Исследование защитного заземления, зануления,

Напряжений прикосновения и шага

Цель работы - изучение и исследование действия защитного заземления, зануления, напряжений прикосновения и шага в трехфазных сетях до и выше 1000 В с различными режимами нейтрали.

Задачи работы

1. Исследование распределения потенциала на поверхности земли при замыканиях фазы на корпус электрооборудования и на модели высоковольтной линии с различными режимами нейтрали сети.

2. Изучение и исследование эффективности действия защитного заземления в различных трехфазных сетях и замыканиях на корпус электрооборудования.

3. Определение зависимости напряжения прикосновения от расстояния места замыкания тока в землю при различных режимах нейтрали сети и видов замыкания на корпус.

4. Изучение и исследование действия зануления в сети без повторного и с повторным заземлением нулевого защитного проводника.

5. Исследование изменения напряжения шага в зависимости от места замыкания тока в землю при различных режимах сети.

Теоретические положения

В зависимости от режима нейтрали источника тока и наличия нулевого провода используются следующие трехфазные сети:

1) трехпроводные с заземленной нейтралью;

2) трехпроводные с изолированной нейтралью;

3) четырехпроводные с заземленной нейтралью;

4) пятипроводные с заземленной нейтралью.

Согласно Правилам устройства электроустановок [1] при напряжении выше 1000 В

применяются первая и вторая схемы, до 1000 В – вторая, третья и четвертая.

 

 

Рис. 1 Схема включения человека на напряжения прикосновения и шага

а) двухфазное прикосновение к токоведущим частям; б) однофазное прикосновение;

в) прикосновение к корпусу, оказавшемуся под напряжением; г) прикосновение к заземленному корпусу, оказавшемуся под напряжением; д) включение на напряжение шага

 

В процессе практической эксплуатации электроустановок возможные различные случаи включения человека на напряжения прикосновения и шага, что иллюстрирует рис. 1.

Напряжение прикосновения U_пр – разность потенциалов между двумя точками электрической цепи замыкания тока, которых одновременно касается человек. Во всех случаях контакта это напряжение прикладывается ко всей цепи человека, куда входят сопротивление тела человека, сопротивления обуви, пола или грунта.

При двухфазном прикосновении к токоведущим частям (рис. 1, а) напряжение прикосновения равно линейному напряжению сети , а ток I_h – через тело человека не зависит от схемы сети и режима ее нейтрали и будет иметь наибольшее значение:

, где R_h – сопротивление тела человека.

При прикосновении к фазе трехпроводной сети с изолированной нейтралью (рис. 1, б) при равных полных сопротивлениях фазных проводов относительно земли Z ток через тело человека определяется выражением:

В сети с малой емкостью (воздушные линии) величина тока I_h будет определяться сопротивлением изоляции R_из:

В сетях с большой емкостью на землю (кабельные линии) величина тока I_h будет определяться емкостным сопротивлением линии. При этом действующее значение тока будет определяться выражением:

,

где (ω- угловая частота изменения напряжения сети; С – емкость линии).

Следует отметить, что в трехфазной сети с заземленной нейтралью при прикосновении человека к фазному проводу величина тока не зависит от сопротивления изоляции и емкости проводов относительно земли (R₀ << Z) и будет определяться выражением:

)

В аварийном режиме (однофазное замыкание провода) прикосновение к здоровой фазе в сети с изолированной нейтралью приблизительно аналогично двухполюсному касанию:

Прикосновение к незаземленному корпусу электрооборудования (режим рис. 1, в) аналогично режиму рис. 1, б.

При прикосновении к заземленным нетоковедущим частям электрооборудования (режим рис. 1, г) напряжение прикосновения будет определяться напряжением корпуса относительно земли и распределением потенциала по поверхности грунта. На заземлившейся токоведущей части или заземленной нетоковедущей части происходит резное снижение потенциала до значения , где I₃ – ток, стекающий в землю; R₃ – сопротивление заземлителя.3

Рассмотрим распределение потенциала вдоль поверхности грунта на примере простейшего заземлителя полусферической формы (рис. 2).

