Назначение, принцип действия, устройство защитного заземления

Защитное заземление является одной из мер защиты от опасности поражения электрическим током при косвенном прикосновении – электрическом контакте людей или животных с открытыми проводящими частями, оказавшимися под напряжением.

К открытым проводящим частям «Правила устройства электроустановок» (ПУЭ) [7] относят доступные прикосновению части электроустановок, которые могут проводить электрический ток, нормально не находящиеся под напряжением, но которые могут оказаться под напряжением при повреждении основной изоляции (корпуса электрических машин, аппаратов, светильников, каркасы распределительных щитов, трубы электропроводки и тд.).

В соответствии с ГОСТ 12.1.038-82(2001) [8] защита от опасности косвенного прикосновения может быть обеспечена либо за счёт снижения напряжения прикосновения (защитное заземление, выравнивание потенциалов), либо за счёт ограничения времени воздействия тока (защитное зануление, защитное автоматическое отключение питания).

Заземление – преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством.

Заземляющее устройство – это совокупность заземлителей и заземляющих проводников (рис. 4.1).

Заземлитель – проводящая часть или совокупность соединённых между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землёй непосредственно или через промежуточную проводящую среду.

Заземляющий проводник – проводник, соединяющий заземляемую часть (точку) с заземлителем.

Рис. 4.1 Заземляющее устройство:

1 – заземляемая часть (открытая проводящая часть); 2 – заземляющий проводник; 3 – соединительная полоса; 4 – заземлитель

 

По назначению различают: рабочее заземление, защитное заземление, повторное заземление нулевого провода, заземление молниезащиты и тд.

Защитное заземление – заземление, выполняемое в целях электробезопасности.

При напряжении до 1 кВ защитное заземление выполняется в электроустановках системы IT. Первая буква в этих обозначениях показывает состояние нейтрали: I – изолированная нейтраль. Вторая буква – состояние открытых проводящих частей относительно земли: T – открытые проводящие части заземлены.

Система IT – система, в которой нейтраль источника питания изолирована от земли или заземлена через приборы или устройства, имеющие большое сопротивление (например, пробивной предохранитель), а открытые проводящие части электроустановки заземлены. Это трёхфазные трёхпроводные сети с изолированной нейтралью источника питания переменного тока (рис. 4.2)

К системе IT относятся также однофазные двухпроводные изолированные от земли сети переменного тока (рис. 4.3) и двухпроводные с изолированной средней точкой источника постоянного тока.

 

 

 

Рис. 4.2 Защитное заземление и схема замещения в трёхфазной трёхпроводной сети с изолированной нейтралью источника питания переменного тока:

1 – источник питания; 2 – открытая проводящая часть; 3 – защитное заземление; 4 – рабочее заземление; 5 – пробивной предохранитель

 

	r2

 

Рис. 4.3 Защитное заземление и схема замещения в однофазной двухпроводной изолированной от земли сети переменного тока:

1 – источник питания; 2 – открытая проводящая часть; 3 – защитное заземление; 4 – рабочее заземление; 5 – пробивной предохранитель

При защитном заземлении переход напряжения на открытые проводящие части сопровождается протеканием тока через заземляющее устройство и последовательно включённые сопротивления изоляции неповреждённых фазных проводов относительно земли (на рис. 4.2 и 4.3 жирно выделенные участки).

В результате протекания тока напряжение сети перераспределяется между сопротивлениями защитного заземления и сопротивлениями изоляции неповреждённых фаз. Сопротивление защитного заземления выполняется достаточно малым по сравнению с сопротивлениями изоляции фазных проводов относительно земли. Величина сопротивления защитного заземления выбирается таким, чтобы падение напряжения на заземляющем устройстве не превышало допустимых значений. Таким образом, защитное заземление снижает напряжение открытых проводящих частей относительно земли, напряжение, приложенное к телу человека (напряжение прикосновения), следовательно, и ток через него до допустимых значений. Снижение напряжения достигается за счёт последовательного включения малого по величине сопротивления заземляющего устройства с высокими сопротивлениями изоляции фазных проводов относительно земли (рис. 4.2 и 4.3).

