Монтаж устройств защитного заземления

Общие сведения

При повреждении изоляции электрооборудования различные его металлические нетокопроводящие части могут случайно оказаться под напряжением, создавая опасность поражения человека электрическим током. Прикасаясь к оборудованию с поврежденной изоляцией, человек становится проводником для тока в землю.

Токи от 0,05 до 0,1 А опасны для человека, а токи выше 0,1 А — смертельны.

Значение тока, проходящего в землю, зависит от электрического сопротивления тела человека и напряжения поврежденной установки. Сопротивление тела человека колеблется в широких пределах: от нескольких сотен до тысяч Ом, поэтому опасность для его жизни и здоровья могут представлять установки и с относительно небольшим напряжением по отношению к земле.

Одной из основных мер защиты людей от поражения электрическим током при касании установок, случайно оказавшихся под напряжением, является устройство защитного заземления.

Защитным заземлением называют преднамеренное электрическое соединение с землей металлических частей электроустановки, которые не находятся под напряжением (рукоятки приводов разъединителей, кожухи трансформаторов, фланцы опорных изоляторов, корпусы измерительных трансформаторов и др.), но могут оказаться под таковым из-за повреждения изоляции сети или электроприемников. Защитное заземление выполняется при помощи заземлителей и заземляющих проводников.

Заземляющим устройством называют совокупность заземлителей и заземляющих проводников.

Заземлителем называют металлический проводник или группу проводников (электродов), заложенных в грунт.

Заземляющими проводниками называют металлические проводники, соединяющие заземляемые части электроустановки с заземлителями.

Задача защитного заземления заключается в создании между металлическими конструкциями или корпусом защищаемого устройства и землей электрического соединения достаточно малого сопротивления. Безопасность людей достигается только в том случае, если заземляющее устройство будет иметь во много раз меньшее сопротивление, чем наименьшее сопротивление тела человека.

Защитное заземление применяется во всех сетях с изолированной нейтралью и в сетях с напряжением выше 1 кВ с заземленной нейтралью. В последних токи однофазного замыкания протекают через землю и вызывают отключение аварийного участка.

В сети с глухозаземленной нейтралью электроприемники получают питание от обмоток источника тока, соединенных в звезду, нулевая точка которой надежно соединена с землей. Глухозаземленной нейтралью называется нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление (например через трансформатор тока).

Заземление нейтрали. В ПУЭ указывается, что городские электрические сети напряжением свыше 1 кВ должны выполняться трехфазными с изолированной нейтралью, а распределительные сети при напряжении 380/220 В — трехфазными четырехпроводными с наглухо заземленной нейтралью. Обмотки силовых трансформаторов отечественного производства с напряжением ПО кВ и выше также рассчитываются на работу с заземленной нейтралью, так как они имеют неполную изоляцию нулевых выводов.

Рассмотрим, зачем в сетях до 1 кВ заземляют нейтраль и по каким причинам иногда отдают предпочтение изолированной нейтрали (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Схема трехфазной сети с изолированной нейтралью (а); режимы ее работы при касании человеком линейного провода (0; заземлении одного линейного провода и касании человеком другого (в); касании человеком линейного провода в системе с заземленной нейтралью (г) и в системе с заземленными нейтралью и другим линейным проводом (0

На рисунке 9.1, а показаны вторичные обмотки трансформатора Тр, питающего четырехпроводную сеть напряжением 380/220 В, нейтраль которой изолирована. Пусть в рассматриваемый момент изоляция совершенно исправна. Тем не менее три сопротивления R, соединенные в звезду, нейтралью которой является земля, условно показывают несовершенство изоляции проводов, которая в какой-то степени все же проводит ток. Три конденсатора С, соединенные в звезду, нейтралью которой также служит земля, условно изображают электрическую емкость проводов относительно земли, что в электроустановках переменного тока весьма важно, так как емкость проводит переменный ток.

Какие же напряжения действуют в рассматриваемой электроустановке? Между линейными проводами — напряжение 380 В, а между каждым линейным проводом и нейтралью трансформатора — 220 В, так как земля оказалась нейтралью соединений звезд из трех равных сопротивлений R и трех равных емкостей С. Если же линейный провод относительно нейтрали трансформатора имеет такое же напряжение, как и относительно земли, то между нейтралью трансформатора и землей напряжение равно нулю, но только если сеть не нагружена либо нагрузка всех фаз совершенно одинакова.

Прикосновение человека, стоящего на земле, к одному из линейных проводов небезопасно, так как через несовершенную изоляцию провода и тело человека пройдет ток (рис. 9.1, б). Сила этого тока, а следовательно, и степень опасности определяются значениями сопротивлений, емкостей конденсаторов и фазным напряжением. Иными словами, в этом случае человек находится под напряжением 220 В.

Но что произойдет, если один из линейных проводов заземлится, а человек, стоящий на земле, прикоснется к другому линейному проводу? Из рисунка 9.1, в видно, что человек окажется теперь не под фазным, а под линейным напряжением 380 В, что значительно опаснее.

В сетях с заземленной нейтралью человек, стоящий на земле и прикоснувшийся к линейному проводу, попадает под фазное напряжение (рис. 9.1, г). Если при этом заземлится другой линейный провод (рис. 9.1, д), то предохранитель перегорит, но повышения напряжения с фазного до линейного (как в сетях с изолированной нейтралью) не произойдет.

Прикосновение к токопроводящему элементу в сети с глухозаземленной нейтралью очень опасно, так как при этом образуется замкнутая цепь (рис. 9.2, а), по которой под действием напряжения с фазы А через тело человека, обувь, пол, землю и заземление нейтрали течет поражающий ток. Опасно также прикосновение к электроприемнику, в котором произошло замыкание на заземленный корпус.

