11.6. Заземляющие устройства и растекание тока в грунте. Защитное заземление, зануление, от­ключающие аппараты

Рассмотрение явлений при растекании тока в грунте через зазем­ляющее устройство, представляющее собой электроды-заземлители различной формы, позволяет определить закономерность распределения потенциалов на поверхности земли. Это дает возможность предвидеть появление напряжения шага в опасной зоне, а также создать устрой­ства, обеспечивающие уменьшение напряжения шага и напряжения прикосновения между поврежденной ЭУ и землей.

При растекании тока в земле площадь сечения грунта как проводника увеличивается пропорционально x² от электрода; плотность тока соответственно уменьшается, рис. 11.6.

, (11.7)

где I_з - ток замыкания фаза-земля.

Распределение потенциалов на поверхности земли найдем с учетом изменения площади растекания тока в полусфере проводящей однородной среды грунта через полусферический электрод с радиусом r, т.к. при этих условиях физическая картина возникновения напряжения шага проявляется наиболее четко. Потенциалы точек на расстоянии от электрода

; (11.8)

при x = r, получим

(11.9)

наибольший потенциал на границе электрод-земля; наименьшений - при x  .

Максимальная разность потенциалов на поверхности грунта, кото­рую покажет вольтметр, будет между электродом-заземлителем и удален­ной в бесконечность точкой на поверхности земли (у источника).

Выражение (11.8) представляет собой уравнение равносторон­ней гиперболы, по закону которой уменьшаются потенциалы точек при удалении от заземлителя на поверхности земли.

Напряжение шага (разность потенциалов между точками, отстоящими на 0,8 м, что принято за размер среднего шага) на расстоянии бо­лее 20 м от электрода практически бесконечно мало при однородном по проводимости грунте. Однако, на практике напряжение шага может иметь опасное значение на расстоянии, значительно превышающем 20 м; например, упавший после грозы на землю провод высокого напряжения создает более высокую плотность тока в тонком верхнем увлажненном слое грунта. Следовательно, кривая потенциалов поднимется и распро­странится на большее расстояние.

Величина сопротивления растекания тока в однородном грунте при одиночном полусферическом электроде-заземлителе радиуса r получается из выражения (11.9), поделив его на I_з

(11.10)

При стержневом вертикальном электроде диаметра d, его дли­на l (верхний конец у поверхности грунта)

(11.11)

При горизонтальном на поверхности грунта

(11.12)

Полученные выражения для сопротивлений заземлителей различной формы не учитывают сопротивления самого металлического электрода и переходного сопротивления на границе металл-грунт, которые малы по сравнению с сопротивлением земли.

Параллельное соединение нескольких одиночных заземлителей позволяет уменьшить их общее сопротивление с учетом коэффициента их  взаимного экранирования, тогда сопротивление группового за­земляющего устройства, состоящего из n, электродов

, Ом; (11.13)

где  < 1 - зависит от расстояния - a между вертикальными электродами; ( = 1 при a > 2040 м);

 - коэффициент сезон­ности, который учитывает сезонные колебания проводимости грунта, зависящие от влажности почвы.

3ащитное заземление представляет собой элек­трическое соединение с землей металлических нетоковедущих частей электроустановок, которые могут оказаться под напряжением, с целью исключения электропоражения людей.

Заземление электрооборудования производится путем подключения корпусов к заземляющему устройству с помощью заземляющих проводни­ков.

Основные типы заземляющих устройств и способы размещения электродов представлены на рис. 11.7.

Равномерное размещение электродов непосредственно под заземля­емым оборудованием дает наилучший результат снижения напряжения при­косновения и шага, выравнивания потенциалов на поверхности земли, между корпусом электроустановки и основанием.

Рис. 11.8 иллюстрирует способ защиты переносной электроустанов­ки с помощью временного электрода-заземлителя в виде небольшого стержня и легкого листа металла, уложенного под ноги , которые долж­ны быть присоединены к стационарному заземляющему устройству. Напря­жение прикосновения для человека, стоящего на переносном заземлителе, в этом случае будет не больше, чем в случае нахождения на пло­щади контура стационарного заземляющего устройства.

Область применения защитного заземления: сети до 1000 В пере­менного тока трехфазные трехпроводные с изолированной нейтралью; однофазные двухпроводные изолированные от земли; сети постоянного тока двухпроводные изолированные; сети выше 1000 В с любым режи­мом нейтрали переменного или постоянного тока.

Кроме описанных выше искусственных заземляющих устройств для цели заземления рекомендуется использовать естественные заземлители, представляющие собой различные металлоконструкции, имеющие хороший контакт с грунтом. Это, например, железобетонные фундаменты зданий, металлические трубы водопроводов и артезианских колодцев (кроме труб горючих жидкостей и газов), свинцовые и стальные оболочки подземных кабелей и т.д.

Целесообразно применять естественные заземлители самостоятель­но и в сочетании с искусственными заземляющими устройствами.

