Защитное заземление. Зануление

В вопросах применения и практического выполнения защитного заземления и зануления следует руководствоваться требованиями не только ПУЭ, но и нового комплекса российских стандартов ГОСТ Р50571, гармонизированных со стандартами Международной электротехнической комиссии (МЭК). В настоящее время идет работа над новой редакцией ПУЭ с целью приведения их в соответствие с указанными стандартами. В ГОСТ Р 50571.2-94 «Электроустановки зданий. Часть 3. Основные характеристики» приводится классификация систем заземления электрических сетей: IT, TT, TN-C, TN-C-S, TN-S (см. рис.13). Применительно к сетям переменного тока напряжением до 1 кВ обозначения имеют следующий смысл. Первая буква - характер заземления источника питания (режим нейтрали вторичной обмотки трансформатора): I - изолированная нейтраль; Т- глухозаземленная нейтраль. Вторая буква - характер заземления открытых проводящих частей (металлических корпусов) электроустановки: Т- непосредственная связь открытых проводящих частей (ОПЧ) с землёй (защитное заземление); N - непосредственная связь ОПЧ с заземлённой нейтралью источника питания (зануление). Последующие буквы (если они имеются) - устройство нулевого рабочего и нулевого защитного проводников: С - нулевой рабочий (N) и нулевой защитный (РЕ) проводники объединены по всей сети; C-S-проводники N и РЕ объединены в части сети; S - проводники N и РЕ работают раздельно во всей сети.

Информационное письмо Главгосэнергонадзора № 42-6/14-ЭТ от 26.07.96 г. вводит в п. 1.7.17 и 1.7.18 ПУЭ 6-го издания определения нулевых проводников трехпроводной групповой сети.

Защитным проводником (РЕ) в электроустановках называется проводник, применяемый для защиты от поражения людей и животных электрическим током. В электроустановках до 1 кВ защитный проводник, соединенный с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора, называется нулевым защитным проводником.

Нулевым рабочим проводником (N) в электроустановках до 1 кВ называется проводник, используемый для питания электроприемников, соединенный с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, с глухозаземленным выводом источника однофазного тока, с глухозаземленной точкой источника в трехпроводных сетях постоянного тока.

 

Совмещенным нулевым рабочим и защитным проводником (PEN) в электроустановках до 1 кВ называется проводник, сочетающий функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников.

Проводники, используемые в различных типах сетей, должны иметь определённые обозначения и расцветку (см. табл. 1).

Указанная выше расцветка проводников (жил кабеля) соответствует международным стандартам и введена с целью предотвращения ошибочного подключения к корпусу электроприемника фазного проводника вместо нулевого защитного.

Требования обеспечения возможности легкого распознавания частей, относящихся к отдельным элементам электроустановки, содержится также в п. 1.1.28 6-го издания ПУЭ.

Таблица 1
	Наименование проводника	Обозначение	Расцветка
	Буквенное	Графическое
	Нулевой рабочий	N		голубой
	Нулевой защитный (защитный)	РЕ		жёлто-зелёный
	Совмещённый нулевой рабочий и нулевой защитный	PEN		жёлто-зелёный с голубыми метками по концам, наносимыми при монтаже
	Фазный	в трехфазной сети	L1, L2, L3	—	все цвета, кроме выше перечисленных
	в однофазной сети	L

 

По определению ГОСТ 12.1.009 -76, защитное заземление -это преднамеренное электрическое соединение с землей или её эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.

Зануление - это преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.

Область применения этих способов защиты определяемся режимом нейтрали и классом напряжения электроустановки. В этом отношении ПУЭ выделяют следующие группы электроустановок трёхфазного переменного тока:

· выше I кВ в сетях с эффективно заземлённой нейтралью;

· выше I кВ в сетях с изолированной нейтралью;

· до I кВ с глухозаземленной нейтралью;

· до I кВ с изолированной нейтралью.

Зануление применяется лишь в одной из перечисленных групп - в электроустановках до I кВ с глухозаземленной нейтралью. В соответствии с требованиями ПУЭ такие установки выполняются четырёхпроводными. В остальных группах электроустановок применяется защитное заземление.

Рассмотрим сеть напряжением до I кВ с изолированной нейтралью (рис. 13 и 14). В такой сети (по международной классификации сеть типа IT) величина тока замыкания на землю, а следовательно, и вероятность поражения человека зависит от сопротивления путей утечки. Каждый из фазных проводов (L₁ L₂, L₃) связан с землёй двумя параллельными цепями (активная и ёмкостная утечка). На рис. 14-а показаны лишь утечки провода L₂. Сопротивление активной утечки r_из определяется качеством изоляции, ёмкостной утечки- протяжённостью и разветвлённостью сети.