Рассмотрим следующий пример. Пусть сопротивление заземления электродвигателя (рис. 9.2, б) R = 3,5 Ом, а сопротивление заземления нейтрали /?₀ = 0,5 Ом. При замыкании фазы А на корпус в замкнутой цепи, образованной обмоткой источника, проводом фазы А, корпусом и заземлением двигателя, а также землей и заземлением нейтрали, потечет ток. При фазном напряжении, равном 220 В, можно пренебречь

Рис. 9.2. Работа схемы трехфазной сети с глухо-заземленной нейтралью при касании человеком токопроводящего провода (о), заземления (5) и зануления (в) электродвигателя

сопротивлением сети, корпуса и земли и подсчитать силу тока однофазного замыкания на землю:

/_з= + R) = 220/(0,5 + 3,5) = 55 А.

Этот ток создает падение напряжения на заземлении нейтрали:

U_o = I_oR = 55 • 0,5 = 27,5 В и на заземлении двигателя: t/ = / R = 55 • 3,5 = 192,5 В. Таким образом, между заземленным корпусом электродвигателя и землей возникает достаточно опасное напряжение 193 В, и человек, прикоснувшийся к корпусу, может получить сильный удар током. Поэтому в установках напряжением 380/220 В применяется система заземления, при которой все металлические нетокопроводящие части оборудования электрически соединяются не с землей, а с заземленной нейтралью источника. Это соединение осуществляется через нулевой провод сети (ну

левой рабочий провод) или специальный нулевой защитный провод (рис. 9.2, в) и называется занулением.

Предположим, что в сети с занулением произошел пробой изоляции фазы А. Поскольку сеть состоит из металлических частей, то в ней нет участков со сколько-нибудь значительным сопротивлением. Поэтому любое замыкание токопроводящих частей на зануленный корпус является коротким замыканием, при котором поврежденный участок немедленно отключается защитной аппаратурой (предохранителями или автоматами). В этом и состоит защитная роль зануления.

Кроме обеспечения минимального сопротивления заземляющего устройства важно также равномерное распределение напряжения вокруг защищаемого аппарата и по всей площади электроустановки (например подстанции). Максимальный потенциал (Ц) имеют заземлитель, соединенный с корпусом поврежденного аппарата, и грунт, соприкасающийся с заземлителем. По мере удаления от заземлителя потенциал на поверхности земли падает, достигая постепенно нулевого значения (за пределами 15—20 м). Сопротивление грунта на этом расстоянии называется сопротивлением растеканию.

Человек, прикасающийся к корпусу аппарата с поврежденной изоляцией, оказывается под напряжением, значение которого определяется падением потенциала на участке между точкой прикосновения его к аппарату и точкой касания земли ногами (участок длиной около 0,8 м). Это напряжение называется напряжением прикосновения (# )• Между ступнями человека, приближающегося к поврежденному аппарату, также будет разность потенциалов, называемая напряжением шага (?/_шаг), значение которого зависит от ширины шага и расстояния до места повреждения.

Рассмотрим это более подробно. Напряжение шага и напряжение прикосновения возникают, если в заземленной сети происходит однофазное замыкание на землю. Пусть через вертикальный заземлитель 3 (рис. 9.3), расположенный в точке 0, в землю течет ток однофазного замыкания. По мере удаления от заземлителя плотность тока и вызываемое им падение напряжения непрерывно уменьшаются, т. е. если в точке 0 максимальный потенциал (равный падению напряжения на самом заземлителе), то потенциал в точке грунта, расположенной далее 20 м от заземлителя, практически равен нулю. Изменение потенциала грунта в зависимости от расстояния до точки 0 характеризуется кривой AM. Разделив расстояние ОМ на отрезки длиной 0,8 м (средняя ширина шага человека), по этой кривой легко узнать,

под какое напряжение попадет человек, находящийся на определенном расстоянии от заземлителя. Например, если ноги идущего человека находятся на расстояниях 1,6 и 2,4 м от заземлителя, то потенциалы грунта характеризуются точками В и Г кривой AM, а отрезок ВЖ в определенном масштабе определяет разность потенциалов, т. е. напряжение.

Рис. 9.3. Схема возникновения шагового напряжения

Напряжение, под которым может оказаться человек, идущий в зоне растекания по земле тока однофазного замыкания, называют напряжением шага. Это напряжение уменьшается по мере удаления от заземлителя (ВЖ < БЕ < АД), и на расстоянии более 20 м от заземлителя оно практически исчезает.

Поражения людей из-за появления напряжения шага в случае однофазного замыкания на землю очень редки вследствие его малых значений. Но если это напряжение возникает при падении на землю оборвавшегося провода воздушной линии, оно может достигать больших значений. В таких случаях выходить из зоны действия напряжения шага следует, используя сухие доски, листы пластика и другие изоляционные материалы, а при их отсутствии — мелкими шагами.

Опасно также напряжение, возникающее при работе защитного заземления, в режиме однофазного замыкания на землю. Если через заземлитель в землю течет ток /, то на сопротивлении заземляющего устройства /?_зон создает падение напряжения / А_з, т. е. напряжение прикосновения. Прикасаясь в этом случае к корпусу аппарата с поврежденной изоляцией, человек может попасть либо под полное напряжение 1R , либо под его часть. Наиболее опасны случаи, когда приемник с поврежденной изоляцией и человек, прикоснувшийся к нему, находятся на расстояниях более 20 м от заземлителя, и если человек стоит непосредственно на земле в сырой или подбитой гвоздями обуви.