Устройство, принцип работы и схемы защитного заземления

Устройство, принцип работы и схемы защитного заземления

Вне зависимости от эксплуатационных характеристик, электрифицируемое здание должно иметь качественно организованную систему защитной электробезопасности. Защитное заземление позволяет создать такую систему.

Этот тип заземления характеризуется соединением определенных элементов электроустановки с ЗУ (заземляющим устройством) и ориентирован на уменьшение показателей напряжений прикосновения и шага, возникающих при замыкании циркулирующих токов на корпусах электрооборудования.

Назначение и устройство защитного заземления

Устанавливается такой тип заземляющего устройства для защиты человека от поражения электрическим током при замыкании электрической цепи вследствие различных причин. Самая распространенная причина поражения током — короткое замыкание фазы на нетоковедущие элементы электроустановки.

Согласно материалам нормативной документации ПУЭ (глава 1.7), в зависимости от выполняемой функции существует два вида устройства заземляющей системы: рабочее (функциональное) и защитное заземление.

Функциональный тип применяется чаще для защиты производственных объектов. Посредством рабочих заземляющих устройств реализуется надежная эксплуатация оборудования электроустановки. Эффективность как рабочего, так и защитного устройства напрямую зависит от правильного выбора конфигурации заземляющих элементов и четкого производства электромонтажа.

Основным элементом системы выступает контур заземления. Он состоит из металлических заземлителей (электродов). Функциональность всей системы зависит от возможности этих заземлителей рассеивать ток. Монтировать заземляющие элементы необходимо с учетом множества факторов, напрямую влияющих на основной показатель эффективности заземлителей, — значение их сопротивления.

Следует помнить! При создании заземляющего устройства дома или квартиры важный момент — характеристика внутренней электропроводки объекта. Провод должен быть трехжильный, с фазой, нулем и заземлением.

Монтаж устройства защитного заземления востребован практически повсеместно.

Заземляющая система: область применения и принцип работы

При правильной организации заземляющей системы защиты должны быть реализованы такие эксплуатационные принципы:

1. Образование электрической цепи, обладающей низким сопротивлением, при коротком замыкании. Электрический ток беспроблемно пойдет по этой магистрали. Реализуется обеспечение электрической безопасности пользователя. При случайном прикосновении человека к бытовому прибору во время пробития фазы на корпусе устройства не будет потенциально опасного напряжения.
2. Обеспечение защиты от индукционных токов. Проявляться такие типы токов могут вследствие прямого удара молнии, при этом образуется электромагнитная и электростатическая индукция.

Учитывая значимость названных выше принципов действия системы, защитное заземление широко применяется в:

1. Электрической сети напряжением менее 1 кВт:

• с переменным током трех трехфазных проводников с изоляцией нейтрали;
• с переменным током двух однофазных проводников, которые изолированы от земли;
• с постоянным током двух проводников при наличии изоляции обмотки источника тока.

1. Электросети напряжением свыше 1 кВт. Возможен любой режим точек обмоток источника питания постоянного и переменного тока.

Помните! Функциональность защитной системы будет надлежащего уровня только при наличии сети с изолированной нейтралью.

Заземление — это комплексная система. Все этапы в ней взаимосвязаны и влияют на надежность ее последующей эксплуатации. Важнейшая задача начального этапа производства — выбор конфигурации заземлителей.

Классификация заземляющих устройств

В соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ), защитное заземление может быть реализовано с использованием заземлителей двух типов — естественных или искусственных. Заземляющие элементы этих двух категорий имеют определенные структурные отличия и особенности монтажа:

1. Естественные заземляющие устройства. Такие заземлители могут быть представлены посредством:

• объектов сторонних проводящих частей, которые имеют прямой контакт с грунтом;
• объектов, контактирующих с почвой через специальную промежуточную токопроводящую среду.

Самыми распространенными конструкциями такого типа заземлителей выступают:

• металлоконструкции зданий и фундаментов;
• металлические оболочки проводников;
• обсадные трубы.

Подключать элементы этой категории заземлителей необходимо минимум в двух местах.

Важно! Запрещено применять в качестве естественных заземляющих элементов: трубы теплотрасс; газопроводы; трубопроводы горючих жидкостей и горячего водоснабжения; оболочки подземных проводов с алюминиевой основой.

1. Искусственные заземлители. Подразумевается специальное производство таких конструкций. В качестве материалов для искусственного создания защиты применяют:

• определенного размера стальные трубы;
• сталь полосовую толщиной свыше 4 мм;
• сталь прутковую.

Важно знать! Большой популярностью пользуются искусственные заземлители глубинного типа. Электроды таких конструкций оцинкованные или омедненные. Преимущества — малозатратность производства и долговечность элементов.

Специфические различия искусственных и естественных устройств заземления обязательно учитываются при производстве расчетов, определяющих их оптимальную конфигурацию.

Как производится расчет параметров основных заземляющих элементов

На основании результатов подобных расчетов проектируется чертеж заземляющего устройства объекта.

Важно! Устройство, смонтированное в соответствии со всеми расчетными данными схемы заземления, позволяет добиться максимальной эксплуатационной эффективности всего комплекса защитного заземления.

Основа вычислений — допустимые пределы напряжения шага и прикосновения. На их основании рассчитывается конфигурация (размер, количество) заземлителей и принцип их размещения.

