Защитное заземление в заземленных электрических сетях

(система заземления TN)

 

Проведем анализ эффективности защитного заземления на примере трехфазной электрической сети напряжением до 1000 В с глухо заземленной нейтралью (рис. 47).

Поскольку на практике сопротивление изоляции составляет десятки и сотни тысяч Ом, а сопротивление рабочего заземления вторичной обмотки трансформатора - единицы Ом, то величиной тока, протекающего через , пренебрежем.

Тогда согласно схеме замещения (рис. 47):

;

.

Если , то:

.

Таким образом, корпус заземленной электроустановки может оказаться под напряжением относительно земли, равном половине фазного напряжения сети.

Если человек коснется корпуса электроустановки, то он подключится параллельно сопротивлению и

.

 

 

Рис. 47. Защитное заземление в заземленной электрической сети

 

При

что представляет смертельную опасность для человека.

Вывод. Защитное заземление в заземленных электрических сетях неэффективно.

Вот почему Правила устройства электроустановок (ПУЭ) не рекомендует использовать защитное заземление в данных сетях в качестве единственной меры защиты. Оно может использоваться только как дополнение к защитному занулению или другим видам защиты.

Из рассмотрения принципа действия защитного заземления получено, что чем меньше сопротивление защитного заземления или заземляющего устройства , тем меньший ток протекает через тело человека.

Сопротивлением заземляющего устройства называется отношение напряжения на нем к току, стекающему с заземлителя. В зависимости от режима нейтрали сети, от которой питается ЭУ, оно будет различным.

Защитное заземление или зануление ЭУ следует выполнять:

1) при номинальных напряжениях более 50 В переменного тока и 120 В и выше постоянного тока - во всех случаях и электроустановках;

2) при номинальных напряжениях выше 25 В, но ниже 50 В переменного тока и выше 60 В, но ниже 120 В постоянного тока - только в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных ЭУ.

Защитное заземление или зануление ЭУ не требуется при номинальных напряжениях до 25 В переменного тока и до 60 В постоянного тока во всех случаях, кроме:

- ЭУ, расположенных во взрывоопасных зонах;

- ЭУ, расположенных в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных установках;

- металлических оболочек и брони контрольных и силовых кабелей и проводов напряжением до 42 В переменного тока и до 110 В постоянного тока, проложенных на общих металлических конструкциях вместе с кабелями и проводами, металлические оболочки и броня которых подлежат защитному заземлению и занулению;

- сварочных трансформаторов, у которых, кроме заземления (зануления) корпусов, следует заземлять (занулять) зажим вторичной цепи источника сварочного тока, соединяемый обратным проводом с изделием.

При невозможности выполнения защитного заземления, зануления и защитного отключения допускается обслуживание ЭУ с изолирующих площадок. Изолирующие площадки должны быть выполнены так, чтобы прикосновение к представляющим опасность частям ЭУ могло быть только с площадок.

К частям, подлежащим защитному заземлению или занулению, относятся:

- корпуса электрических машин, трансформаторов, аппаратов, светильников и других ЭУ;

- приводы электрических аппаратов;

- вторичные обмотки измерительных трансформаторов;

- каркасы распределительных щитов, щитов управления, щитков и шкафов, а также съемные или открывающиеся части, если на последних установлено электрооборудование напряжением выше 25 В переменного тока или более 60 В постоянного тока;

- металлические конструкции РУ, металлические кабельные конструкции, металлические кабельные соединительные муфты, металлические оболочки и броня контрольных и силовых кабелей, металлические оболочки проводов, металлические рукава и трубы электропроводки, кожухи и опорные конструкции шинопроводов, лотки, короба, струны, тросы и стальные полосы, на которых укреплены кабели и провода (кроме струн, тросов и полос, по которым проложены кабели с заземленной или зануленной металлической оболочкой или броней), а также другие металлические конструкции, на которых устанавливается электрооборудование;

- металлические корпуса передвижных и переносных электроприемников;

- электрооборудование, установленное на движущихся частях станков, машин и механизмов.

