 100 мм² длиной 2,5...5 м, а также стержни диаметром 12...16 мм и длиной до 10 м и более. Можно использовать в качестве вертикальных электродов и некондиционные рельсы. Для связи вертикальных электродов и в качестве самостоятельного горизонтального электрода используют полосу сечением не менее 4 х 25 мм и прутки диаметром 10 мм и более (рисунок 5.19). В качестве конструкционного материала применяют также оцинкованную сталь и медь. Для установки вертикальных электродов предварительно роют траншею глубиной 0,7…0,8 м, после чего с помощью механизмов их погружают в землю (рисунок 5.19). Вертикальный электрод (на рисунке 5.20 – пруток) пронизывает верхний (промерзаемый) слой грунта и достигает нижнего, не промерзающего зимой, слоя грунта. Далее вертикальные электроды соединяют сваркой внахлест полосой – при этом расстояние между вертикальными электродами K не должно быть меньше половины длины электрода L – для предотвращения эффекта увеличения сопротивления заземлителя при стекании в землю однополярных зарядов (однополярные заряды отталкиваются друг от друга) (рисунок 5.21). Стержни можно располагать в ряд (рисунок 5.21) или в виде какой-либо геометрической фигуры (квадрата, прямоугольника) в зависимости от удобства монтажа и используемой площади. Совокупность стержней, соединенных между собой полосой, образует контур заземления. В помещении контур заземления приваривается к корпусу силового щита и к заземляющим проводникам – шине заземления, которая проходит вдоль стен здания.

В качестве заземляющих проводников применяют стальную (медную) полосу и прутки. Прокладывают их открыто по конструкциям зданий на специальных опорах. Присоединение заземляемого оборудования к магистрали заземления осуществляют параллельно с помощью отдельных проводников. Последовательное соединение заземляемого оборудования не допускается, так как при нарушении электрической целостности заземляющего проводника все корпуса оборудования за местом повреждения окажутся не заземленными и в случае пробоя фазы на корпус в одном из них будут представлять опасность поражения током.

Соединение элементов заземляющего устройства между собой осуществляется обычно сваркой, а присоединение к заземляемому оборудованию – сваркой или с помощью болтов. Оборудование, подвергающееся вибрации, соединяют с магистралью заземления гибкими медными проводниками – при этом проводники присоединяются к корпусу электроустановки болтами с шайбами Гровера.

Выравнивание потенциала внутри помещения происходит через металлические конструкции, связанные с сетью заземления.

Рисунок 5.19 – Сечения и минимально-допустимые размеры вертикальных и горизонтальных электродов заземлителей из стали: а – полоса; б – горизонтально-размещаемый пруток (для вертикально-размещаемых минимальный диаметр 18 мм); в – уголок; г – труба

Рисунок 5.20 – Установка вертикального электрода в двухслойном грунте: L – длина электрода; D – диаметр; H – толщина верхнего слоя грунта; T – заглубление электрода (расстояние от поверхности земли до середины электрода); t – глубина траншеи

Рисунок 5.21 – Вертикальные электроды, соединенные полосой: L – длина вертикального электрода; K – расстояние между смежными вертикальными электродами

Измерение сопротивления растеканию тока заземляющих устройств должно производиться в сроки, установленные Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей (ПТЭЭП), не реже одного раза в три года, а также после каждого капитального ремонта и длительного бездействия установки. Кроме измерений сопротивления растеканию тока не реже одного раза в 12 лет производится выборочное вскрытие грунта для визуальной оценки состояния заземляющих элементов.

Сопротивление заземляющих устройств рекомендуется измерять в наиболее жаркие и сухие или в наиболее холодные дни года, когда грунт имеет наименьшую влажность. Чем меньше влажность, тем выше удельное сопротивление грунта. В первом случае влага из грунта испаряется, во втором – замерзает. При замерах в другие дни нужно полученные значения корректировать с помощью поправочных коэффициентов, которые приводятся в ПТЭЭП.

Все существующие методы измерения сопротивления растеканию тока заземляющих устройств сводятся к двум: метод «амперметра – вольтметра» и мостовой метод.

Для измерения по методу «амперметра – вольтметра» необходимы: амперметр, вольтметр, понижающий трансформатор, коммутационная аппаратура, соединительные провода, а также два электрода: зонд (R_з) и вспомогательный электрод (R_в).

Зонд и вспомогательный электрод – два одинаковых стальных стержня диаметром не менее 18 мм и длиной не менее 700 мм. Их забивают в землю на определенном расстоянии от контура заземления R_x (рисунок 5.22). Забивать электроды в грунт необходимо на глубину не менее 500 мм (0,5 м).

Рисунок 5.22 – Схема измерения по методу «амперметр – вольтметр»

Через понижающий трансформатор напряжение подается на контур заземления и электроды. Через амперметр и зонд начинает протекать ток. При этом вольтметр покажет величину падения напряжения. Значение сопротивления растеканию тока определяется как отношение измеренного напряжения и тока: R_х = U/I.

Для исключения влияния «блуждающих» токов в грунте, возникающих при работе электротранспорта (трамваи, электрифицированные железные дороги) измерение сопротивления проводится на переменном токе. Кроме того, при использовании переменного тока не возникает электролиз, который вносит значительную погрешность в измерение. Поэтому необходим источник переменного тока – трансформатор, понижающий напряжение до безопасной величины (не более 50 В). Запрещается в качестве источника переменного тока использовать автотрансформаторы, так как наличие электрической связи между обмотками высокого и низкого напряжения значительно повышает вероятность электротравматизма.

Метод, описанный выше, имеет целый ряд недостатков: наличие двух измерительных приборов, что снижает точность измерений; громоздкость понижающего трансформатора; необходимость подключения к сети переменного тока; опасность попадания под шаговое напряжение. Поэтому в настоящее время вместо метода «амперметра – вольтметра» используется мостовой метод измерения.

Из теории электротехники известно, что при равенстве сопротивлений электрического моста (рисунок 5. 23) R₁ и R₂ и, соответственно, R_з и R_х ток, протекающий через гальванометр PG, будет равен нулю.

Рисунок 5.23 – Мостовая схема измерения сопротивлений: R₁ и R₂ – резисторы, имеющие одинаковое сопротивление; R_х – исследуемое сопротивление; R_з – резистор с переменным сопротивлением

Изменяя сопротивление R_з, можно добиться такого положения, что ток, протекающий через гальванометр, будет равен нулю. Тогда величина R_з, будет равна величине исследуемого сопротивления R_x.

На этом методе основывается работа таких измерительных приборов, как МС-08, М416, Ф-4103М1 (рисунок 5.24) и др. Эти приборы содержат прецизионные резисторы и источник переменного тока (электронный генератор), получающие питание от гальванических элементов (М416, Ф-4103М1) либо от генератора, приводимого во вращение рукой оператора (МС-08). Процесс проведения измерений рассмотрим на примере прибора М416.

Рисунок 5.24 – Измеритель сопротивления растеканию тока заземляющих устройств Ф-4103М1

Перед проведением измерений необходимо разместить зонд и вспомогательный электрод по схеме, изображенной на рисунке 5.25. Затем соединительные проводники подключаются к соответствующим клеммам прибора. Питание М416 получает от трех элементов типа А373. Прибор позволяет измерять сопротивление в широких пределах: 0,1...1000 Ом.

Рисунок 5.25 – Схема измерения прибором М416: 1 – соединительные клеммы; 2 – перемычка; 3 – измерительная шкала; 4 – стрелка индикатора; 5 – кнопка включения; 6 – ручка потенциометра; 7 – переключатель поддиапазонов

После подключения проводников к клеммам прибора, согласно рисунка 25, устанавливают переключатель 7 в положение «контроль 5 », нажимают кнопку 5 и вращением ручки 6 добиваются установления стрелки индикатора 4 на нулевую отметку. При этом на шкале 3 должно быть показание 5 ± 0,3 Ом, что свидетельствует об исправности источника питания.

Переключатель 7 устанавливают в положение «х1». Нажимают кнопку 5 и, вращая ручку 6, устанавливают стрелку индикатора 4 на нуль. При невозможности установления переходят на другой поддиапазон измерения. Снимают показания со шкалы 3 прибора (с учетом переводного коэффициента).

Сопротивление контура заземления зависит от удельного сопротивления грунта (таблица 5.6). Измерять удельное сопротивление грунта нужно во время предпроектных изысканий на месте намечаемого сооружения контура заземления, а также периодически в сроки, установленные ПТЭЭП.

Таблица 5.6 – Эквивалентное удельное сопротивление грунтов

Грунт	Удельное сопротивление ρэкв, Омм
	пределы колебаний	при влажности грунта 10...12%
Чернозем	9...53	20
Торф	9...53	20
Глина	8...70	40
Суглинок	40...150	100
Супесок	150...400	300
Песок	400...700	700

Если грунт однороден, его удельное сопротивление на месте будущего размещения контура заземления можно измерить при помощи круглого металлического стержня диаметром D, забитого с поверхности вертикально в землю на глубину, по возможности равную предполагаемой глубине заложения стержней сооружаемого заземлителя. Затем одним из методов, описанных выше, измеряется сопротивление растеканию тока данного стержня и вычисляется удельное сопротивление грунта:

(5.39)

где _изм – измеренное удельное сопротивление грунта, Ом·м; R_ос – сопротивление растеканию тока стержня; L – длина подземной части стержня, м; D – диаметр стержня, м.

Далее определяется расчетное удельное сопротивление грунта (учитывающее климатические условия):

(5.40)

где  – коэффициент сезонности (по таблице 5.7 – для стержневых заземлителей).

Таблица 5.7 – Значения расчетных климатических коэффициентов сезонности сопротивления грунта

Заземлитель	Климатическая зона
	I	II	III	IV
стержневой	1,8...2,0	1,6...1,8	1,4...1,5	1,2...1,4
полосовой	4,5…7,0	3,5…4,5	2,0…2,5	1,5…2,0

Коэффициент сезонности  к примеру, второй климатической зоны (средняя температура января от –15 до –10 °С, июля – от +18 до +22 °С) принимается равным 1,6...1,8.

На практике грунт часто имеет неоднородную структуру. Обычно грунт состоит из двух слоев (верхнего и нижнего) с различным удельным сопротивлением (рисунок 5.20). Для упрощения расчетов в подобных случаях определяется эквивалентное удельное сопротивление грунта.

Эквивалентным удельным сопротивлением грунта _экв с неоднородной структурой называется такое удельное сопротивление земли с однородной структурой, в которой сопротивление заземляющего устройства имеет то же значение, что и в земле с неоднородной структурой. Если грунт двухслойный, эквивалентное удельное сопротивление определяется из выражения:

(5.41)

где  – коэффициент сезонности (по таблице 5.7 – для стержневых заземлителей); ₁ – измеренное удельное сопротивление верхнего слоя грунта, Ом  м; ₂ – измеренное удельное сопротивление нижнего слоя грунта Омм; Н – толщина верхнего слоя грунта, м; t – заглубление полосы, м.

Одиночный заземлитель должен полностью пронизывать верхний слой грунта и частично нижний.

Заглубление полосы t принимается равным 0,7 м – это глубина траншеи (рисунок 5.20). Следовательно, заглубление стержня можно определить по формуле:

(5.42)