Выполняются расчеты на основании таких данных:

1. Описание характеристик конкретного электрического оборудования: тип установки; основные структурные элементы прибора; рабочее напряжение; возможные варианты, позволяющие осуществить заземление нейтралей как трансформирующих, так и генерирующих устройств.
2. Конфигурация заземлителей. Такие данные необходимы для определения оптимальной глубины погружения электродов.
3. Информация о проведенных исследованиях по измерению удельного сопротивления грунта на конкретной территории. Дополнительно учитываются климатические сведения зоны, на которой обустраивается система.
4. Информация о пригодных естественных элементах заземления, которые можно использовать в работе. Необходимы данные о реальных значениях растекания токов у этих объектов. Получить их можно путем специальных измерений.
5. Результат стандартного вычисления точных показателей расчетного замыкания тока на почве.
6. Расчетные значения нормативной стандартизации допустимых характеристик напряжений по ПУЭ.
7. Показатели сопротивления сезонного промерзания слоя грунта, в период высыхания и промерзания. Учет таких значений необходим для расчета заземляющих элементов, которые располагаются в однородной среде. Применяются специальные стандартизированные коэффициенты.
8. При необходимости монтажа сложной группы заземлителей, состоящей из нескольких элементов, необходимы сведения всех потенциалов, которые будут наведены на монтируемые электроды. Для этого нужны данные о значениях сопротивления всех слоев грунта.

Важно! Если система будет размещаться в двух слоях грунта, учитывается показатель сопротивления каждого из них. Это необходимо для определения точных данных о мощностных параметрах верхнего слоя почвы.

Принцип расчета сопротивления заземлителей

Способов расчета характеристик основных заземляющих элементов достаточно много, но основной параметр у таких вычислений один — показатель сопротивления. Оптимальное его значение определяется посредством данных нормативной регламентации ПУЭ. Реализовать надежное защитное заземление объекта невозможно без расчета сопротивления его основных элементов.

К примеру, необходимо определить сопротивление заземления для электрооборудования напряжением свыше 1 кВт, с изолированной нейтралью. В соответствии с профильными данными документации ПУЭ 1.7.96, необходимо воспользоваться формулой R≤250/I, где:

• I — показатель расчетного тока заземления;
• R — показатель сопротивления заземляющего устройства, который не должен превышать 10 Ом.

В соответствии с ПУЭ (1.7.104), при учете нормативных сведений показателей тока прикосновения (для примера подойдет — 50 В), формула видоизменяется: R≤U/I, где U — это ток прикосновения (50 В).

Важно! При изолированной нейтрали, как правило, не требуется доравнивать показатель сопротивления ниже четырех Ом. Однако идеальным показателем сопротивления заземляющей системы считается 0. Основная задача, к которой сводится производство всех профильных расчетов, неизменна — достичь максимально низкого сопротивления системы.

Помимо производства расчетов параметров, важный момент при производстве заземления — выбор схемы подключения устройства.

Схемы заземления дома

Одним из основных элементов, необходимых для обеспечения электрической и пожарной безопасности объекта, является защитное заземление, поэтому закономерно, что грамотное технологическое производство такой системы – первостепенная задача. Добиться необходимого результата решения этой задачи невозможно без правильного выбора схематического варианта соединения и подключения заземляющих элементов.

Помните! Каждый элемент, при помощи которого реализуется защитное заземление, имеет схематическое обозначение. Для того чтобы выбрать оптимальный вариант схематического обоснования подключения такой системы, человеку нужно разбираться как в буквенных, графических, так и в цветовых чертежных обозначениях.

Чаще на практике применяются два вида подключения — схемы TN-C-S и TT. Отличия в проектировании схем:

1. Схема TN-C-S. При организации защитного заземления объекта по данной схеме, предусмотрена реализация следующих моментов:
2. роль защитного и нулевого (рабочего) проводника выполняет один кабель (PEN);
3. локализация — участок электросети от трансформатора и до ГЗШ (главной заземляющей шины). Уже на ГЗШ провод PEN разделяется на рабочий нулевой (N) и защитный (PE).
   Цифрой 1 на картинке обозначено заземление источника, а цифрой 2 – заземляемый объект (дом).

Важно! При выборе схемы TN-C-S в качестве основы производства заземляющих работ важно учесть наличие глухозаземленной нейтрали. Получается, что ГЗШ дома соединяется с заземлением самого трансформатора, питающего объект.

Схема TT. Прежде чем применить эту схему, необходимо аргументировать отказ от использования TN-C-S системы. Предусмотрена обязательная реализация нормативных требований, установленных к системе TT, а именно:
• производится независимое подключение элементов, исключается соединение с нейтралью трансформатора;
• заземлитель всех корпусов электрооборудования дома не зависит от аналогичного элемента источника питания;
• в электрической проводке дома обязательно применяется УЗО (устройство защитного отключения).

Цифрой 1 на картинке обозначено заземление источника; цифрой 2 — дом, а 3 — это само устройство заземления дома.

Важно! В схеме TT полностью отсутствует организация защиты пользователя при утечке тока во время повреждения изоляции. Следовательно, монтировать УЗО для электрической проводки, реализованной по ТТ схеме, — обязательно.

В связи со значительным затруднением производства заземляющих работ по схеме TT, большинство объектов заземляются посредством TN-C-S системы.

