Технические способы и средства защиты при переходе напряжения на нетоковедущие части электроустановок

Защитное заземление применяют в сетях напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью и в сетях напряжением выше 1000 В с любым режимом нейтрали источника питания.

Защитное заземление - это преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нормально нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Назначение защитного заземления заключается в том, чтобы в случае появления напряжения на металлических конструктивных частях электрооборудования (например, вследствие замыкания на корпус при повреждении изоляции) обеспечить защиту человека от поражения электрическим током при ее прикосновении к таким частям. Это достигается путем снижения до безопасных значений напряжений прикосновения и шага.

б
Рис. 3.23. Схема электрической сети (а) и после (б) разделения:

Н - нагрузка; РТ - разделительный трансформатор; ВН - сеть высокого напряжения;
НН - сеть низкого напряжения

Если корпус оборудования незаземленный и произошло замыкание на него одной из фаз, то прикосновение человека к такому корпусу равносильно касания к фазе. Если же корпус электрически соединен с землей (рис. 3.24, а), то он окажется под напряжением замыкания Uз = ИзRз, а человек, дотрагивается до такого корпуса, попадает под напряжение прикосновения. Ток, который пройдет через человека, в таком случае определяется из уравнения: ,
откуда видно, что чем меньше имеет значение Rз и, тем меньший ток пройдет через тело человека, который стоит на земле и дотрагивается до корпуса оборудования. Таким образом, защита от поражения током обеспечивается путем присоединения корпуса к заземлителю, который имеет малое сопротивление заземления Rз и малый коэффициент напряжения прикосновения.
По эквивалентной электрической схеме (рис. 3.24, б) видно, что человек (R_ч) дотрагиваясь к заземленному корпусу, оказавшемуся под напряжением подключается к электрическому кругу однофазного тока параллельно сопротивления заземления Rз. Поскольку сопротивление заземления малое, то основная часть тока замыкания на землю пройдет именно через него, а через человека пройдет малый (безопасный) ток. В этом и заключается суть защитного заземления. Причем ток проходя через человека уменьшится во столько раз, во сколько сопротивление человека больше сопротивление заземления. Если принять, что сопротивление человека R_ч = 1000 Ом, а сопротивление заземления Rз = 4 Ом, то ток, который пройдет через человека, прикоснулась к заземленному корпусу, который оказался под напряжением, будет в 250 раз меньше чем в случае, когда такое защитное заземление отсутствует.

б
Рис. 3.24. Защитное заземление:

а - схема прикосновения человека к заземленному корпусу, оказавшемуся под напряжением б - эквивалентная электрическая схема

Заземляющим устройством называют совокупность конструктивно объединенных заземляющих проводников и заземлителя. Заземлитель - проводник или совокупность электрически соединенных проводников, находящихся в контакте с землей или ее эквивалентом. Заземлители бывают естественные и искусственные. Как естественные заземлители используют электропроводящие части строительных и производственных конструкций, а также коммуникаций, которые имеют надежный контакт с землей (водопроводные и канализационные трубопроводы, фундаменты зданий и т. п.). Для искусственных заземлителей используют стальные трубы диаметром 35-50 мм (толщина стенок не менее 3,5 мм) и уголки (40x40 и 60x60 мм) длиной 2,5-3,0 м, а также стальные прутья диаметром не менее 10 мм длиной до 10 м. В большинстве случаев искусственные вертикальные заземлители находятся в земле на глубине 0,5-0,8 м (рис. 3.25). Вертикальные заземлители соединяют между собой штабом с поперечным сечением не менее 4x12 мм или прутком диаметром не менее 6 мм с помощью сварки. Присоединение заземляющего проводника к корпусу оборудования осуществляется сваркой или болтами. Объекты, подлежащие заземлению присоединяются к магистрали заземления исключительно параллельно с помощью отдельного проводника (рис. 3.26, а, б).

В зависимости от расположения заземлителей относительно оборудования, подлежащего заземлению, различают выносное (сосредоточеное) и контурное (распределеное) заземления. Преимущество выносного заземления (рис. 3.26, а) состоит в том, что можно выбрать местоположение заземлителей с наименьшим сопротивлением грунта (земли).Заземлители контурного заземления(рис. 3.26, б) располагают непосредственно у периметра (контура) участка, на котором находится заземлюване оборудования. Это позволяет выровнять потенциалы внутри контура, а следовательно - снизить напряжение прикосновения и шага. Поэтому более эффективным с точки зрения электробезопасности является контурное заземление.

