Технические средства безопасной эксплуатации электроустановок при переходе напряжения на нормальнонетоковедущие части

Защитное заземление (рис. 3.7) – это преднамеренное электрическое соединение с землей или с ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Назначение защитного заземления – устранение опасности поражения людей электрическим током при появлении напряжения на конструктивных частях электрооборудования, то есть при замыкании на корпус. Принцип действия защитного заземления – снижение до безопасных значений напряжений прикосновения и шага, обусловленного замыканием на корпус. Это достигается снижением потенциала заземленного оборудования, а также выравниванием потенциалов за счет поднимания потенциала основы, на которой стоит человек, к потенциалу, близкому по значению к потенциалу заземленного оборудования.

Область применения защитного заземления – трехфазные сети напряжением до 1000 В с любым режимом нейтрали.

Заземляющее устройство – это совокупность конструктивно объединенных заземляющих проводников и заземлителя.

Заземляющий проводник – это проводник, который соединяет заземляемые объекты с заземлителем. Если заземляющий проводник имеет два или больше ответвлений, то он называется магистралью заземления.

Заземлитель – это совокупность объединенных проводников, которые находятся в контакте с землей или с ее эквивалентом. Различают заземлители искусственные, предназначенные исключительно для заземления, и естественные металлические предметы, которые находятся в земле.

В качестве искусственных заземлителей применяют вертикальные и горизонтальные электроды. В качестве вертикальных электродов используют стальные трубы диаметром 3-5 см и стальные уголки размером от 40x40 до 60x60 мм длиной 2,5-3 м. Можно также использовать стальной кругляк диаметром 10-12 мм. Для соединения вертикальных электродов используют ленточную сталь сечением не менее 4x12 мм и сталь круглого сечения диаметром не менее 6 мм. Для установки вертикальных заземлителей предварительно роют траншею глубиной 0,7-0,8 м, потом при помощи механизмов забивают трубы или уголки.

В качестве естественных заземлителей можно использовать:

- проложенные в земле водопроводные и другие металлические трубопроводы, за исключением трубопроводов горючих жидкостей, горючих или взрывоопасных газов, а также трубопроводы, покрытые изоляцией для защиты от коррозии;

- обсадные трубы артезианских колодцев, скважин, шурфов;

- металлические конструкции и арматуру железобетонных элементов зданий и сооружений, которые соединены с землей;

Рис. 3.7. Защитное заземление

а – устройство выносного заземления (1 – заземлители; 2 – соединительный проводник;

3 – заземляемое оборудование); б – схема прикосновения человека к корпусу при выносном заземлении и замыкании фазы на корпус

- свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле. Естественные заземлители имеют преимущественно малое сопротивление растеканию тока, поэтому использование их в качестве заземлителей позволяет экономить значительные средства. Недостатком естественных заземлителей является доступность их неэлектротехническому персоналу и возможность нарушения непрерывности соединения протяженных заземлителей. В качестве заземляющих проводников, предназначенных для соединения заземляемых частей с заземлителем, применяют ленточную и круглую сталь. Заземляющие проводники прокладывают открыто по конструкциям здания, в том числе по стенам на специальных опорах. Заземляемое оборудование присоединяют к магистрали заземления при помощи отдельных проводников. При этом последовательное заземление оборудования не допускается.

Согласно требованиям Правил устройства электроустановок сопротивление защитного заземления в любое время года не должно превышать:

- 4 Ом – в установках напряжением до 1000 В; если мощность источника тока (генератора или трансформатора) 100 кВА и меньше, то сопротивление заземляющего устройства допускается до 10 Ом;

- 0,5 Ом – в установках напряжением более 1000 В с эффективно заземленной нейтралью;

- , но не больше 10 Ом – в установках напряжением более 1000 В с изолированной нейтралью; если заземляющее устройство одновременно используют для электроустановок напряжением до 1000 В, то сопротивление заземляющего устройства не должно превышать, но не более 10 Ом (или 4 Ом, если это требуется для установок до 1000 В). ЗдесьI₃ – ток замыкания на землю, А.

Защитному заземлению подлежат металлические нетоковедущие части оборудования, которые из-за неисправности изоляции могут оказаться под напряжением и к которым возможно прикосновение людей или животных. При этом в помещениях с повышенной опасностью и в особо опасных по условиям поражения током, а также во внешних установках заземление обязательно при номинальном напряжении электроустановки более 42 В переменного и более 110 В постоянного тока, а в помещениях без повышенной опасности – при напряжении 380 В и выше переменного тока: 440 В и выше – постоянного тока. Только во взрывоопасных помещениях заземление выполняется независимо от значения напряжения установки.

Заземлению не подлежат корпуса электрооборудования, аппаратов и электромонтажных конструкций, установленные на заземленных металлических конструкциях, распределительных устройствах, в щитах, шкафах, на станинах станков, машин и механизмов, при условии надежного электрического контакта с заземленным основанием, арматура изоляторов всех типов, растяжки, кронштейны и осветительная арматура при установке их на деревянных опорах воздушных линий электропередач или на деревянных конструкциях открытых подстанций.