С целью уравнивания потенциалов в тех помещениях и наружных установках, в которых применяется защитное заземление или зануление, строительные и производственные конструкции, стационарно проложенные трубопроводы всех назначений, металлические корпуса технологического оборудования, подкрановые и железнодорожные рельсовые пути должны быть присоединены к магистрали заземления или зануления.

Предельно допустимые значения сопротивлений защитного заземления ЭУ напряжением до 1000В приведены в табл. 11.

Заземлителем называется проводящая часть или совокупность соединенных между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду.

По расположению заземлителей относительно заземленных корпусов, заземляющие устройства подразделяют на выносные и контурные.

Выносное заземляющее устройство показано на рис. 48.

Заземлители располагаются на некотором удалении от заземляемого оборудования. Поэтому заземленные корпуса находятся вне поля растекания тока в земле, и человек, касаясь корпуса, оказывается под полным напряжением относительно земли, если не учитывать коэффициента прикосновения, учитывающего площадь прикосновения, , . Так как , тогда ток через человека:

.

Выносное заземление защищает только за счет малого сопротивления
заземляющего устройства.

 

Таблица 11

Предельно допустимые значения R₃ в зависимости от напряжения

сети и удельного сопротивления грунта

 

Линейное напряжение источника тока, В	Сопротивление заземляющего устройства RЗ, Ом	Удельное сопротивление земли ρ, Ом м
трёхфазного	однофазного
			ρ < 100
		0,02 ρ 0,04 ρ 0,08 ρ	100 < ρ < 1000
			ρ > 1000

 

Вид сверху

 

 

Рис. 48. Заземляющее устройство сооружения с групповым выносным заземлителем

Контурное заземляющее устройство показано на рис. 49. Заземлители располагаются по контуру вокруг заземленного оборудования на небольшом (несколько метров) расстоянии друг от друга. Поля растекания токов заземлителей накладываются, и любая точка поверхности грунта внутри контура имеет значительный потенциал.

Вследствие этого разность потенциалов между точками, находящимися внутри контура, снижена и коэффициент прикосновения намного меньше единицы.

Коэффициент напряжения шага также меньше максимально возможного значения. Ток через человека, касающегося корпуса, меньше, чем при выносном заземлении.

Рис. 49. Контурное заземляющее устройство: а - разрез; б - план;

в - распределение потенциалов

 

Иногда при выполнении контурного заземления внутри контура прокладывают горизонтальные полосы, которые дополнительно выравнивают потенциалы внутри контура (рис. 50).

Рис. 50. Заземляющее устройство с выравниванием потенциалов внутри контура (сетка):

а - план; б - форма потенциальной кривой

Заземляющим устройством называется совокупность заземлителя и заземляющих проводников.

Заземлителем называется проводящая часть или совокупность соединенных между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду (рис. 50).

Защитным заземляющим проводником называется проводник, предназначенный для защитного заземления.

Магистралью заземления называется защитный заземляющий проводник с двумя или более ответвлениями.

 

Требования к конструкции заземляющих устройств

 

Заземлители, входящие в состав групповых выносных и контурных заземляющих устройств, бывают естественные и искусственные.

Естественный заземлитель -сторонняя проводящая часть (СПЧ), находящаяся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду, используемая для целей заземления.

