Защитное заземление

Защитное заземление– заземление, выполняемое в целях электробезопасности (в отличие от функционального заземления). Заземление – преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством. Защитное заземление предназначено для устранения опасности поражения электрическим током человека, находящегося в контакте с землей, в случае его прикосновения к корпусу или к другим открытым проводящим частям электроустановок, оказавшимся под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам (рисунок 5.17). При этом все открытые проводящие части электроустановок соединяются с землей с помощью заземляющих проводников 2 и заземлителя 1, образующих в совокупности заземляющее устройство.

Рисунок 5.17 – Схема защитного заземления в однофазной двухпроводной сети: 1– электроустановка; 2 – заземляющий проводник; 3 – заземлитель

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

Заземлители бывают искусственные, предназначенные исключительно для целей заземления, и естественные – находящиеся в земле проводящие ток объекты иного назначения. Для заземления оборудования в первую очередь используют естественные заземлители: железобетонные фундаменты, а также расположенные в земле металлические конструкции зданий и сооружений. Заземляющие устройства должны быть механически прочными, термически и динамически стойкими к токам замыкания на землю. Запрещено в качестве естественных заземлителей использовать трубопроводы горючих жидкостей, взрывоопасных газов и трубопроводов канализации и центрального отопления.

Защитное заземление применяют в сетях напряжением до 1 кВ: трехфазных с изолированной нейтралью (система IT) и однофазных, изолированных от земли, а также в сетях напряжением выше 1 кВ как с изолированной, так и с заземленной нейтралью. В сочетании букв IT первая (isolation) обозначает, что нейтраль источника питания изолирована от земли или заземлена через приборы, устройства, имеющие большое сопротивление, а вторая (terra) – открытые проводящие части электроустановок заземлены.

С помощью защитного заземления уменьшается напряжение на корпусе относительно земли (напряжение прикосновения) до безопасного предела.

При функционировании защитного заземления в однофазной двухпроводной сети (при r_з < r₁ и R_h < г₂):

(5.31)

Из равенства следует, что ток через тело человека можно снизить, уменьшая сопротивление заземления r_з, а также увеличивая сопротивление изоляции r₂ и сопротивление в цепи тела человека. Таким образом, сопротивление защитного заземления должно быть весьма малым и не превышать нормативных значений, наибольшее из которых составляет 10 Ом.

Аналогичен принцип действия защитного заземления в трехфазной сети с изолированной нейтралью при использовании выносного заземляющего устройства (рисунок 5.18, а). В этом случае заземляемое оборудование находится вне зоны растекания тока с заземлителя. При замыкании фазы на корпус электроустановки расчетное напряжение прикосновения между ним и землей будет максимальным и равным напряжению на заземляющем устройстве:

(5.32)

Рисунок 5.18 – Принципиальные схемы защитного заземления: а – в сети с изолированной нейтралью с выносным заземляющим устройством; б – в сети с заземленной нейтралью и напряжением выше 1 кВ: 1 – заземленное оборудование; 2 – заземлитель; I_з – ток замыкания на землю

Для упрощения анализа положим, что комплексные сопротивления Z₁ = Z₂ = Z₃ = r (например, это может быть в короткой воздушной сети). Тогда, учитывая, что между фазой и землей присоединено заземляющее устройство, а не человек, получим:

(5.33)

С учетом того, что r_з меньше r/3:

(5.34)

а ток, протекающий через тело человека, стоящего на земле и прикоснувшегося к заземленному корпусу:

(5.35)

Следовательно, U_пр и I_h напрямую зависят от сопротивления заземления r_з, которое не должно превышать нормативных значений. Согласно ПУЭ сопротивление заземляющего устройства r_з, Ом электроустановок напряжением до 1 кВ в сетях с изолированной нейтралью должно соответствовать условию:

(5.36)

где U_пр принимается равным 50 В, I_з – полный ток замыкания на землю, А.

Как правило, не требуется принимать значение r_з менее 4 Ом. Допускается сопротивление заземляющего устройства до 10 Ом, если суммарная мощность источников питания (генераторов или трансформаторов), работающих параллельно, не превышает 100 кВА.

Для защиты при косвенном прикосновении в случае замыкания фазы на землю защитное заземление дополняется контролем изоляции сети или применяются устройства защитного отключения с номинальным отключающим дифференциальным током не более 30 мА.

