2.5.Общая характеристика защитных мероприятий

2.5.1.Защитное заземление

Назначение. Принцип действия Заземление – преднамеренное электрическое соединение

с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением вследствие неисправности электрической сети.

Принцип действия защитного заземления заключается в снижении напряжений прикосновения и шага до безопасных значений.

Механизм защиты здесь состоит в том, чтобы создать между корпусом электроустановки и землей электрическое соединение достаточно малого сопротивления для того, чтобы в случае замыкания на корпус прикосновение к нему (параллельное присоединение) не могло вызвать ток через человека такой величины, который угрожал бы его жизни и здоровью.

Защитное заземление, выполняемое с целью обеспечения электробезопасности, следует отличать от рабочего и грозозащитного заземления.

Рабочее заземление – преднамеренное соединение с землей отдельных точек электрической цепи, например нейтральных точек обмоток генераторов, силовых и измерительных трансформаторов, реакторов поперечной компенсации в дальних линиях электропередачи. Рабочее заземление предназначено для обеспечения надлежащей работы электроустановки в нормальном или аварийном режимах.

Грозозащитное заземление – преднамеренное соединение с землей молниеприемников и разрядников в целях отвода от них токов молнии в землю.

При выполнении защитного заземления связь подлежащих заземлению частей электроустановки с землей осуществляется с помощью заземляющего устройства. Заземляющим устройством называется конструкция из электропроводящих материалов, которая служит для отвода тока в землю и обеспечивает при этом заданные параметры электромагнитного поля.

Заземляющее устройство состоит из заземлителей и заземляющих проводников, которые соединяют заземляемое оборудование с группой заземлителей.

75

Заземлитель – проводящее тело, расположенное в грунте и соприкасающееся с ним. Заземлители разделяются на искусственные, сооруженные только для целей заземления, и естественные, предназначенные для других целей, но являющиеся одновременно заземлителями (железобетонные фундаменты, металлические трубопроводы и т.п.).

Допустим, что в точке О (рис. 2.9) находится одиночный заземлитель 3, через который протекает ток однофазного замыкания на землю. Вокруг заземлителя образуется электрическое поле и зона повышенных потенциалов, а на самом заземлителе в результате прохождения через него тока возникает напряжение по отношению к земле U. Под «землей» в данном случае следует понимать достаточно удаленные от заземлителя зоны в земле, в которых не сказывается влияние проходящего через него тока. Они называются зонами нулевого потенциала.

Рис. 2.9. Распределение потенциалов при замыкании на землю

Если измерить напряжение между точками, находящимися на разных расстояниях в любом направлении от заземлителя и удаленной землей, а затем построить график зависимости этих напряжений от расстояния до заземлителя, то получится кривая, изображенная на рисунке 2.9. Эта кривая одновременно изображает распределение потенциалов точек земли на разных расстояниях от заземлителя.

Как правило, разность потенциалов между точками земли, расположенными во все стороны от одиночного заземлителя на расстоянии более 20 м, и удаленной землей близка к нулю.

76

Причина этого явления заключается в том, что сечение массива земли, через которое протекает ток замыкания на землю, по мере удаления от заземлителя быстро увеличивается; при этом происходит растекание тока в земле. На расстоянии более 20 м от заземлителя сечение массива земли настолько возрастает, что плотность тока приближается к нулю. Поэтому разность потенциалов между различными точками земли в этой зоне не обнаруживается.

Сопротивление, которое оказывает току земля на участке растекания через нее, называется сопротивлением растекания заземлителя.

Сопротивление заземляющего устройства состоит из сопротивления растекания заземлителя и сопротивления заземляющих проводников, соединяющих заземляемое оборудование или конструкцию с заземлителем. Величина сопротивления заземляющего устройства определяется отношением напряжения на заземляющем устройстве к току, стекающему с заземлителя в землю.

Требования к электрическим характеристикам

иконструкции заземляющих устройств электроустановок

Восновных нормативных документах все множество электроустановок разделено по особенностям, влияющим на требования, предъявляемые к заземляющим устройствам, на четыре основные группы: первая – выше 1 кВ в сетях с эффективно заземленной нейтралью (с большими токами замыкания на землю); вторая – выше 1 кВ в сетях с изолированной нейтралью; третья – до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью; четвертая – до 1 кВ с изолированной нейтралью. Требования, в свою очередь, разбиты на две категории: относящиеся к заземляющим устройствам почти всех электроустановок

иназванные общими и относящиеся к заземляющим устройствам отдельных групп электроустановок.

