Контрольні запитання

1. Перелічіть заходи захисту від дотику до частин електроустановок, що перебувають під напругою.

2. Як часто перевіряють величину опору ізоляції в електропроводках, якою вона повинна бути і що треба зробити, коли вона була меншою за норму?

3. Чому в шахтах і на торфорозробках застосовують електричні мережі напругою до 1000 В з незаземленою нейтраллю, а в сільському господарстві — із заземленою?

4. Як можна перевірити відсутність напруги на вимкнених для роботи струмопровідннх частинах при номінальній напрузі 220/127 В, 380/220 В, 660 В, 10 кВ?

Мал. 2.7.2. Переносні заземлення з штангами для їх накладання: а — ШЗЛ-10; б — ШЗП-15 (показано один з трьох контактів); 1 — пружний затискач; 2 — штанга для накладання заземлення; 3 — заземлюючий провід; 4 — рамка з карабіном для підвішування до пояса монтера; 5 — струбцина; 6 — заземлювач-бур; 7 — ґвинтовий затискач.

Розділ 2.8. Захисне заземлення і занулення

2.8.1. Принцип захисного заземлення

Корпус електродвигуна або трансформатора, арматура електричного світильника або труби електропроводки нормально не перебувають під напругою відносно землі завдяки ізоляції від струмопровідних частин. Проте в разі пошкодження ізоляції будь-яка з цих металевих частин може виявитися під напругою, яка нерідко дорівнює фазній. Електродвигун з пробитою на корпус ізоляцією часто електрично з’єднаний з машиною, яку він приводить у рух, наприклад встановлений на верстаті. Робітник, що взявся за рукоятки керування верстатом, може несподівано потрапити під напругу. Щоб зменшити небезпеку ураження людей при пошкодженні ізоляції струмопровідних частин, вживають заходів, серед яких найбільш поширені захисне заземлення металевих частин електроустановок, що нормально не перебувають під напругою, і занулення їх. Захисне заземлення застосовують в установках напругою понад 1000 В при будь-якому режимі нейтралі і в установках до 1000 В з незаземленою нейтраллю, а занулення — в установках до 1000 В із заземленою нейтраллю.

Захисне заземлення полягає в тому, що заземлювані металеві частини з’єднують електричним провідником із заземлювачем, тобто з металевим предметом, який перебуває в безпосередньому контакті із землею або з групою таких предметів. Найчастіше — це стержні з кутової сталі, забиті в землю вертикально і з’єднані між собою під землею привареною до них стальною штабою. Завдяки захисному заземленню напруга, під яку може потрапити людина, що доторкнулась до заземленої частини, значно знижується. Проте неправильною є думка, що ця напруга дорівнює нулю, оскільки все, що електрично зв’язано із землею, повинно мати потенціал землі, тобто нуль. Справа в тому, що землю можна розглядати як електричний провідник з деяким опором електричному струму, із зменшенням напруги вздовж шляху струму, тобто з різним потенціалом точок землі біля заземлювача і на великій відстані від нього, де потенціал справді можна вважати нульовим.

Якщо уявити собі заземлювач у вигляді півсфери (мал. 2.8.1), то струм у землі розтікається в усі боки від цього заземлювача в радіальних напрямах. Переріз «земляного» провідника визначають поверхнею півсфер того чи іншого радіуса, і в міру збільшення радіуса переріз зростає. Відповідно зменшується опір ґрунту розтіканню струму. Як показують досліди, зменшення напруги на ділянці однорідного ґрунту радіусом 1 м від поверхні заземлювача становить близько 68 % усієї напруги на заземлювачі, тобто напруги між заземлювачем і точками нульового потенціалу, які розміщуються на відстані близько 20 м від такого заземлювача. Крива зміни потенціалу на поверхні землі є гіперболою. Приблизно такий самий, як і на мал. 2.8.1, має вигляд ця крива при іншій конструкції зосередженого заземлювача.

Мал. 2.8.1. Розтікання струму в землі від зосередженого заземлювача і крива зміни потенціалу на поверхні землі в міру віддалення від заземлювача.

На відстані понад 20 м від одиночного зосередженого заземлювача зменшення напруги в шарах землі від струму, що розтікається із заземлювача, вже практично не виявляється, тобто потенціал може умовно вважатися таким, що дорівнює нулю. Простір навколо заземлювача, де є помітний електричний потенціал від струму, що стікає із заземлювача, називається зоною розтікання. По суті опір розтіканню струму і заземлювача — це опір півсфери ґрунту з радіусом, що дорівнює радіусу зони розтікання. Опір заземлювача відносно землі (тобто відносно точок ґрунту з нульовим потенціалом, що є поза зоною розтікання струму) містить, крім опору розтіканню струму в землі, також опір струму при проходженні його по самих заземлювачах і перехідний опір в електричному контакті між металевим заземлювачем і найближчими до нього шарами ґрунту. Останні дві складові дуже малі порівняно з першою, навіть якщо заземлювачі стальні і покриті шаром іржі (але не фарби!). Тому під опором заземлювача часто розуміють його опір розтіканню, але точніше — це відношення напруги на ньому (його потенціалу) до струму, який через нього проходить в землю R_з = U_з/I_з.