В электроустановках напряжением выше 1 кВ переменного и постоянного токов защитное заземление выполняется при любом режиме нейтрали или средней точки источника тока. В таких сетях для снижения напряжения шага и прикосновения выполняется дополнительная мера защиты – выравнивание потенциалов при помощи защитных проводников, проложенных в земле, в полу или на их поверхности и присоединённых к заземляющему устройству.

Сопротивления заземляющих устройств нормируются «Правилами устройства электроустановок» [7]. Нормированные значения сопротивлений заземляющих устройств представлены в табл. 4.1.

При устройстве защитного заземления с целью экономии средств ПУЭ рекомендуют в первую очередь использовать естественный заземлитель - стороннюю проводящую часть, находящуюся в электрическом контакте с землёй непосредственно или через промежуточную проводящую среду, используемую для целей заземления (металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящиеся в земле металлические трубы водопроводов, другие находящиеся в земле металлические конструкции, кроме трубопроводов горючих жидкостей, горючих или взрывоопасных газов и смесей, трубопроводов канализации и центрального отопления). При отсутствии естественных заземлителей используют искусственные заземлители.

Таблица 4.1 – Нормированные значения сопротивлений заземляющих устройств в электроустановках напряжением до 1 кВ и выше (извлечение из ПУЭ, 7-е издание)

Нормированное значение заземляющего устройства, Ом	Характеристика электроустановок
, не требуется принимать менее 4 Ом	Для всех электроустановок напряжением до 1 кВ и мощностью источника более 100 кВА
, не требуется принимать менее 10 Ом	Только для электроустановок напряжением до 1 кВ и мощностью источника до 100 кВА. При параллельной работе трансформаторов и генераторов - при суммарной их мощности не более 100 кВА
	Если заземляющее устройство является общим для электроустановок напряжением до 1 кВ и выше, при расчётном токе замыкания на землю А
	Если заземляющее устройство используется только для электроустановок напряжением свыше 1 кВ, при расчётном токе замыкания на землю А
	Для электроустановок напряжением выше 1 кВ и расчётном токе замыкания на землю А

 

Примечание: при удельном сопротивлении грунта Ом∙м указанные значения сопротивлений заземляющих устройств могут быть увеличены в 0,002 раз, но не более 10 раз.

Основным параметром, характеризующим заземляющее устройство, является сопротивление растеканию тока. Сопротивление растеканию тока складывается из сопротивления заземляющих проводников, заземлителей и земли. Сопротивление металлических проводников очень мало, поэтому основное сопротивление растеканию оказывает земля. При расчётах сопротивление земли условно относят к заземлителю.

Сопротивление растеканию искусственных заземлителей зависит от формы и геометрических размеров заземлителей, удельного сопротивления грунта и его состояния, глубины заложения и способа размещения заземлителей (в ряд или по контуру).

В качестве вертикальных заземлителей используются уголковая сталь или стальные трубы длиной 2,5–3 м. Расчёты показывают, что увеличение длины электродов сверх 3 м не даёт заметного уменьшения сопротивления растеканию. Заземлители длиной более 3 м выполняют из стальных стержней.

Сечение заземлителей выбирается по механической прочности, термической устойчивости и условий работы в коррозийной среде.

Наименьшие размеры заземлителей и заземляющих проводников, проложенных в земле, представлены в табл. 4.2.