Общие требования в основном сводятся к следующему. Для заземления электроустановок в первую очередь должны использоваться естественные заземлители – металлические трубопроводы, оболочки и броня кабелей, рельсовые пути и т.п., а также электропроводящие части зданий и сооружений производственного или иного назначения, находящиеся в соприкосновении с землей или заложенные в бетонные основания, фундаменты и т.п.

77

Если естественные заземлители обеспечивают соответствие нормам электрических характеристик заземлителя (сопротивления, напряжения прикосновения, напряжения на заземлителе), то искусственные заземлители, специально выполняемые для целей заземления, следует применять лишь при необходимости уменьшения токов, протекающих по естественным заземлителям или стекающих с них в землю. Таким образом, в ряде случаев можно ограничиться использованием только естественных заземлителей. Это положение направлено на обоснование снижения затрат на заземляющие устройства.

Если электроустановки различного напряжения и назначения расположены друг от друга сравнительно близко, то рекомендуется выполнять одно общее заземляющее устройство, используя в первую очередь все естественные протяженные заземлители. Характеристики общего заземляющего устройства должны соответствовать требованиям, предъявляемым к заземляющим устройствам.

Требуемые значения электрических характеристик заземляющих устройств должны быть обеспечены при наиболее неблагоприятных условиях, т.е. непрерывно во времени и при возможном наибольшем расчетном токе, стекающем с заземлителя в землю. Введение этого требования вызвано закономерными циклическими сезонными изменениями параметров электрической структуры земли, приводящими к закономерным изменениям электрических характеристик заземляющих устройств. Причем в процессе этих изменений наступает сезон, во время которого соответствующая характеристика заземляющего устройства принимает наибольшее значение. Например, в северной и центральной зонах европейской части нашей страны наибольшая глубина промерзания земли наступает зимой.Приэтом,естественно,резкоувеличиваетсяудельноесопротивление верхнего слоя земли, и сопротивление заземляющего устройства оказывается наибольшим. Исключение составляют лишь редкие случаи, когда вследствие гидрогеологических особенностей значительно повышается уровень грунтовых вод, что приводит к уменьшению удельного сопротивления подстилающих слоев земли. Это явление может вызвать даже своеобразный «зимний минимум» сопротивления заземляющих устройств.

78

В южных районах нашей страны наибольшее значение удельного сопротивления верхнего слоя земли наблюдается летом в период наибольшего иссушения почвы. Следовательно, в этих районах и наибольшее значение сопротивления заземляющих устройств приходится на лето. Однако сезон наибольшего напряжения прикосновения, как правило, не совпадает с сезоном наибольшего сопротивления заземляющего устройства.

Натурные измерения и расчеты показывают, что, например, в северной и центральной зонах максимум напряжения прикосновения может наблюдаться (при расчетных, т.е. наибольших, значениях тока, стекающего с заземляющего устройства в землю) ранней весной, когда земля еще по-прежнему проморожена почти на наибольшую глубину, а самый верхний тонкий слой уже оттаял. При этом соответствующую электрическую структуру верхних слоев земли можно представлять упрощенно как трехслойную: верхний слой

смалым удельным сопротивлением, средний (промороженный) слой

свесьма высоким, а третий (подстилающий) слой – опять со сравнительно низким удельным сопротивлением.

Напряжение прикосновения ранней весной может достигать наибольшего значения. Следовательно, наиболее неблагоприятными условиями применительно к сопротивлению заземляющего устройства будет зима, а применительно к сопротивлению прикосновения – ранняя весна. Отметим также, что интервал времени, в течение которого соответствующая электрическая характеристика достигает наибольшего значения, на протяжении ряда лет может претерпевать значительные изменения. Потому в соответствии с требованиями ПУЭ параметры электрической структуры земли определяются для того сезона, в течение которого нормированная электрическая характеристика заземляющего устройства может принимать наибольшее значение.

