Опасность растекания тока при замыкании на землю.

Стекание тока в землю происходит только через проводник, находящийся в непосредственном контакте с землей. Такой контакт может быть случайным или преднамеренным. В последнем случае проводник, находящийся в контакте с землей называется заземлителем или электродом. Случайное замыкание на землю может произойти вследствие контакта между токоведущими частями и заземленным корпусом электроустановки, при падении на землю оборванного провода сети, при пробое изоляции электроустановки и т.д. Рассмотрим схему растекания тока в земле при пробое изоляции электроустановки, считая, что ток стекает в землю через полусферический заземлитель радиусом r, погруженный в однородный грунт с удельным сопротивлением, r, Ом ^·м (рис. 2.12.9.).

Рис. 2.12.9. Напряжение прикосновения и шага

 

В этом случае ток заземлителя I_з будет стекать с поверхности заземлителя по направлению радиусов от заземлителя как центра сферы. С увеличением расстояния от заземлителя плотность тока уменьшается вследствие возрастания сечения земли, через которое протекает ток, и соответственно уменьшается разность потенциалов двух соседних точек поверхности земли

j_x = I_з r/ 2px = k / x.

По мере удаления от заземлителя потенциалы точек снижаются по гиперболическому закону. На расстоянии 1 м от заземлителя падение напряжения составляет 68 %, на расстоянии 10 м - 92 % от потенциала j_з На расстоянии более 20 м от заземлителя падение напряжения практически равно потенциалу заземлителя j_з, а потенциалы точек поверхности земли - нулю.

Максимальный потенциал будет при наименьшем значении х, т.е. непосредственно на заземлителе (х = r)

j_з = I_з r/ 2pr.

Пространство вокруг заземлителя, за пределами которого электрический потенциал, обусловленный токами замыкания на землю, может быть принят равным нулю, называется полем или зоной растекания тока. Неравномерный характер распределения электрического потенциала в зоне растекания тока в земле приводит к возникновениюнапряжения прикосновения и шага.

Напряжение прикосновения равно

I_з r æ 1 1 ö

U_пр = ¾¾ ç ¾ - ¾ ÷ = j_з (1- r / x).

2p è r x ø

 

 

При х ³ 20 м можно считать r / x» 0 и U_пр =j _з , а при х = r, r / x = 1 и U_пр = 0.

Напряжение шага U_ш , В, есть напряжение между двумя точками цепи тока, находящихся одна от другой на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек.

Таким образом (рис. 2.12.9.)

U_ш = j_x - j_x+a,

 

где j_x и j_x+a - потенциалы точек, на которых стоит человек. Шаговое напряжение будет равно нулю, если человек находится вне поля растекания тока или обе ноги человека находятся на эквипотенциальной линии. Шаговое напряжение значительно меньше, чем напряжение прикосновения, однако отмечено немало случаев поражения людей. Это объясняется тем, что под действием тока в ногах возникают судороги и человек падает. После падения человека цепь тока замыкается вдоль его тела через дыхательные мышцы и сердце, причем человек может замкнуть точки с большей разностью потенциалов.

Классификация помещений по опасности поражения электрическим током

По действующим правилам все помещения делятся по степени опасности поражения людей током на три класса:

1. без повышенной опасности,

2. с повышенной опасностью,

3. особо опасные.

К помещениям без повышенной опасности относятся сухие безпыльные помещения с нормальной температурой воздуха с изолирующими (деревянными) полами, в которых отсутствуют заземленные предметы или их очень мало. Примерами могут служить обычные жилые комнаты, конторы, некоторые лаборатории.

К помещениям с повышенной опасностью относятся:

1. сырые, в которых относительная влажность превышает 75 %;

2. жаркие, в которых температура воздуха постоянно или периодически равна 35⁰ С;

3. пыльные, с токопроводящей пылью в таких количествах, что она может оседать на проводах, проникать внутрь машин;

4. с токопроводящими полами (металлические, земляные, железобетонные, кирпичные);

5. в которых возможно одновременное прикосновение человека к имеющим соединения с землей металлоконструкциями зданий, технологическим оборудованием с одной стороны и к металлическим корпусам электрооборудования.

К особоопасным относятся помещения:

1. особо сырые (влажность воздуха 100 %);

2. с химически активной или органической средой, в которых постоянно или длительно содержатся агрессивные газы, пары, образуется их соль, действующие разрушающе на изоляцию и токоведущие части оборудования;

3. имеются два или больше признаков, свойственных помещениям с повышенной опасностью.

Особо опасными является большая часть производственных помещений.

Технические способы и средства защиты от поражения человека электрическим током

Для обеспечения электробезопасности применяют отдельно или в сочетании с другими следующие технические способы и средства защиты:

1. защитное заземление;

2. зануление;

3. защитное отключение;

4. выравнивание потенциалов;

5. малое напряжение;

6. изоляция токоведущих частей;

7. электрическое разделение частей;

8. оградительные устройства;

9. блокировка;

10. предупредительная сигнализация;

11. знаки безопасности;

12. предупредительные плакаты;

13. электрозащитные средства.