Заземление — важный элемент обеспечения пожарной безопасности здания и электробезопасности его жильцов. Начинать работы по его созданию, руководствуясь лишь общими понятиями определения, что такое защитное заземление, не стоит. Нужно изучить теоретические и практические особенности устройства электрозащитной системы, разбираться в производстве расчетов ее параметров и уметь произвести измерение величины ее сопротивления после монтажа. При отсутствии навыков и необходимого оборудования следует доверить выполнение такой работы профильным специалистам.

Что такое заземление простыми словами

Жизнь современного человека невозможно представить без электричества. Приходя домой, мы включаем свет, смотрим телевизор, стираем одежду. Оно помогает нам справляться со всеми бытовыми делами. Электричество – один из лучших друзей человека, то таящий в себе большую опасность. Электрический ток не видим, но при контакте с человеком может нанести серьезную травму или даже привести к смерти. При этом не обязательно хвататься за оголённые провода, достаточно прикоснуться к корпусу неисправного бытового электроприбора.

Для того чтобы избежать таких ситуаций существует защитное заземление. Это конструкция, выполненная в виде металлического контура, обеспечивающая соединение электрооборудования или электроприбора с землёй, для отведения в неё электрического тока. Заземления регламентируются правилами устройства электроустановок (ПУЭ).

В этом нормативном документе содержатся все требования к параметрам, конструкциям и способам установки заземляющих контуров. Данные правила будут наиболее понятны только для тех, кто профессионально связан с электричеством. Поэтому необходимо объяснить более просто, что такое заземление и для чего оно применяется.

Для чего нужно заземление в доме

Электричество является неотъемлемой частью быта человека. Оно обеспечивает нам комфортную жизнь и облегчает выполнение множества дел. Но к нему нельзя относиться слишком халатно, так как поражение электрическим током может иметь серьёзные последствия. Электротравмы могут возникать не только из-за незнания и неосторожности, но и из-за неисправности электроприборов.

В таких случаях металлический корпус может оказаться под напряжением и при прикосновении к нему человек может серьёзно пострадать. Поэтому необходимо обратить внимание на ваше заземление в частном доме и квартире, чтобы уберечь себя от травмы.

Именно для предотвращения таких ситуаций существуют специальные правила по электробезопасности, которые предусматривают защитные меры. К ним относится заземление. Оно подключается в качестве дополнительного проводника в действующую электропроводку и соединяется с заземлителем, который монтируется в грунт. По этому контуру в аварийных ситуациях и будет отводиться в землю электрический ток.

Согласно правилам устройства электроустановок обязательно должно заземляться любое электрооборудование напряжением 50 В в сети с переменным током и 120 В с постоянным. В случае установки оборудования в помещениях повышенной опасности заземление потребуется и при более низких напряжениях (ПУЭ п.1.7.53).

После повреждения изоляции оборудования, например стиральной машинки ее корпус окажется под напряжением, что безусловно несет опасность для того кто к ней будет прикасаться. Однако если корпус будет заземлен (в доме имеется заземление) напряжение прикосновения за счет стекания тока в землю будет снижено до безопасной величины. Человек, который дотронется к ст. машинке почувствует лишь легкое пощипывание.

А при грамотно налаженной защите появление фазного напряжения на заземленном корпусе любого прибора должно приводить к отключение автоматического выключателя или УЗО в электрощите. Таким образом, заземление позволяет отключить электроприбор от сети при возникновении неисправностей опасных для человека.

Как выглядит заземление на практике

Чтобы понять, что такое заземление нужно не только знать его назначение, но и понимать его устройство. Что такое защитное заземление и как оно устроено? Этот вопрос рано или поздно возникает у тех, кто сталкивается с электричеством. На самом деле, мы видим его довольно часто, просто не обращаем внимания.

Заземлитель, непосредственно контактирующий с землёй, состоит из трёх прутов (может быть и больше в зависимости от свойств грунта), вбитых в землю на одинаковом расстоянии друг от друга. Они являются вершинами равностороннего треугольника и соединены между собой проводником (металлической полосой).

Наружные части заземления (шины, провода, кабели) имеют отличную от основной электрической цепи окраску. На них нанесены чередующиеся между собой жёлто-зелёные полосы.

Как у любого устройства, у заземления имеются свои критерии качества. Главным является сопротивление и чем оно будет меньше тем соответственно лучше. Его можно улучшить несколькими способами:

• увеличить количество вертикальных заземлителей (штырей);
• увеличить глубину залегания штырей.

Так как ток всегда протекает по пути наименьшего сопротивления, а эти методы его снижают, то качество заземления повышается, обеспечивая более качественную защиту.

Работа заземления совместно с УЗО

Защитное заземление является основной защитой от поражения электрическим током. Но одной меры предосторожности не всегда может быть достаточно.

Для дополнительной защиты в цепь устанавливается устройство защитного отключения (УЗО). Если объяснять техническим языком, то УЗО – это коммутационный аппарат, предназначенный для автоматического отключения от сети поврежденного прибора при появлении тока утечки.

Для домашнего использования следует применять УЗО с номинальным током отключения не более 30 мА — ПУЭ 1.7.50

Когда внутри электроприбора (будь до стиральная машина, бойлер, компьютер и т.п) происходит повреждение изоляция и фаза попадает на заземленный корпус, ток начинает стекать в землю. На протекание этого тока реагирует УЗО, которое мгновенно срабатывает и отключает поврежденный прибор, тем самым оставляя цепь без напряжения. По внешнему виду и принципу работы УЗО похоже на обычный автомат. Только автомат защищает саму электрическую цепь от больших токов, а УЗО человека от попадания под напряжение.