Перейдем к изложению основных требований, предъявляемых к заземляющим устройствам отдельных групп электроустановок.

Заземляющиеустройстваэлектроустановокнапряжениемвыше 1 кВ с эффективно заземленной нейтралью целесообразно проектировать и сооружать исходя непосредственно из нормы напряжения прикосновения. При этом, как показали длительные исследования, заземляющие устройства имеют наилучшие технико-экономические показатели.

79

В то же время современные правила (7-е издание ПУЭ) допускают альтернативное формулирование требований к заземляющим устройствам: наряду с нормой напряжения прикосновения на территории электроустановки сохраняется и норма сопротивления заземляющего устройства (выполнение одной из этих норм освобождает от необходимости выполнять другую). Выбор же той или иной нормы при проектировании и сооружении заземляющих устройств оставлен на усмотрение проектных организаций.

Помимо соответствия характеристик заземляющего устройства одной из двух указанных выше норм заземляющее устройство должно отвечать также требованиям, относящимся к напряжению при стекании тока замыкания на землю и к его конструктивному выполнению. Напряжение на заземляющем устройстве не должно превышать 10 кВ. Напряжение выше 10 кВ допускается лишь на заземляющих устройствах, конструкция которых исключает вынос напряжения (потенциала) за пределы зданий и внешних ограждений электроустановки. При напряжении на заземляющем устройстве более 5 и до 10 кВ должны предусматриваться меры по защите изоляции отходящих кабелей связи и телемеханики и по предотвращению выноса опасного напряжения за пределы электроустановки.

Норма сопротивления заземляющего устройства установлена в 0,5 Ом (эквивалентное сопротивление совокупности искусственных и естественных заземлителей не должно превышать 0,5 Ом). При этом с целью уменьшения возможного напряжения прикосновения путем выравнивания электрического потенциала одновременно строго регламентирована конструкция заземляющего устройства.

На территории электроустановки, занятой заземляемым оборудованием, должна быть выполнена заземляющая сетка, образованная надежно электрически соединенными между собой горизонтальными продольными и поперечными заземлителями (электродами). Продольные заземлители следует прокладывать вдоль осей электрооборудования со стороны обслуживания на глубине 0,5–0,7 м от поверхности земли и на расстоянии 0,8–1 м от фундаментов или оснований оборудования. Допускается увеличение расстояний от фундаментов или оснований оборудования до 1,5 м с прокладкой одного заземлителя для двух рядов оборудования, если стороны обслуживания обращены друг к другу, а расстояние между фундаментами или основаниями двух рядов не превышает 3 м.

80

Подобное размещение продольных заземлителей должно способствовать значительному уменьшению напряжения прикосновения. Действительно, при прикосновении к оборудованию со стороны обслуживания люди будут находиться на расстоянии, не превышающем, как правило, 1 м, т.е. почти всегда над продольным заземлителем. При этом положении людей напряжение прикосновения должно иметь одно из наименьших значений.

Поперечные заземлители нужно прокладывать в удобных местах между оборудованием на глубине 0,5–0,7 м от поверхности земли. Расстояние между соседними поперечными заземлителями рекомендуется принимать увеличивающимся от периферии к центру заземляющей сетки.

При этом первое и последующие расстояния (шаги), начиная от периферии, не должны превышать соответственно 4; 5; 6; 7,5; 9; 11; 13,5; 16 и 20 м. Такие шаги поперечных заземлителей способствуют наиболее полному выравниванию электрических потенциалов в пределах территории, на которой расположена заземляющая сетка. В местах присоединения нейтралей силовых трансформаторов и короткозамыкателей к заземляющему устройству требуется прокладывать продольные и поперечные горизонтальные электроды (в четырех направлениях). Это требование основано на стремлении уменьшить рост напряжения прикосновения в местах ввода тока, обусловленный влиянием собственного продольного сопротивления горизонтальных электродов. Подчеркнем также обязательность прокладки горизонтальных электродов по периметру территории, на которой расположены заземляемое оборудование и заземлитель.

Если заземляющее устройство выходит за пределы огороженной территории электроустановки, то горизонтальные заземлители вне территории электроустановки следует прокладывать на глубине не менее 1 м. Внешний контур в этом случае рекомендуется выполнять в виде многоугольника с тупым или закругленными углами. Это требование направлено в первую очередь на уменьшение возможного напряжения, приложенного к телу человека по пути нога – нога (шаговое напряжение) вблизи вершин углов контура.

