Исследование эффективности действия защитного заземления в электроустановках напряжением до 1000 В

Территория открытых электроустановок в отношении опасности поражения людей электрическим током приравнивается к особо опасным помещениям.

Остальные помещения относятся  к помещениям без повышенной опасности.

Защитному заземлению подлежат корпуса  электрических машин, трансформаторов, светильников и т.п.; приводы электрических аппаратов; каркасы распределительных щитов, щитов управления, щитков, шкафов и т.п.; металлические конструкции распределительных устройств, кабельные конструкции, кабельные муфты, рукава и трубы электропроводок, лотки, короба, металлические конструкции, на которых устанавливается электрооборудование; металлические оболочки и броня контрольных и силовых кабелей; металлические корпуса передвижных и переносных электроприемников; электрооборудование, установленное на движущихся частях, станков, машин и механизмов и т.п.

 

4.2.3. Растекание электрического тока в земле

 

При замыкании одной из фаз электроустановки на заземленный корпус электрооборудования ток замыкания растекается в земле с элементов заземляющего устройства. При этом возникает опасность поражения человека током, так как между корпусом оборудования и землей, а также между отдельными точками грунта, где могут находиться люди, возникают напряжения. Чтобы определить степень опасности поражения людей электрическим током при замыкании на землю, т.е. величину тока, проходящего через человека, находящегося вблизи места замыкания на землю или касающегося заземленного корпуса электрооборудования, рассмотрим закон распределения потенциалов на поверхности земли при растекании в ней тока замыкания.

Форма заземлителя может быть очень  сложной. Состав, а следовательно, электрические  свойства земли, как правило, неоднороден, особенно если учесть слоистое строение земли. Поэтому закон распределения потенциалов в электрическом поле заземлителя описывается сложной зависимостью.

Чтобы упростить картину электрического поля и его анализ, сделаем следующие допущения: заземлитель имеет форму полусферы и расположен у поверхности земли; земля однородная и изотропная; удельное сопротивление земли во много раз больше удельного сопротивления материала заземлителя (металла).

Если другой электрод находится  достаточно далеко, то линии тока вблизи исследуемого заземлителя направлены по радиусам от его центра. При этом линии тока перпендикулярны как к поверхности самого заземлителя, так и к любой полусфере в земле, концентричной с ним (рис.4.2).

Стекающий с заземлителя ток  создает в грунте с удельным электрическим сопротивлением ρ электрическое поле напряженностью E. Величину этой напряженности можно определить на основании закона Ома:

      (4.1)

где j - плотность электрического тока в зоне растекания в земле.

 

Рис. 4.2. Растекание тока замыкания на землю

через полусферический заземлитель

 

Поскольку земля однородна и  изотропна, ток распределяется по поверхности концентрических полусфер равномерно. Поэтому плотность тока в любой точке, находящейся на расстоянии х от заземлителя, определяется как отношение тока замыкания на землю I_з к площади поверхности полушара радиусом x

.  (4.2)

Эта поверхность является эквипотенциальной поверхностью. Для определения потенциала точки А, лежащей на поверхности радиусом х_А выделим элементарный слой толщиной dx. Падение напряжения в этом слое определится из выражения

.     (4.3)

Потенциал произвольно  выбранной точки А φ_Α, т.е. ее напряжение относительно бесконечно удаленной точки, обладающей нулевым потенциалом, U_A найдется из выражения

.    (4.4)

Подставив в выражение (4.4) соответствующие значения из выражений (4.1), (4.2) и (4.3) получим

.   (4.5)

Это и есть искомый  потенциал точки А.

Если приравнять

выражение (4.5) принимает  вид 

.

Таким образом, имеется гиперболическая зависимость потенциала точки от расстояния (рис. 4.2)

Такое распределение потенциалов  объясняется формой проводника –  земли, поперечное сечение которого возрастает пропорционально квадрату расстояния от центра заземлителя.