В качестве естественных заземлителей рекомендуется использовать:

1) металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящиеся в соприкосновении с землей, в том числе железобетонные фундаменты зданий и сооружений, имеющие защитные гидроизоляционные покрытия в неагрессивных, слабоагрессивных и среднеагрессивных средах;

2) металлические трубы водопровода, проложенные в земле;

3) обсадные трубы буровых скважин;

4) металлические шпунты гидротехнических сооружений, водоводы, закладные части затворов и т.п.;

5) рельсовые пути магистральных неэлектрифицированных железных дорог и подъездные пути при наличии преднамеренного устройства перемычек между рельсами;

6) другие находящиеся в земле металлические конструкции и сооружения;

7) металлические оболочки бронированных кабелей, проложенных в земле. Оболочки кабелей могут служить единственными заземлителями при количестве кабелей не менее двух. Алюминиевые оболочки кабелей использовать в качестве заземлителей не допускается.

Не допускается использовать в качестве заземлителей трубопроводы горючих жидкостей, горючих или взрывоопасных газов и смесей и трубопроводов канализации и центрального отопления. Указанные ограничения не исключают необходимости присоединения таких трубопроводов к заземляющему устройству с целью уравнивания.

Заземлители должны быть связаны с магистралями заземлителей не менее чем двумя проводниками, присоединенными к заземлителю в разных местах. Это требование не распространяется на опоры ВЛ, повторное заземление нулевого проводника и металлические оболочки кабелей.

Искусственный заземлитель - заземлитель, специально выполняемый для целей заземления.

Искусственные заземлители применяются тогда, когда естественные заземлители не обеспечивают требуемую величину сопротивления заземляющего устройства или напряжения прикосновения.

Для искусственных заземлителей применяют вертикальные и горизонтальные неокрашенные электроды

В качестве вертикальных электродов используют прутковую сталь диаметром не менее 10 мм и угловую сталь с толщиной не менее 4 мм.

Горизонтальные электроды используют для гальванического соединения между собой вертикальных электродов, а также самостоятельно. Для этих целей применяют полосовую сталь сечением не менее 48 мм² и сталь круглого сечения диаметром не менее 6 мм. Допускается применение заземлителей из электропроводящего бетона.

Для установки вертикальных заземлителей (рис. 51) роют траншею. Верхние концы погруженных в землю вертикальных электродов соединяют стальной полосой с помощью сварки. В таких же траншеях прокладывают и горизонтальные электроды.

Заземляющие устройства не должны иметь окраски, кроме мест сварных соединений горизонтальных и вертикальных заземлителей, а также горизонтальных заземлителей между собой. Указанные места окрашиваются битумной или другими аналогичными красками. В случае опасности повышенной коррозии для заземлителей рекомендуется использовать сталь только круглого профиля и повышенного сечения, при повышенной коррозии могут применяться также оцинкованные или омедненные заземлители.

Рис. 51. Установка стержневого вертикального заземлителя в траншее

Активность грунта по отношению к стали в зависимости от одного из параметров удельного сопротивления грунта, влияющего на скорость коррозии металла в грунте, приведена в табл. 12.

 

Таблица 12

Зависимость коррозионной активности грунта от его удельного сопротивления

 

Коррозионная активность фунта	Удельное сопротивление фунта, Ом-м
Весьма высокая	до 5
Высокая	5-10
Повышенная	10-20
Средняя	20-100
Низкая	Более 100

 

Наименьшие размеры стальных вертикальных заземлителей приведены ниже.

Прямоугольный заземлитель:

- сечение, мм - 48;

- толщина, мм - 4.

Толщина полки угловой стали, мм - 4.

Диаметр круглого заземлителя, мм:

- оцинкованного - 6;

- не оцинкованного - 10.

Для искусственных заземлителей следует применять сталь. Искусственные заземлители не должны окрашиваться. Сечение горизонтальных заземлителей для электроустановок напряжением выше 1 кВ выбирается по термической стойкости, исходя из допустимой температуры нагрева 400 °С.

Не следует располагать (использовать) заземлители в местах, где земля подсушивается под действием тепла трубопроводов и т.п. Траншеи для горизонтальных заземлителей должны заполняться однородным грунтом, не содержащим щебня и строительного мусора.

