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 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).

Понятие заземления и заземляющего контура

—это преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.

Цель защитного заземления

Читайте также: Как подключить двухклавишный выключатель к двум. Как заменить выключатель света с одной или двумя клавишами. Алгоритм самостоятельной замены одноклавишного и двухклавишного выключателя в домашних усло

—снизить до безопасной величины напряжение относительно земли на металлических частях оборудования, которые не находятся под напряжением, но могут оказаться под напряжением вследствие нарушения изоляции электроустановок. В результате замыкания на корпус заземленного оборудования снижается напряжение прикосновения и, как следствие,- ток, проходящий через тело человека, при его прикосновении к корпусам.

При электрическом переменном токе промышленной частоты (50 герц) берут во внимание только активное сопротивление человека (его тела) и соотносят его с величиной равной 1 кОм. При длительном прохождении тока сопротивление тела снижается до 500 – 300 Ом.

Примечание: сопротивление тела человека постоянному току от 3 до 100 кОм.

Расчеты, приведенные на рисунках, весьма приблизительны, но показывают оценить эффективность защитного заземления.

Существенное влияние на ток, проходящий через человека, оказывает величина тока короткого замыкания и сопротивление системы заземления. Наибольшее допустимое значение сопротивления заземления в установках до 1000 В: 10 Ом — при суммарной мощности генераторов и трансформаторов 100 кВА и менее, 4 Ом — во всех остальных случаях.

Указанные нормы обосновываются допустимой величиной напряжения прикосновения, которая в сетях до 1000 В не должна превышать 40 В.

Защитное заземление применяется в трехфазных трехпроводных сетях напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью, а в сетях напряжением 1000 В и выше — с любым режимом нейтрали.

1. Каждый корпус электроустановки должен быть присоединен к заземлителю или к заземляющей магистрали с помощью отдельного ответвления. Последовательное включение нескольких заземляемых корпусов электроустановок в заземляющий проводник запрещается.

Заземляющее устройство — это совокупность заземлителя и заземляющих проводников, соединяющих заземляемые части электроустановки с заземлителем.

Заземляющее устройство — это совокупность заземлителя и заземляющих проводников, соединяющих заземляемые части электроустановки с заземлителем.

Назначение и принцип работы

Рабочее или функциональное заземление создается не для защиты, а для нормальной эксплуатации установки. При его создании делают так, чтобы установка контактировала с землей. Основное назначение — сведение к нулю вероятности поражения током при соприкосновении человека с корпусом установки или с ее токопроводящими элементами, которые находятся под высоким напряжением.

Такая защита используется в электросетях с 3-фазной системой распределения электрического тока.

Читайте также: Особенности светильника ДРЛ

Изолированный нейтральный проводник нужен для электрической сети, напряжение которой составляет менее 1000 вольт. В тех сетях, напряжение которых более 1000 вольт, возможно использование любого режима нейтрали.

Между корпусом электрической установки и грунтом уменьшается напряжение. Его величина становится менее опасной. В том случае, если корпус электрической установки не будет иметь рабочего заземления, прикосновение к нему приведет к тем же последствиям, что и контакт с фазным проводом. С учетом того что электрическое сопротивление обуви и пола невелико по сравнению с сопротивлением почвы, ток может стать опасным.

Если все будет функционировать правильно, то ток, который пройдет через тело человека, не нанесет никакого вреда. Напряжение в этом случае тоже будет небольшим: почти вся энергия уйдет в грунт. Поспособствует этому заземляющий проводник — по-другому он называется заземлителем.

Заземлители

1.Естественные

— водопроводные трубы, проложенные в земле (ХВ)

— металлические конструкции здания и фундаменты, надежно соединенные с землей

— металлические оболочки кабелей

— обсадные трубы артезианских скважин

Запрещено:

— газопроводы и трубопроводы с горючими жидкостями

— алюминиевые оболочки подземных кабелей

— трубы теплотрасс и горячего водоснабжения

Соединение с естественным заземлителем должно быть не менее чем в двух разных местах.