Защитное заземление

Защитное заземление - преднамеренное электрическое соединение с землей не токоведущих частей, которые могут оказаться под напряжением при замыкании сети на корпус установки. Задачей защитного заземления (ЗЗ) является устранение опасности поражения человека током в случае прикосновения к корпусу и другим токоведущим частям электроустановки, оказавшимся под напряжением. Принцип действия защитного заземления - снижение до безопасных значений напряжения прикосновения (между корпусом и землей). Если корпус электроустановки не заземлен, и он оказался в контакте с фазным проводом сети, то прикосновение к такому корпусу равносильно прикосновению к фазе. В этом случае ток, проходящий через человека (при малом сопротивлении обуви, пола, изоляции проводов) может достигать опасных значений.

Если корпус установки не заземлен (рис. 2.13.1.), то ток, проходящий через человека при R_обуви = R_пола = 0, можно определить из уравнения:

U_ф

I_ч = ¾¾¾¾¾

R_ч + (R_из/3)

Рис. 2.13.1. Принципиальная схема защитного заземления.

В соответствии с правилами эксплуатации электроустановок (ПУЭ) сопротивление заземления не должно превышать R_зу £ 4 Ом. Поскольку R_ч ³ 1000 Ом, R_зу << R_ч . Так как R_зу÷÷ R _ч, I_зу >> I_ч и I_з = I_зу + I_ч» I_зу, сила тока замыкания I_з в сети с изолированной нейтралью равна I_з » 3U_ф / R_из, тогда из соотношения I_зR_зу = I_чR_ч и выражение 2.13.2. можно упростить

3U_ф R_зу

I_ч = ¾¾¾

R_из R_ч

Отсюда следует, что если принцип действия защитного заземления заключается в уменьшении силы тока, протекающего через тело человека.

Так если R_из=10 кОм, R_ч=1 кОм, U_ф=220 В, то при отсутствии заземляющего устройства R_зу= ¥ из (2.13.1) ток через человека равен:

3U_ф

I_ч = ¾¾¾¾ = 51 мА,

3R_ч + R_из

 

что представляет большую опасность для человека, но если R_зу=4 Ом, то согласно (2.13.2)

3U_ф R_зу 3 ^· 220 ^· 4

I_ч = ¾¾¾¾ = ¾¾¾¾¾ = 0,26 мА,

R_из R_ч 10000 ^· 1000

Что не вызывает у человека каких-либо ощущений.

Заземляющим устройством называется совокупность заземлителя - металлических проводников, соединенных между собой и находящихся в непосредственном соприкосновении с землей, и заземляющих проводников, соединяющих заземленные части электроустановок с заземлителем. В зависимости от места размещения заземления относительно заземленного оборудования различают два типа заземленных устройств: выносное и контурное. Выносное заземляющее устройство характеризуется тем, что заземлитель его вынесен за пределы площадки, на которой размещено заземленное оборудование. Недостаток выносного заземления - отдаленность заземлителя от защищаемого оборудования. Поэтому заземляющие устройства этого типа применяются лишь при малых токах замыкания на землю, т.е. в установках до 1000 В, где потенциал заземлителя не превышает допустимого напряжения прикосновения. Контурное заземляющее устройство характеризуется тем, что электроды его заземлителя размещаются по контуру площадки, на которой находится заземляемое оборудование, а также внутри этой площадки. Безопасность при контурном заземлении обеспечивается выравниванием потенциала на заземляемой территории путем соответствующего размещения одиночных заземлителей. В результате этого напряжение прикосновения и шаговое напряжение не будут превышать заранее заданных значений. Внутри помещений выравнивание потенциалов происходит через металлические конструкции, трубопроводы, кабели и подобные им теплопроводящие предметы, связанные с разветвленной сетью заземления. Согласно ПЭУ сопротивление защитного заземления в любое время года не должно превышать:

1. 4 Ом - в установках с напряжением до 1000 В; если мощность источника тока (генератора, трансформатора) 100 кВ А и менее, то сопротивление заземляющего устройства допускается 10 Ом,

2. 250/I_зу, но не более (10 Ом - в установках с напряжением выше 100 В и изолированной нейтралью; если заземляющее устройство одновременно используют для электроустановок с напряжением до 1000 В, то сопротивление заземляющего устройства не должно превышать 125/I_зу, но не более 10 Ом (или 4 Ом, если это требуется для установок до 1000 В).

Защитному заземлению подлежат металлические нетоковедущие части оборудования, которое из-за неисправности изоляции могут оказаться под напряжением и к которым возможно прикосновение людей и животных.

Зануление

Занулением называется преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником (НЗ) металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Нулевым защитным проводником называется проводник, соединяющий зануляемые части с глухозаземленной нейтральной точкой обмотки трансформатора. Нулевой защитный проводник (НЗ) следует отличать от рабочего нулевого проводника (НР), который также соединен с глухозаземленной нейтральной точкой источника тока, но предназначен для питания электроприемников, т.е. по нему идет рабочий ток.

