5. Защитное заземление. Зануление

Назначение и принцип действия защитных заземления и зануления. Во многих случаях причиной поражения человека электрическим током является прикосновение к металлическим частям электроустановок (корпусам электродвигателей, распределительных щитов и прочим, нормально не находящимися под напряжением), которые из-за нарушения изоляции оказываются под напряжением. Такое прикосновение называется косвенным.

Для предотвращения опасности такого поражения используются заземление и зануление.

Заземление – преднамеренное электрическое соединение данной точки системы или установки, или оборудования с локальной землей посредством заземляющего устройства

Локальная земля – часть земли, находящейся в контакте с заземлителем, электрический потенциал которой под влиянием тока, стекающего с заземлителя, может быть отличен от нуля. В случаях, когда отличие от нуля потенциала части земли не имеет принципиального значения, вместо термина «локальная земля» используют общий термин «земля».

Нулевой рабочий проводник N в электроустановке до 1000 В предназначен для обеспечения питания однофазных электроприемников (однофазное напряжение: рабочий N-проводник – фаза) и соединен с заземленной нейтралью трансформатора на подстанции.

Нулевой защитный проводник (РЕ) – проводник в электроустановках напряжением до 1000 В – соединяет зануляемые части в электроустановке до 1000 В с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях 3-фазного тока (корпус установки – защитный проводник РЕ).

Зануление применяется для защиты персонала от поражения электрическим током в случае замыкания электрической сети с открытыми проводящими частями электроустановки. Зануление – преднамеренное соединение открытых проводящих частей:

с другими открытыми проводящими частями;

со сторонними проводящими частями;

с заземлителями, заземляющим проводником или заземленной токоведущей частью.

Защита, создаваемая заземлением и занулением, осуществляется по двум направлениям.

Первое направление – понижение напряжения прикосновения (т. е. разности потенциалов между корпусом электроустановки и «землей»). Понижения напряжения прикосновения можно добиться как расположением электроустановки в зоне растекания тока в «земле» (например, при контурном заземлении), так и уменьшением падения напряжения между землей и корпусом электроустановки при расположении последней вне зоны растекания тока (выносное заземление). В дальнейшем будет рассматриваться только этот случай.

Второе направление – отключение поврежденного участка сети.

Применение защитного заземления или зануления в 3-фазных сетях переменного тока обусловлено особенностями этих сетей, номинальным напряжением, способом подсоединения нейтрали и регламентируется Правилами устройства электроустановок (ПУЭ).

Для электроустановок, работающих в 3-фазных сетях переменного тока, следует рассмотреть три характерных случая: 1) сети с изолированной нейтралью и напряжением до 1000 В; 2) сети с глухозаземленной нейтралью с напряжением выше 1000 В; 3) сети с глухозаземленной нейтралью и напряжением до 1000 В.

Сети с изолированной нейтралью. Здесь, независимо от напряжении сети, используется только защитное заземление (рис. 20). Его цель – снизить до безопасной величины напряжение прикосновения.

R_и

Рис. 20. Сеть с изолированной нейтралью

Ток замыкания на «землю» I_ЗМ, вызванный пробоем изоляции одной из фаз на корпус, протекает по цепи: фаза А – корпус установки – защитное заземление Т₁ – сопротивления изоляции R_B, R_C – фазы В и С и определяется по формуле (без учета емкости проводов)

I_зм = U_ф / (R_T + R_и / 3),

где U_ф – фазное напряжение; R_T1 – сопротивление защитного заземлителя Т; R_и – сопротивление изоляции фаз относительно «земли»,

R_и = R_А = R_B = R_C.

Как правило, сопротивление защитного заземлителя R_T намного меньше сопротивления изоляции фазных проводов R_и, а поэтому ток замыкания на «землю» I_зм, вызванный пробоем изоляции одной из фаз на корпус, практически не зависит от изменения R_T, следовательно, заземление (т. е. уменьшение R_T) приводит к уменьшению напряжения прикосновения U_пр, поскольку U_пр = I_зм · R_T.

Очевидно, что защитное заземление в сетях с изолированной нейтралью эффективно только при хорошей изоляции фаз относительно земли.

Сети с заземленной нейтралью напряжением более 1000 В (система ТТ). В таких сетях (рис. 21) в случае пробоя одной из фаз на корпус возникает ток замыкания на «землю» I_зм, который проходит по цепи: фаза А – корпус – заземляющее устройство Т₁ – «земля» – заземление нейтрали источника Т – нейтраль – фаза А. В этом случае ток замыкания определяется по формуле

I_зм = U_ф / (R_T1 + R_T),

где R_T – сопротивление заземления нейтрали; R_T1 – сопротивление защитного заземлителя.