Защитное действие заземления особенно проявляется при повреждении изоляции. Для примера возьмем r = 3000 Ом, U = 220 В, R_h = 1000 Ом и r_з = 10 Ом. Тогда ток, проходящий через тело человека, будет равен 2,2 мА, а без заземления он бы составил 110 мА, т. е. был бы смертельно опасным.

В электроустановках напряжением выше 1 кВ в сети с изолированной нейтралью требуется, чтобы сопротивление заземляющего устройства удовлетворяло условию:

(5.37)

но при этом не превышало 10 Ом. I_з – максимально возможный при эксплуатации расчетный ток замыкания на землю, А:

(5.38)

где U – линейное напряжение, кВ; ∑ _к – сумма длин кабельных участков сети, км; ∑l_в – сумма длин воздушных участков сети, км.

В трехфазных сетях напряжением выше 1 кВ с эффективно заземленной нейтралью (рисунок 5.18, б) безопасность обеспечивается за счет малого сопротивления защитного заземляющего устройства, его особого конструктивного выполнения и быстрого срабатывания защитного автоматического отключения источника питания. Заземляющее устройство сооружают или с соблюдением требований к его сопротивлению (r_з ≤ 0,5 Ом) или к напряжению прикосновения, значение которого при стекании тока в землю I_з, не должно превышать нормативного U_{пр доп}.

В целях уравнивания (электрического соединения проводящих частей для достижения равенства их потенциала) и выравнивания (снижения шагового напряжения при помощи защитных проводников, проложенных в земле) потенциалов в пределах защищаемой территории заземлитель выполняют в виде горизонтально расположенной в земле на глубине 0,3...0,7 м металлической сетки, соединенной проводниками с заземляемыми частями (например, корпусами) электрооборудования. Тогда при замыкании фазы на корпус и стекании тока I_з в землю потенциал на ее поверхности в пределах площадки оказывается близким к потенциалу заземленных частей оборудования. Поэтому напряжение прикосновения не превысит установленных значений (уравнивание потенциалов). Кроме того, за счет сложения потенциальных полей заземлителей, образующих сетку, происходят относительное выравнивание потенциалов на защищаемой территории и снижение шагового напряжения.

Для сооружения искусственных заземлителей применяют обычно стальные вертикальные и горизонтальные электроды. В качестве вертикальных электродов используют некондиционные трубы диаметром 30...60 мм и угловую сталь с площадью поперечного сечения не менее 100 мм² длиной 2,5...5 м, а также стержни диаметром 12...16 мм и длиной до 10 м и более. Можно использовать в качестве вертикальных электродов и некондиционные рельсы. Для связи вертикальных электродов и в качестве самостоятельного горизонтального электрода используют полосу сечением не менее 4 х 25 мм и прутки диаметром 10 мм и более (рисунок 5.19). В качестве конструкционного материала применяют также оцинкованную сталь и медь. Для установки вертикальных электродов предварительно роют траншею глубиной 0,7…0,8 м, после чего с помощью механизмов их погружают в землю (рисунок 5.19). Вертикальный электрод (на рисунке 5.20 – пруток) пронизывает верхний (промерзаемый) слой грунта и достигает нижнего, не промерзающего зимой, слоя грунта. Далее вертикальные электроды соединяют сваркой внахлест полосой – при этом расстояние между вертикальными электродами K не должно быть меньше половины длины электрода L – для предотвращения эффекта увеличения сопротивления заземлителя при стекании в землю однополярных зарядов (однополярные заряды отталкиваются друг от друга) (рисунок 5.21). Стержни можно располагать в ряд (рисунок 5.21) или в виде какой-либо геометрической фигуры (квадрата, прямоугольника) в зависимости от удобства монтажа и используемой площади. Совокупность стержней, соединенных между собой полосой, образует контур заземления. В помещении контур заземления приваривается к корпусу силового щита и к заземляющим проводникам – шине заземления, которая проходит вдоль стен здания.

В качестве заземляющих проводников применяют стальную (медную) полосу и прутки. Прокладывают их открыто по конструкциям зданий на специальных опорах. Присоединение заземляемого оборудования к магистрали заземления осуществляют параллельно с помощью отдельных проводников. Последовательное соединение заземляемого оборудования не допускается, так как при нарушении электрической целостности заземляющего проводника все корпуса оборудования за местом повреждения окажутся не заземленными и в случае пробоя фазы на корпус в одном из них будут представлять опасность поражения током.

