Защитное заземление. Защитное заземление — преднамеренное элек­трическое соединение с землей или ее эквивалентом металличе­ских нетоковедущих (открытых проводящих) частей

Защитное заземление — преднамеренное элек­трическое соединение с землей или ее эквивалентом металличе­ских нетоковедущих (открытых проводящих) частей, которые могут оказаться под напряже­нием вследствие замыкания на корпус и по другим причинам (ин­дуктивное влияние соседних токоведущих частей, вынос потен­циала, разряд молнии и т.п.). Эквивалентом земли может быть вода реки или моря, каменный уголь в карьерном залегании и т.п.

Назначение защитного заземления — защита людей от поражения электрическим поражающим током при косвенном прикосновении, т.е. при электрическом контакте с открытыми проводящими частями электроустановки (металлические корпуса электрооборудования, металлические трубы электропроводок и т.п.), а так же со сторонними проводящими частями, не являющимися частями электроустановки (например, металлоконструкции здания, металлические газовые сети, водопроводные трубы, трубы отопления и т.п. и неэлектрические аппараты, полы и стены из неизоляционного материала), которые могут оказаться под напряжением в случае повреждения изоляции.

Под поражающим током понимается ток, проходящий через тело человека, характеристики которого могут обусловить патофизиологические воздействия или вызвать травму.

Принцип действия защитного заземления — снижение до допустимых значений напряжений прикосновения и шага, обуслов­ленных замыканием на корпус и другими причинами. Это до­стигается уменьшением потенциала заземленного оборудования (сопротивления заземлителя), а также выравниванием потен­циалов основания, на котором стоит человек, и заземленного оборудования (подъемом потенциала основания, на котором стоит человек, до значения, близкого к значению потенциала заземленного оборудования).

Рис. 7.17. Принципиальные схемы защитного заземления в сетях трехфазного тока: а — в сети с изолированной нейтралью до 1кВ (система IT); б— в сети с заземленной ней­тралью выше 1кВ; 1— заземленное оборудование; 2 — заземлитель защитного за­земления; 3— заземлитель рабочего заземления; r₀ (R₀), r_з (R_з) — сопротивления рабочего и защитного заземлений соответственно.

Область применения защитного заземления. Заземление может быть эффективно только в том случае, если ток замыкания на землю не увеличивается с уменьшением сопротивления заземления. Это возможно в сетях с изолированной нейтралью, где при глухом замыкании на землю или на заземлённый корпус, например проводника L3 ток не зависит от величины проводимости (сопротивления) заземления, а также в сетях напряжением выше 1 кВ с заземлённой нейтралью. В последнем случае замыкание на землю является коротким замыканием, причём срабатывает максимальная токовая защита.

В сетях с глухозаземлённой нейтралью напряжением до 1 кВ заземление неэффективно, так как даже при глухом замыкании на землю ток зависит от сопротивления заземления и при его уменьшении ток возрастает. Поэтому защитное заземление применяется:

1) в сетях напряже­нием до 1000 В переменного тока: трехфазных трехпроводных с изолированной нейтралью (системы IT); однофазных двухпроводных, изоли­рованных от земли; постоянного тока двух- и трёхпроводных с изолированной средней точкой обмоток источника тока (системы IT);

2) в сетях напряжением выше 1000 В переменного и постоянного тока с лю­бым режимом нейтральной или средней точки обмоток источни­ков тока (рис. 7.10).

Согласно ГОСТ Р 50571.3-94 и ПУЭ защитное заземление необходимо выполнять:

1. при номинальном напряжении более 50 В переменного тока и более 120 В постоянного (выпрямленного) тока – во всех электроустановках;

2. при номинальном напряжении выше 25 В переменного тока и выше 60 В постоянного (выпрямленного) тока – только в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных электроустановках;

3. при номинальном напряжении до 25 В переменного тока и до 60 В постоянного тока – только во взрывоопасных зонах и электросварочных установках.

Типы заземляющих устройств. Заземляющим устройством называ­ется совокупность заземлителя и заземляющих проводников, соединяющих заземляемые части электроустановки с заземлителем.

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

В зависимости от места размещения заземлителя относительно заземляемого оборудования различают два типа заземляющих устройств: выносное и контурное.

Выносное заземляющее устройство (рис. 7.18) характеризуется тем, что его заземлитель вынесен за пределы площадки, на ко­торой размещено заземляемое оборудование, или сосредоточен на некоторой части этой площадки. Поэтому выносное заземляющее устройство называют также сосредоточенным.