Когда контур заземляющего устройства расположен в пределах внешнего ограждения электроустановки, то для выравнивания электрического потенциала у входов и выходов на территорию

81

электроустановки требуется устанавливать дополнительно по два соединенных с заземлителем вертикальных электрода длиной 3–5 м. Расстояние между вертикальными электродами должно быть равно ширине входа или въезда.

Норма предельно допустимого напряжения прикосновения установлена в зависимости от возможной длительности воздействия (гл. 3). В качестве расчетного времени воздействия следует принимать сумму времени действия защиты и полного времени отключения выключателя. Причем при определении нормы напряжения прикосновения у рабочих мест, где при выполнении оперативных переключений могут возникать замыкания на конструкции, доступные для прикосновения производящему переключения персоналу, требуется принимать время действия резервной защиты, а для остальной территории электроустановки – основной защиты.

При выполнении заземляющих устройств в соответствии с нормой допустимого напряжения прикосновения размещение продольных и поперечных горизонтальных заземлителей подчинено необходимости ограничения напряжения прикосновения до нормы, а также удобству присоединения заземляемого оборудования. Вместе с тем

сцелью уменьшения влияния собственного продольного сопротивления горизонтальных заземлителей на напряжение прикосновения введено дополнительное требование: шаг между продольными и поперечными горизонтальными заземлителями должен быть не более 30 м. Глубина заложения горизонтальных заземлителей в землю должна быть не менее 0,3 м.

Исключение составляет прокладка горизонтальных заземлителей у рабочих мест, где допускается меньшая глубина заложения (в принципе у рабочих мест можно даже укладывать металлическую решетку с шагом 0,05–0,07 м непосредственно на поверхности земли

сцелью снижения возможного напряжения прикосновения практически до нуля). В обоснованных случаях у рабочих мест разрешается также выполнение гравийной или щебеночной подсыпки толщиной 0,1–0,2 м. Это мероприятие резко уменьшает возможное значение напряжения прикосновения.

Втребованиях, предъявляемых к заземляющим устройствам электроустановок напряжением выше 1 кВ с эффективно заземленнойнейтралью,значительноевниманиеуделенозаземлениюограды,

82

ее электрической связи с заземляющим устройством и конструктивному выполнению последнего вблизи ограды. Внешнюю ограду электроустановки не рекомендуется присоединять к заземляющему устройству. С целью исключения электрической связи ограды с заземляющим устройством расстояние ограды до элементов заземляющего устройства, расположенных вдоль нее как с внутренней, так и с внешней стороны, должно быть не менее 2 м. Выходящие за пределы ограды горизонтальные заземлители, трубы и кабели с металлической оболочкой должны быть проложены посередине между стойками ограды на глубине не менее 0,5 м.

В местах примыкания ограды к зданиям и сооружениям, а также в местах примыкания к ограде подстанционных металлических ограждений следует устанавливать кирпичные или деревянные вставки длиной не менее 1 м. Эти меры должны обеспечивать достаточную надежность электрического разделения ограды и заземляющего устройства.

В случаях, когда к электроустановке подходят воздушные линии напряжением 110 кВ и более, ограду требуется заземлять, но не путем соединения с заземляющим устройством электроустановки. Заземление ограды нужно выполнять с помощью вертикальных заземлителей длиной 2–3 м, установленных у стоек ограды по всему ее периметру через 20–50 м. Установка таких заземлителей не требуется у ограды с металлическими стойками из железобетона, арматура которых соединена электрически с металлическими звеньями ограды. В обоих случаях при обрыве провода и его падении на ограду необходимо обеспечить условия для возникновения тока замыкания на землю, достаточного для срабатывания релейной защиты.

Если невозможно выполнить мероприятия, предусмотренные для надежного электрического разделения ограды и заземляющего устройства, то требуется, наоборот, металлические части ограды надежно электрически соединить с заземляющим устройством и выполнить выравнивание потенциала так, чтобы напряжение прикосновения с внешней и внутренней сторон ограды не превышало нормы. При выполнении заземляющего устройства по норме для сопротивления с целью выравнивания потенциала должен быть проложен горизонтальный заземлитель с внешней стороны ограды

83

на расстоянии 1 м от нее и на глубине 0,5 м. Соединение этого заземлителя с заземляющим устройством должно быть выполнено не менее чем в четырех точках.

