Защитное заземление

Основное назначение защитного заземления:

- устранение опасности поражения электрическим током в случае прикосновения к корпусу или другим нетоковедущим металлическим частям электроустановки оказавшимся под напряжением.

Защитное заземление применяют в 3^хх фазных сетях до 1 кВ с изолированной нейтралью и в сетях выше 1 кВ с любым режимом нейтрали. Принципиальная схема защитного заземления представлена на рис. 4.7.

Принцип действия защитного заземления основан на снижении напряжения между корпусом, оказавшимся под напряжением, и землёй до безопасной величины.

Поясним это на примере сети до 1 кВ с изолированной нейтралью.

Если корпус электрооборудования не заземлен и он оказался в контакте с фазой, то прикосновение к такому корпусу человека равносильно прикосновению к фазному проводу. В этом случае ток, проходящий через человека, можно определить по формуле (2.5).

При малом сопротивлении обуви, пола и изоляции проводов относительно земли этот ток может достигать опасных значений.

Если же корпус заземлён, то ток, проходящий через человека при R_об= R_n=0, можно определить из следующего выражения:

(4.1)

Это выражение получено следующим путем:

с заземленного корпуса (рис. 4.8) ток стекает в землю через заземлитель (I_з) и через человека (I_h). Общий ток определяется выражением:

Из схемы на рис. 4.8

I_h×R_h=I_з R_з = I_общ×R_общ., откуда ток через тело человека будет:

выполнив простейшие преобразования получим выражение (4.1).

При малом R_з по сравнению с R_h и R_из это выражение упрощается:

(4.2)

При R_з= 4 Ом, R_h=1000 Ом, R_из=4500 Ом, ток через тело человека будет:

Такой ток безопасен для человека.

Напряжение прикосновения в этом случае будет также незначительно:

U_пр=I_h×R_h=0,00058×1000=0,58 В

Чем меньше R_з – тем лучше используются зашитные свойства защитного заземления.

Защитное зануление

Защитное зануление применяют в 3^х фазных сетях до 1 кВ с глухозаземленнойнейтралью.

Принципиальная схема зануления представлена на рис. 4.9.

Рис.4.9 Принципиальная схема защитного зануления в сети с глухозазем-ленной нейтралью.

1 - корпус потребителя электроэнергии;

Ro - сопротивление заземления нейтрали источника тока;

R_n – сопротивление повторного заземления нулевого защитного проводника;

ВА - автоматический выключатель с защитой.

Основное назначение защитного зануления – устранение опасности поражения электрическим током в случае прикосновения к корпусу и другим нетоковедущим металлическим частям электроустановки, оказавшейся под напряжением вследствие замыкания на корпус за счёт быстрого отключения электроустановки от сети действием защиты.

Однако, поскольку корпус оказывается заземленным через нулевой защитный проводник, то в аварийный период (с момента возникновения замыкания на корпус до отключения электроустановки от сети защитой) будет проявляться защитное свойство заземления.

Принцип действия защитного зануления основан на превращении замыкания на корпус в однофазное к.з. с целью вызвать большой ток, способный обеспечить срабатывание защиты и тем самым отключить поврежденную электроустановку от сети.

Нулевой защитный проводник в схеме защитного заземления предназначен для создания тока однофазного к.з. цепи с малым сопротивлением, чтобы этот ток был достаточным для быстрого срабатывания защиты (т.е. быстрого отключения поврежденной электроустановки от питающей сети).

Рассмотрим на рис. 4.10 схему без нулевого защитного провода, роль которого выполняет земля (т.е. схема защитного заземления в сети с глухозаземленнойнейтралью).

При замыкании фазы на корпус в цепи, образовавшейся через землю будет проходить ток:

(4.3)

благодаря которому на корпусе относительно земли возникает напряжение:

(4.4)

Сопротивление обмотки трансформатора источника питания и проводов сети малы по сравнению с R₀ и R_з и их в расчёт можно не принимать.