При установке устройства защитного отключения в трехпроводной сети (с заземляющим проводником), УЗО и заземление работают «в команде», защищая от поражения электрическим током. При возникновении фазы на корпусе оборудования возникает ток утечки. УЗО чувствует его появление и отключается, прекращая подачу электричества.

При установке УЗО в сети где нет заземления (обычно это старые двухпроводные сети), оно сработает только в том случае, если вы уже коснулись корпуса, на который попала фаза, и через вас КРАТКОВРЕМЕННО пройдет электрический ток. В этой ситуации УЗО МГНОВЕННО отключится, разорвав цепь и, тем самым, освободив вас от напряжения.

Защитная функция заземления

Давайте разберемся простым языком, что такое заземление, как мера защиты. Функция заземляющего контура включает в себя 2 составляющие:

1. Уменьшение разности потенциалов (напряжения) до безопасного уровня между заземлённым оборудованием и другими естественно заземлёнными предметами способными проводить электрический ток.
2. Отвод в землю тока утечки, возникающего, при попадании фазы на корпус оборудования.

Именно при действии второй составляющей вступает в работу УЗО, время срабатывания которого составляет 0.02 – 0.03 секунды . Это значит, что повреждённый участок будет обесточен так быстро, что почти исключается попадание человека под напряжение при случайном прикосновении к корпусу неисправного прибора. Поэтому, для наиболее эффективной защиты, рекомендуется комплексные меры.

Работа заземления при неисправностях электрооборудования

В работе электрооборудования иногда возникают неисправности. Из-за большой нагрузки или плохого контактного соединения может оплавляется изоляция, голый провод соприкасается с корпусом, тем самым приводя к возникновению на нем «фазы».

Такое повреждение опасно тем, что человек, случайно прикоснувшись к такому оборудованию, попадает под напряжение. В данной ситуации, в зависимости от схемы цепи, возможно несколько вариантов развития событий:

Корпус не заземлён, УЗО отсутствует

Корпус повреждённого оборудования находится под напряжением. Внешних проявлений электрический ток не имеет, что опасно прикосновением к прибору человека, не подозревающего о наличии напряжения. Из-за отсутствия защиты это приведет к электротравме или летальному исходу.

Такой вариант электроснабжения является наиболее опасным, так как и УЗО и заземлении отсутствуют.

Корпус заземлён, УЗО отсутствует

Стандартные электрические схемы защищаются автоматическими выключателями. В случае возникновения значительного тока утечки они отключаются, тем самым разрывая цепь и снимая напряжение. Есть в такой схеме и подводные камни. Величина тока утечки не всегда может быть достаточной, чтобы на нее среагировал автоматический выключатель. На это может ряд причин.

Как правило, пробой изоляции происходит через некоторое сопротивление, из-за этого ток утечки может составлять лишь несколько Ампер или десятые доли Ампера. Естественно, что автомат с номиналом 16 Ампер на это не среагирует. В таком случае защита не сработает, или сработает, но с большой выдержкой времени.

Корпус не заземлён, УЗО установлено

УЗО не может сработать без возникновения тока утечки, а при отсутствии заземления он протекать не будет. В этом случае корпус оборудования будет находиться под напряжением, до соприкосновения его с человеком.

Тогда ток через тело пройдёт, так как оно имеет естественное заземление (контакт ног с полом или землей). Только после этого УЗО почувствует утечку и сработает через 0,02 секунды. Напряжение снято — вы в безопасности.

Корпус заземлён, УЗО установлено

Данная схема является самой эффективной для защиты от поражения электрическим током, так как каждое из устройств подкрепляет работу другого. При замыкании оголённого провода на корпус оборудования, последний оказывается под напряжением.

За счёт наличия заземления создается схема: повреждённый провод-корпус-заземлитель, создавая ток утечки. На него мгновенно реагирует УЗО, так как порог его чувствительности составляет от 10мА до 30мА.

Что такое защитное заземление и как его устраивать. Часть 1.

В брошюре приводятся основные понятия о назначении защитных заземлений в электрических установках переменного тока напряжением до 35 кв и их устройстве. Приводятся краткие сведения по расчету и эксплуатации заземляющих устройств.
Брошюра предназначена для квалифицированных рабочих-элетриков, окончивших 7—10 классов средней школы.

1. ВВЕДЕНИЕ

Потребление электроэнергии находит все большее развитие в промышленности, на транспорте, в коммунальном хозяйстве, в быту и других областях.

Производство электроэнергии в Советском Союзе в 1958 г. составило 233 млрд. квт·ч. Для сравнения напомним, что в дореволюционной России в 1913 г. производство электроэнергии составляло всего 1,94 млрд. квт·ч. Таким образом, производство электроэнергии с 1913 по 1958 г. возросло в 120 раз. В 1956 г. расход электроэнергии на одного рабочего составлял 8498 квт·ч. Считается, что мировое потребление электроэнергии возрастает более чем в 2 раза через каждые 10 лет. У нас в Советском Союзе темпы роста значительно выше.