Опором заземлюючого пристрою називається опір розтіканню заземлювача плюс опір заземлюваних провідників, що з’єднують заземлювач із заземлюючими частинами електроустановки. Напруга на заземленому корпусі електроустаткування U_к відрізняється від напруги заземлювача U_з на величину зменшення напруги в заземлюваних провідниках, що з’єднують корпус із заземлювачем. Але можна вважати U_к  U_з.

Хоч за межами поля розтікання струм у землі практично не виявляється, не можна вважати, що в цьому місці його немає. У мережі з незаземленою нейтраллю струм із проводу, де пошкоджена ізоляція, проходить через заземлювач і землю на проводи інших фаз, через активний опір їхньої ізоляції і через ємнісні опори цих проводів відносно землі. В мережі із заземленою нейтраллю струм від місця замикання йде здебільшого до цієї нейтралі, але не тільки по шляху з найменшим індуктивним опором (безпосередньо під проводами лінії), а й по інших лініях, що схожі на силові лінії поля. На величину струму, що проходить через захисне заземлення, впливає опір усіх елементів кола цього струму, в тому числі опір заземлювача нейтралі. Якщо нейтраль не заземлена, то цей струм залежить майже виключно від ємності мережі відносно землі (тобто від довжини) і від номінальної напруги мережі.

На мал. 2.8.2. показано мережу без заземленої точки з опором ізоляції проводів відносно землі r₁ і r₂. Після пробою ізоляції одного з проводів на металевий корпус, зв’язаний із захисним заземленням, що має опір розтіканню струму в землі r₃, цей корпус матиме відносно ділянок землі з нульовим потенціалом напругу, що дорівнюватиме зниженню напруги на r₃, від струму через нього:

Мал. 2.8.2. Захисне заземлення в однофазній мережі без заземленої точки.

Оскільки r₂ >> r₃, струм I₃ від величини r₃ практично не залежить, а U_K прямо пропорційна величині r₃. Тому із зменшенням r₃ зменшується і напруга, яку може мати заземлений предмет. Зменшується і небезпека від дотику до нього. Проте така сама напруга виникає на корпусах і непошкодженого устаткування, приєднаних до того самого захисного заземлення. Це один з недоліків заземлення як захисного заходу.

Так само діє захисне заземлення і в трифазних установках з незаземленою нейтраллю, наприклад в установках з номінальною напругою 6–35 кВ. Напруга відносно землі, під якою може виявитись корпус устаткування а, б або в з пробитою ізоляцією (мал. 2.8.3.), якщо немає захисного заземлення а, залежить від опору ізоляції фаз відносно землі і теоретично може бути в межах від 0 (при r_а = 0) до лінійної U_Л (при r₃ = 0 або r_n = 0, але r_а  0).

Мал. 2.8.3. Захисне заземлення в трифазній мережі з незаземленою нейтраллю.

При захисному заземленні з опором r₃, напруга на корпусі тим менша, чим менший r₃. Проте в цих мережах можливий такий недолік захисного заземлення. Якщо ізоляція двох інших фаз досить добра, а ємність їх відносно землі мала, струм замикання на заземлений корпус (наприклад, б) може бути настільки малим, що напругу на корпусі U_KБ людина не відчуває, хоч напруга двох інших фаз відносно землі збільшується від фазної до лінійної. Ізоляція цих фаз може не витримати напруги, що збільшується, і виявитися пошкодженою в іншому апараті, який має своє захисне заземлення (в). Струм подвійного замикання піде на землю і за величиною наближатиметься до струму короткого замикання двох фаз, створюючи великий спад напруги на опорах заземлення обох пошкоджених апаратів r_3б і r_3в. Очевидно, хоч би якими маленькими були величини r_3б і r_3в, зменшення напруги на них, а отже, і напруги на корпусах U_KБ і U_KВ залежатиме від співвідношення між r_3б і r_3в і від лінійної напруги мережі. Практично завжди буде небезпека електроураження. Наприклад, при r_3б = r_3в і U_Л = 10 кВ матимемо U_KБ = U_KВ = 0,5U_Л = 5 кВ.

Ділянка мережі з подвійним замиканням на землю звичайно автоматично вимикається за час, що не перевищує 2–3 с, але до моменту вимкнення заземлення не захищає людей. Тому тривалість роботи мережі з однофазним замиканням на землю обмежують. На торфорозробках і в інших місцях з особливо небезпечними умовами праці взагалі забороняється працювати при однофазному замиканні на землю — застосовується негайне автоматичне вимкнення.