Рис. 21. Сеть с глухозаземленной нейтралью напряжением более 1000 В

Поскольку сопротивление заземления нейтрали R_T мало (единицы ом), уменьшение сопротивления защитного заземлителя R_T1 приводит к значительному увеличению тока I_зм и лишь к небольшому уменьшению напряжения прикосновения U_пр. Делать же сопротивление защитного заземлителя R_T1 намного меньше сопротивления заземления нейтрали R_T нецелесообразно, так как заземляющее устройство установки получится слишком громоздким.

Выходом из положения является установка предохранителей, отключающих поврежденную фазу при прохождении через нее аварийного тока I_зм. Этот ток в установках с напряжением свыше 1000 В считается током короткого замыкания I_кз, по величине он намного превосходит рабочие токи и поэтому предохранители уверенно срабатывают. В этом случае защитное заземление служит для отключения поврежденного участка.

Сети с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В. Электроустановки, работающие в сетях с напряжением до 1000 В, имеют сопротивление нагрузки, сравнимое по величине с суммарным сопротивлением R_T и R_T1 (рис. 22). Следовательно, эксплуатационные токи в этих установках, особенно при пуске, будут мало отличаться от токов замыкания на «землю». Система защиты, представленная на рис. 21, оказывается непригодной, так как в этом случае аварийный ток I_кз может быть недостаточным для срабатывания защиты, установленной на максимально допустимые рабочие токи. И для увеличения аварийного тока I_кз используется зануление (рис. 22).

При замыкании одной из фаз на корпус аварийный ток I_кз будет проходить по петле «фаза – нуль», т. е. по замкнутому контуру, образованному обмоткой трансформатора, фазным и нулевым проводами (фаза «А» – корпус установки – провод, соединяющий корпус с проводом РЕ – нулевой защитный проводник РЕ – нейтраль – фаза «А»).

Сопротивление петли «фаза–нуль» Z_п составляет обычно доли ом, поэтому величина тока I_кз оказывается достаточно большой для уверенного срабатывания предохранителей.

Рис. 22. Сеть с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В

Следует отметить необходимость повторного заземления нулевого провода. Нетрудно показать, что многократно заземляя нулевой провод, можно снизить сопротивление прикосновения к электроустановке до такой величины, которая будет безопасной для человека в течение времени срабатывания защиты (0,2–1 с). В случае обрыва нулевого провода, благодаря повторному заземлению (Т₂) все зануленные установки будут также находиться под пониженным напряжением.

Требование к занулению. Основное назначение зануления – обеспечение надежного срабатывания токовой защиты. Для отключения поврежденного участка сети используются плавкие предохранители и автоматические выключатели. Согласно ПУЭ зануление считается пригодным, если ток однофазного короткого замыкания I_кз не менее чем в три раза превышает номинальный ток нагрузки фазы сети I_ном.

Сопротивление петли «фаза – нуль» Z_п рассчитывается или измеряется.

Нулевой провод должен надежно соединять все зануляемые корпуса с нейтралью источника и заземлителями. Все соединения нулевого провода делаются сварными. Проводимость нулевого провода должна составлять не более 50% проводимости фазного провода.

Контроль заземления заключается во внешнем осмотре заземляющего устройства и измерении сопротивления заземлителя.

Сопротивление повторных заземлителей R_пз согласно ПУЭ зависит от сопротивления заземления нейтрали электроустановки:

при R_T < 4 Ом R_пз < 10 Ом;

Рис. 23. Метод трех измерений с использованием миллиамперметра (mA), вольтметра (V), контрольного электрода Т1 и вспомогательных заземлителей Т2 и Т3

при R_T < 10 Ом R_пз < 30 Ом.

Контроль заземления. Сопротивление заземляющего устройства можно измерить с помощью специального прибора – измерителя сопротивления заземления. Можно рассчитать сопротивление заземляющего устройства, используя данные измерений. В этом случае для измерений применяют вольтметр и амперметр – метод вольтметра и амперметра или метод трех измерений (рис. 23).

Для исключения влияния поляризации грунта при определении сопротивления контрольного электрода методом трех измерений используется только переменное напряжение.

При оценке сопротивления контрольного электрода R_кэ (заземлителя Т₁) методом трех измерений необходимо получить токи I₁, I₂ и I₃. Для этого используют два вспомогательных электрода Т₂ и Т₃, которые заглублены в грунт («землю»). Расстояние между контрольными электродами должно быть не менее 40 м друг от друга.

Амперметром измеряются токи I₁, I₂, I₃, проходящие по цепи: T₁(R₁) – T₂(R₂); T₁(R₁) – T₃(R₃); T₂(R₂) – T₃(R₃). Вольтметром измеряются напряжения между точками: T₁ – T₂ (U₁), T₁ – T₃ (U₂), T₂ – T₃ (U₃).