Точки, лежащие на поверхности земли, имеют тем меньший потенциал, чем дальше они находятся от заземлителя и в пределе потенциал удаленных точек грунта стремится к нулю. Часть земли, находящаяся вне зоны влияния какого-либо заземлителя, электрический потенциал которой принимается равным нулю, называется зоной нулевого потенциала или относительной землей. Плотность тока в относительной земле также может быть принята равной нулю.

Принято считать, что  относительная земля в зависимости  от свойств грунта начинается с расстояния 10-20 м от заземлителя, так как на этом расстоянии и далее потенциал грунта не превышает нескольких процентов от потенциала заземлителя.

Таким образом, при полушаровом  заземлителе потенциал точек  на поверхности земли изменяется по гиперболе. Если пренебречь точками, расположенными в непосредственной близости от заземлителя, полученная зависимость может быть с некоторым приближением использована для изучения поля растекания и при других заземлителях (стержень,  уголок или труба).

Во всех случаях максимальный потенциал будет иметь сам заземлитель.   На поверхности заземлителя, где расстояние от центра равно r_з, потенциал φ_з  или напряжение заземлителя U_з  относительно земли

,    (4.6)

здесь R_з  - сопротивление растеканию тока. Сопротивление растеканию тока имеет три слагаемых: сопротивление самого заземлителя, переходное сопротивление между заземлителем и грунтом и сопротивление грунта.

Если какая-либо точка  электрической цепи оказывается  в контакте с заземлителем, вследствие чего через заземлитель протекает ток I_з, потенциал заземлителя φ_з сообщается и данной точке. Это обстоятельство, благодаря которому в результате контакта с заземлителем любая точка электрической цепи может снизить свой потенциал (напряжение относительно земли) до величины I_з · R_з, используется для целей безопасности. Мера защиты такого рода называется защитным заземлением.

 

4.2.4. Определение величины тока замыкания на землю

 

Замыканием на землю  называется случайный электрический  контакт между токоведущими частями, находящимися под напряжением, и землей.

Током замыкания на землю  называется ток, проходящий в землю  через место замыкания.

Величина тока замыкания  на землю в общем случае зависит  от режима нейтрали источника питания (изолированная или глухозаземленная нейтраль), мощности, протяженности и конструкции сети (воздушная или кабельная), состояния изоляции и емкости проводов и т.п.

Некоторые параметры  электрических сетей в процессе их эксплуатации изменяются. Поэтому  определить величину тока замыкания  на землю аналитическим путем довольно трудно. На практике обычно величину тока замыкания на землю определяют путем измерения с помощью амперметра, включенного в заземляющий проводник непосредственно через трансформатор тока (рис.4.3).

 

Рис. 4.3. Схема измерения

величины тока замыкания на землю

 

 

 4.2.5. Напряжение прикосновения и шага

 

Напряжение прикосновения  – напряжение между двумя проводящими  частями или между проводящей частью и землей при одновременном  прикосновении к ним человека.

Для человека, стоящего на земле и  касающегося заземленного корпуса, оказавшегося под напряжением (рис.4.4), напряжение прикосновения U_пр

,     (4.7)

где φ_р и φ_н  – соответственно величины потенциалов руки и ног.

Так как человек касается корпуса, то потенциал руки есть потенциал корпуса (напряжение его относительно земли)

.

На рисунке 4.4 показаны два корпуса электрооборудования (1 и 2), присоединенных к заземлителю R_з. Потенциалы всех корпусов одинаковы, так как корпуса электрически связаны между собой заземляющим проводником, сопротивление которого мало. Для упрощения анализа падением напряжения в заземляющих проводниках ввиду его малости будем пренебрегать и считать, что U_к = U_з, т.е. напряжение корпуса и заземлителя относительно земли равны между собой.

Как видно на рисунке 4.4, потенциалы ног человека зависят от его местоположения относительно заземлителя. По мере удаления от заземлителя потенциалы ног человека уменьшаются (φ₁ > φ₂).

Следовательно, по мере удаления от заземлителя напряжение прикосновения в соответствии с выражением (4.7) возрастает (U_пр2>U_пр1) и у корпуса потребителя, находящегося за пределами зоны растекания тока, оно равно напряжению корпуса относительно земли, потому что человек стоит на земле, где потенциал ног равен нулю.