Таблица 4.2 – Наименьшие размеры заземлителей и заземляющих проводников, проложенных в земле (извлечение из ПУЭ, 7-е издание)

Материал	Профиль сечения	Диаметр, мм	Площадь поперечного сечения, мм^2	Толщина стенки, мм
Сталь чёрная	Круглый: для вертикальных заземлителей для горизонтальных заземлителей прямоугольный угловой трубный	- -	- - -	- - 3,5
Сталь оцинкованная	Круглый: для вертикальных заземлителей для горизонтальных заземлителей прямоугольный трубный	-	- - -	- -

 

Заземлители могут располагаться в ряд и по контуру. При размещении заземлителей по контуру обеспечивается лучшее выравнивание потенциалов, но в этом случае будет иметь место большее взаимное экранирование заземлителей.

Заземлители могут располагаться у поверхности земли или на некоторой глубине. Обычно это глубина промерзания грунта. Для стационарных заземляющих устройств предпочтительнее закладывать заземлители на глубине 0,5 – 0,8м (рис. 4.4), что исключает резкие колебания удельного сопротивления грунта в месте расположения заземлителей при его промерзании или высыхании.

 

 

Рис. 4.4 К расчёту заземляющего устройства:

d – диаметр заземлителя (эквивалентный диаметр при уголковой стали);

l – длина заземлителя; a – расстояние между заземлителями; h – глубина заложения заземлителя; t – расстояние от поверхности земли до середины заземлителя

Сопротивление растеканию одиночного вертикального заземлителя, расположенного на некоторой глубине в однородном грунте определяется по формуле

(4.1)

где – сопротивление растеканию тока вертикального заземлителя, Ом;

l – длинна заземлителя, м;

d – диаметр заземлителя, м;

t – расстояние от поверхности земли до середины заземлителя, м;

– расчётное удельное сопротивление грунта, Ом·м;

(4.2)

где – измеренное удельное сопротивление грунта, Ом·м (табл. 4.2);

– коэффициент сезонности для вертикальных заземлителей, учитывающий увеличение удельного сопротивления грунта при его промерзании или высыхании (табл. 4.3).Таблица 4.2 – Приближённые значения удельных сопротивлений грунтов и воды , Ом·м

Наименование грунтов	Пределы колебаний	Рекомендуемые для предварительных расчётов
Глина Суглинок Торф Чернозём Садовая земля Песок Супесок Речная вода Морская вода Известняк пористый Гравий, щебень	8–70 40–150 10–30 10–50 30–60 400–700 150–400 10–80 0,2–1 150–200 4000-7000

Для заземлителей из уголковой стали в формулу (4.1) подставляют эквивалентный диаметр уголка:

, (4.3)

где с – ширина полки уголка, м;

d_экв – эквивалентный диаметр уголка,м.

Таблицы 4.3 – Признаки климатических зон и приближённые значения коэффициента

Данные, характеризующие климатические зоны и тип применяемых контрольных электродов	Климатические зоны
1-я	2-я	3-я	4-я
1. Климатические признаки зон: - средняя многолетняя низшая температура (январь), :	от -20 до -15	от -14 до -10	от -10 до	от 0 до +5
- средняя многолетняя высшая температура (июль), : - среднегодовое количество осадков, см: - продолжительность замерзания вод, дней: 2. Значения коэффициентов, : - при применении стержневых электродов длиной 2-3м и глубине заложения их вершины 0,5-0,8м: - при применении протяжных электродов и глубине заложения 0,8м:	от+16 до +18   ~40   190–170     1,8–2     4,5–7,0	от +18 до +22   ~50   ~150   1,5–1,8   3,5–4,5	от +22 до +24   ~50   ~100     1,4–1,6     2,0–2,5	от +24 до +26   30-50       1,2–1,4     1,5–2,0

 

Примечание: Примерное распределение регионов по климатическим зонам:

1 зона – Архангельская, Кировская, Омская, Новосибирская области, Урал;

2 зона – Ленинградская, Вологодская области, центральные районы России;

3 зона – Новгородская, Смоленская, Брянская, Курская, Ростовская области;

4 зона – Краснодарский и Ставропольские края, Астраханская область.

Расчёты показывают, что сопротивление растеканию одного вертикального заземлителя значительно превышает допустимое значение.