В результате получаем систему из трех уравнений:

R₁ + R₂ = U₁/ I₁;

R₁ + R₃ = U₂ / I₂;

R₂ + R₃ = U₃ / I₃,

откуда при U₁ = U₂ = U₃ = U получаем значение сопротивления контрольного электрода

R_кэ = .

В соответствии с ПУЭ обязательно заземляются (зануляются) корпуса всех электроустановок:

во взрывоопасных помещениях при любом напряжении;

в помещениях с повышенной опасностью при напряжении более 50 В переменного и 120 В постоянного тока;

в особо опасных помещениях, а также на открытом воздухе при напряжении более 12 В переменного и 30 В постоянного тока;

во всех остальных случаях независимо от рода тока при напряжении более 500 В.

ПУЭ устанавливает следующие нормы на величину сопротивления заземления:

сопротивление заземляющего устройства Т электроустановки напряжением до 1000 В в сети с изолированной нейтралью должно быть не более 4 Ом. При номинальной мощности сети менее 100 кВА (100 кВт) зеземляющие устройства могут иметь сопротивление не более 10 Ом;

в электроустановках напряжением выше 1000 В сопротивление заземляющего устройства R_T должно быть не более 0,5 Ом при расчетных токах замыкания на «землю» I_зм выше 500 А;

в электроустановках с напряжением выше 1000 В и при расчетных токах замыкания на «землю» I_зм менее 500 А сопротивление заземляющего устройства R_T не должно превышать 10 Ом, т. е. R_T 250/ I_зм Ом.

Устройство заземления. Для обесечения незначительного сопротивления растеканию тока в земле служат заземлители, представляющие собой металлическую конструкцию, погруженную в землю. Электроустановки соединяются с заземлителями заземляющими проводниками. Совокупность заземлителя и заземляющего проводника называется заземляющим устройством.

Основное требование к заземлителю – большая поверхность его металлического контакта с землей.

Заземлители делятся на естественные и искусственные.

К естественным заземлителям можно отнести металлоконструкции, расположенные в земле и уже выполняющие те или иные специальные функции, например, металлические конструкции зданий и сооружений, металлические опоры антенных устройств, водопроводные и металлические канализационные трубы, металлические оболочки кабелей.

Запрещается использовать в качестве заземлителей трубопроводы горючих жидкостей и газов, а также магистрали водяного отопления.

Искусственные заземлители применяются в тех случаях, когда естественные заземлители отсутствуют или их сопротивление больше допустимой нормы. В последнем случае искусственный заземлитель включается параллельно с естественным.

Искусственный заземлитель, как правило, состоит из вертикальных элементов (стержней, труб), соединенных между собой полосовым металлом (шиной). Соединения шины и стержней делаются сварными. Такой заземлитель называется сложным. Чаще всего применяются стальные прутки или трубы длиной 1,5 м и диаметром 2…5 см, погруженные в землю на глубину до 1,5 м (от верхнего конца). На этом же уровне прокладывается соединительная шина.

В качестве элементарных заземлителей при расчете сложного заземлителя рассматриваются как вертикальные элементы, так и соединительная шина.

Проводники, находящиеся в земле, оказывают друг на друга экранирующее влияние, препятствующее растеканию тока в земле, и тем самым, увеличивающее общее сопротивление заземлителя. Это явление учитывается коэффициентами:

_СТ – коэффициент использования заземлителей из стержней или труб при их расположении в ряд и по контуру;

_П – коэффициент использования соединенной полосы заземлителей из стержней или труб при расположении их в ряд и по контуру.

Если проводники находятся на расстоянии более 40 м друг от друга, эффект экранирования исчезает и общее сопротивление элементарных заземлителей рассчитывается как сопротивление при их параллельном включении.

Величина удельного сопротивления грунта , Ом см, различна для каждого вида грунта и, кроме того, может меняться в силу различных причин, главной из которых является влажность грунта. Последняя учитывается климатическим коэффициентом .

Контрольные вопросы

1. Что называется защитным заземлением (занулением)?

2. В каких сетях применяется защитное заземление (зануление) и почему?

3. Зачем необходимо повторное заземление нулевого провода?

4. Что такое естественный заземлитель? Какие конструкции можно использовать в качестве естественного заземлителя, а какие – нельзя?

5. Что представляет собой сложный заземлитель? От чего зависит его сопротивление?

6. В чем состоит метод трех измерений?

7. Как определяется удельное сопротивление грунта?

8. Почему необходимо контролировать сопротивление «петли фаза-нуль»? Как производится контроль?

9. Какие нормы устанавливаются на защитное заземление?

ПРИЛОЖЕНИЕ 1