Соединение элементов заземляющего устройства между собой осуществляется обычно сваркой, а присоединение к заземляемому оборудованию – сваркой или с помощью болтов. Оборудование, подвергающееся вибрации, соединяют с магистралью заземления гибкими медными проводниками – при этом проводники присоединяются к корпусу электроустановки болтами с шайбами Гровера.

Выравнивание потенциала внутри помещения происходит через металлические конструкции, связанные с сетью заземления.

Рисунок 5.19 – Сечения и минимально-допустимые размеры вертикальных и горизонтальных электродов заземлителей из стали: а – полоса; б – горизонтально-размещаемый пруток (для вертикально-размещаемых минимальный диаметр 18 мм); в – уголок; г – труба

Рисунок 5.20 – Установка вертикального электрода в двухслойном грунте: L – длина электрода; D – диаметр; H – толщина верхнего слоя грунта; T – заглубление электрода (расстояние от поверхности земли до середины электрода); t – глубина траншеи

Рисунок 5.21 – Вертикальные электроды, соединенные полосой: L – длина вертикального электрода; K – расстояние между смежными вертикальными электродами

Измерение сопротивления растеканию тока заземляющих устройств должно производиться в сроки, установленные Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей (ПТЭЭП), не реже одного раза в три года, а также после каждого капитального ремонта и длительного бездействия установки. Кроме измерений сопротивления растеканию тока не реже одного раза в 12 лет производится выборочное вскрытие грунта для визуальной оценки состояния заземляющих элементов.

Сопротивление заземляющих устройств рекомендуется измерять в наиболее жаркие и сухие или в наиболее холодные дни года, когда грунт имеет наименьшую влажность. Чем меньше влажность, тем выше удельное сопротивление грунта. В первом случае влага из грунта испаряется, во втором – замерзает. При замерах в другие дни нужно полученные значения корректировать с помощью поправочных коэффициентов, которые приводятся в ПТЭЭП.

Все существующие методы измерения сопротивления растеканию тока заземляющих устройств сводятся к двум: метод «амперметра – вольтметра» и мостовой метод.

Для измерения по методу «амперметра – вольтметра» необходимы: амперметр, вольтметр, понижающий трансформатор, коммутационная аппаратура, соединительные провода, а также два электрода: зонд (R_з) и вспомогательный электрод (R_в).

Зонд и вспомогательный электрод – два одинаковых стальных стержня диаметром не менее 18 мм и длиной не менее 700 мм. Их забивают в землю на определенном расстоянии от контура заземления R_x (рисунок 5.22). Забивать электроды в грунт необходимо на глубину не менее 500 мм (0,5 м).

Рисунок 5.22 – Схема измерения по методу «амперметр – вольтметр»

Через понижающий трансформатор напряжение подается на контур заземления и электроды. Через амперметр и зонд начинает протекать ток. При этом вольтметр покажет величину падения напряжения. Значение сопротивления растеканию тока определяется как отношение измеренного напряжения и тока: R_х = U/I.

Для исключения влияния «блуждающих» токов в грунте, возникающих при работе электротранспорта (трамваи, электрифицированные железные дороги) измерение сопротивления проводится на переменном токе. Кроме того, при использовании переменного тока не возникает электролиз, который вносит значительную погрешность в измерение. Поэтому необходим источник переменного тока – трансформатор, понижающий напряжение до безопасной величины (не более 50 В). Запрещается в качестве источника переменного тока использовать автотрансформаторы, так как наличие электрической связи между обмотками высокого и низкого напряжения значительно повышает вероятность электротравматизма.

Метод, описанный выше, имеет целый ряд недостатков: наличие двух измерительных приборов, что снижает точность измерений; громоздкость понижающего трансформатора; необходимость подключения к сети переменного тока; опасность попадания под шаговое напряжение. Поэтому в настоящее время вместо метода «амперметра – вольтметра» используется мостовой метод измерения.

Из теории электротехники известно, что при равенстве сопротивлений электрического моста (рисунок 5. 23) R₁ и R₂ и, соответственно, R_з и R_х ток, протекающий через гальванометр PG, будет равен нулю.

Рисунок 5.23 – Мостовая схема измерения сопротивлений: R₁ и R₂ – резисторы, имеющие одинаковое сопротивление; R_х – исследуемое сопротивление; R_з – резистор с переменным сопротивлением

Изменяя сопротивление R_з, можно добиться такого положения, что ток, протекающий через гальванометр, будет равен нулю. Тогда величина R_з, будет равна величине исследуемого сопротивления R_x.

