Использование защитного заземления в сети с изолированной нейтралью

Защитным заземлением называется преднамеренное электрическое соединение с землей металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением вследствие нарушения изоляции электроустановок, замыкания на корпус и по другим причинам.

Назначение защитного заземления - устранение опасности поражения током в случае прикосновения к корпусу и другим нетоковедущим металлическим частям электроустановки, оказавшимся под напряжением.

Принцип действия защитного заземления - снижение напряжения между корпусом, оказавшимся под напряжением, и землей до безопасного значения.

 

Согласно ПУЭ сопротивление заземляющего устройства в установках до 1000 вольт, работающих с изолированными от земли нейтралями

При замыкании на заземленный корпус фазы через заземление пойдет ток КЗ

Напряжение корпуса относительно земли

 

 

Ток через человека:

 

 

 

То есть,ток через человека незначительный, напряжение на человеке меньше 1 В, ситуация для человека безопасная.

Такая мера (изолированная нейтраль + защитное заземление) является мощным средством электробезопасности.

Защитное заземление электрооборудования необходимо:

1 - в помещениях без повышенной опасности при напряжении 380 В и выше переменного тока и при напряжении 440 В и выше постоянного тока;

2 - в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных электроустановках при напряжении более 42 В переменного тока и напряжении более 110 В постоянного тока,

3 - во взрывоопасных помещениях при всех значениях напряжения переменного и постоянного тока.

 

Распределение потенциала на поверхности земли вокруг полушарового

Заземлителя

 

r - радиус заземлителя,

x - расстояние от центра заземлителя до человека,

φ_з - потенциал заземлителя:

ρ - удельное сопротивление грунта.

Примем для простоты анализа, что грунт во всем объеме однороден и имеет, следовательно, одинаковое электрическое сопротивление, ρ = ρ_гр ≥ 10⁵ *ρ_меди = 10⁵ *0,0175 Ом мм²/м = 10⁵* 0,0175 *10^-6 Ом м = 0,00175 Ом м.

Потенциал изменяется по мере удаления от места стекания тока по зависимости

где φ_x - потенциал земли на расстоянии x от места стекания тока на землю,

φ_з - потенциал заземлителя,

r - радиус заземлителя.

Вычисление ведем по теореме Остроградского-Гаусса (основная теорема электростатики, устанавливающая связь между потоком напряженности электрического поля через замкнутую поверхность и электрическим зарядом внутри этой поверхности).

 Для определения потенциала φ_x поверхности с радиусом x, выделим элементарный слой толщиной dx.

Падение напряжения в этом слое

Здесь плотность тока в землю на расстоянии х.

Потенциал вдоль поверхности земли вокруг полушарового заземлителя изменяется по закону гиперболы.

Для человека, который стоит на земле и касается оказавшегося под напряжением заземленного корпуса (металлическим прутом касается заземлителя),

напряжение прикосновения определяется разностью между потенциалом корпуса (заземлителя), которого касается рука человека и потенциалом точки поверхности земли φ_х, на которой находятся ноги человека:

Напряжение шага воздействует на человека, если он находится в поле растекания заземлителя и между его ногами существует разность потенциалов:

где U_ш - это напряжение между двумя точками цепи тока, находящимися на расстоянии шага одна от другой, на которых одновременно стоит человек,

φ_х - потенциал ноги, находящейся на расстоянии х от места стекания тока,

φ_х+а - потенциал ноги, находящейся на расстоянии (х+а) от места стекания тока,

а - величина шага человека. 

Выводы:

1. С увеличением расстояния от заземлителя напряжение шага U_ш уменьшается, а напряжение прикосновения U_пр - увеличивается.

Считают что на расстоянии 20 метров U_ш = 0, а U_пр = φ_з, то есть если на земле лежит провод фазы, то ближе, чем на 20м подходить к нему не следует.

2. Длительно допустимое напряжение прикосновения равняется U_пр = 20В.

3. В технике токи кз бывают самими разными: от долей ампер до десятков кА и даже больше (молния).

Поэтому значение величины φ_з, U_пр и U_ш могут быть самыми разными (от долей В до кВ). 

4. Напряжение прикосновения ,

где α - коэффициент напряжения прикосновения

5. Напряжение шага

где - коэффициент напряжения шага.

Промышленные заземлители

В качестве заземляющих устройств электроустановок в первую очередь должны быть использованы естественные заземлители.

Возможно использование железобетонных фундаментов промышленных зданий и сооружений.

Заземляющее устройство - совокупность заземлителя и заземляющих проводников, соединяющих нетоковедущие части электрооборудования с заземлителем.

Что включает в себя сопротивление заземляющего устройства:

сопротивление заземлителя +

сопротивление грунта +

сопротивление между заземлителем и грунтом.

При отсутствии естественных заземлителей допускается применение переносных заземлителей типа ТЭС-15, которые ввинчиваются в землю.

Для искусственных заземлителей применяют обычно вертикальные и горизонтальные электроды.

В качестве вертикальных электродов можно использовать стальные трубы диаметром 50 - 75 мм, угловую сталь с размерами 50х50 и 60х60 мм, стальные стрежни диаметром 10 - 20 мм и длиной 3 метра.

Для связи вертикальных электродов и в качестве самостоятельного электрода используют полосовую сталь сечением не менее 4х12 мм² и сталь кругового сечения диаметром не менее 6 мм.

Для установки вертикальных заземлителей предварительно роют траншею глубиной 70-80 см, после чего забивают трубы или уголки (стержни).

Вертикальные электроды должны иметь концы длиной 100-200 мм над поверхностью земли.

Категорически запрещается использовать в качестве заземлителей трубопроводы с горючими жидкостями и газами.

Техническое освидетельствование защитного заземления проводится после каждого ремонта оборудования, но не реже одного раза в год и сводится к проверке наличия электрической цепи между заземляющим устройством и электроустановкой и измерению сопротивления заземления.