Искуственные

Контурные

При контурном заземлении обеспечивается выравнивание потенциалов в защищаемой зоне и уменьшается напряжение шага.

Выносные: групповые и одиночные

Позволяют выбрать место с минимальным сопротивлением грунта.
Традиционно, для искусственных заземлителей применяют угловую сталь толщиной полки не менее 4 мм, стальные полосы толщиной не менее 4 мм или прутковую сталь диаметром от 10 мм.

Читайте также: СП 256.1325800.2016 Пояснения к Главе 10

Широкое распространение в последнее время получили глубинные заземлители с омедненными или оцинкованными электродами, которые по долговечности и затратам на изготовление заземлителя существенно превосходят традиционные методы.

Особая проблема — создание качественного заземления в условиях вечной мерзлоты. Здесь стоит обратить внимание на системы электролитического заземления, позволяющие эффективно решить проблему.

Подробную информацию о различных схемах зазелителей, способах расчета и консультации можно получить на сайте www.zandz.ru

Различия между видами заземлений

Между рабочим и защитным заземлением имеются существенные различия. Главное из них заключается в предназначении. В то время как рабочее обеспечивает нормальное функционирование электрического оборудования, защитным заземлением называется защита от поражения электротоком. Кроме того, оно способствует защите оборудования от выхода из строя в случае, если корпус будет случайно пробит. Если здание имеет молниеотвод, то защитное сопротивление будет препятствовать возможной перегрузке во время грозы.

Рабочее заземление электрических установок при ЧП будет защищать сами приборы и человека, но главное его предназначение — обеспечивать правильную работу оборудования.

Рабочее заземление используется лишь на промышленных предприятиях, а в жилых зданиях монтируется заземляющий проводник, подведенный к розетке. Но все же есть электроприборы, таящие в себе возможную опасность, поэтому не будет лишним и их заземление с применением глухозаземленной нейтрали.

Требования безопасности

Так как заземление выполняет важную роль в обеспечении безопасности, она должна соответствовать определённым требованиям, которые оговорены в ПУЭ:

• Заземлению подвергаются все без исключения электроустановки, включая дверцы электрощитов и шкафов.
• Заземляющее устройство не должно превышать 4 Ом с заземляющей нейтралью.
• Обязательно применение систем уравнивания потенциалов.

Относиться к требованиям ПУЭ нужно со всей серьёзностью, так как это может спасти жизнь, в случае опасности. Ведь удар электрическим током, за счёт слишком низкого сопротивления подошвы обуви и пола, является смертельно опасным.

Особенности конструкции

Рабочее заземление — это установленные в грунте металлические прутья. Они играют роль проводников электротока и способны отводить электричество вглубь на несколько метров. Такие железные штыри являются соединительными элементами между шиной заземления и клеммами электрического оборудования. В результате образуется металлическая связь.

Такая связь имеется в каждом жилом здании. С ее помощью соединяются верхушки заземлителей. Она заводится к вводному щитку и затем разводится по всем квартирам. Роль заземляющего проводника в этой конструкции играет шина или провод, площадь сечения которого — минимум 4 кв. мм.

Причины удара током

Человека может ударить электрическим током в самых обычных повседневных ситуациях:

1. Во время работы стиральной машинки иногда можно почувствовать лёгкое пощипывание. Иногда удары могут быть значительно сильнее. Это и есть воздействие электричества на человека.
2. Находясь в ванной и дотронувшись до металлических частей крана, можно ощутить слабое пощипывание и даже сильные мурашки внутри пальцев.

В обоих случаях незаземлённые предметы могут пропускать через себя ток, то есть заряженные частицы, которые, в зависимости от силы и напряжения, могут проявляться в виде покалывания или сильных ударов, сопровождающихся мышечными судорогами.

Вам это будет интересно Особенности присвоения 4 группы по электробезопасности

Понятно, что это крайне опасно — в крайних случаях от удара током возможны паралич и остановка сердца. Однако избежать подобных инцидентов можно достаточно просто — заземлив ванную или машинку. В таком случае ток, попавший на корпус, будет уходить по заземляющему проводнику в землю.

Одновременное применение и общие правила

Электроустановка не будет достаточно защищена, если ее оборудовать лишь одним заземлением. Заземлителей обязательно должно быть несколько, так как грунт — это нелинейный проводник.

Электрическое сопротивление почвы во многом зависит от величины напряжения и от площади контакта с прутьями:

1. Если использовать только один заземлитель, то площадь контакта будет небольшой. Ее не хватит для того, чтобы работа электрической установки была бесперебойной.
2. Если будет установлено по меньшей мере два заземлителя на достаточном расстоянии друг от друга, то действовать они будут эффективно. Лучше всего устанавливать их на расстоянии от 1 до 2 м.

Важно соблюдать правила ПУЭ, согласно которым:

1. Запрещено применять в качестве заземлителей элементы трубопровода, независимо от предназначения последнего.
2. Нельзя выводить кабель наружу и присоединять его к плохо подготовленной контактной площадке на шине. Дело в том, что любой металл обладает определенным потенциалом. Под влиянием различных факторов окружающей среды начинает образовываться гальваническая пара, а это приводит к коррозии.
3. Нельзя поочередно заземлять несколько электрических установок друг с другом.

Также нужно помнить: кабель должен быть только один на одну контактную площадку шины. Если правила не будут соблюдены, то при ЧП одна установка будет препятствовать нормальному функционированию другой.

Как действуют заземлители

Почему же ток уходит в землю по заземляющему контуру?

В качестве «подопытного» можно взять всё ту же стиральную машинку. Со временем любой провод может надломиться, потерять изоляцию или получить пробой на корпус из-за микротрещины. Рано или поздно ток начнёт попадать на металлическое основание прибора.

Если не трогать машинку, то человеку ничего не угрожает. Но стоит прикоснуться к корпусу, и, в случае отсутствия заземления, можно почувствовать всю мощь электричества на себе.

А всё дело в том, что несмотря на обувь и пол, человеческое тело имеет (хоть и малый) контакт с землёй. Следовательно, не имея заземляющего провода, ток будет проходить через человека и уходить в землю. А так как фазный провод имеет потенциал выше земельного, то тело становится отличным проводником с собственным сопротивлением. В итоге проходящий через нас ток вызывает те же физические свойства, что и в любом другом проводнике.

Читайте также: Сравнение люминесцентных ламп и светодиодных: виды, классификация, удобство использования, сходство и различие, плюсы и минусы применения

Наличие заземления, а для надёжности — еще и установка УЗО, заставляет опасный потенциал притягиваться к безопасному потенциалу земли. В результате напряжение перетекает прямо в заземлитель.

Меры безопасности

Чтобы защитить человека от тока напряжением менее 1000 вольт, нужно проводить заземление всех металлических элементов электрического оборудования. Если человек получит травму от тока, то на его теле останется ожог. Возможны потеря сознания или остановка сердца.

Очень важно, чтобы каждая конструкция полностью отвечала требованиям безопасности, которые предъявляются для обеспечения правильной работы электросетей и предохранителей.

Чтобы защитить людей от поражения током, нужно не допускать контакта с металлическими элементами электроустановки. Для этого можно провести полную изоляцию. В этом деле поможет оградительная конструкция, сооруженная вокруг электроустановки.

Заземление, зануление и нейтраль

Перечисленные выше способы получения электрического нуля используются в трех разных целях:

1. Обеспечение безопасности людей.
2. Защиты электроустановок.
3. Обеспечение нормальной работы электроустановок.

Заземление

Это система, состоящая из заземлителя – любой металлической детали, имеющей непосредственный контакт большой площади с физической землей, а также соединительного проводника, передающего условно нулевой потенциал на детали электроустановки, которые не имеют непосредственного контакта с токоведущими частями. Последний в электротехнике называется «нулевой защитный проводник», на схемах он обозначается литерами РЕ.

Применяется исключительно для защиты людей от поражения электрическим током за счет свойства, который имеет электрический заряд. Он распространяется только по пути наименьшего сопротивления. У защитного проводника и заземлителя оно не превышает единиц Ом, а тело человека, даже по кратчайшему пути прохождения тока, имеет электрическое сопротивление 1 кОм.

