Расчёт системы защитного заземления

Эксплуатация большинства машин связана с применением электрической энергии. Электрический ток, проходя через организм человека, оказывает на него термическое, электролитическое и биологическое действие, вызывая общие и местные электротравмы. Характер воздействия электрического тока на организм человека зависит от ряда факторов: значения и длительности протекания тока через организм, рода и частоты тока, индивидуальных свойств человека и др.

Анализ несчастных случаев в промышленности показывает, что число травм, вызванных воздействием электрического тока, сравнительно невелико и составляет 0,5 - 1% общего числа несчастных случаев в промышленности, однако среди травм со смертельным исходом электротравмы составляют 20 - 40%.

Таким образом, повышенное внимание необходимо уделять вопросам электробезопасности как на стадии проектирования технологического оборудования, так и на стадии его эксплуатации.

Особую роль здесь должны играть разработка и эффективное применение защитных мер в электроустановках.

Для защиты от поражения электрическим током при переходе напряжения на конструктивные металлические части оборудования применяются защитное заземление, защитное зануление и защитное отключение.

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

Защитное заземление предназначено для защиты людей от поражающего электрического тока при прикосновении к корпусу электро­установки и другим нетоковедущим металлическим частям, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам (индуктивное влияние соседних токоведущих частей, вынос потенциала, разряд молнии и т. п.).

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

На практике условиями возникновения электротравм являются:

1) прикосновение к токоведущим частям электрооборудования, находящимся под напряжением (случайное прикосновение к оголённым проводам, зажимам, ошибочная подача напряжения во время ремонтов и осмотров);

2) прикосновение к нетоковедущим частям электрооборудования, случайно оказавшимся под напряжением при повреждении изоляции;

3) попадание человека в зону действия электрической дуги, нахождение человека вблизи оборванного провода, упавшего на землю (возможность поражения шаговым напряжением).

Замыканием на корпус называется случайное соединение токоведущих частей оборудования с корпусом или другими частями, не находящимися под напряжением, что происходит вследствие повреждения изоляции (старения, износа, механических повреждений).

Замыканием на землю называется случайный электрический контакт между токоведущими частями электроустановок, находящимися под напряжением, и землёй, в результате чего через грунт протекает аварийный ток. Замыкание на землю может произойти при появлении контакта между токоведущими частями и заземлённым корпусом оборудования, при повреждении изоляции, при падении на землю оборванного провода и т. д.

Во всех случаях ток частей оборудования, оказавшихся под напряжением, проходит в землю непосредственно или через специально предусмотренный для этой цели электрод - заземлитель. Вблизи заземлителя или места непосредственного контакта оборванного провода с землёй образуется электрическое поле.

Электрический потенциал j_i любой точки этого поля в зависимости от расстояния до заземлителя изменяется по гиперболическому закону (рис. 2). Человек, находящийся в поле растекания электрического тока, оказывается под напряжением шага U_ш, если его ноги находятся в точках с разными потенциалами j ₁ и j ₂.

Напряжение шага увеличивается по мере приближения человека к месту контакта электрода с землёй: U_{ш 1} > U_{ш 2} (рис. 1).

Потенциалы в точках, удалённых от заземлителя на расстоянии 20 м и более, принимают равными нулю.

Рис. 2. Схема растекания тока по поверхности земли от одиночного

заземлителя: U_{з max} – напряжение в точке залегания заземлителя;

I_з, – сила тока, проходящего через заземлитель; R_з – сопротивление заземлителя

Прикосновение человека к корпусу незаземлённого оборудования, случайно оказавшегося под напряжением, равносильно прикосновению его к фазе.

В случае замыкания на корпус заземлённого электрооборудования оно окажется под напряжением

U_З = I_З · R_З,

где I_З - сила тока короткого замыкания; R_З - сопротивление заземлённого оборудования.

Человек, касаясь такого оборудования, окажется под воздействием только части полного напряжения, под которым относительно земли находится электрооборудование (рис. 3). Это напряжение называется напряжением прикосновения:

U_пр = k · I_З · R_З,

где k - коэффициент напряжения прикосновения, который изменяется от нулевого значения в точке над заземлителем до единицы в точке на границе нулевого потенциала (удалённой от заземлителя на расстоянии 20 м).

Если человек стоит над заземлителем (k = 0), то напряжение прикосновения U_пр и ток равны нулю. Если человек находится вне поля растекания, то он попадает под напряжение прикосновения, равное напряжению заземлителя относительно земли j_з.