 

В сети до I кВ при хорошей изоляции (г_из > 500 кОм) и малой протяжённости (С = 0) сопротивление путей утечки велико, а ток замыкания на землю мал, то есть однополюсное прикосновение может быть безопасным для человека даже при отсутствии защитного заземления. Однако этот случай следует рассматривать лишь как теоретический, так как на практике жёсткое выполнение этих условий едва ли возможно. Поэтому применение защитного заземления является обязательным.

Принцип действия защитного заземления заключается в том, что человек, прикоснувшийся к корпусу оборудования, находящемуся под напряжением, оказывается включённым параллельно заземлителю, имеющему значительно меньшее сопротивление, чем тело человека. В результате большая часть тока замыкания на землю пройдёт через заземлитель и лишь незначительная - через тело человека. При отсутствии заземлителя весь ток замыкания на землю пройдёт через тело человека, что может привести к поражению. Из сказанного следует, что чем меньше сопротивление заземлителя, тем надёжнее защита человека.

В соответствии с ПУЭ сопротивление заземляющего устройства в сети до I кВ с изолированной нейтралью не должно превышать 4 Ом, а при мощности питающего трансформатора 100 кВА и менее - 10 Ом. Для заземления в первую очередь используют естественные заземлители, то есть находящиеся в соприкосновении с землёй электропроводящие части коммуникаций, зданий и сооружений производственного и другого назначения. Использование протяжённых и разветвлённых естественных заземлителей позволяет снизить сопротивление заземляющего устройства, а также способствует выравниванию потенциала. Если естественные заземлители обеспечивают выполнение всех требований, предъявляемых к параметрам заземляющих устройств, то искусственные заземлители (специально выполненные для целей заземления) можно не сооружать.

Как уже сказано, зануление применяется в электроустановках до I кВ с глухозаземлённой нейтралью (сети типа TN). Из рис. 14-6 видно, что в момент замыкания фазы на корпус образуется петля «фаза-нуль»: начало фазной обмотки трансформатора - фазный провод - место пробоя изоляции - провод РЕ-провод PEN-нейтраль трансформатора. Таким образом, зануление превращает замыкание на корпус в однофазное короткое замыкание (к.з.). Под действием тока к.з. срабатывает защита (предохранитель, автоматический выключатель), и поврежденная часть установки отключается от питающей сети. Чем быстрее произойдёт отключение, тем эффективнее защитное действие зануления: пока повреждённая часть установки остаётся под напряжением, прикосновение ко всем занулённым корпусам электрооборудования (в том числе исправного) опасно. Для уменьшения этой опасности выполняют повторное заземление нулевого провода: ту же роль играет присоединение зануленных корпусов к заземлителю, однако полностью устранить опасность электропоражения такими мерами не удаётся. В соответствии с требованиями ПУЭ в сети напряжением 380 В сопротивление повторного заземления нулевого провода не должно превышать 30 Ом.

Для быстрого и надёжного отключения поврежденной части электроустановки нужно, чтобы ток к.з. имел достаточную величину, а для этого сопротивление петли «фаза-нуль» должно быть малым.

Другими словами, проводимость фазных и нулевых защитных проводников должна быть выбрана такой, чтобы при замыкании на корпус возникал ток к.з., превышающий не менее чем в 3 раза номинальный ток ближайшей плавкой вставки.

Как сказано выше, сети переменного тока напряжением до I кВ с глухозаземлённой нейтралью и занулением электроприёмников (сети типа TN) имеют три разновидности: TN-C, TN-C-S и TN-S (см. рис.13). В этих сетях используются три наименования нулевых проводников: нулевой рабочий (N), нулевой защитный (РЕ) и совмещённый нулевой рабочий и защитный (PEN). В схеме сети имеется характерная точка, где PEN - проводник разветвляется на N- и РЕ - проводники.

Положение этой точки в конечном счёте определяет параметры и свойства указанных типов сетей: количество и наименование проводов в наружной электропроводке (в питающей линии), во внутренней электропроводке (в групповых линиях) как в однофазной, так и в трёхфазной сети. Основные характеристики сетей с занулением представлены в таблице 2.