 

 

Рис. 2. Распределение потенциала на поверхности

земли вокруг полушарового заземлителя

 

Примем, что земли однородна и ток растекается равномерно и симметрично. При постоянном токе и токе промышленной частоты 50 Гц поле растекания тока можно считать стационарным. Для этого случая применим закон Ома в дифференциальной форме: , где Е – напряженность электрического поля растекания тока в грунте с удельным сопротивлением ρ. Плотность тока δ в земле на расстоянии χ от центра полушара определяется как отношение тока замыкания I₃ к площади поверхности полусферы - 2πх²: . Для определения потенциала поверхности с радиусом х выделим элементарный слой толщиной dx. Падение напряжения в этом слое - . Отсюда

.

Максимальное значение потенциала будет при х = r: . Минимальное значение потенциала = 0 будет иметь точка х = ∞. Как следует из приведенных выше выражений потенциал вдоль поверхности земли вокруг полушарового заземлителя изменяется по закону двухсторонней гиперболы - . В реальных условиях уже при расстоянии от заземлителя х ≥ 20 метров плотность тока в грунте мала за счет большой поверхности стекания тока и можно считать - = 0.

Для человека, который стоит за земле и касается оказавшегося под напряжением заземленного корпуса (рис. 1, г) напряжение прикосновения определяется разностью между потенциалом корпуса (заземлителя) , которого касается рука человека и потенциалом точки поверхности земли , на которой находятся ноги человека.

где - коэффициент напряжения прикосновения.

Таким образом, напряжение прикосновения зависит от тока замыкания в землю I_з, удельного электрического сопротивления грунта, геометрии заземляющего устройства и расстояния х человека от места замыкания (заземлителя). Этот вывод иллюстрирует рис. 3. Чем дальше от заземлителя находится человек, тем больше U_пр и наоборот. Так, при х ≥ 20 м (случай 1 на рис. 3) потенциал основания ≈ 0 и U_пр = , а коэффициент α=1. Это наиболее опасный случай прикосновения. При наименьшем значении х, т.е. когда человек стоит непосредственно на заземлителе (случай 2 на рис. 3) и коэффициент напряжения прикосновения α = 0. Это безопасный случай.

Рис. 3. Напряжение прикосновения при одиночном заземлителе:
I – потенциальная кривая;

II – кривая, характеризующая изменение напряжения прикосновения U_пр при изменении расстояния от заземлителя х

 

При нахождении человека на грунте вблизи заземлителя или провода, с которого стекает ток I_з (рис. 1, д), он оказывается в поле растекания тока и попадает под напряжение шага. Напряжение шага – это разность потенциалов между двумя точками цепи тока замыкания, находящимися на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек.

где - коэффициент напряжения шага (0 ≤ β ≤ 1).

Наибольшие значения U_ш и β будут при наименьшем расстоянии от заземлителя, когда человек одной ногой стоит непосредственно на заземлителе, а другой – на расстоянии шага а от него (случай 1 рис. 4). Наименьшие значения U_ш и β будут за пределами поля растекания тока при х ≥ 20 м (случай 3 рис. 4).

 

 

Напряжения прикосновения и шага определяют падение напряжения в теле человека – I_h ^. R_h.

Для обеспечения регламентированных Правилами устройства электроустановок [1] допустимых напряжений прикосновения и шага в качестве защитной меры в аварийных режимах применяется защитное заземление.

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

Корпуса электрических машин, трансформаторов, аппаратов, светильников могут оказаться под напряжением при замыкании их токоведущих частей на корпус. Если корпус не заземлен и он оказался в контакте с фазой (рис. 1, в), то прикосновение человека к такому корпусу равносильно прикосновению к фазному проводу (рис. 1, б). В этом случае ток через человека равен , где R_из - сопротивление изоляции провода. Например, при U_ф = 220 В, R = 3,6 кОм, R_h = 1 кОм получим I_h = 100 mА, что для человека смертельно опасно.

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.