В случае опасности коррозии заземлителей должно выполняться одно из следующих мероприятий: увеличение сечения заземлителей с учетом расчетного срока их службы, применение оцинкованных или медных заземлителей, применение электрической защиты.

При устройстве групповых заземляющих устройств вертикальные электроды соединяются стальными полосами. Однако, иногда для осуществления защиты и выравнивания потенциалов вокруг ЭУ используют только горизонтальные заземлители.

Горизонтальные заземлители. Глубина прокладки горизонтальных заземлителей должна быть не менее 700 - 800 мм. Она определяется зоной промерзания земли. Прокладка горизонтальных заземлителей в грунте показана на рис. 52.

При наличии на строительной площадке значительного количества строительного мусора и камней засыпка горизонтального заземлителя сначала производится мягкой однородной землей с утрамбовкой на глубину 200 мм, а затем местным грунтом.

Это требование обусловлено усилением локальных коррозионных разрушений, возникающих при обратной засыпке перемешанным грунтом. Горизонтальный заземлитель из полосовой стали укладывается на дно траншеи на ребро.

 

 

Рис. 52. Прокладка горизонтальных заземлителей в земле: а - в траншее;

б - то же совместно с кабелем (в настоящее время используется редко); 1 - полоса;

2 - грунт; 3 - мягкий грунт; 4 - силовые кабели; 5 - контрольные кабели

 

Защитное зануление

 

Устройство зануления совместно с защитным заземлением в электрических сетях системы заземления TNнеобходимо потому, что часто защитное заземление не выполняет свою защитную роль. При пробое изоляции и замыкании на корпус заземленного электрооборудования протекает ток замыкания, величина которого не всегда достаточна для срабатывания защиты (релейная защита, плавкие вставки предохранителей и т.д.) и отключения аварийного оборудования.

Ток замыкания протекает через рабочее и защитное заземления и создает на корпусе заземленного оборудования потенциал, который может существовать длительно:

.

При равенстве величин = величина опасного потенциала на корпусе ЭУ достигает половины фазного напряжения сети. С увеличением величины сопротивления защитного заземления величина опасного потенциала на корпусах заземленных ЭУ возрастает. Снизить этот потенциал можно уменьшением величины , что приводит к резкому увеличению напряжений относительно земли на двух других неповрежденных фазах.

Добиться быстрого отключения аварийного участка можно путем увеличения тока замыкания ; величина его должна быть такой, чтобы за доли секунды отключился коммутационный аппарат или перегорела плавкая вставка предохранителя. С этой целью сопротивления и шунтируют бесконечно малым сопротивлением нулевого защитного проводника.

Защитное зануление (далее зануление) в электроустановках напряжением до 1 кВ - преднамеренное соединение открытых проводящих частей (металлических НТВЧ ЭУ) с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, с глухозаземленным выводом источника однофазного тока, с заземленной точкой источника в сетях постоянного тока, выполняемое в целях электробезопасности.

Нулевой защитный проводник (НЗП - РЕ) - защитный проводник в ЭУ до 1 кВ, предназначенный для присоединения открытых проводящих частей ЭУ с глухозаземленной нейтралью источника питания.

Нулевой рабочий (нейтральный) проводник (НРП - N) - проводник в ЭУ до 1 кВ, предназначенный для питания электроприемников и соединенный с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, с глухозаземленным выводом источника однофаз-ного тока, с глухозаземленной точкой источника в сетях постоянного тока.

Назначение зануления - устранение опасности поражения электрическим током при прикосновении к корпусу (ОПЧ) и другим металлическим НТВЧ (СПЧ) ЭУ, оказавшимся под напряжением вследствие замыкания на корпус.

Принцип действия зануления основан на превращении замыкания на корпус в однофазное короткое замыкание между фазным и нулевым защитным проводником (РЕ), при котором протекает большой ток короткого замыкания, обеспечивающий срабатывание защиты (автоматов, предохранителей и т.п.), автоматически отключающей поврежденную установку от питающей сети.