В установках напругою понад 1 кВ з глухим заземленням нейтралі трансформатора (установки з номінальною напругою 110 кВ і більше) захисне заземлення зменшує напругу на заземлених частинах устаткування, які тимчасово виявились під напругою при пробої ізоляції однієї фази, а потім автоматичні пристрої релейного захисту від однофазних коротких замикань вимикають пошкоджену частину електроустановки за кілька секунд або навіть часток секунди.

Якщо людина, перебуваючи на землі в потенціальному полі заземлювача, доторкнеться до заземленого корпуса устаткування з пошкодженою ізоляцією, вона потрапить під дію різниці потенціалів між корпусом і точкою поверхні землі, на якій вона стоїть (мал. 2.8.1). Цю різницю називають напругою дотику U_дот. Вона взагалі становить лише частину напруги заземлювача або напруги на корпусі U_К, що дорівнює їй, відносно точок землі з нульовим потенціалом:

U_дот = U_К = I_з R_з,

де I_з — струм, що стікає із заземлювача; R_з — опір заземлювача;  — коефіцієнт дотику, менший за одиницю, що показує, яку частину від напруги на корпусі становить напруга дотику.

Величини  і U_дот залежать від відстані між ногами людини і заземлювачем (чим далі, тим більше) і від крутизни кривої зменшення потенціалу, яка може бути більш пологою при складній конструкції заземлювача (чим пологіше, тим кращі умови безпеки). До тіла людини прикладено лише частину напруги дотику, тому що послідовно з опором тіла ввімкнений електричний опір взуття, підлоги і опір розтіканню струму в землі від ніг людини. На цих опорах втрачається частина напруги під час проходження струму через людину. Часто під напругою дотику розуміють саме зменшення напруги в тілі людини.

Між точками дотику ніг людини, що йде, із землею в потенціальному полі заземлювача є різниця потенціалів, яку називають кроковою напругою U_КР. Як видно з мал. 2.8.1, вона тим більша, чим ближче людина до заземлювача і чим більший її крок. При розрахунках беруть до уваги, що в людини крок дорівнює 0,8 м. У великої худоби відстань між передніми і задніми ногами значно більша, а тому і напруга кроку, що діє на них, вища; вона також більш небезпечна, ніж для людей, ще й тому, що спричинений ними струм проходить у тварин через грудну клітку. Тому, наприклад, корова може загинути при значно меншій напрузі на заземлювачі, до якого вона наближається (або на більшій відстані від проводу, що впав на землю), ніж людина, хоч для великих тварин значення смертельних струмів набагато більші, ніж для людей. Установлено, що при одиночному вертикальному стержньовому заземлювачі струм через нього 3,5 А вже може утворити смертельну для тварин крокову напругу. За аналогією з коефіцієнтом дотику можна ввести коефіцієнт кроку

 = U_КР / U_з < 1.

Напруги дотику і кроку можна наближено виміряти в діючій установці. На відстані 0,8 м від корпусу електроприймача кладуть на підлогу або на землю вологе сукно розміром 2626 см, а на сукно — мідну пластинку завтовшки 2 мм і площею 2525 см², тобто з площею поверхні, що дорівнює площі підошов взуття дорослого чоловіка. Зверху кладуть вантаж масою 75 кг. Між пластинкою і проводом мережі, замкненим на корпус, вмикають вольтметр з внутрішнім опором 1000 Ом, який умовно замінює опір тіла людини. Вольтметр показує напругу, яку визначають.

Напругу кроку вимірюють за допомогою двох зондів у вигляді металевих стержнів або металевих пластинок, між якими ввімкнено вольтметр, якщо пропускати струм між досліджуваним і допоміжним заземлювачами. Втикнувши в землю один стержньовий зонд посередині шляху струму або поклавши тут на підлогу пластинку, другий зонд розміщують на відстані від першого 0,8 м, 1,6 м, 2,4 м і т. д. При цьому визначають різницю між показами приладу і перераховують виміряні значення з урахуванням реально можливого струму I_з через заземлювач в аварійних умовах за формулою U_КР = U_{КР. ВИМ}  I_з / I, де U_{КР. ВИМ} — напруга кроку, знайдена вимірюванням при струмі I через заземлювач.

Крім захисних заземлень, в електроустановках застосовують і робочі заземлення, тобто такі, які створюють не заради безпеки людей, а для забезпечення певного режиму роботи установки в нормальних або аварійних умовах. Прикладом є заземлення нейтралі в обмотках трансформатора з напругою 110 кВ і вище. Щодо заземлення нейтральної точки обмотки генератора або трансформатора напругою 380/220 В, то це заземлення, будучи робочим, разом з тим відіграє певну роль і в системі захисних заходів (занулення, захист від переходу вищої напруги на проводи нижчої напруги). Для робочих, захисних і грозозахисних заземлень однієї підстанції використовують загальний заземлювач, який проектують, беручи до уваги щонайбільші вимоги (вимоги електробезпеки, а іноді грозозахисту).