Рис. 7.18. Выносное заземляющее устройство:

1 — заземлитель; 2 - заземляющие проводники (магистрали);

3 - заземляемое оборудование

Существенный недостаток выносного заземляющего устройст­ва — отдаленность заземлителя от защищаемого оборудования, вследствие чего на всей или на части защищаемой территории ко­эффициент напряжения прикосновения, учитывающий форму потенциальной кривой, α₁ = 1. Поэтому заземляющие устрой­ства этого типа применяются лишь при малых токах замыкания на землю, в частности в установках до 1000 В, где потенциал за­землителя не превышает значения допустимого напряжения при­косновения U_пр.доп. (с учетом коэффициента напряжения прикос­новения α₂ учитывающего падение напряжения в сопротивлении растеканию тока основания, на котором стоит человек):

,

где I_з - расчётный ток замыкания на землю.

Кроме того, при большом расстоянии до заземлителя может значительно возрасти сопротивление заземляющего устройства в целом за счет сопротивления соединительного, т. е. заземляюще­го, проводника.

Достоинством выносного заземляющего устройства является возможность выбора места размещения заземлителя с наименьшим сопротивлением грунта (сырое, глинистое, в низи­нах и т.п.).

Необходимость в устройстве выносного заземления может возникнуть при невозможности по каким-либо причинам размес­тить заземлитель на защищаемой территории; при высоком со­противлении земли на данной территории (например, песчаный или скалистый грунт) и наличии вне этой территории мест со зна­чительно лучшей проводимостью земли; при рассредоточенном расположении заземляемого оборудования (например, в горных выработках) и т.п.

Контурное заземляющее устройство характеризуется тем, что электроды его заземлителя размещаются по контуру (периметру) площадки, на которой находится заземляемое оборудование, а также внутри этой площадки. Часто электроды распределяются на площадке по возможности равномерно, поэтому контурное за­земляющее устройство называется также распределенным.

Безопасность при распределенном заземляющем устройстве может быть обеспечена не только уменьшением потенциала за­землителя, но и выравниванием потенциала на защищаемой тер­ритории до такого значения, чтобы максимальные напряжения прикосновения и шага не превышали допустимых. Это дости­гается путем соответствующего размещения одиночных заземлителей на защищаемой территории.

Рис. 7.19. Контурное заземляющее устройство

На рис. 7.19 показано распределение потенциала в момент за­мыкания фазы на заземленный корпус на открытой подстанции, имеющей контурное заземляющее устройство. Как видно из ри­сунка, изменение потенциала в пределах площадки, на которой размещены электроды заземлителя, происходит плавно, то есть происходит выравнивание потенциалов. При этом напряжения прикосновения U_пр и напряжения шага U_ш имеют небольшие зна­чения по сравнению с потенциалом заземлителя φ_З. Однако за пределами контура по его краям наблюдается крутой спад φ.

Согласно ПУЭ «… выравнивание по­тенциалов - это снижение разности потенциалов (шагового напряжения) на поверхности земли или пола при помощи защитных проводников, проложенных в земле, в полу или на их поверхности и присоединённых к заземляющему устройству, или путём применения специальных покрытий земли».

Поэтому все заземляемое электрооборудование должно быть установлено внутри конту­ра, в пределах пространства, ограниченного крайними электродами. По краям контура, за его пределами (особенно в местах проходов и проездов) укладываются в землю на различной глубине дополни­тельные стальные полосы, что уменьшает крутизну спадания по­тенциала, а значит, и величину напряжения шага и прикосновения (рис. 7.20).

Рис.7.20. Выравнивание потенциала за пределами контура

ГОСТ 12.1.009-76 определяет выравнивание потенциала как метод снижения напряжения прикосновения и шага между точками электри­ческой цепи, к которым возможно одновременное прикосновение или на которых может одновременно стоять человек.

Выравнивание по­тенциалов как самостоятельный способ защиты не применяется, оно яв­ляется дополнением к защитному заземлению (защитному занулению).

Выполнение заземляющих устройств. Для заземления электроустановок могут быть использованы искусственные и ес­тественные заземлители, причём для уменьшения затрат на устройство заземления в первую очередь используют естественные заземлители.

Искусственный заземли­тель — заземлитель, специально выполняе­мый для целей заземления.

Естественный заземлитель - сторонняя проводящая часть, находящаяся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду, используемая для целей заземления. Если при использовании естественных заземлителей сопротивление заземляющих устройств, или напряжение прикосновения имеет допустимое значе­ние, а также обеспечиваются нормированные значения напряжения на заземляющем устройстве допустимые плотности токов в ес­тественных заземлителях, выполнение искусственных заземлителей в электроустановках до 1 кВ не обязательно. Использование естественных заземлителей в качестве элементов заземляющих устройств не должно приводить к их повреждению при протекании по ним токов короткого замыкания или к нарушению работы устройств, с которыми они связаны.