Поскольку корпус или другие нетоковедущие части ЭУ, оказавшиеся под напряжением, заземлены через нулевой защитный проводник и рабочее заземление сети , то в аварийный период (т.е. с момента возникновения замыкания на корпус и до автоматического отключения поврежденной электроустановки от сети) проявляется защитное свойство зануления как заземления с заземляющим устройством . Иначе говоря, заземление корпусов через нулевой защитный проводник снижает в аварийный период напряжение корпусов относительно земли.

На рис. 53 представлена схема защитного зануления, которая длительно применялась в России.

Однако при такой схеме зануления на PEN-проводнике относительно «земли» всегда присутствовал потенциал, так как PEN-проводник использовался как нулевой рабочий, так и нулевой защитный.

 

Рис. 53. Схема зануления в трехфазной четырехпроходной сети с глухозаземленной

нейтралью и совмещенными нулевыми защитным и рабочим проводниками

 

Для обеспечения надежного и быстрого отключения к системе зануления предъявляются два основных требования:

1. Для обеспечения надежного отключения необходимо, чтобы ток замыкания отвечал условию:

,

где - номинальный ток плавкой ставки (ток установки расцепителя автомата);

- коэффициент кратности тока (коэффициент надежности отключения).

В зависимости от типа автоматического выключателя (время-токовой характеристики) должен быть:

- для выключателей типа B - (5-10) I_Н;

- для выключателей типа C - (10-20) I_Н;

- для выключателей типа D - (20-40) I_Н; где I_Н - номинальный рабочий ток автоматического выключателя.

Для предохранителей с плавкими вставками в зависимости от типа может принимать значения от 3 до 10.

2. Время отключения поврежденной электроустановки автоматическими выключателями должно быть не более 0,4 с.

3. Сопротивление нулевого защитного проводника не должно превышать более чем в два раза сопротивление фазного провода. В целях уменьшения индуктивного сопротивления петли «фаза-нуль» НЗП следует прокладывать непосредственно вблизи с фазными проводами.

Все вновь вводимые в эксплуатацию здания и сооружения должны иметь сети: трехфазные пятипроводные, а однофазные трехпроводные должны быть выполнены с отдельными нулевыми защитными проводниками (рис. 54, 55).

Приведенные схемы соответствуют ГОСТ 30331.2-95. Все приведенные выше рассуждения остаются в силе, более того, при таком выполнении зануления повышается надежность цепи зануления, т.к. проводник РЕ не используется для создания рабочей цепи ЭУ.

 

 

Рис. 54. Схема зануления в сети TNS (трехфазной пятипроводной)

 

В электрической сети системы заземления IT (изолированной от земли) защитное зануление обеспечивает отключение поврежденной ЭУ от сети так же надежно, как и в заземленной сети (рис. 56).

Тем не менее, ПУЭ запрещает применять зануление в сетях, изолированных от земли. Рассмотрим случай, когда корпус заземленной электроустановки не находится под напряжением замыкания, а произошло замыкание одной из фаз на землю (рис. 57), например, в результате обрыва и падения на землю провода.

В сети, изолированной от земли (рис. 57, а), между зануленным оборудованием и землей возникает напряжение замыкания , близкое по значению к фазному напряжению сети , и прикосновение человека к корпусу зануленной электроустановки становится опасным.

При возникновении аналогичной ситуации в заземленной сети (рис. 57, б) фазное напряжение сети разделится пропорционально сопротивлениям замыкания фазы на землю и заземления нейтрали ; корпуса зануленных электроустановок окажутся под напряжением, равным падению напряжения на сопротивлении заземления нейтрали

,

где - ток замыкания на землю.

Пример: если , , а , то

.

 

 

Рис. 55. Схема зануления в однофазной трехпроводной сети

с заземленным выводом источника тока и отдельным нулевым защитным проводником PE