Используется в линиях напряжением до 1 тыс. вольт, подключенных к силовым трансформаторам по схеме глухозаземленной нейтрали – выходные обмотки соединены звездой, а общая точка (N) дополнительно подключена к заземлителю.

Защитные проводники подключаются только к корпусам однофазных электроприборов.

Нейтраль и рабочее заземление

Нейтраль – это проводник, являющийся общим для трех обмоток (схема «звезда») на выходе силового трансформатора. Разность потенциалов между ним и фазным проводником равна 220 вольт. На схеме обозначается буквой N.

В однофазной сети переменного тока нейтраль используется для обеспечения работы электроустановок. Она делает цепь замкнутой, по ней течет ток. Второе ее предназначение – защита техники. При пробое изоляции или случайном касании проводников происходит короткое замыкание – мгновенное возрастание силы тока в десятки и сотни раз, что приводит к срабатыванию приборов защиты. Например, автоматических выключателей.

То, что по ней протекает ток, позволяет косвенно использовать её и для защиты людей. Для этого в схему питания электроустановки включается УЗО, работающее на принципе измерения разницы токов в фазном и нейтральном проводнике (дифференциальный трансформатор). Если человек прикасается к токоведущим частям, заряд уходит через него на землю, поскольку общее электрическое сопротивление тела меньше, чем электроустановки.

Баланс токов нарушается и УЗО отключает питание. То же самое происходит, если в результате пробоя изоляции фаза оказывается на корпусе прибора, к которому подключен защитный заземляющий проводник РЕ. В последнем случае вероятность электрической травмы существенно снижается или исключается полностью. Подробнее об устройстве и принципе работы УЗО читайте здесь, а о правильных способах подключения тут.

ВНИМАНИЕ! Категорически нельзя объединять проводники, обозначенные на схемах литерами PE и N, ведь у них разные задачи!

Ярким примером того, что между нейтралью и заземлением есть разность потенциалов, является схема подключения автомобильного генератора. По своей физической сущности он является трехфазной машиной переменного тока, статорные обмотки которого соединены звездой.

К выводу их общей точки подключается якорь реле, которое гасит лампочку «заряд» на панели приборов, после того, как генератор начинает вырабатывать ток. Происходит это потому, что между нейтралью и корпусом автомобиля возникает разность потенциалов, равная пяти вольтам.

Рабочее заземление на массу в сетях переменного тока напряжением свыше 127 вольт применяется только при выполнении специальных работ. Например, сварочных, когда требуется поджечь электрическую дугу. И является основным способом обеспечения функционирования установок постоянного тока, если соединение с физической землей невозможно.

На этом принципе построена электрическая схема автомобиля. Минусовая клемма аккумулятора замыкается на кузов, чем обеспечивается необходимая разность потенциалов.

Зануление

При подключении трехфазных электроустановок нередко возникает вопрос: «Зачем в кабеле четвертый, нулевой, провод, если напряжение 220 вольт не используется?» Эта жила может играть две роли:

1. Защитного проводника PE при отсутствии общей точки подключения трансформаторов (схема «треугольник»).
2. Технической нейтрали N, если выходные обмотки трансформатора соединены звездой.

В последнем случае нулевой провод подключается к металлическому корпусу электроустановки. Это и называется занулением. Оно предназначено лишь для защиты электротехники. Причем исключительно трехфазной и особенно той, которая из-за особенностей конструкции не имеет надежного соединения с физической землей.

Например, передвижных генераторов, ленточных пилорам с перемещаемым рабочим органом. Рабочий персонал зануление от электротравмы не спасает, поскольку между нейтралью и физической землей всегда существует разница потенциалов.

Заземление и нейтраль – это проводники, условно имеющие потенциал, равный нулю. При общем сходстве они выполняют разные задачи. Первый защищает человека от электротравмы. Второй обеспечивает работу электроустановки. Поэтому их нельзя объединять или подменять одно другим.

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

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

Источник https://ues-company.ru/dom/zachem-nuzhno-zazemlenie.html