Рис. 3. Напряжение прикосновения к заземлённым нетоковедущим частям

оборудования, оказавшимся под напряжением: 1– потенциальная кривая,

характеризующая изменение потенциала земли вокруг заземлителя; 2 – кривая,

характеризующая изменение напряжения прикосновения U_пр при изменении

расстояния от заземлителя

Сопротивление защитного заземляющего устройства в несколько сотен раз меньше сопротивления тела человека. Поэтому сила тока, проходящего через человека, в соответствии с законом Кирхгофа будет во столько же раз меньше силы тока короткого замыкания, а значение её будет безопасным для жизни человека.

Защитное заземление представляет собой преднамеренное электрическое соединение с землей или её эквивалентом металлических нетоковедущих частей оборудования, которые могут оказаться под напряжением.

Защитное заземление применяется в трехфазных трёхпроводных сетях напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью, а в сетях с напряжением свыше 1000 В с изолированной и заземленной нейтралью (рис. 4). Защитное заземление может быть эффективным только в том случае, если сила тока замыкания на землю не увеличивается по мере уменьшения сопротивления заземления. Это возможно в сетях с изолированной нейтралью, где при глухом замыкании на землю или на заземлённый корпус сила тока практически не зависит от сопротивления заземления.

Прикосновение человека к корпусу незаземлённого оборудования, случайно оказавшегося под напряжением, равносильно прикосновению его к фазе.

Рис. 4. Принципиальная схема защитного заземления:

а - в сети с изолированной нейтралью; б - в сети с заземлённой нейтралью.

Устройство заземления выполняется в соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ), ГОСТ 12.1.030-81, ГОСТ Р МЭК 61140-2000.

Заземление следует выполнять:

· при напряжениях переменного тока 380 В и выше и постоянного тока 440 В и выше во всех электроустановках;

· при напряжениях переменного тока выше 42 В и постоянного тока выше 110 В только в электроустановках, размещённых в помещениях с повышенной опасностью и особо опасных, а также в наружных электроустановках;

· при любом напряжении переменного и постоянного тока во взрывоопасных электроустановках.

При устройстве защитного заземления могут быть использованы как естественные, так и искусственные заземлители. Причём если естественные заземлители имеют сопротивление растеканию тока, удовлетворяющее требованиям ПУЭ, то устройство искусственных заземлителей не требуется.

В качестве естественных заземлителей могут быть использованы:

· проложенные в земле водопроводные и металлические трубопроводы, за исключением трубопроводов, транспортирующих горючие и легковоспламеняющиеся жидкости, горючие и взрывчатые газы и смеси;

· обсадные трубы, металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящиеся в непосредственном соприкосновении с землей;

· свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле и т. д.

В качестве искусственных заземлителей чаще всего применяют угловую сталь сечением 60´60 мм, стальные трубы диаметром 35 – 60 мм и стальные шины сечением не менее 100 мм².

Стержни и трубы длиной 2,5…3 м погружаются (забиваются) в грунт вертикально в специально подготовленной траншее (рис. 5).

Вертикальные заземлители, устанавливаемые в грунте, соединяются определенным образом стальной полосой, которая приваривается к каждому заземлителю. Расположение заземлителей показано на рис. 6.

Рис. 5. Установка вертикального Рис. 6. Схема расположения

заземлителя в траншее заземлителей

Стальные заземлители должны иметь определённые минимальные размеры (прил. 1).

По расположению заземлителей относительно заземляемого оборудования системы защитного заземления подразделяются на выносные и контурные. Схема выносного заземления оборудования представлена на рис. 7.

Рис. 7. Схема выносного заземления:

1 – заземляемое оборудование; 2 – заземлители

При выносной системе заземления заземлители располагаются на некотором удалении от заземляемого оборудования. Поэтому заземлённое оборудование находится вне поля растекания тока и человек, касаясь его, оказывается под полным напряжением относительно земли U_пр = U₃. Выносное заземление защищает человека только лишь при малом сопротивлении грунта.

Контурное заземление показано на рис. 8. Заземлители располагаются по контуру заземляемого оборудования на небольшом (несколько метров) расстоянии друг от друга. В данном случае поля растекания тока заземлителей накладываются друг на друга, и любая точка поверхности земли внутри контура имеет значительный потенциал. При этом напряжение прикосновения будет меньше, чем при выносном заземлении

U_пр = U_З – j_осн,

где j_осн - потенциал земли.

Рис. 8. Схема контурного заземления