Ток I_з может оказаться недостаточным, чтобы вызвать срабатывание защиты и электроустановка может не отключиться.

Например, при U_ф=220 В и R₀ = R_з=4 Ом, ток, проходящий через землю, будет равен:

,

а напряжение корпуса относительно земли:

Если ток срабатывания защиты больше 27,5А, то отключения не произойдет и корпус будет находиться под напряжением 110В до тех пор, пока установку не отключат вручную.

Безусловно, при этом возникает угроза поражения людей электрическим током в случае прикосновения к повреждённому оборудованию. Ток через тело человека в этом случае будет равен:

Чтобы устранить эту опасность необходимо обеспечить автоматическое отключение электроустановки, т.е. увеличить ток до величиныI_з>I_c.з., что достигается уменьшением сопротивления цепи за счёт введения в схему защитного нулевого провода с малым сопротивлением.

Согласно ПУЭ нулевой защитный проводник должен иметь проводимость не меньше половины проводимости фазного провода. В этом случае ток однофазного к.з. будет достаточным для быстрого отключения поврежденной электроустановки.

Вывод: в 3^х фазной сети до 1 кВ с заземленной нейтралью без нулевого защитного проводника невозможно обеспечить безопасность при замыкании на корпус, поэтому такую сеть применять запрещается.

Заземление нейтрали предназначено для снижения до безопасного значения напряжения относительно земли нулевого защитного проводника (и всех присоединенных к нему корпусов электрооборудования) при случайном замыкании фазы на землю.

В 4^х проводной сети с изолированной нейтралью при случайном замыкании фазы на землю между нулевым защитным проводом и землёй (рис. 4.11), а следовательно между каждым зануленным корпусом и землей, возникает напряжение U_к, близкое к значению U_ф. Например, при U_ф=220В, U_к»220В. Что является весьма опасным.

В сети с заземленной нейтралью (рис. 4.12) при таком повреждении будет обеспечиваться безопасность, так как при замыкании фазы на землю фазное напряжение U_ф разделится пропорционально сопротивлениям R_зм (сопротивления замыкания фазы на землю) и R_о (сопротивление заземления нейтрали), благодаря чему напряжение между зануленным оборудованием и землей U_к снизится и будет равно:

(4.5)

Как правило, сопротивление, которое оказывает грунт току замыкания фазы на землю R_зм, во много раз больше сопротивления заземления нейтралиR₀. Поэтому U_к оказывается незначительным.

Например, при U_ф=220В, R₀ =4 Ом, R_зм=100 Ом

При таком напряжении прикосновение к корпусу неопасно.

Вывод: 3^х фазная четырехпроводная сеть с изолированной нетралью имеет опасность поражения электрическим током и применяться не должна.

Для уменьшения опасности поражения людей электрическим током в случаях обрыва нулевого защитного проводника и замыкания фазного проводника на корпус применяют повторное заземление нулевого защитного проводника.

При случайном обрыве нулевого защитного провода и замыкании фазы на корпус (за местом обрыва) отсутствие повторного заземления приведёт к тому. что напряжение относительно земли оборванного участка нулевого защитного провода и всех присоединенных к нему корпусов окажется равным фазному напряжению сети (U_ф) (рис. 4.13, а).

Это напряжение опасное для человека будет существовать длительно, поскольку поврежденная электроустановка не будет отключаться от защиты, а обрыв нулевого проводника трудно обнаружить, чтобы отключить вручную.

Если же нулевой защитный проводник будет иметь повторное заземление, то при его обрыве сохранится цепь тока I_з через землю (рис. 4.13, б), а напряжение прикосновения на корпусе относительно земли за местом обрыва снизится до назначения:

(4.6)

Корпуса электрооборудования, присоединенные к нулевому защитному проводнику до места обрыва также окажутся под напряжением относительно земли:

Сумма U_к и U₀ равны фазному напряжению:

U_к + U₀= U_ф

Если R_о= R_n, то корпуса, присоединенные к нулевому защитному проводу, как до, так и после обрыва, будут иметь одинаковый потенциал:

U_к + U₀= 0,5U_ф

Этот случай является наименее опасным, так как при других соотношениях R₀ и R_n часть корпусов будет находиться под напряжением большим 0,5U_ф, а другая часть корпусов под напряжением меньшим 0,5U_ф.

