Защитное заземление
Корпус электродвигателя или трансформатора, арматура электрического светильника или трубы электропроводки не находятся под напряжением относительно земли благодаря изоляции от токоведущих частей. Однако в случае повреждения изоляции любая из этих частей может оказаться под напряжением, нередко равным фазному. Электродвигатель с пробитой на корпус изоляцией обычно соединен с машиной, которую он приводит в движение, например если установлен на станке. Рабочий, взявшийся за рукоятки управления станком, может попасть под напряжение.
Для защиты от поражения током при повреждении изоляции необходимо применять по крайней мере один из следующих технических способов обеспечения электробезопасности: защитное заземление, зануление, защитное отключение, малое напряжение, защитное разделение цепей, двойную изоляцию, выравнивание потенциалов. Некоторые способы можно использовать в сочетании, например зануление и защитное отключение или выравнивание потенциалов. Благодаря универсальности наибольшее распространение получили защитное заземление и зануление. Заземление применяют в электроустановках напряжением выше 1000 В с любым режимом работы нейтрали и в установках до 1000 В с изолированной от земли нейтральной точкой, а зануление — в установках напряжением до 1000 В с заземленной нейтралью (в частности, в сетях 380/220 В).
Защитным заземлением называется заземление частей электроустановки в целях обеспечения электробезопасности. Бывает также грозозащитное (от грозовых перенапряжений в проводке или воздушной линии), молниезащитное, рабочее (необходимое для правильной работы установки). Можно выделить также вспомогательные заземления в составе иных защитных мероприятий электробезопасности, например повторные заземления нулевого провода в системе технического способа — зануления, заземления разных назначений, устроенные на одной площадке, обычно конструктивно электрически совмещают.
Принцип заземления состоит в том, что доступные прикосновению нетоковедущие металлические части, например корпус электродвигателя, соединяют с заземлителем, т.е. с металлическим предметом, находящимся в непосредственном соприкосновении с землей или с группой таких предметов. Чаще всего это стержни из угловой стали, забитые в землю вертикально и соединенные между собой под землей приваренной к ним стальной полосой. Благодаря защитному заземлению напряжение, под которое может попасть человек, прикоснувшийся к заземленной части, значительно снижается. Однако неверно распространенное мнение, что это напряжение равно нулю, так как все, что электрически связано с землей, должно иметь потенциал земли, т.е. нуль. Дело в том, что землю можно рассматривать как электрический проводник с некоторым сопротивлением электрическому току, с падением напряжения вдоль пути тока, т. е. с различным потенциалом точек земли около заземлителя и на большом расстоянии от него, где потенциал действительно можно принять равным нулю.
Если представить себе заземлитель в виде полусферы, то ток в земле растекается от этого заземлителя в радиальных направлениях. Площадь поперечного сечения «земляного» проводника определяется поверхностью полусфер того или иного радиуса и по мере увеличения радиуса возрастает. Соответственно уменьшается сопротивление грунта растеканию тока. Кривая изменения напряжения на поверхности земли имеет гиперболический характер.
На расстоянии около 20 м от одиночного сосредоточенного заземлителя падение напряжения в слоях земли от тока, растекающегося с заземлителя, уже практически не обнаруживается, т. е. потенциал может условно считаться равным нулю. Пространство вокруг заземлителя, где обнаруживается заметный электрический потенциал от тока, стекающего с заземлителя, называется зоной растекания. В сущности сопротивление растеканию тока от заземлителя — это сопротивление полусферы грунта с радиусом, равным радиусу зоны растекания.
Сопротивление заземлителя относительно земли (т. е. относительно точек грунта с нулевым потенциалом, находящихся вне зоны растекания тока) включает в себя кроме сопротивления растеканию тока в земле также сопротивление току при прохождении его по самим заземлителям и переходное сопротивление между металлическим заземлителем и ближайшими к нему слоями фунта. Последние две составляющие очень малы по сравнению с первой, даже если заземлители покрыты слоем ржавчины (но не краски).
Поэтому под сопротивлением заземлителя R3 часто понимают его сопротивление растеканию, точнее — это отношение напряжения на нем U3 (его потенциала) к току l3, который через него стекает в землю:
Заземляющее устройство состоит из заземлителя и заземляющих проводников. Они соединяют заземлитель с заземляемыми частями электроустановки. Напряжение U3 на заземленном корпусе электрооборудования отличается от напряжения U3 на значение падения напряжения в заземляющих проводниках, соединяющих корпус с заземлителем. Можно считать, что UK = U3.