Область применения защитного заземления – трехфазные трехпроводные сети до 1000 В с изолированной нейтралью и выше 1000 В с любым режимом нейтрали.

Защитное заземление выполняется путем присоединения корпуса электроустановки к искусственным и естественным заземлителям, представляющим конструкции из металлических электродов и имеющих электрический контакт с грунтом.

При замыкании фазного провода на заземленный корпус электрооборудования через заземлитель пройдет ток замыкания I_з, величина которого теперь будет определяться сопротивлением изоляции проводов R_из и сопротивлением заземлителя R_з: Напряжение корпуса относительно земли: , а ток через человека, касающегося корпуса при самых неблагоприятных условиях: .

Например, при R_з = 4 Ом, R_из = 3,6 кОм напряжение корпуса относительно земли (напряжение прикосновения в нашем случае) будет равно:

Ток через человека будет неопасным: .

Правила устройства электроустановок предписывают нормирование величины сопротивления заземлителя в зависимости от напряжения электроустановок и токов замыкания на землю.

В электроустановках напряжением до 1000 В сопротивление заземлителя – R_з ≤ 4 Ом. Если суммарная мощность источников питания, подключенных к сети, не превышает 100 кВ ^. А, то сопротивление заземлителя – R_з ≤ 10 Ом.

В электроустановках напряжением выше 1000 В с токами замыкания на землю I_з < 500 А допускается сопротивление заземления - R_з ≤ 250/ I_з, но не более 10 Ом. В случае, если заземляющее устройство используется одновременно для электроустановок напряжением до 1000 В и выше 1000 В, то допускается сопротивление заземления - R_з ≤ 125/ I_з. В электроустановках с большими токами замыкания на землю I_з > 500 А сопротивление заземления - R_з ≤ 0,5 Ом. Расчетная величина тока замыкания I_з определяется по выражениям:

- для установок напряжением ниже 1000 В: ;

- для установок напряжением выше 1000 В: ,

где U_ф – фазное напряжение, кВ; l_к, l_в – общая длина подключенных кабельных и воздушных линий, км.

При двойном замыкании, т.е. при одновременном замыкании двух фаз на два корпуса, имеющих раздельные заземлители (рис. 5), эти и другие корпуса, присоединенные к указанным заземлителям, окажутся под напряжением относительно земли, равном: ; ; . Сопротивления изоляции и емкости фаз относительно земли в данном режиме замыкания не влияют на значение тока замыкания (R_з1 ≈ R_з2 << Z). Наличие такого напряжения на корпусах является опасным по условиям поражения током. Из-за малой величины тока замыкания в сетях напряжением до 1000 В такое двойное замыкание может существовать длительно. Если же заземлители установок 1 и 2 (рис. 5) выполнить как одно целое, то двойное замыкание на корпус превратится в режим короткого замыкания между фазами, что вызовет отключение установок максимально-токовой защитой (автоматы, предохранители) и обеспечит кратковременность опасного аварийного режима. Такой способ защиты от поражения электрическим током реализуется в трехфазных четырехпроводных

Рис. 5. Двойное замыкание на землю

Рис. 6. Защитное заземление в сети с заземленной нейтралью

 

сетях с нулевым проводом по схеме, представленной на рис. 6. Рассмотрим эффективность защитного заземления в данном случае. При замыкании фазы на корпус, напряжение корпуса относительно земли будет зависеть только от соотношения сопротивлений R_з и R₀ , величины которых значительно меньше сопротивлений изоляции фазных проводов (R_з ≈ R₀ << R_из). При этом фазное напряжение распределится между R_з и R₀.

Как уже отмечалось ранее величина I_з в сети до 1000 В оказывается недостаточной для срабатывания максимально-токовой защиты и напряжения на корпусе будет существовать длительно.

Поэтому в сетях напряжением до 1000 В с заземленной нейтралью защитное заземление не применяют, а в качестве защитной меры используют зануление.

Занулением называется преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.