В общем случае напряжение прикосновения может быть определено из выражения

U_пр = α₁α₂U_з ,     (4.8)

где α₁ – коэффициент напряжения прикосновения, учитывающий форму потенциальной кривой (зависимость от формы и конфигурации заземлителя и положения точки, в которой он определяется относительно заземлителя), α₁ = 0,1…0,75;

α₂ – коэффициент, учитывающий падение напряжения в дополнительных сопротивлениях цепи человека (сопротивление обуви и сопротивление опорной поверхности ног растеканию тока или сопротивление пола).

 

Рис. 4.4. Напряжение прикосновения

между проводящей частью (корпусом) и землей: I – кривая распределения потенциалов, II – кривая распределения напряжения прикосновения, 1,2 - корпусы электропотребителей

 

Напряжение шага –  напряжение между двумя точками  на поверхности земли, на расстоянии 1 м одна от другой, которое принимается  равным длине шага человека.

Человек, находящийся  в зоне растекания, оказывается под  напряжением шага U_ш, если его ноги находятся в точках А и В с разными потенциалами (рис. 4.5):

U_ш = φ_А - φ_В .     (4.9)

Как видно из рисунка 4.5, по мере удаления от заземлителя величина напряжения шага уменьшается (U_ш1 > U_ш2). Человек, находящийся вне зоны растекания тока замыкания на землю, вообще не попадает под напряжение шага, так как потенциалы обеих ног человека равны нулю.

 

 

Рисунок 4.5. Напряжение шага

 

В общем случае напряжение шага так же, как и напряжение прикосновения, может быть выражено через напряжение заземлителя:

U_ш = β₁β₂U_з,     (4.10)

где β₁ – коэффициент напряжения шага, учитывающий форму потенциальной кривой, β₁ = 0,10…0,15;

β₂ – коэффициент, учитывающий падение напряжения в дополнительных сопротивлениях цепи человека (сопротивление обуви и сопротивление пола).

 

4.2.6. Нормирование параметров защитного заземления

 

Электробезопасность будет достигнута, если напряжение, под которым человек  может оказаться, прикасаясь к заземленным открытым проводящим частям (напряжение прикосновения) или только стоя на земле, не прикасаясь к открытым проводящим частям (шаговое напряжение), не будет превышать допустимых значений напряжений.

В соответствии с выражениями (4.6), (4.8) и (4.10) можно нормировать значения α₁, α₂, β₁, β₂, I_з и R_з. Значения α₁, α₂, β₁ и β₂ зависят от многих, порой трудно учитываемых, факторов. Поэтому в соответствии с ПУЭ нормируются значения R_з с учетом токов замыкания на землю I_з, рабочего напряжения установок U  и мощности источников тока.

Сопротивление заземляющего устройства защитного заземления в системе TN, к которому присоединены нейтрали генератора или трансформатора или выводы источника однофазного тока, в любое время года должны быть не более 2, 4 и 8 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока или 380, 220 и 127 В источника однофазного тока.

Сопротивление R заземляющего устройства, используемого для защитного заземления открытых проводящих частей   в системе IT должно удовлетворять условию:

,     (4.11)

где R – сопротивление заземляющего устройства, Ом;

U_пр  – напряжение прикосновения, значение которого принимается равным 50 В в помещениях без повышенной опасности и 25 В в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных электроустановках для переменного тока;

I_з  – полный ток замыкания на землю, А.

Как правило, не требуется принимать  значение R < 4 Ом. Допускается R до 10 Ом, если соблюдено выше приведенное условие, а мощность генераторов или трансформаторов не превышает 100 кВ·А, в том числе суммарная мощность генераторов и трансформаторов, работающих параллельно.

Сопротивление заземляющего устройства защитного заземления в системе ТТ должно соответствовать условию:

R_а×I_а ≤ 50 В,     (4.12)

где R_а –  суммарное сопротивление заземлителя и заземляющего проводника, Ом;

I_a – ток срабатывания защитного устройства, А.