2. Защитное заземление, зануление, отключение.

Защитным заземлением называется преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей электроустановки, которые могут оказаться под напряжением.

По функциональному назначению заземление бывает: рабочее; защитное; заземление молниезащиты.

По способу расположения относительно заземляемого оборудования: контурное; выносное.

Рис. 7.1. Принципиальная схема защитного заземления в трехфазной сети

а) в сети с изолированной нейтралью до 1000 В и выше; б) в сети с заземленной нейтралью выше 1000 В; 1 – заземляемое оборудование; 2 – защитное заземление – заземлитель; 3 – рабочее заземление – заземлитель.

Согласно Правил устройства электроустановок (ПУЭ) сопротивление защитного заземления в любое время года в установках напряжением до 1000 В не должно превышать 4 Ом, при мощности источника тока (генератора или трансформатора) менее 100 кВА – 10 Ом, в установках напряжением выше 1000 В большими токами замыкания на землю – 0,5 Ом, в установках напряжением выше 1000 В с малыми токами замыкания на землю – 10 Ом.

Наибольшее сопротивление заземляющего устройства не должно быть более (но не более 10 Ом) в установках напряжением выше 1 000 В с изолированной нейтралью. При использовании заземляющего устройства одновременно для установок напряжением до 1 000 В сопротивление не должно быть более (но не более 4 или 10 Ом соответственно). В этих формулах – ток замыкания на землю.

Если произошло замыкание и корпус электроустановки оказался под напряжением, то прикоснувшийся к нему работник попадает под напряжение прикосновения , которое определяется выражением: ,

где – полное напряжение на корпусе электроустановки, В; - потенциал поверхности относительно земли, В.

Таким образом, напряжением прикосновения называется напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно может коснуться работник.

Если работник прикоснется к заземленной установке, находящейся под напряжением, то он попадет под напряжение прикосновения, определяемое из выражения:

,

где – коэффициент напряжения прикосновения; - сопротивление защитного заземления, Ом.

Принцип действия защитного заземления заключается в снижении до безопасных значений напряжений прикосновения, вызванных замыканием токоведущего элемента на землю.

В реальных условиях имеют место случаи обрыва электрических провода и падения их на землю или нарушение изоляции кабеля, находящегося в земле. При этом вокруг любого проводника, оказавшегося на земле, образуется зона растекания тока.

Зоной растекания тока замыкания на землю является поверхность, за пределами которой электрический потенциал, обусловленный токами замыкания на землю, может быть условно принят равным нулю.

Плотность тока в точке на поверхности грунта на расстоянии х от заземлителя определяется как отношение тока замыкания на землю к площади поверхности полушария радиусом х .

Потенциал точки равен суммарному падению напряжения от точки до земли, то есть бесконечно удаленной точки с нулевым потенциалом:

Напряженность электрического поля в точке А определяется из закона Ома: .

Вычислим интеграл, получим: .

Допустим, что необходимо определить потенциал в точке на поверхности земли, отстоящей на расстоянии х = 40 м от центра заземлителя, если эквивалентный радиус м, ток замыкания А, удельное электрическое сопротивление Ом·м.

При сложных контурных заземлителях потенциал на поверхности земли или пола помещения на расстоянии х от центра контурного заземлителя определяется из выражения:

В,

где r – радиус круга, площадь которого равна площади, занимаемой контурным заземлителем, м.

Радиус зоны растекания тока составляет около 20 м. С позиции охраны труда это означает, что на расстоянии 20 м от одиночного заземлителя потенциалы точек земли близки к нулю. Если работник в этой зоне будет стоять на поверхности земли, имеющей разные электрические потенциалы в местах, расположены ступни его ног, то по длине шага возникает шаговое напряжение.

Напряжением шага, или шаговым напряжением, называется напряжение между двумя точками цепи тока, находящимися на расстоянии шага, на которых одновременно стоит работник.

Свойства грунта как проводника тока характеризуется величиной удельного сопротивления, под которым понимается сопротивлением кубика грунта с ребрами в 1 м.

Эта величина может быть определена по формуле: ,

где R– электрическое сопротивление некоторого объема грунта, Ом, сечением S , м², и длиной l, м.

Допустим, требуется определить напряжение шага , если известно, что ток замыкания на одиночный вертикальный заземлитель равен 20 А, а удельное электрическое сопротивление грунта = 100 Ом·м и расстояние от заземлителя до ближайшей ноги работника = 1 м. Длину шага работника для упрощения расчетов положим равной 1 м. Тогда:

В,

где – удельное сопротивление грунта в месте расположения заземляющего устройства, Ом·м; - расстояние по поверхности земли от заземляющего устройства до ближайшей ноги работника; - расстояние от заземляющего устройства до второй ноги человека.

Защитное зануление – это преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.

Пусть имеется трехфазная сеть, работающая под напряжением до 1000 В с заземленной нейтралью. Если в этой сети одна из фаз будет замкнута на корпус оборудования, то величина тока замыкания определится зависимостью: ,

где – фазное напряжение, В; - сопротивление заземления нейтрали, Ом; - сопротивление корпуса электроустановки, Ом.

Рис. 7.2. Принципиальная схема защитного зануления в трехфазной сети с нулевым рабочим (НР) и нулевым защитным (НЗ) проводниками

1 – повторное заземление нулевого провода; 2 – корпус трехфазного приемника; 3 – плавкий предохранитель; I_к - ток однофазного короткого замыкания; Ф – фазный провод; U_ф - фазное напряжение.

При этом на корпусе электроустановки возникнет напряжение относительно земли, определяемое формулой: ,

Нулевой защитный проводник соединяет зануляемые части с глухо заземленной нейтральной точкой обмотки источника тока или ее эквивалентом.

Нулевой рабочий проводник используется для питания электроприемников, соединяемых с глухо заземленной нейтралью.

Защита человека обеспечивается тем, что при замыкании одной из фаз на зануленный корпус в цепи этой фазы возникает ток короткого замыкания, в результате чего за 5 . . . 7 секунд перегорают предохранители или срабатывает автомат защиты, следовательно происходит отключение аварийного участка от цепи.

Защитное отключение – это быстродействущая защита, обеспечивающая автоматическое отключение установки при возникновении в ней опасности поражения электротоком.

По принципу действия устройства защитного отключения бывают: прямого действия – реагирующие непосредственно на напряжение прикосновения или ток через человека, или на какие – либо физиологические реакции человека (дрожь, потение); косвенного действия – реагирующие на несимметрию фазных токов (ток нулевой последовательности) или несимметрию фазных напряжений (напряжение нулевой последовательности); действующие по методу наложения оперативного тока.

Наиболее широко распространены устройства второго типа. Принцип работы их основан на том, что при отсутствии утечки в защищаемой зоне (за трансформатором) магнитные потоки, наводимые в магнитопроводе первичными токами, компенсируют друг друга и ток во вторичной обмотке равен нулю. При возникновении утечки баланс токов нарушается, во вторичной обмотке появляется ток, пропорциональный току утечки, поэтому исполнительное устройство разрывает цепь.

Рис. 7.3. Схема защитного отключения, срабатывающая при появлении напряжения на корпусе электрооборудования.

1. – корпус; 2.- автомат защиты; КО – катушка отключения; Н – реле максимального напряжения; R_з, R_в – сопротивления заземления защиты и вспомогательного заземления.