В качестве естественных заземлителей могут использоваться: проложенные в земле водопроводные тру­бы; обсадные трубы буровых скважин; металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, имеющие соединения с зем­лей; металлические оболочки бронированных кабелей (кроме алюминиевых), проложенных в земле; рельсовые пути магистральных неэлектрифицированных железных дорог и подъездные пути при наличии преднамеренного устройства перемычек между рельсами; металли­ческие шпунты гидротехнических сооружений и т.п.

Не допускается использовать в качестве естественных заземлителей трубопроводы горючих жидкостей, горючих или взрывоопасных газов и смесей и трубопроводы канализации и центрального отопления. Но такие трубопроводы необходимо присоединять к заземляющему устройству с целью уравнивания потенциалов.

В качестве естественных заземлителей подстанций и распре­делительных устройств (РУ) рекомендуется использовать заземлители опор отходящих воздушных линий электропередачи, соединенные с помощью грозозащитных тросов линий с зазем­ляющим устройством подстанции или РУ.

Искусственные заземлители могут быть из черной или оцинкованной стали или медными. Искусственные заземлители не должны иметь окраски.

Для искусственных заземлителей применяют обычно верти­кальные и горизонтальные электроды. Горизонтальные электроды используют для связи вертикальных электродов и в качестве самостоятельных заземлителей. Наименьшие размеры заземлителей приведены в таблице 7.4.

Таблица 7.4

Наименьшие размеры заземлителей и заземляющих проводников,

проложенных в земле

Материал	Профиль сечения	Диаметр, мм	Площадь поперечного сечения, мм 2	Толщина стенки, мм
Сталь черная	Круглый:
для вертикальных заземлителей		-	-
для горизонтальных заземлителей		-	-
Прямоугольный	-
Угловой	-
Трубный		-	3.5
Сталь оцинкованная	Круглый:
для вертикальных заземлителей		-	-
для горизонтальных заземлителей		-	-
Прямоугольный	-
Трубный		-
Медь	Круглый		-	-
Прямоугольный	-
Трубный		-
Канат многопроволочный	1.8*		-
	* Диаметр каждой проволоки.

Сечение горизонтальных заземли­телей для электроустановок напряжением выше 1 кВ следует выбирать по условию тер­мической стойкости при допустимой темпе­ратуре нагрева 400°С (кратковременный на­грев, соответствующий времени действия за­щиты и отключения выключателя).

В случае опасности коррозии заземляющих устройств, следует выполнять одно из следу­ющих мероприятий:

увеличение сечения заземлителей и зазем­ляющих проводников с учетом расчетного сро­ка их службы;

применение заземлителей и заземляющих проводников с гальваническим покрытием или медных.

При этом следует учитывать возможное увеличение сопротивления заземляющих устройств, обусловленное коррозией.

Размещают электроды в соответствии с проектом. Заземлители не следует устанавливать вблизи горячих трубопроводов и других объектов, вызывающих высыхание почвы, а также в местах, где возможна пропитка грунта нефтью, маслами и тому подобными веществами, поскольку сопротивление грунта резко возрастает.

Для установки вертикальных заземлителей предварительно роют траншею глубиной 0,7—0,8 м, затем трубы или уголки за­глубляют копрами, гидропрессами и т. п. (рис. 7.21) Стальные стержни диаметром 12—16 мм длиной 4—4,5 м ввертывают в зем­лю с помощью специальных приспособлений, а более длинные заглубляют вибраторами.

Рис 7.21. Установка стержневого электрода в траншее

Верхние концы погруженных в землю вертикальных элек­тродов соединяют стальной полосой с помощью сварки. При этом полосу устанавливают на ребро, поскольку в таком положении ее удобнее приварить к вертикальным электродам. Траншеи для горизонтальных заземлителей должны заполняться однородным грун­том, не содержащим щебня и строительного мусора. В открытых электроустановках отдельные корпуса электрооборудования присоединяются непосредственно к заземлителю заземляющими проводниками. В зданиях прокладывается заземляющий проводник (магистраль заземления), который соединяется с заземлителем не менее чем в двух местах.

Заземляющими проводниками называются металлические проводники, соединяющие заземляемые части электроустановки с заземлителем.

Сечения заземляющих проводников в электроустановках напряжением до 1 кВ должно соответствовать табл. 7.5 для случаев, когда заземляющие проводники выполнены из того же материала, что и фазные проводники. Сечения заземляющих проводников из других материалов должны быть эквивалентны по проводимости приведённым.

Таблица 7.5