Сопротивление защитного заземления в электроуста новке напряжением до 1000 В и мощностью свыше 100 кВА не должен превышать 4 Ом. Эта норма обусловлена величиной напряжения, которое возникает между корпусом заземленного оборудования и землей в случае пробоя изоляции, при котором ток, проходящий через человека, если притрагивается к оборудованию, является безопасным. Такое напряжение замыкания Uз принято считать напряжение до 42 В, а так наибольший возможный ток замыкания на землю в электроустановках до 1000 В составляет 10 А, то максимально допустимое сопротивление заземления равна Rз = Uз / І = 42/10 = 4,2 ≈ 4 Ом.

Рис. 3.25. Схема расположения заземлителей

1 - заземлители, 2 - заземляющий проводник

б
Рис. 3.26. Выносное (а) и контурное (б) заземления:

1 - заземлители, 2 - заземляющие проводники; 3 – оборудование

Согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) защитное заземление следует выполнять: при напряжении переменного тока 380 В и выше и 440 В и выше для постоянного тока - во всех электроустановках; при номинальных напряжениях переменного тока выше 42 В и постоянного тока выше 1105 - только в электроустановках, находящихся в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных, а также в наружных электроустановках, при любом напряжении переменного и постоянного тока - во взрывоопасных установках.

В процессе эксплуатации электроустановок возможно нарушение целостности заземляющих проводников и повышения сопротивления заземления выше нормы. Поэтому ПУЭ предусмотрено проведение визуального контроля (осмотра) целостности заземляющих проводников и измерения сопротивления заземления. Такие измерения проводят, как правило, при малейшей проводимости почвы: летом - при наибольшем высыхании или зимой - при наибольшем промерзании почвы. Измерение сопротивления заземления следует проводить после монтажа электроустановки, после ее ремонта или реконструкции, а также не реже одного раза в год.

Защитное зануление применяется в четырехпроводных сетях напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью. Согласно ПУЭ, зануление корпусов электрооборудования используется в тех случаях, что и защитное заземление.
Зануление - это преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нормально нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.

Нулевой защитный проводник - это проводник, соединяющий части подлежат занулению, с глухозаземленной нейтральной точкой обмотки источника тока или ее эквивалентом.

При занулении (рис. 3.27) в случае замыкания сети на корпус 1 электроустановки возникает однофазное короткое замыкание, т.е. замыкание между фазным и нулевым проводниками. Вследствие этого электроустановка автоматически отключается аппаратом защиты от токов короткого замыкания 2 (перегорают предохранители или срабатывают автоматические выключатели). Таким образом обеспечивается защита людей от поражения электрическим током. Для уменьшения опасности поражения током, возникающая в результате обрыва нулевого провода, устраивают (многократно) дополнительное заземление нулевого провода Rд (рис. 3.27).

Для того, чтобы произошло быстрое и надежное отключение, необходимо, чтобы ток короткого замыкания І_к.з. превышал ток защитного аппарата :
І_к.з. ≥ kІ_з.а, где k - коэффициент кратности тока короткого замыкания относительно тока защного аппарата (k = 1,5 - для автоматических выключателей; k = 3,0 - для плавких предохранителей).

Так, при занулении исключительно важное значение имеет правильный выбор предохранителей и автоматических выключателей в соответствии с величиной тока короткого замыкания петли фаза-ноль. При неправильном выборе плавкого предохранителя или автоматического выключателя, когда І_к.з. < 3І_з.а. или І_к.з. <1,5 І_з.а_., может не состояться отключения установки, на корпус которой перешла напряжение, а затем будет существовать опасность для человека при его прикосновении к корпусу.

Следует отметить, что одновременное заземление и зануление корпусов электроустановок значительно повышает их электробезопасность.
Защитное отключение применяется как основное или дополнительное защитное средство, если безопасность не может быть обеспечена путем устройства заземления, или другими способами защиты.

Защитное отключение - это быстродействующая защита, обеспечивающая автоматическое отключение электроустановки (не более чем за 0,2 с) при возникновении в ней опасности поражения током.

Существует много схем защитного отключения. В качестве примера рассмотрим схему устройства защитного отключения, приведен на рис. 3.28. Такое устройство служит дополнительной защитой к заземлению и предназначен для устранения опасности поражения током при появлении на заземленном корпусе электроустановки повышенного напряжения.

Рис. 3.27. Схема защитного зануления

Рис. 3.28. Схема устройства защитного отключения, реагирующего на напряжение корпуса относительно земли

При повреждении изоляции и переходе напряжения фазы на корпус установки 1 сначала проявляется защитное свойство заземления, благодаря которой напряжение на корпусе снижается до некоторой величины U_кор = І_з R_з. Если значение U_кор будет выше предельно допустимого напряжения U_{кор.доп}., то сработает устройство защитного отключения: реле максимального напряжения Н, замкнув контакты, подает питание на катушку отключения KB, которая размыкает контакты автоматического выключателя 2, при этом установка отсоединяется от электросети .