При таком широком применении электроэнергии особое значение имеет обеспечение безопасности при эксплуатации электрических установок и пользовании электрическими приемниками — двигателями, осветительными приборами, всякого рода аппаратами и другими устройствами.

Несоблюдение правил устройства электрических установок, правил их эксплуатации, неосторожное обращение с электроприемниками, прикосновение к токоведущим частям, дефекты конструкции электроприемников — все это может привести к тяжелым поражениям от электрического тока (ожоги, ослепление от дуги и т. п.) и даже к смертельным случаям.

Поражения и травмы от электрического тока могут произойти под воздействием как высоких, так и низких напряжений. Большинство несчастных случаев происходит при напряжениях 380 и 220 в (вольт), как наиболее распространенных и с которыми часто имеют дело люди, не имеющие специальной подготовки.

Таким образом, осторожное обращение с электрическими устройствами требуется всегда. При работе в особо неблагоприятных условиях, например вблизи металлических масс, в целях обеспечения безопасности для переносных электроприемников применяются пониженные напряжения 36 и 12 с.

Один и тот же ток воздействует на разных людей в разной степени, а также различно на одного и того же человека в зависимости от его состояния в момент поражения. Во всяком случае токи порядка 30-40 ма (миллиампер) уже могут быть опасными для жизни (имели место случаи смертельных поражений и при более низких значениях тока) и вызывать паралич дыхания и нарушения деятельности сердца.

В ряде случаев поражения электрическим током может наступить так называемая «мнимая смерть» — состояние, когда в течение некоторого времени после поражения путем применения искусственного дыхания может быть восстановлена деятельность сердца и легких.

Одна из причин поражения электрическим током — повреждение изоляции электроприемников. При таком повреждении прикосновение к металлическому корпусу электроприемника равносильно прикосновению к голым токоведущим частям.

Чтобы защитить людей от поражения электрическим током при повреждениях изоляции, корпусы электрических приемников заземляются.

Рассмотрим, в чем состоит смысл такого заземления, которое называется защитным, и как его нужно устраивать, чтобы обеспечить необходимую безопасность. При этом будем рассматривать отдельно сети с изолированной и заземленной нейтралью, так как условия устройства заземлений в них различны.

У нас в Советском Союзе сети 3, 6, 10 и 35 кв (киловольт, т. е. тысяч вольт) работают с изолированной ней

тралью трансформаторов и генераторов. Сети 380 и 220 в могут работать как с изолированной, так и с заземленной нейтралью, однако наиболее распространенные четырехпроводные сети 380/220 и 220/127 в в соответствии с требованиями «Правил устройства электро-установок» должны иметь заземленную нейтраль.

2. ЗАЩИТНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ В СЕТИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

На рис. 1 изображена схема сети трехфазного тока, питаемой от трансформатора с изолированной нейтралью. Для простоты на рисунке показана только одна вторичная обмотка трансформатора. Она изображена соединенной в звезду, однако все сказанное ниже относится также к случаю соединения обмотки в треугольник.

Как бы хороша ни была в целом изоляция токоведущих частей сети от земли, все же проводники сети имеют связь с землей. Связь эта— двоякого рода.

Рис. 1. Схима сети трехфазного тока с изолированной нейтралью.

1. Изоляция токоведущих частей имеет определенное сопротивление по отношению к земле, его обычно выражают в мегомах (Мом или 1 000 000 ом). Это означает, что через изоляцию проводников и землю протекает ток некоторой величины. При хорошей изоляции этот ток весьма мал.

Допустим, например, что между проводником одной фазы сети и землей напряжение равно 220 в, а измеренное мегомметром сопротивление изоляции этого провода равно 0,5 Мом. Тогда ток на землю этой фазы равен а (а — ампер) или 0,44 ма. Этот ток называется током утечки.

Условно для наглядности на схеме сопротивления изоляции трех фаз r_А, r_B, r_C изображаются в виде сопротивлений, присоединенных каждое к одной точке провода. На самом деле токи утечки в исправной сети раслределяются равномерно по всей длине проводов; в каждом участке сети они замыкаются через землю.

2. Связь второго рода образуется емкостью между проводниками сети и землей. Как это понимать?

Каждый проводник сети и землю можно представить себе как две обкладки протяженного конденсатора. В воздушных линиях проводник и земля—обкладки конденсатора, а воздух между ними-—диэлектрик. В кабельных линиях обкладками конденсатора являются жила кабеля и металлическая оболочка, соединенная с землей, а диэлектриком— изоляция между жилами. При переменном на-

Рис. 2. Замыкание на землю в сети с изолированной нейтралью.

пряжении изменение зарядов конденсаторов вызывает возникновение соответствующих переменных токов. Эти так называемые емкостные токи в исправной сета также равномерно распределены по длине проводов и в каждом отдельном участке замыкаются через землю. На рис. 1 сопротивления емкостей трех фаз на землю х_A, х_B и х_C также условно показаны присоединенными каждое к одной точке сети.

Посмотрим, что же произойдет в изображенной на рис. 1 сети, если в одной из фаз (например, A) произойдет замыкание на землю, т. е. провод этой фазы будет соединен с землей через относительно малое сопротивление.

Такой случай изображен на рис. 2. Поскольку сопротивление между проводом фазы А и землей мало, то токи утечки и емкостные токи на землю этой фазы заменяются током замыкания на землю. Теперь под воздействием линейного напряжения сети U_л через место замыкания и землю будут протекать токи утечки и емкостные токи двух исправных фаз, как показано стрелками на рисунке.

Замыкание, показанное на рис. 2, называется одно-фазным замыканием на землю, а возникающий при этом аварийным ток — током однофазного замыкания.

Представим себе теперь, что однофазное замыкание вследствие повреждения изоляции произошло не непосредственно на землю, а в каком-нибудь электроприемнике — электродвигателе, аппарате, либо на конструкцию, по которой проложены электрические провода, на ограждение электропроводок и т. д. Такое замыкание называется замыканием на корпус.

Рис. 3. Замыкание на корпус в сети с изолированной нейтралью при отсутствии заземления.

Из сказанного следует, что для протекания тока через землю необходимо наличие замкнутой цепи (иногда представляют себе, что ток «уходит в землю» — это неверно).

Чтобы предотвратить поражения людей при замыканиях на корпус, все корпуса электроприемников, металлические конструкции и т. п., которые могут оказаться из-за повреждения изоляции под опасным напряжением, должны быть заземлены (рис. 4).

Как видно из рис. 4, при наличии заземления человек, прикасающийся к заземленному корпусу, оказавшемуся под напряжением, присоединен параллельно к цепи замыкания на участке между корпусом и землей.

Назначение защитного заземления заключается в том, чтобы создать между корпусом защищаемого устройства и землей электрическое соединение достаточно малого сопротивления, для того чтобы в случае замыкания на корпус прикосновение к последнему человека (параллельное присоединение) не могло вызвать через его тело ток такой величины, который угрожал бы его жизни или здоровью.

Рис. 4. Заземление электроприемника.

Рис. 5. Прикосновение к токоведущему проводнику при наличии в сети «земли».

Отсюда следует, что для обеспечения безопасности пригодно не всякое заземление, а только имеющее достаточно малое сопротивление.

Если заземление выполнено в соответствии с требованиями «Правил», т. е. с достаточно малым сопротивлением (об этом см. ниже в § 7), то непосредственной опасности при прикосновении к заземленному корпусу не возникает.

В сетях с изолированной нейтралью отключение поврежденного участка сети при однофазных замыканиях на землю или корпус (т. е. при наличии «земли» в сети) обычно не применяется, и установка при наличии такого замыкания (о чем сигнализируют приборы контроля изоляции) может продолжать работать. Однако сеть с наличием в ней однофазного замыкания все же должна рассматриваться как находящаяся в аварийном состоянии, так как общие условия безопасности при таком состоянии сети резко ухудшаются. Так, наличие «земли» увеличивает опасность поражения электрическим током, даже при исправном заземлении. Это видно, например, из рис. 5, где показано протекание тока поражения при случайном прикосновении к токоведущему проводу и не устраненной «земле» в сети.

Помимо того, напряжения неповрежденных фаз по отношению к земле возрастают до линейных и способствуют возникновению второго замыкания на землю в другой фазе.Образовавшееся двойное замыкание на землю представляет собой для человека более серьезную опасность по сравнению с однофазным замыканием.

Поэтому однофазное замыкание на землю и на корпус должно устраняться в кратчайший срок.

В некоторых случаях для обеспечения безопасности приходится применять, кроме заземления, еще дополнительные меры (быстродействующее отключение, выравнивание потенциалов). Так, при особо неблагоприятных условиях (например, в сырых местах — шахтах, на торфоразработках и-т. п.), а также на линиях, питающих особо ценные агрегаты, применяется специальная быстродействующая защита, отключающая аварийный участок при замыканиях на корпус (и непосредственно на землю).

Мы рассмотрели выше назначение защитных заземлений. В электрических установках имеют место и другие заземления, которые необходимы по условиям эксплуатации, например заземления разрядников, заземления нейтралей трансформаторов и др. В отличие от защитных они называются рабочими заземлениями.

3. ЗАЗЕМЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Соединение заземляемых частей электроустановки с землей осуществляется при помощи заземлителей и заземляющих проводников.

Заземлители представляют собой металлические проводники (трубы, уголки, полосы), располагаемые в земле в определенных количестве и порядке.

Допустим, что в земле в точке О (рис. 6) находится за-землитель 3 в виде уголка и через этот заземлитель протекает ток однофазного замыкания на землю. Зададимся целью определить напряжения по отношению к земле на разных расстояниях от заземлителя. Если замерить напряжения между точками земли, находящимися на разных расстояниях в любом направлении от заземлителя, и точками нулевого потенциала, затем построить график зависимости этих напряжений от расстояния до заземлителя, то получится кривая, изображенная на рис. 6.

Из этой кривой видно, что напряжения по отношению к земле всех точек, расположенных от заземлителя на расстояниях, больших 20 м (точка М), близки к нулю.

Рис. 6. Напряжение по отношению к земле на различных расстояниях от заземлителя и напряжение шага.

ми, еще более удаленными, не обнаруживается сколько-нибудь ощутимо. Сопротивление, которое оказывает току земля на участке растекания, называется сопротивлением растеканию заземлителя. Его часто сокращенно называют сопротивлением заземлителя (не следует смешивать с сопротивлением заземлителя как проводника).

Заземляющие проводники соединяют заземляемые части электроустановок с заземлителями. В целом заземляющие проводники и заземлители образуют заземляющее устройство.