Необходимое число заземлителей определяется по формуле:

, (4.4)

где n - необходимое число вертикальных заземлителей, ед.;

- допустимое сопротивление заземляющего устройства, Ом (таблица 4.1);

- коэффициент использования вертикальных заземлителей, учитывающий взаимное экранирование (табл. 4.4 и 4.5).

Таблица 4.4 – Коэффициенты использования заземлителей из труб или уголков, размещённых в ряд без учёта влияния полосы связи

Отношение расстояния между трубами (уголками) к их длине	Число труб (уголков)	Значение
		0,84–0,87 0,76–0,80 0,67–0,72 0,56–0,62 0,51–0,56 0,47–0,50

Продолжение табл. 4.4

		0,90–0,92 0,85–0,88 0,79–0,83 0,72–0,77 0,66–0,73 0,65–0,70
		0,93–0,95 0,90–0,92 0,85–0,88 0,79–0,83 0,76–0,80 0,74–0,79

 

Таблица 4.5 – Коэффициенты использования заземлителей из труб или уголков, размещённых по контуру без учёта влияния полосы связи

Отношение расстояния между трубами (уголками) к их длине	Число труб (уголков) n	Значение
		0,66–0,72 0,58–0,65 0,52–0,58 0,44–0,50 0,38–0,44 0,36–0,42 0,33–0,39
		0,76–0,80 0,71–0,75 0,66–0,71 0,61–0,66 0,55–0,61 0,52–0,58 0,49–0,55
		0,84–0,80 0,78–0,82 0,74–0,78 0,68–0,73 0,64–0,69 0,62–0,67 0,59–0,65

 

Сопротивление растеканию горизонтального полосового заземлителя R_n определяется по формуле:

, (4.5)

где L – длина полосы, м;

– ширина полосы (если заземлитель круглый, то , где d – диаметр прутка), м;

h – глубина заложения заземлителя, м;

– расчётное удельное сопротивление грунта, Ом·м.

, (4.6)

где – коэффициент сезонности для горизонтальных заземлителей (табл. 4.3).

Длина полосы определяется в зависимости от способа размещения заземлителей:

при размещении заземлителей в ряд по формуле:

, (4.7)

при размещении заземлителей по контуру по формуле:

, (4.8)

где - расстояние между заземлителями, м.

Сопротивление заземляющего устройства R_cл с учётом сопротивлений растеканию вертикальных заземлителей и соединительных полос определяется по формуле:

, (4.9)

где - коэффициент использования соединительной горизонтальной полосы (табл. 4.6 и 4.7).

Таблица 4.6 – Коэффициенты использования соединительной полосы в ряду

из труб или уголков

Отношение расстояния между трубами (уголками) к их длине,	Число труб (уголков) в ряду, n
	0,77   0,89   0,92	0,74   0,86   0,90	0,67   0,79   0,85	0,62   0,75   0,82	0,42   0,56   0,68	0,31   0,46   0,58	0,21   0,36   0,49	0,20   0,34   0,47

 

Таблица 4.7 – Коэффициенты использования соединительной полосы в контуре из труб или уголков

Отношение расстояния между заземлителями к длине трубы	Число труб (уголков) в контуре заземления, n
	0,45   0,55   0,70	0,40   0,48   0,64	0,36   0,43   0,60	0,34   0,40   0,60	0,27   0,32   0,45	0,24   0,30   0,41	0,21   0,28   0,37	0,20   0,26   0,35	0,19   0,24   0,33

 

Приведённая выше методика расчёта приемлема для расчёта заземляющих устройств любого назначения.

 

Исходные данные для расчёта заземляющего устройства

4.3.1 Характеристика электроустановки для определения допустимого значения заземляющего устройства.

4.3.2 Размеры вертикальных и горизонтальных заземлителей.

4.3.3 Наименование грунта и климатическая зона.