(рис. 2.13.2)

Рис. 2.13.2. Схема зануления

 

Назначение нулевого защитного проводника - создание для тока короткого замыкания Iкз цепи с малым сопротивлением, чтобы ток был достаточным для срабатывания защиты. Рассмотрим принцип действия зануления. Будем считать, что сопротивление фазного провода до места замыкания на корпус равно r_ф, а сопротивление нулевого защитного проводника r_н, а также, что r_ф << r₀, r_н << r₀, r₀ << R_ч . Так как (R_ч + r₀) ÷÷ r_н , то

U_ф

I_з @ I_кз = ¾¾¾,

r_ф + r_н

 

U_ф r_н 1

I_ч = I_з ¾¾¾ @ U_ф ¾¾¾¾ = ¾¾¾¾¾, (2.13.3)

r_ф + r_н (r_ф + r_н)R_ч (r_ф /r_н +1)R_ч

 

Как следует из (2.13.3) сила тока, протекающего через тело человека, зависит от соотношения сопротивлений фазного и нулевого защитного проводника. Если принять r_ф/r_н=1, U_ф = 220 В, R_ч = 1000 J= Ом, то

U_ф 220

I_ч = ¾¾ = ¾¾ = 110 mA.

2R_ч 2000

 

По критериям электробезопасности такой ток допустим, если его воздействие на человека не превышает 0.5 с. Следовательно, устройства защиты (предохранители, автоматы и др.) должны срабатывать при токе £ 110 мА и отключать установку за время £ 0,5 сек. В соответствии с требованиями правил устройства электроустановок проводимость фазных и нулевых защитных проводников должна быть выбрана такой, чтобы ток короткого замыкания превышал не менее чем в 3 раза номинальный ток плавкой вставки. Сопротивление нулевого защитного проводника не должно превышать более чем в 2 раза сопротивление фазного провода. Зануление применяют в трехфазных четырехпроходных сетях напряжением 1000 В с глухозаземленной нейтралью. Одновременное зануление и заземление одного и того же корпуса не только не опасно, а напротив, улучшает условия безопасности, так как создает дополнительное заземление защитного провода.

Защитное отключение

Защитное отключение - система защиты, обеспечивающая автоматическое отключение электроустановки при возникновении в ней опасности поражения электрическим током. Схема защитного отключения приведена на рис. 2.13.3.

Эта схема осуществляет защиту от глухих замыканий на землю и пригодна в сетях с изолированной и заземленной нейтралью. Схема реагирует не напряжение корпуса относительно земли.

Рис. 2.13.3. Схема защитного отключения

Р_з-обмотка защитного реле; К_з - контакт защитного реле; АВ - автоматический выключатель, r_в - вспомогательный заземлитель, r_з - защитный заземлитель, К_н. - кнопка контроля работоспособности защитного отключения. В случае применения этого вида защиты безопасность обеспечивается быстродействующим (0,1 - 0,2 с) отключением аварийного участка или всей сети при однофазном замыкании на землю или на элементы электрооборудования, нормально изолированные от земли, а также при прикосновении человека к частям, находящимся под напряжением.

Выравнивание потенциалов

Выравнивание потенциала - это метод снижения напряжения прикосновения и шага между точками электрической цепи, к которым можно одновременно прикоснуться или на которых может стоять человек. Выравнивание потенциалов достигают путем устройства контурных заземлений. При стекании тока с такого заземлителя участки земли внутри контура приобретают потенциал, близкий к потенциалу заземлителей. Тем самым снижается напряжение прикосновения и шага. На рис 2.13.4. показан контур заземления, состоящий из двух заземленных устройств R_зу1 и R_зу2, на которой произошло замыкание токоведущей части установки. Пунктирной линией показано расположение потенциалов при одиночных заземлителях, а сплошной - результирующая кривая потенциалов точек поверхности земли относительно удаленной "Земли".

Рис. 2.13.4. Выравнивание потенциала

U’_ш, U’’_ш, U’_пр, U’’_пр - напряжение шага и прикосновения соответственно при одиночном и контурном заземлителях.

 

В соответствии со СНиП для выравнивания потенциала во всех помещениях и наружных установках, где применяется заземление или зануление, строительные металлические конструкции, корпуса технологического оборудования должны быть присоединены к сети заземления или зануления.

Малое напряжение.

Уменьшение напряжения электроустановок может существенно повысить условия электробезопасности. Значение напряжения равное 42 В является номинальным. Однако электроустановки с таким напряжением представляют опасность при двухполюсном прикосновении. Малые напряжения используют для питания электроинструмента, светильников стационарного освещения, переносных ламп в помещениях с повышенной опасностью или особо опасных и других случаях. Для особо опасных помещений применяются напряжения до 12 В. Источниками малого напряжения могут быть специальные понижающие трансформаторы на 12 - 42 В. Использование малых напряжений является эффективной защитой, но область ее применения не велика.