Зануление (рис. 3.8) – это преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Это основное средство защиты от поражения людей током в случае прикосновения к корпусу электрооборудования и к металлическим конструкциям, которые оказались под напряжением вследствие повреждения изоляции или однофазного короткого замыкания в электроустановках напряжением до 1000 В в сети с заземленной нейтралью. Назначение зануления то же, что и заземления: устранить опасность поражения людей током при пробивании фазы на корпус.

Это достигается автоматическим выключением поврежденной установки от электрической сети. Принцип действия зануления – превращение пробивания на корпус в однофазное короткое замыкание с целью вызвать ток большой силы, способный обеспечить срабатывание защиты и благодаря этому автоматически отключить поврежденную установку от электрической сети. При пробивании фазы на корпус ток идет через трансформатор, фазный провод, предохранитель, корпус электроустановки, нулевой провод. Ввиду того, что сопротивление при коротком замыкании мало, ток достигает значительных величин и защитное устройство срабатывает. Для того, чтобы произошло быстро и надежное отключение, необходимо, чтобы ток короткого замыкания превышал ток установки отключающего аппарата:

I_к.з. = К·I_ном , (3.9)

где I_к.з. – ток короткого замыкания, А; I_ном – номинальный ток плавкой вставки или ток уставки автомата, А; k – коэффициент кратности тока короткого замыкания относительно тока уставки.

Рис. 3.8. Принципиальная схема зануления

1 – корпус; 2 – аппараты защиты от токов короткого замыкания (плавкие предохранители, автоматы); R₀ – сопротивление заземления нейтрали источника тока; R_II – сопротивление повторного заземления нулевого защитного проводника; I_к – ток короткого замыкания.

Однако зануление как защитное средство не обеспечивает в полной мере безопасность. Во время короткого замыкания в нулевом проводе возникает опасность поражения, которая будет существовать, пока не произойдет отключение поврежденного оборудования благодаря сгоранию предохранителя или отключению аппарата. Зануление используется в трехфазных электрических сетях напряжением до 1000 В с глухозаземленой нейтралью.

Защитное отключение – это быстродействующая защита, которая обеспечивает автоматическое отключение электроустановки при возникновении опасности поражения током. Опасность поражения может возникнуть и при замыкании фазы на корпус электрооборудования при снижения сопротивления изоляции фаз относительно земли ниже определенной границы вследствие повреждения изоляции, замыкания фаз на землю, при появлении в сети более высокого напряжения, вследствие замыкания в трансформаторе между обмотками высшего и низшего напряжений, при случайном прикосновении человека к токоведущим частям, которые находятся под напряжением. В этих случаях происходит изменение электрических параметров электроустановки и сети. Изменение этих параметров до определенной границы, при которой возникает опасность поражения человека электрическим током, может стать сигналом, который вызывает срабатывание устройства защитного отключения (УЗО), то есть автоматическое выключение поврежденной установки. Основными частями УЗО являются прибор защитного выключения и автоматический выключатель (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Принципиальная схема устройства защитного отключения, который

реагирует на напряжение корпуса относительно земли:

1 – корпус; 2 – автоматический выключатель; K_B – катушка выключающая; H – реле напряжения максимальное; R₃ – сопротивление защитного заземления; R_Д – сопротивление дополнительного заземления

Прибор защитного отключения – совокупность отдельных элементов, которые, реагируют на изменение любого параметра электрической сети и дают сигнал на отключение автоматического выключателя. К этим элементам относится датчик. Это устройство, которое воспринимает изменения электрических параметров и превращает их в соответствующий сигнал. В качестве датчика используют реле соответствующего типа.

Автоматический выключатель используется для включения и отключения цепи под нагрузкой и при коротком замыкании. Он выключает защищаемую электроустановку при поступлении сигнала от прибора защитного отключения. В сетях напряжением до 1 кВ в качестве таких выключателей в устройствах защитного выключения применяются контакторы, оборудованные электромагнитным управлением в виде удерживающей катушки, магнитные пускатели, трехфазные контакторы переменного тока, оборудованные тепловым реле для автоматического отключения при перегрузке потребителей. Тип защитно-отключающего устройства зависит от параметра электрической сети, на который он реагирует: напряжение корпуса относительно земли, ток замыкания на землю, напряжение фазы относительно земли, напряжение нулевой последовательности, ток нулевой последовательности и оперативный ток. К устройствам защитного отключения предъявляются следующие требования: высокая чувствительность (способность реагировать на малые изменения входной величины сигнала, малое время отключения (не более 0,2 сек.), селективность работы (способность отключать напряжение только от поврежденного оборудования), самоконтроль (способность отключать оборудование при неисправности устройства защитного отключения), надежность.

Защитное отключение рекомендуется применять в качестве основного или вспомогательного защитного средства, если безопасность не может быть обеспечена путем устройства заземления или по экономическим соображениям.

Защитное отключение используется в электроустановках напряжением до 1000 В в следующих случаях:

- в передвижных электроустановках с изолированной нейтралью, когда устройство заземления затруднительно;

- в стационарных установках при использовании электрифицированного инструмента;

- в условиях повышенной опасности поражения электрическим током и взрывоопасности.

Широко используются защитно-отключающие устройства в бытовых электроустановках.