4.3.4 Способ размещения заземлителей (в ряд или по контуру).

 

Последовательность расчёта

4.4.1 Определяется допустимое сопротивление заземляющего устройства.

4.4.2 Определяется сопротивление растеканию вертикального заземлителя.

4.4.3 Определяется число вертикальных заземлителей.

4.4.4 Определяется длина соединительной полосы.

4.4.5 Определяется сопротивление растеканию горизонтальной соединительной полосы.

4.4.6 Определяется сопротивление сложного заземляющего устройства.

4.4.7 По результатам расчёта даётся заключение о соответствии сопротивления заземляющего устройства требованиям ПУЭ.

Пример расчёта

Рассчитать защитное заземление потребителей электрической энергии, питающихся от сети трёхфазного переменного тока с изолированной нейтралью (система IT).

Исходные данные:

- напряжение U = 380/220 В;

- мощность источника питания S = 100 кВА;

- заземлитель – труба диаметром d = 0,06м, длиной l = 3 м;

- глубина заложения заземлителей h = 0,8 м;

- ширина соединительной полосы b = 0,04 м;

- грунт суглинок;

- климатическая зона 3;

- заземлители расположены по контуру.

4.5.1 Определяем нормированное значение сопротивления заземляющего устройства.

В соответствии с требованиями ПУЭ (табл. 4.1) при напряжении до 1 кВ и мощности источника питания не более 100 кВА сопротивление защитного заземления принимаем Ом.

4.5.2 Определяем сопротивление растеканию вертикального заземлителя по формуле (4.1):

Расчётное удельное сопротивление грунта по формуле (4.2):

.

Для суглинка по табл. 4.2 принимаем:

Ом·м.

Коэффициент сезонности для вертикальных заземлителей, расположенных в 3-й климатической зоне, по табл. 4.3 принимаем:

;

Ом·м.

Расстояние от поверхности земли до середины заземлителя (рис. 4.4):

;

м;

Ом.

4.5.3 Определяем число заземлителей по формуле (4.4):

Принимаем : шт.

Принимая для заземлителей, расположенных по контуру, при n = 4 по табл. 4.5 принимаем:

.

Уточняем расчётное значение числа заземлителей шт, принимаем n = 6 при .

4.5.4. Определяем сопротивление растеканию соединительной горизонтальной полосы по формуле (4.5).

Длина соединительной полосы при расположении заземлителей по контуру по формуле (4.8).

Расстояние между заземлителями при , , м.

м

Расчётное удельное сопротивление грунта по формуле (4.6).

Коэффициент сезонности для горизонтальных протяжных заземлителей, расположенных в 3-й климатической зоне, по табл. (4.3) принимаем:

;

Ом·м;

Ом.

4.5.5 Определяем сопротивление растеканию сложного заземляющего устройства по формуле (4.9).

Коэффициент использования соединительной полосы, расположенной в контуре при n = 6 по табл. (4.7): ;

Ом.

4.5.6 Сопротивление растеканию сложного заземляющего устройства не превышает нормированного значения.

Ом< Ом.

3.6 Контрольные вопросы

4.6.1 С какой целью выполняется защитное заземление?

4.6.2 В электроустановках каких систем предусматривается защитное заземление?

4.6.3 Как расшифровывается система IT?

4.6.4 Поясните принцип действия защитного заземления.

4.6.5 Как нормируется сопротивление заземляющего устройства?

4.6.6 Что такое сопротивление растеканию тока?

4.6.7 Что учитывает коэффициент сезонности?

4.6.8 С какой целью в расчётах заземляющих устройств вводится коэффициент использования заземлителей?

4.6.9 Какие исходные данные необходимы для расчёта заземляющих устройств?

4.6.10 Последовательность расчёта заземляющего устройства.

 

3.7 Рекомендуемая литература

[3] С. 227–241;

[5] С. 130–155;

[6] С. 75–154, 179–215;

[7] Глава 1.7