На этом методе основывается работа таких измерительных приборов, как МС-08, М416, Ф-4103М1 (рисунок 5.24) и др. Эти приборы содержат прецизионные резисторы и источник переменного тока (электронный генератор), получающие питание от гальванических элементов (М416, Ф-4103М1) либо от генератора, приводимого во вращение рукой оператора (МС-08). Процесс проведения измерений рассмотрим на примере прибора М416.

Рисунок 5.24 – Измеритель сопротивления растеканию тока заземляющих устройств
Ф-4103М1

Перед проведением измерений необходимо разместить зонд и вспомогательный электрод по схеме, изображенной на рисунке 5.25. Затем соединительные проводники подключаются к соответствующим клеммам прибора. Питание М416 получает от трех элементов типа А373. Прибор позволяет измерять сопротивление в широких пределах: 0,1...1000 Ом.

Рисунок 5.25 – Схема измерения прибором М416: 1 – соединительные клеммы; 2 – перемычка; 3 – измерительная шкала; 4 – стрелка индикатора; 5 – кнопка включения; 6 – ручка потенциометра; 7 – переключатель поддиапазонов

После подключения проводников к клеммам прибора, согласно рисунка 25, устанавливают переключатель 7 в положение «контроль 5 W», нажимают кнопку 5ивращением ручки 6 добиваются установления стрелки индикатора 4 на нулевую отметку. При этом на шкале 3 должно быть показание 5 ± 0,3 Ом, что свидетельствует об исправности источника питания.

Переключатель 7 устанавливают в положение «х1». Нажимают кнопку 5 и, вращая ручку 6, устанавливают стрелку индикатора 4 на нуль. При невозможности установления переходят на другой поддиапазон измерения. Снимают показания со шкалы 3 прибора (с учетом переводного коэффициента).

Сопротивление контура заземления зависит от удельного сопротивления грунта (таблица 5.6). Измерять удельное сопротивление грунта нужно во время предпроектных изысканий на месте намечаемого сооружения контура заземления, а также периодически в сроки, установленные ПТЭЭП.

Таблица 5.6 – Эквивалентное удельное сопротивление грунтов

Если грунт однороден, его удельное сопротивление на месте будущего размещения контура заземления можно измерить при помощи круглого металлического стержня диаметром D, забитого с поверхности вертикально в землю на глубину, по возможности равную предполагаемой глубине заложения стержней сооружаемого заземлителя. Затем одним из методов, описанных выше, измеряется сопротивление растеканию тока данного стержня и вычисляется удельное сопротивление грунта:

(5.39)

где r_изм – измеренное удельное сопротивление грунта, Ом·м; R_ос – сопротивление растеканию тока стержня; L – длина подземной части стержня, м; D – диаметр стержня, м.

Далее определяется расчетное удельное сопротивление грунта (учитывающее климатические условия):

(5.40)

где y – коэффициент сезонности (по таблице 5.7 – для стержневых заземлителей).

Таблица 5.7 – Значения расчетных климатических коэффициентов сезонности сопротивления грунта

Коэффициент сезонности y к примеру, второй климатической зоны (средняя температура января от –15 до –10 °С, июля – от +18 до +22 °С) принимается равным 1,6...1,8.

На практике грунт часто имеет неоднородную структуру. Обычно грунт состоит из двух слоев (верхнего и нижнего) с различным удельным сопротивлением (рисунок 5.20). Для упрощения расчетов в подобных случаях определяется эквивалентное удельное сопротивление грунта.

Эквивалентным удельным сопротивлением грунта r_экв с неоднородной структурой называется такое удельное сопротивление земли с однородной структурой, в которой сопротивление заземляющего устройства имеет то же значение, что и в земле с неоднородной структурой. Если грунт двухслойный, эквивалентное удельное сопротивление определяется из выражения:

(5.41)

где y – коэффициент сезонности (по таблице 5.7 – для стержневых заземлителей); r₁ – измеренное удельное сопротивление верхнего слоя грунта, Ом × м; r₂ – измеренное удельное сопротивление нижнего слоя грунта Ом×м; Н – толщина верхнего слоя грунта, м; t – заглубление полосы, м.

Одиночный заземлитель должен полностью пронизывать верхний слой грунта и частично нижний.

Заглубление полосы t принимается равным 0,7 м – это глубина траншеи (рисунок 5.20). Следовательно, заглубление стержня можно определить по формуле:

(5.42)