Сопротивление заземляющего устройства состоит, таким образом, из:

1) сопротивления растеканию заземлителя, в которое входит также сопротивление контакта между заземлителем и землей;

сопротивление контакта составляет незначительную часть сопротивления растеканию заземлителя; даже наличие на стальном заземлителе слоя окиси (ржавчины) не оказывает существенного влияния на сопротивление растеканию заземлителя;

2) сопротивления заземляющей сети, включающего в себя заземляющие проводники; в большинстве случаев оно составляет незначительную долю общего сопротивления заземляющего устройства.

Если обозначить сопротивление заземляющего устройства через R_З (ом), а ток замыкания на корпус через I_З (a), то напряжение корпуса по отношению к земле будет равно произведению I_ЗR_З=U_З(в).

Если, например, ток замыкания на землю в сети равен 15 а, а сопротивление заземляющего устройства 4 ом, то напряжение по отношению к земле U_З равно 15·4 = 60 в.

4. НАПРЯЖЕНИЕ ШАГА. НАПРЯЖЕНИЕ ПРИКОСНОВЕНИЯ. ВЫРАВНИВАНИЕ ПОТЕНЦИАЛОВ

Кривая на рис. 6 показывает, что напряжения по отношению к земле вблизи заземлителя при протекании через него тока замыкания на землю определяются точками А, Б, В, Г и т. д., а падения напряжения между этими точками — отрезками АД, БЕ, ВЖ и т. д. Таким образом, если разбить линию ОМ на участки длиной 0,8 м, что соответствует длине шага человека, то ноги его могут оказаться в точках разного потенциала. Чем ближе к заземлителю, тем напряжения между этими точками будут больше (АД > БЕ и БЕ > ВЖ) . Через тело человека может в таких случаях протекать ток, величина которого может оказаться опасной.

Напряжение, воздействию которого в подобном случае может подвергаться человек, называется напряжением шага (U_ш). На рис. 6 справа показано в увеличенном масштабе напряжение шага, когда ноги человека захватывают участок, соответствующий точкам В и Г кривой.

Напряжение шага может возникнуть также при падении находящегося под напряжением провода на землю, вблизи него. Опасны такие случаи и для крупных животных—лошадей, коров, тем более (помимо других причин), что шаг их значительно больше шага человека. Поэтому при падении провода на землю необходимо отключать аварийную линию (если она не отключилась автоматически защитой), а до того не допускать приближения людей и животных к месту падения провода.

Прикасаясь к корпусу электроприемника с поврежденной изоляцией (рис. 4), человек может оказаться либо под полным напряжением корпуса по отношению к земле, т. е. напряжением I_ЗR_З, либо под частью этого напряжения.

То напряжение, под которым оказывается человек в цепи замыкания, называется напряжением прикосновения U_пр

Напряжение прикосновения, близкое или равное полному напряжению корпуса по отношению к земле, может иметь место, например, если человек, прикасаясь к корпусу с поврежденной изоляцией, стоит непосредственно на земле в сырой или подбитой гвоздями обуви или, еще хуже, вовсе без обуви.

Степень выравнивания потенциалов зависит от насыщенности здания металлическими конструкциями и оборудованием, от конструкции здания; в железобетонных зданиях, имеющих также перекрытия из железобетона, происходит, например, выравнивание потенциалов, при котором напряжение прикосновения снижается в 2 и более раз. С этой точки зрения металлический пол, будучи связан с электрооборудованием и заземляющим устройством, дал бы наилучшее выравнивание потенциалов (но при этом не надо забывать, что хорошо проводящий и связанный с землей пол создает, с другой стороны, большую опасность при случайном прикосновении к токоведущим частям, находящимся под напряжением, так как при этом в цепи замыкания отсутствует благоприятный фактор — сопротивление пола).

Из сказанного следует, что фактор выравнивания потенциалов имеет первостепенное значение в обеспечении безопасности. В некоторых случаях добиться хороших условий безопасности только одним заземлением оборудования без выравнивания потенциалов было бы невозможно. Это относится, например, к установкам 110 кв, в которых токи однофазного замыкания достигают нескольких тысяч ампер.

5. ЗАЩИТНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ В СЕТИ С ЗАЗЕМЛЕННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ (ЗАНУЛЕНИЕ)

Как было указано ранее, в четырехпроводных сетях 380/220 и 220/127 в в соответствии с требованиями «Правил» применяется заземление нейтралей (нулевых точек) трансформаторов или генераторов. Заземление в таких сетях имеет ряд особенностей.

Рассмотрим вначале трехпроводную сеть 380 или 220 в с заземленной нейтралью. Такая сеть изображена на рис. 7. Если человек прикоснется к проводнику этой сети, то под воздействием фазного напряжения U_ф образуется цепь поражения, которая замыкается через тело человека, обувь, пол, землю, заземление нейтрали (см. стрелки). Та же цепь образуется, если человек прикоснется к корпусу с поврежденной изоляцией. Однако выполнить заземление в такой сети таким же образом, как и при изолированной нейтрали, нельзя.

Чтобы это понять, допустим, что такое заземление все же выполнено (рис. и на установке произошло замыкание на корпус двигателя. Ток замыкания будет протекать через два заземлителя — электроприемника R_зR_в и нейтрали (см. стрелки).