Защитному заземлению подлежат металлические корпуса и нетоковедущие части электроустановок, электроинструмент и оборудование, которое из-за неисправности изоляции, индуктивного влияния высоко­вольтных сетей и других источников, атмосферного электричества и пр. могут оказаться под напряжением, а по условиям работы с ними могут соприкасаться люди.

Заземлению подлежит любое электрооборудование, расположенное во взрывоопасных помещениях независимо от напряжения питания.

Согласно действующим Правилам устройства электроустановок и ГОСТ ССБТ величина сопротивления заземления в любое время года в сетях до 1000 В не должна превышать значения R₀ = 2 Ом при U = 660/440 В; R₀ = 4 Ом при U = 380/220 В; R₀ =8 Ом при U = 220/127 B; R₀=0,5 Ом при U >1000 В.

Зануление представляет собой метод защиты электроустановок, питаемых от трехфазных четырехпроводных сетей с заземленной ней­тралью, как наиболее распространенных при напряжении U < 1000 В. Корпуса электроустановок присоединяются к нулевому защитному прово­ду, идущему от нейтральной (нулевой) точки, в которой соединены на­чала обмоток источника (трансформатора). Нулевой провод (нейтраль) имеет заземление у источника, иногда выполняются повторные зазем­ления нейтрали на случай ее обрыва. Величина общего сопротивления заземления с учетом повторных не должна превышать нормативных зна­чений R₀ (см. выше). Защитное действие зануления выражается двояко. Замыкание фазы на корпус по сути является коротким замыканием с большим током, от чего срабатывает автоматическая защита и электроустановка выключается. Напряжение прикосновения между корпусом и землей дополнительно снижается за счет заземления нейтрали и существует до момента отключения электроустановки, рис. 11.9а.

Отключающие аппараты или устройства защитного отключения (УЗО) представляют собой быстродействующую защиту, которая обеспечивает авто­матическое отключение электроустановки при замыкании фазы на корпус, в случае контакта человека с фазным проводом. УЗО условно делятся на сле­дующие типы устройств: реагирующие на потенциал корпуса, ток замыкания на землю, напряжение нулевой последовательности, ток нулевой последова­тельности, напряжение фазы относительно земли, оперативный ток и т.п.

Основными элементами УЗО являются аппарат защитного отключения и автоматический выключатель. Аппарат содержит: датчик, усилитель, цепь контроля, вспомогательные элементы. Основные требования, предъявляемые к УЗО: высокая чувствительность, малое время отключения, селективность действия, способность осуществлять самоконтроль исправности.

Область применения устройств защитного отключения практически не ограничена, они могут применяться в сетях любого напряжения и с любым режимом нейтрали. В сетях с изолированной нейтралью УЗО может обеспе­чить безопасность в случае прикосновения человека к токоведущей части, находящейся под напряжением.

Рис. 11.9б иллюстрирует контакт человека с проводом трехфазной сети с изолированной (заземленной) нейтралью. При этом в нагрузке трансформатора нулевой последовательности ТТНП возникает ток , про­порциональный текущему через человека I_h, который после сравнения и усиления подается в виде сигнала на отключение защищаемой сети. До контакта человека ток в датчике ниже порога срабатывания схемы аппара­та при равенстве токов нагрузки и через изоляцию I₁₃, I₂₃, I₃₃.

Электроинструмент и переносные светильники требуют применения комплексных мер защиты и строгого соблюдения требований электробезопас­ности. Эксплуатация переносных электроприборов часто производится на открытом воздухе либо в помещениях с повышенной влажностью, температу­рой с присутствием токопроводящей пыли и химически активных веществ.

Используемый для этих целей инструмент должен иметь двойную элек­трическую изоляцию, например, ручная электродрель с пластмассовой ру­кояткой и корпусом в дополнение к изоляции электрического двигателя и проводов имеет диэлектрический корпус, выполненный из ударопрочного ма­териала и выдерживающий длительные вибрации и перегрузки. Конструкция ручного электроинструмента и переносных светильников должна отвечать требованиям недоступности токоведущих частей и надежности изоляции пи­тающего электропровода.

Безопасность эксплуатации переносных и ручных электроустановок (электропотребителей) достигается использованием пониженного напряжения получаемого от аккумуляторов, понижающих трансформаторов. (Недопустимо использование автотрансформаторов, имеющих единую обмотку высокого и низкого напряжения, что не обеспечивает защиту и разделение сетей вы­сокого и низкого напряжения). Например, переносные светильники должны питаться от сети с напряжением не выше 36-42 В, а во влажный условиях - не выше 12 В. Следует иметь в виду, что в понижающих трансформаторах существует вероятность перехода высокого напряжения на низковольтную обмотку. Предотвращение этого опасного явления обеспечивает использова­ние трансформаторов с заземленным экраном (в виде металлической ленты или отдельной обмотки), который разделяет понижающую обмотку от высо­кого напряжения, а также заземляют один из полюсов низковольтной сети. Целесообразно применять заземление, зануление и устройства защитного отключения, а также индивидуальные электрозащитные средства при работе с электроинструментом и переносными электроустановками.