Вывод: повторное заземление значительно уменьшает опасность поражения электрическим током, возникающего при обрыве нулевого защитного проводника, но не может обеспечить условий безопасности, которые существовали до обрыва.

В сети, где применяется защитное зануление, запрещается заземлять корпус электроприемника, не присоединив его к нулевому защитному проводу.

Объясняется это тем, что в случае замыкания фазы на заземленный, но не присоединенный к нулевому защитному проводнику корпус электрооборудования (рис. 4.14), образуется цепь тока I_з через сопротивление заземления этого корпуса R_з и сопротивление нейтрали источника тока R₀.

В результате между этим корпусом и землей возникает напряжение:

U_к = I_з×R_з

Одновременно возникает напряжение между нулевым защитным проводником и землей (между всеми корпусами присоединенными к нулевому защитному проводнику и землей):

U₀= I_з×R₀

При R_з= R_о, U_к и U₀ будут одинаковыми и равными половине фазного напряжения.

Например, в сети с U_ф=220В напряжение между каждым корпусом и землёй будет равно 110В.

Указанные напряжения могут существовать длительно, пока электроустановка не будет отключена от сети вручную, т.к. защита из‑за малого значения тока I_з может не сработать.

Следует отметить, что одновременное заземление и зануление одного и того же корпуса наоборот улучшает условия безопасности, т.к. создаёт дополнительное заземление нулевого проводника.

При замыканиях на корпус зануление создает цепь однофазного короткого замыкания. В результате срабатывает максимально-токовая защита (МТЗ) и аварийный участок цепи отключается от сети. Кроме того, до срабатывания ток к.з. вызывает перераспределение напряжений в сети и, как следствие, снижение напряжения аварийного корпуса относительно цепи (снижается напряжение прикосновения). Быстродействием МТЗ определяется время воздействия поражающего фактора опасности. (Чем меньше время срабатывания защиты, тем меньше опасность поражения человека при прикосновении к зануленному аварийному корпусу).

При замыкании на зануленный корпус в цепи одного из фазных проводов возникает ток короткого замыкания (I_к). Этот ток определяется фазным напряжением источника питания (U), полными сопротивлениями цепи фазного (Z_ф) и нулеваго (Z_н) проводов:

Сопротивление цепи «фаза-нуль» Z_ф+Z_н выражается комплексными величинами. Это объясняется тем, что при протекании больших токов при надлежащем выполнении зануления I_к должен превышать I_ср и тем самым обеспечить срабатывание максимальной токовой защиты и, следовательно, безопасность людей имеющих контакт с зануленным электрооборудованием.

ПУЭ нормируют максимальные значения сопротивлений заземляющих устройств:

- в электроустановках напряжением выше 1 кВ в сетях с эффективно заземленной нейтралью сопротивление заземляющего устройствав любое время года должно быть не более 0,5 Ом.

- в электроустановках напряжением выше 1 кВ в сетях с изолированной нейтралью должно быть R£ 250/I, Ом, но не более 10 Ом, где I –расчетный ток замыкания на землю, А.

- в электроустановках напряжением до 1 кВ в сетях с глухозаземленнойнейтралью сопротивление заземляющего устройства, к которым присоединены нейтрали генератора или трансформатора в любое время года должно быть не более 2, 4 и 8 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В источника 3-х фазного тока или 380, 220 и 127 В источника однофазного тока.

- В электроустановках напряжением до 1 кВ в сетях с изолированной нейтралью сопротивление заземляющего устройства используемого для защитного заземления открытых проводящих частей в системе IT должно быть

R £ U_пр /I, Ом