Принцип действия зануления (рис. 7) состоит в превращении замыкания на корпус электрооборудования в однофазное короткое замыкание (между фазой и нулевым проводником) путем создания цепи с малым сопротивлением и обеспечением большой величины тока I_к, способной вызвать срабатывание защиты и автоматически отключить электроустановку от сети. Такой защитой являются плавкие предохранители; автоматы максимального тока, устанавливаемые перед потребителями энергии для защиты от токов короткого замыкания; магнитные

Рис. 7. Принципиальная схема зануления

пускатели с тепловым реле; контакторы в сочетании с тепловым реле, автоматы с комбинированными расцепителями.

Зануление осуществляет две защитные функции – быстрое автоматическое отключение поврежденной установки от сети и снижение напряжения зануления корпусов, оказавшихся под напряжением, относительно земли. При этом отключение осуществляется лишь при замыкании фазы на корпус, а снижение напряжения – во всех случаях возникновения напряжения на зануленных металлических нетоковедущих частях, в том числе при замыкании на корпус, электрическом и электромагнитном влиянии соседних цепей и т.д.

Область применения зануления – трехфазные четырехпроводные сети до 1000 В с заземленной нейтралью (сети напряжением 380/220 В, а также сети 220/127 В, 660/380 В).

Схема зануления предполагает наличие трех основных элементов: сопротивления заземления нейтрали – R₀, нулевого защитного проводника (НЗП) и сопротивления повторного заземления нулевого проводника R_п.

Рис. 8. К объяснению роли повторного заземления НЗП

 

Назначение НЗП – создание цепи с малым сопротивлением, причем величина его сопротивления R_н.з.п. ≤ 2 R_ф, где R_ф – сопротивление фазного провода.

Назначение повторного заземления нулевого провода – снизить напряжение относительно земли зануленных конструкций в период замыкания фазы на корпус как при исправной схеме зануления, так и в случае обрыва нулевого провода и замыканием за местом обрыва. (рис. 8).

В первом случае в сети, не имеющей повторного заземления, напряжение на корпусе относительно земли при замыкании на корпус фазы равно падению напряжения на участке ДЕ в нулевом проводнике (схема замещения рис. 9, а).

, где R_н, R_ф – сопротивления нулевого и фазного проводников.

 

Рис. 9. Схемы замещения режима однофазного замыкания на корпус в трехфазной четырехпроводной сети: а) - при отсутствии Rп; б) – при наличии Rп

 

Обычно на практике реализуется соотношение R_н ≤ 2 R_ф, поэтому U_к = 2/3U_ф. Если же нулевой провод имеет повторное заземление с сопротивлением R_п, то за счет создания цепи замыкания по сопротивлению R_п (схема замещения рис. 9, б) по участку ДЕ будет проходить меньший ток , а напряжение на корпусе снизится до значений , где R₀ – сопротивление заземления нейтрали.

При R_н = 2 R_ф падение напряжения в фазном проводе составит U_ф /3, а в нулевом – 2/3 U_ф. Тогда U_к = 2/3 U_ф ^. R_п /(R_п + R₀). При R₀ = R_п будем иметь U_к = U_ф /3, что в два раза меньше, чем при отсутствии повторного заземления.

Во втором случае (при случайном обрыве нулевого провода и замыканием на корпус за местом обрыва) напряжение корпуса 2 окажется близки к U_ф, что представляет опасность. При наличии повторного заземления нулевого проводника сохранится цепь тока через землю, благодаря чему напряжение с зануленных корпусов за местом обрыва снизится до значений

, а до места обрыва корпуса приобретут напряжение . При R₀ = R_п напряжения корпусов , что небезопасно. Поэтому нулевой провод должен иметь надежные соединения, чем обеспечивается непрерывность цепи от каждого корпуса до нейтрали источника., в нулевой провод запрещается устанавливать предохранители и выключатели.

Повторные заземления нулевого провода выполняются на концах воздушных линий в электроустановки подлежащие занулению. Согласно ПУЭ сопротивление R_п должно быть не более 60, 30 и 15 Ом, а сопротивление R₀ заземления нейтрали – 8, 4 и 2 Ом соответственно при линейных напряжениях 220, 380 и 660 В переменного трехфазного тока.