Хотя за пределами зоны растекания ток в земле практически не обнаруживается, не следует считать, что его там нет. В сети с изолированной от земли нейтралью ток с провода, где повреждена изоляция, стекает через заземлитель на землю и на провода других фаз через активное сопротивление их изоляции и через емкостные сопротивления между проводниками и землей. В сети с заземленной нейтралью ток от места замыкания течет главным образом к нейтрали по пути с наименьшим индуктивным сопротивлением (под проводами линии).
Если нейтраль не заземлена, то этот ток зависит от номинального напряжения сети UH (кВ) и от емкости сети относительно земли, т.е. от длины металлически связанных воздушных и кабельных линий с ответвлениями:
где lB и lK — длины соответственно воздушных и кабельных линий, км.
Предположим, что существует однофазная сеть без заземленной точки с полным сопротивлением изоляции провода относительно земли Z2. После пробоя изоляции одного из проводов на металлический корпус, который связан с защитным заземлением, имеющим сопротивление R3, этот корпус будет иметь относительно участков земли с нулевым потенциалом напряжение, равное падению напряжения на R3 от тока I3 через него:
Так как Z2 » R3, то ток I3 от R3 практически не зависит, a UK прямо пропорционально R3. Поэтому с уменьшением R3 снижается напряжение, которое может иметь заземленный корпус. Уменьшается и опасность от прикосновения к нему. Однако такое же напряжение появится на корпусах и неповрежденного оборудования, присоединенных к тому же защитному заземлителю. Это один из недостатков защитного заземления.
Аналогичная картина в трехфазных установках (например, в установках с номинальным напряжением 3x380 В). Напряжение относительно земли, под которым может оказаться корпус электроприемников с пробитой изоляцией при отсутствии защитного заземления на определенную величину, зависит от сопротивления изоляции фаз относительно земли и находится в пределах от 0 (Za = 0) до линейного Un (ZB = 0 или Zc = 0, но Za = 0).
Участок сети с двойным замыканием на землю автоматически отключается за 2...3 с, но до момента отключения заземление не защищает людей. Поэтому ограничивают продолжительность работы сети с однофазным замыканием на землю, чтобы уменьшить вероятность появления второго замыкания. На торфоразработках и в других местах с особо опасными условиями вообще не разрешают работать при однофазном замыкании на землю: применяют автоматическое отключение.
В установках напряжением выше 1 кВ с заземленной нейтралью (с номинальным напряжением 110 кВ и выше) защитное заземление снижает напряжение на заземленных частях оборудования, оказавшихся под напряжением при пробое изоляции одной фазы, а затем автоматические устройства релейной защиты отключают поврежденную часть электроустановки.
Если человек, находясь на земле в зоне растекания, прикоснется к заземленному корпусу оборудования с поврежденной изоляцией, то он окажется под действием разности потенциалов между корпусом и точкой поверхности земли, на которой он стоит, находящейся на расстоянии от заземлителя. Обозначим последний потенциал φ(l), а потенциал на корпусе φK = UK.
Разность потенциалов (напряжение) между двумя точками цепи тока замыкания на землю (на корпус), которых одновременно касается человек, называют напряжением прикосновения:
В общем случае напряжение прикосновения составляет лишь часть напряжения заземлителя или равного ему напряжения на корпусе UK относительно точек земли с нулевым потенциалом.
Значения Uпр зависят от расстояния между ногами человека и заземлителем и от крутизны кривой спада потенциала, которая может быть более пологой при сложной конструкции заземлителя (чем положе, тем безопаснее). К телу человека приложена лишь часть напряжения прикосновения, потому что последовательно с сопротивлением тела включено электрическое сопротивление обуви, пола и сопротивление растеканию тока в земле от ног человека. На этих сопротивлениях теряется часть напряжения при протекании тока через человека.
Напряжением шага Uш называется напряжение между двумя точками поверхности земли, обусловленное растеканием тока замыкания на землю при одновременном касании этих точек ногами человека; Uш тем больше, чем ближе человек к заземлителю и чем шире шаг. При расчетах принимают, что шаг человека равен 0,8 м. Для крупных животных расстояние между передними и задними конечностями больше 1,2 м, поэтому напряжение шага, действующее на них, выше; оно также опаснее, чем для людей, еще и потому, что вызванный им ток проходит у животных через грудную клетку. Например, корова может погибнуть при значительно меньшем напряжении на заземлителе, к которому она приближается, чем человек, хотя для крупных животных напряжение тока, вызывающего летальный исход, намного больше, чем для людей.
Полезная информация: