Защитное заземление

Функционально различают следующие виды заземления:

1) р а б о ч е е з а з е м л е н и е – заземление точки токоведущих частей электроустановки, выполняемое для обеспечения работы электроустановки (не в целях электробезопасности), например рабочее заземление нейтрали трансформатора (R_о на рис. 9.9);

 

Р и с. 9.9. Заземление: R_o – рабочее; R_м – молниезащиты; R_з - защитное

2) з а з е м л е н и е м о л н и е з а щ и т ы – заземление молниеприёмника с
целью защиты объекта от прямого удара молнии (R_м на рис 9.9);

3) з а щ и т н о е з а з е м л е н и е – заземление, выполняемое в целях электробезопасности, т.е. соединение открытых проводящих частей (ОПЧ) с заземлителем для защиты от косвенного прикосновения, от наведенного напряжения и т.п. (R_з на рис. 9.9).

На практике, в большинстве случаев, это один и тот же заземлитель, к которому подсоединяют и ОПЧ, и нейтрали трансформаторов, и молниеприёмники. Только при каких-либо обоснованиях (технологических, с точки зрения безопасности и т.п.) применяют три различных заземлителя, что обходится значительно дороже.

Заземление используют также для защиты от статического электричества, накапливающегося при трении диэлектриков, для защиты от электромагнитных излучений, подключая экраны к заземлителю, и т.д.

З а з е м л я ю щ е е у с т р о й с т в о – это совокупность заземлителя и заземляющих проводников.

З а з е м л и т е л ь – это проводящая часть, находящаяся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду.

З а з е м л я ю щ и й п р о в о д н и к – это проводник, соединяющий заземляемую часть (точку) с заземлителем.

В качестве заземлителей используются следующие.

И с к у с с т в е н н ы е з а з е м л и т е л и – заземлители, специально выполняемые для целей заземления. Представляют из себя вертикальные электроды, погруженные в землю на глубину 0,3 ÷ 0,8 м (например металлические трубы диаметром 5 ÷ 6 см и длиной 2 ÷ 5 м), и горизонтальные электроды (например полосовая сталь сечением не менее 4 х 12 мм²).

Е с т е с т в е н н ы е з а з е м л и т е л и – электропроводящие конструкции, находящиеся в электрическом контакте с землей и используемые для целей заземления (например трубопроводы воды, железобетонные фундаменты зданий и сооружений и т.д.).

Различают два типа заземляющих устройств.

В ы н о с н о е (с о с р е д о т о ч е н н о е) – характеризуется тем, что заземлитель его вынесен за пределы площадки, на которой размещено заземляемое оборудование, или сосредоточен на некоторой части этой площадки.

К о н т у р н о е (р а с п р е д е л е н н о е) – характеризуется тем, что электроды его заземлителя размещены по контуру (периметру) площадки, на которой размещено заземляемое оборудование, а также внутри этой площадки.

Контурное заземляющее устройство - более сложное в исполнении, но в отличие от выносного обеспечивает защиту от шагового напряжения, возникающего вокруг места замыкания фазы на землю. Это достигается выравниванием потенциалов внутри контура.

О б л а с т ь п р и м е н е н и я защитного заземления (как основного средства защиты) следующая:

1) при напряжении до 1 кВ – сети с изолированной нейтралью;

2) при напряжениях выше 1 кВ – сети с любым режимом нейтрали.

В сетях с глухозаземленной нейтралью (система TN и её модификации) применение защитного заземления не эффективно с точки зрения экономических показателей. ПУЭ допускают применение защитного заземления в сетях с глухозаземленной нейтралью (система ТТ) только в тех случаях, когда условия электробезопасности в такой сети (в системе TN–C) не могут быть обеспечены. При этом ПУЭ в дополнение к защитному заземлению требуют обязательного применения устройств защитного отключения (УЗО) для защиты при косвенном прикосновении.

П р и н ц и п д е й с т в и я защитного заземления заключается в снижении до допустимых значений напряжений прикосновения U_h и шаговых напряжений U_ш, обусловленных замыканием на открытые проводящие части (ОПЧ). Это достигается путем снижения потенциала ОПЧ за счет малого сопротивления заземляющего устройства R_з, а также путем выравнивания потенциалов основания, на котором стоит человек, и ОПЧ (подъёмом потенциала основания, на котором стоит человек, до значения, близкого к значению потенциала ОПЧ).

Этот принцип действия реализуется в чистом виде в сетях с изолированной нейтралью напряжением до 35 кВ включительно, где предельно допустимые значения напряжения прикосновения U_h для производственных электроустановок согласно ГОСТ 12.1.038 при длительности воздействия более 1с не должны превышать 36 В, а ток через тело человека I_h - не более 6 mA.

В сетях с эффективно заземленной нейтралью напряжением 110 кВ и выше безопасность достигается совокупным сочетанием допустимых значений напряжения прикосновения U_h и шагового напряжения U_ш (обеспечиваемых малым значением сопротивления заземляющего устройства R_з) и времени воздействия (обеспечиваемого автоматическим отключением аварийной электроустановки релейной защитой).

Принцип действия защитного заземления поясним на примере сети с изолированной нейтралью напряжением до 1 кВ (рис. 9.10).

 

Р и с. 9.10. Защитное заземление в сети с изолированной нейтралью (система IT)

На рис. 9.10. Тр – вторичная обмотка силового трансформатора; U_ф – фазное напряжение сети; L1, L2, L3 – фазные провода сети; Z_из1, Z_из2, Z_из3 – сопротивления изоляции фаз относительно земли; Э – электроустановка (электроприемник, электропотребитель), питающаяся от трех фаз сети; R_h– сопротивление тела человека (при напряжениях 220÷380В R_h=1000Ом); R_з – сопротивление заземляющего устройства; I_h – ток, протекающий через тело человека при замыкании первой фазы L₁ на корпус электроприемника «Э»; I_з – ток замыкания на землю фазы L₁; I₂ – ток через Z_из2; I₃ – ток через Z_из3; (•) К – корпус электроприемника «Э»; (•) – земля.

Процессы, протекающие при работе данной системы (см. рис. 9.10), являются сложными. Это связано с тем, что система имеет распределенный характер; земля имеет различную проводимость (электронную, ионную, молекулярную, полупроводниковую и т.п.); сечение такого проводника, как земля, теоретически близко к бесконечности; при протекании тока замыкания на землю возникают потенциальные поля и т.п.

В первом приближении принцип действия защитного заземления можно пояснить следующим образом. Рассмотрим и сравним между собой два варианта:

I в а р и а н т – при отсутствии заземляющего устройства (на рис.9.11 нет R_з);

II вариант – при наличии заземляющего устройства (на рис. 9.12 R_з присутствует).

Преобразуем оба варианта схем (см. рис. 9.10) в эквивалентные с точки зрения прохождения тока I_h.

Эквивалентная схема I варианта приведена на рис. 9.11.

 

Р и с. 9.11. Эквивалентная схема I варианта

Здесь и - линейные напряжения между 1-й и 2-й, 1-й и 3-й фазами соответственно в какой-то произвольно взятый момент времени.

Эквивалентная схема II варианта приведена на рис. 9.12.

Напряжение прикосновения как в первом, так и во втором вариантах равно напряжению между корпусом электроприемника (•) К и землей (•) - . Напряжение в обоих вариантах равно току, протекающему между (•) К и
(•) , умноженному на сопротивление между этими точками :

; (9.8)

Р и с. 9.12. Эквивалентная схема II варианта

. (9.9)

 

Сравнивая выражения (9.8) и (9.9) и учитывая, что R_з << R_h, можно сделать вывод, что .

Таким образом за счет малого сопротивления заземляющего устройства R_з удается резко снизить потенциал ОПЧ, оказавшихся под напряжением относительно земли или напряжение прикосновения U_h. Вследствие этого значительно снижается ток, протекающий через тело человека, что и обеспечивает безопасность.

Значение этого тока можно определить по формуле

. (9.10)

Чем меньше сопротивление между ОПЧ и землей (а оно определяется сопротивлением заземляющего устройства R_з), тем ближе по величине становятся потенциалы ОПЧ и земли и становится меньше разность потенциалов, т.е. U_h; происходит перераспределение падений напряжения в схеме (см. рис. 9.10): всё меньшая часть напряжения источника питания падает на R_h, а большая часть - на Z_из.

Основные нормативные требования к величине сопротивления заземляющего устройства приведены в ПУЭ.

1. Сети с изолированной нейтралью напряжением до 1кВ(защитное заземление в системеIT):

[Ом],

где I_з – ток замыкания на землю, А.

Как правило, не требуется принимать значение R_з менее 4 Ом. Допускается R_з до 10 Ом, если соблюдено приведенное выше условие, а мощность питающих сеть генераторов или трансформаторов не превышает 100 кВА.

2. Сети с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1кВ(рабочее заземление нейтрали трансформатора или генератора R_o): R_o должно быть не более 2,4 и 8 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока.

3. Сети с изолированной нейтралью напряжением выше 1кВ(защитное заземление в сетях напряжением 6, 10, 35 кВ):

[Ом],

но не более 10 Ом, где I_з – расчетный ток замыкания на землю, А.

При использовании заземляющего устройства одновременно для электроустановок напряжением до 1 кВ с изолированной нейтралью должны быть выполнены условия п.1.

При использовании заземляющего устройства одновременно для электроустановок напряжением до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью должны быть выполнены условия п.2.

4. Сети с эффективно заземленной нейтралью напряжением выше 1кВ(защитное заземление в сетях 110 кВ и выше):

Ом .

«Правила устройства электроустановок» (ПУЭ) требуют обязательного применения защиты при косвенном прикосновении, если напряжение в электроустановке превышает 50 В переменного тока и 120 В постоянного тока, т.е. так называемое с в е р х н и з к о е н а п р я ж е н и е (СНН).

Если данная электроустановка подпадает под область применения защитного заземления (приведенную выше) и напряжение в ней превышает СНН, то её необходимо заземлять (кроме случаев применения других способов защиты, оговоренных ПУЭ).

В помещениях с повышенной опасностью поражения электротоком, особо опасных и в наружных электроустановках защитное заземление может потребоваться и при напряжениях ниже СНН при наличии требований соответствующих глав ПУЭ.