Для заземляющих устройств электроустановок выше 1 кВ с изолированной нейтралью и до 1 кВ с целью упрощения их расчета и проектирования не применяют в качестве нормы предельно допустимый ток, проходящий по телу человека, и напряжение прикосновения. Их использованием ограничиваются лишь на стадии обоснования требований, предъявляемых к сопротивлению заземляющих устройств.

Для заземляющих устройств электроустановок напряжением выше 1 кВ с изолированной нейтралью основной нормой фактически является напряжение на заземляющем устройстве. Это напряжение не должно превышать 125 В, если заземляющее устройство одновременно используют для электроустановок напряжением до 1 кВ, и 250 В при использовании заземляющего устройства только для электроустановок напряжением выше 1 кВ с изолированной нейтралью. Меньшее предельно допустимое значение напряжения в первом случае объясняется тем, что под это напряжение попадает нейтраль трансформатора и вся система зануления. Причем при отсутствии соответствующей быстродействующей релейной защиты подобный режим может оказаться весьма продолжительным.

С целью повышения уровня электробезопасности непосредственно на территории открытых электроустановок напряжением выше 1 кВ с изолированной нейтралью введено дополнительное требование к конструкции заземляющих устройств. Вокруг территории, на которой расположено подлежащее заземлению оборудование, необходимо прокладывать горизонтальный заземлитель на глубине менее 0,5 м. К этому «контурному» заземлителю должно подсоединяться все заземляемое оборудование. Такое выполнение заземляющего устройства направлено на уменьшение напряжения прикосновения до допустимых значений.

Кроме того, сопротивление заземляющего устройства не должно превышать 4 Ом, если заземляющее устройство одновременно используют для электроустановки напряжением 0,38 кВ с глухозаземленной нейтралью, и 10 Ом, если используют только электроустановку напряжением выше 1 кВ с изолированной нейтралью.

84

Значительная территория нашей страны расположена в зонах

сособымипочвенно-климатическимиусловиями:многолетняямерз- лота, пустыни, полупустыни и т.п. Интенсивное хозяйственное освоение этой территории сопровождается все ускоряющейся ее электрификацией. При этом требуется сооружать очень большое число различных заземляющих устройств.

Электрическая структура земли в зонах многолетней мерзлоты, пустынь, полупустынь и т.п. имеет обычно мощный верхний слой

свесьма большим удельным сопротивлением. В подобных условиях для достижения нормы сопротивления заземляющих устройств приходится значительно увеличивать их размеры, что неизбежно приводит к значительному росту затрат. В этом случае проводятся мероприятия, направленные на улучшение технико-экономических показателей заземляющих устройств. В частности, рекомендуется применять:

–вертикальные заземлители повышенной длины, если с глубиной от поверхности земли ее удельное сопротивление снижается, а естественные углубленные заземлители, например обсадные трубы скважин, отсутствуют;

–выносные заземлители, если вблизи (до 1–2 км) от электроустановок имеются места с меньшим удельным сопротивлением земли;

– укладку в траншеи с горизонтальными заземлителями в скальных структурах влажного глинистого грунта с последующей трамбовкой и засыпкой до верха траншеи щебня и т.п.

Если же эти мероприятия не обеспечивают приемлемых тех- нико-экономических показателей заземляющих устройств напряжением выше 1 кВ, то допускается увеличивать норму их сопротивления в ρl 500 раз, но не более чем в 10 раз (ρ – удельное сопротивление однородной земли, большее 500 Ом∙м).

В электроустановках напряжением до 1 кВ с заземленной нейтралью требования, предъявляемые к заземляющим устройствам, учитывают прежде всего особенности обеспечения электробезопасности людей при замыканиях на корпус. Сопротивление заземляющих устройств, к которым присоединяют нейтрали генераторов или трансформаторов или выводы источника однофазного тока, нормируют в зависимости от линейного напряжения в трехфазных сетях

85