Таблица 2
Тип сети	Количество фаз	Наружная проводка (питающая линия)	Внутренняя проводка (групповые линии)	Положение точки разветвления ну левых проводов
Кол- во проводов	Наименование проводов	Кол-во проводов	Наименование проводов
TN-C	однофазная		L,PEN		L,PEN	на вводе в электроприёмник
трехфазная		Ll,L2,L3,PEN		L1, L2, L3, PEN
TN-C-S	однофазная		L,PEN		L,N,PE	на вводе в здание (объект)
трехфазная		L1L2,L3,PEN		L1,L2,L3,N,PE
TN-S	однофазная		L, N, PE		L,N,PE	на подстанции в нейтрали трансформатора
трёхфазная		L1L2,L3,N,PE		L1,L2,L3,N,PE

Разновидности системы TN (см. рис.13 и таблицу 2) различаются между собой уровнем безопасности, который в свою очередь зависит от вероятности обрыва PEN-проводника. При такой неисправности в системах TN-C и TN-C-S имеет место вынос потенциала фазы на все занулённые металлические корпуса электроприёмников, подключенных после точки обрыва по ходу энергии, по цепи: фаза - рабочая обмотка электроприёмника - нулевой рабочий проводник - точка соединения нулевых рабочего и защитного проводников - нулевой защитный проводник - корпус. Наибольшей вероятностью обрыва PEN - проводника характеризуется система TN-C, где этот обрыв может произойти как в питающей линии (особенно, если она воздушная), так и во внутренней электропроводке. Система TN-C-S обеспечивает более высокий уровень безопасности т.к. обрыв может произойти практически только в питающей линии. Однако переход к системе TN-C-S требует дополнительных затрат: групповые линии внутренней проводки выполняются не двух-, а трёхпроводными. Наибольшей степенью безопасности характеризуется система TN-S, где PEN - проводник отсутствует, а значит, рассматриваемая неисправность исключена.

Однако это достигается существенным увеличением затрат, т.к. в питающей линии по всей её длине от подстанции до потребителя необходимо иметь нулевой защитный проводник (РЕ), то есть питающая линия в системе TN-S имеет на один провод больше, чем в системах TN-C и TN-C-S.

На практике должны чётко соблюдаться указанные выше области применения защитного заземления и зануления. Недопустимо применение зануления в сети с изолированной нейтралью, равно как и защитного заземления (без соединения металлических корпусов с нулевым проводом) в сети с глухозаземленной нейтралью (сеть типа ТТ). Нарушение этого требования может привести к поражению электрическим током. Действительно, если в сети с изолированной нейтралью применить зануление, то в случае однофазного замыкания на землю нейтраль, а следовательно, всё занулённое оборудование приобретает по отношению к земле потенциал фазы. Человек, касаясь совершенно исправного оборудования попадает под фазное напряжение. Опасность усугубляется тем, что при отсутствии специальной защиты режим однофазного замыкания на землю может существовать длительное время. По этой причине сеть типа IN (то есть сеть с изолированной нейтралью и занулением) вовсе не предусмотрена комплексом стандартов ГОСТ Р 50571 как недопустимая к применению.

Наоборот, если в сети с глухозаземлённой нейтралью вместо зануления выполнить защитное заземление, то есть применить сеть ТТ, то при замыкании на корпус фазное напряжение распределится между последовательно включёнными заземлителем корпуса электроприёмника и заземлителем нейтрали трансформатора пропорционально их сопротивлениям. При этом возникает реальная угроза электропоражения у потребителя или на подстанции, тем более что указанный аварийный режим может существовать длительное время, ибо ток, проходящий через последовательно соединённые сопротивления заземлителей корпуса и нейтрали, может быть недостаточным для срабатывания защиты электроприёмника, По указанной причине ПУЭ запрещает применение сети типа ТТ (и. 1.7.39).

В то же время комплекс стандартов ГОСТ Р 50571 рассматривает сеть ТТ как одну из имеющих право на существование. Более того, ГОСТ Р 50669-94 «Электроснабжение и электробезопасность мобильных (инвентарных) зданий из металла или с металлическими каркасами для уличной торговли или бытового обслуживания населения» предписывает применение для электроснабжения упомянутых зданий именно системы ТТ как основной и лишь допускает применение системы TN-S. Тем самым считается, что первая обеспечивает более высокий уровень электробезопасности, чем вторая. Таким образом, возникает противоречие между требованиями ПУЭ И новых российских стандартов ГОСТ Р. Однако необходимо учесть, что ГОСТ Р 50669-94 требует обязательного применения в зданиях из металла устройства защитного отключения (УЗО), а сеть ТТ в совокупности с УЗО обеспечивает высокий уровень электробезопасности при меньших материальных затратах, чем сеть TN-S. Поэтому противоречие между указанными нормативными документами может быть снято путём внесения в них чёткого указания о том, что сеть ТТ может применяться только в совокупности с УЗО.