По известному закону электротехники фазное напряжение сети U_ф распределится между заземлителями R_з и R₀ пропорционально их величинам, т. е. чем больше сопротивление заземлителя, тем больше будет падение напряжения в нем. Если, например, сопротивление R₀=1 ом, R_з=4 ом, U_ф=220 в, то падение напряжения распределится так:

на сопротивлении R_з будем иметь в;

на сопротивлении R₀ будем иметь в;

Таким образом, между корпусом электродвигателя и землей возникает достаточно опасное напряжение. Человек,

Рис. 7. Прикосновение к проводнику в сети с заземленной нейтралью.

Рис. 8. Заземление электроприемника в сети с заземленной нейтралью.

прикоснувшийся к корпусу, может быть поражен электрическим током. Если будет иметь место обратное соотношение сопротивлений, т. е. R₀ будет больше, чем R_з, опасное напряжение может возникнуть между землей и корпусами оборудования, установленного возле трансформатора и имеющими общее заземление с его нейтралью.

По указанной причине в установках с заземленной нейтралью напряжением 380 и 220 в применяется система заземления иного вида: все металлические корпуса и конструкции связываются электрически с заземленной нейтралью трансформатора через нулевой провод сети или специальный зануляющий проводник (рис. 9). Благодаря этому всякое замыканйе на корпус превращается в короткое замыкание, и аварийный участок отключается предохранителем или автоматом. Такая система заземления называется занулением.

Рис. 9. Зануление электроприемника в сети с заземленной нейтралью.

Таким образом, обеспечение безопасности при запулении достигается путем отключения участка сети, в котором произошло замыкание на корпус.

В дальнейшем будем применять общий термин «заземление», а термин «зануленне» будем применять, если речь идет об особенностях этой системы.

Так же как не всякое заземление обеспечивает безопасность, не всякое зануление пригодно для обеспечения безопасности; зануление должно быть выполнено так, чтобы ток короткого замыкания в аварийном участке достигал значения, достаточного для расплавления плавкой вставки ближайшего предохранителя или отключения автомата. Для этого сопротивление цепи короткого замыкания должно быть достаточно малым.

6. В КАКИХ СЛУЧАЯХ ТРЕБУЕТСЯ ЗАЗЕМЛЕНИЕ

В соответствии с требованиями «Правил» заземлять следует металлические нетоковедущие части электроустановок и оборудования во всех производственных помещениях и наружных установках, как-то:

а) корпуса электрических машин, трансформаторов, аппаратов, светильников и т. п.;

б) приводы электрических аппаратов;

в) вторичные обмотки измерительных трансформаторов и трансформаторов местного освещения 36 в и корпуса последних;

г) каркасы распределительных щитов, щитов управления, щитков и шкафов;

д) металлические и железобетонные конструкции подстанций и открытых распределительных устройств, металлические корпуса кабельных муфт, металлические оболочки кабелей и проводов, стальные трубы электропроводки, металлические и железобетонные опоры воздушных линий и т. п.

Не требуется специально заземлять:

а) арматуру подвесных и штыри опорных изоляторов, кронштейны и осветительную арматуру при установке их на деревянных опорах и деревянных конструкциях открытых подстанций (дерево рассматривается как изоляция); однако заземление выполняется, если это требуется по условиям защиты от атмосферных перенапряжений (грозозащиты):

б) оборудование, установленное на заземленных металлических конструкциях при наличии на опорных поверхностях надежного электрического контакта (зачистка);

п) корпуса электроизмерительных приборов, реле и т. п., установленные на щитах, щитках, в шкафах;

г) кабельные конструкции, по которым проложены кабели любых напряжений с металлическими оболочками, заземленными с обоих концов линии;

д) рельсовые пути, если они выходят за территорию электростанций, подстанций, распределительных устройств;

е) съемные или открывающиеся части на металлических заземленных каркасах и в камерах распределительных^ устройств, на ограждениях, в шкафах и т. п.;

ж) металлические конструкции в помещениях аккумуляторных батарей при напряжении до 220 в включительно.

Заземление металлических частей электроустановок вообще не требуется:

а) при номинальном напряжении 380 в и ниже переменного тока и 440 в и ниже постоянного тока в сухих производственных помещениях без повышенной и особой опасности.

Помещения с повышенной опасностью в соответствии с „Правилами“ характеризуются наличием одного из следующих условий:

а) сырости или проводящей пыли;

б) токопроводящих полов (металлических, земляных, железобетонных, кирпичных и т. п.);

в) высокой температуры;

г) возможности одновременного прикосновения человека к имеющим соединение с землей металлоконструкциям зданий, технологическим аппаратам, механизмам и т. п., с одной стороны, и к металлическим корпусам электрооборудования — с другой.

Помещения особо опасные характеризуются наличием одного из следующих условий:

а) особой сырости;

б) химически активной среды;

в) одновременного наличия двух или более условий повышенной опасности.

б) при номинальном напряжении сети ниже 127 в переменного тока и 110 в постоянного тока во всех помещениях (за исключением взрывоопасных; в последних заземление следует выполнять при любых напряжениях).

Источник https://220.guru/electroprovodka/zazemlenie-molniezashhita/sistema-zashhitnogo-zazemleniya.html

Источник https://electricvdome.ru/zazemlenie/chto-takoe-zazemlenie.html

Источник https://zandz.com/ru/pravila_zazemleniya/chto-takoe-zaschitnoe-zazemlenie-i-kak-ego-ustraivat/