Выравнивание потенциалов

При пробое изоляции на корпус, присоединённый к заземлителю, обрыве и падении провода на землю потенциалы точек земной поверхности (токопроводящего пола) вблизи от заземлителя приобретают повышенное значение (см. рис.15). Наибольший потенциал, равный потенциалу заземлителя φ₃, имеет точка земли, расположенная точно над заземлителем. При удалении от заземлителя в любую сторону потенциалы точек земли снижаются по гиперболическому закону. Можно считать, что на расстоянии более 20 м от заземлителя зона растекания заканчивается, то есть потенциалы точек земли имеют нулевое значение.

Человек, находящийся в зоне растекания, может попасть под напряжение шага. Напряжение шага (Um)- это разность потенциалов между двумя точками земли, находящимися одна от другой на расстоянии шага (0,8м), на которых одновременно стоит человек. Из рис.15 видно, что величина Um зависит от:

- ширины шага: чем она больше, тем больше Um;

- расстояния от человека до заземлителя: при удалении от заземлителя U_ш уменьшается, обращаясь в нуль за пределами зоны растекания;

- величины потенциала заземлителя: чем больше φ₃, тем больше U_ш.

Опасность воздействия напряжения шага состоит в том, что ток, протекая по пути «нога-нога», вызывает судороги мышц, что может привести к падению человека на землю. При этом возникает более опасная для человека петля тока, а также увеличивается расстояние между точками земли, которых он будет касаться. Индивидуальными средствами защиты от напряжения шага в установках выше 1000 В являются диэлектрические боты, а до 1000 В - диэлектрические галоши. Коллективным средством защиты является выравнивание потенциалов.

 

Человек, который стоит на земле и касается оказавшегося под напряжением заземлённого корпуса (см. рис.15), подвергается действию напряжения прикосновения. Напряжение прикосновения (Unp) - это разность потенциалов между двумя точками электрической цепи, которых одновременно касается человек. Практически - это разность потенциалов руки φ_р и ноги φ_н человека. На рис.15 изображены два заземлённых электроприёмника, один из которых (I) расположен вблизи от заземлителя, а другой (2) вдали (в зоне нулевого потенциала). Потенциал руки человека в обоих случаях равен потенциалу заземлителя, поэтому напряжение прикосновения определяем величиной потенциала ноги. Когда человек стоит точно над заземлителем, его рука и нога находятся под одним и тем же потенциалом φ_р=φ_н=φ_з следовательно, U_пр=φ_р-φ_н=0, и человек не подвергается опасности, По мере удаления от заземлителя потенциал ноги уменьшается и разность φ_р-φ_н=U_пр возрастает. Напряжение прикосновения имеет наибольшее значение в зоне нулевого потенциала, где φ_н=0, а U_пр=φ_н. В этом случае человек подвергается наибольшей опасности. Рассмотренное явление называется выносом потенциала и заключается в том, что заземлённое оборудование расположено слишком далеко от заземлителя.

В качестве коллективного средства защиты от напряжения шага и прикосновения применяется выравнивание потенциала (рис 16). Заземляющее устройство выполняется не в виде одного заземлителя, а состоит из совокупности вертикальных и горизонтальных металлических электродов, соединённых между собой и рассредоточенных по всей площади (или по контуру) пола рабочей зоны. При небольших расстояниях между элементами контура заземления потенциалы внутри него между отдельными точками выравниваются. Однако по краям контура за пределами заземляющего устройства может иметь место крутой спад потенциальной кривой и опасные значения напряжений шага и прикосновения. Поэтому все заземляемое (зануляемое) электрооборудование должно быть установлено внутри контура, в пределах пространства, ограниченного крайними электродами. По краям контура, за его пределами (особенно в местах проходов и проездов) укладываются в землю на различной глубине дополнительные стальные полосы, что уменьшает крутизну спадания потенциала, а значит, напряжения шага и прикосновения (рис. 16-б).

ГОСТ 12.1.009-76 определяет выравнивание потенциала как метод снижения напряжения прикосновения и шага между точками электрической цепи, к которым возможно одновременное прикосновение или на которых может одновременно стоять человек. Выравнивание потенциала как самостоятельный способ защиты не применяется, оно является дополнением к защитному заземлению (занулению).

 

 

Требования к конструкции и параметры устройств защитного заземления, зануления и выравнивания потенциалов содержатся в ГОСТ 12.1.030-81 «Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление» и в ПУЭ, гл. 1.7.

Система защитных проводов

В сети до 1 кВ с изолированной нейтралью может применяться система защитных проводов, при которой корпуса электоприёмников электрически соединяются между собой, а также с металлическими трубопроводами, оболочками кабелей, металлическими конструкциями зданий и другими заземлителями. Такая мера защиты получила распространение в странах восточной Европы (страны бывшего СЭВ). В нашей стране она применяется в передвижной энергетике, когда источник питания и потребители располагаются на транспортных средствах.