Замыкание на землю: что это такое, определение, в чем опасность
Замыкание на землю (earth fault) — это возникновение случайного проводящего пути между частью, находящейся под напряжением, и Землёй или открытой проводящей частью, или сторонней проводящей частью, или защитным проводником (согласно ГОСТ 30331.1-2013 [1]).
Харечко Ю.В. в своем словаре электрика [2] на основании детального анализа нормативной документации более детально поясняет суть термина «замыкание на землю»:
« В международной и национальной нормативной документации под повреждением (замыканием) на землю понимают возникновение случайного проводящего пути между какой-то проводящей частью, находящейся под напряжением, и землей. Это происходит, например, при падении фазного провода ВЛ на землю из-за его обрыва. Однако в условиях единичного повреждения изоляции какой-то токоведущей части электроустановки здания наиболее вероятно появление электрического соединения между указанной токоведущей частью и открытой проводящей частью электрооборудования класса I, защитным проводником или сторонней проводящей частью здания. Соединение этой токоведущей части непосредственно с землей практически невозможно. Поэтому в национальной нормативной документации, распространяющейся на электроустановки зданий, под замыканием на землю целесообразно понимать электрическое соединение токоведущей части и с открытой проводящей частью (наиболее вероятное событие), и с защитным проводником, и со сторонней проводящей частью, и с землей (наименее вероятное событие). »
[2]
Для электроустановок зданий, которые соответствуют типам заземления системы TT и IT, Харечко Ю.В. детализирует [3]:
« Действительно, в электроустановках зданий, соответствующих типам заземления системы TT и IT, при замыкании токоведущей части на открытую проводящую часть электрооборудования класса I ток замыкания на землю протекает в локальную землю через защитный проводник и заземляющее устройство электроустановки здания. То есть в таких электроустановках зданий замыкание токоведущей части на землю происходит через промежуточные проводящие части. »
[2]
Для электроустановок зданий, соответствующих типам заземления системы TN-C, TN-S и TN-C-S Харечко Ю.В. также дает пояснения [3]:
« В электроустановках зданий, соответствующих типам заземления системы TN-C, TN-S и TN-C-S, при замыкании токоведущей части на открытую проводящую часть электрооборудования класса I не происходит «классического» замыкания на землю. В таких электроустановках зданий ток замыкания на землю из токоведущей части по защитным проводникам протекает к заземленной токоведущей части источника питания. Только малая доля этого тока через заземляющее устройство электроустановки здания протекает в локальную землю. Однако с целью унификации понятий для одинаковых повреждений логично назвать замыканием на землю рассмотренные замыкания токоведущих частей на открытые проводящие части и в системах TT и IT, и в системах TN-C, TN-S и TN-C-S. »
[2]
В чем опасность замыкания на землю?
Харечко Ю.В. дополняет [3]:
« В результате замыкания на землю из токоведущей части в землю, а также на проводящие части, соединенные защитными проводниками с заземляющим устройством электроустановки здания или с заземленной токоведущей частью источника питания, протекает ток замыкания на землю. Подобный аварийный режим электроустановки здания опасен для человека и животных тем, что они могут быть поражены электрическим током. Поэтому в электроустановках зданий устанавливают защитные устройства, обнаруживающие ток замыкания на землю и отключающие аварийные части электроустановки здания или всю электроустановку здания при появлении замыкания на землю. »
[2]
Путь протекания тока замыкания на землю IЗ в системе TT (на основе рисунка 1 авторов Ю.В. Харечко и В.Н. Харечко из журнала [4])
Понятие и расчет тока замыкания на землю
Такое явление, как растекание тока при замыкании на землю одного из фазных проводников, возникает вследствие его случайного соприкосновения с грунтом. К этому же типу внештатных ситуаций следует отнести и снижение изоляционных характеристик защитной оболочки кабеля, проложенного в земле.
Явление растекания
В 3-х фазной питающей сети, работающей по схеме с так называемой «изолированной» нейтралью, о замыкании фазы на землю можно судить по показаниям подключённого к ней индикаторного прибора (вольтметра). Для организации таких измерений его контрольные щупы подсоединяются к контактам вторичной обмотки измерительного трансформатора типа НТМИ, способного выдерживать длительные перенапряжения.
При непосредственном или прямом замыкании проводника на землю обмотка измерительного трансформатора накоротко замкнута, а показания соответствующего ей вольтметра будут нулевыми.
Одновременно с этим суммарный магнитный поток (индукция) в двух других обмотках НТМИ увеличится в √3 раз, а соответствующими вольтметрами вместо фазного измеряется линейное напряжение.
В случае практического измерения емкостного тока замыкания на землю используют метод «подбора». Его суть заключается в умышленных смещениях нейтрали (подача переменного напряжения в нейтраль) и измерении возникающих при этом токах.
Метод применяется только в сухую погоду к сетям не более 10 кВ. Проводить замеры тока замыкания на землю могут те работники, которые получили допуск.
Расчетный ток замыкания на землю определяется как геометрическая сумма его емкостных составляющих во всех рабочих жилах согласно следующей формуле:
С ростом протяжённости сети её емкость, естественно, возрастает и, согласно формуле, увеличивается аварийный ток утечки. Одновременно с этим в соответствии с требованиями ПУЭ величина тока в цепи не должна превышать следующих значений:
Для выполнения указанного требования в 3-х фазных питающих цепях должна быть принудительно организована компенсация емкостного тока замыкания на землю.
Последствия замыкания
Растекание тока в сетях с изолированной нейтралью возможно лишь через провод, находящийся в прямом контакте с грунтом. Самый близкий пример такой ситуации – искусственный заземлитель.
Стекание тока
Аварийное замыкание фазы на грунт приводит к тому же эффекту, в результате которого происходит резкое уменьшение потенциала проводника относительно земли.
В указанной ситуации такой провод формально превращается в одиночный заземлитель.
Напряжение в точке контакта понижается до значения, соответствующего произведению протекающего через неё тока на величину сопротивления почвы его растеканию.
Это явление очень полезно с точки зрения уменьшения опасности при случайном повреждении линии. Одновременно с этим понижение потенциала фазы приводит к ряду нежелательных последствий.
Одно из негативных последствий – эффект распределения потенциала по поверхности земли вблизи от зоны контакта. Вследствие этого в точках, по-разному удалённых от заземляющей конструкции, появляются различные по величине потенциалы, образующие перепады напряжения, опасные для попавших в эту зону людей.
Это обстоятельство послужило причиной введения такого показателя, как «напряжение шага», определяемого разностью потенциалов между его ступнями при передвижении в границах опасной зоны.
В связи с тем, что снижение потенциала по мере удаления от точки контакта происходит по экспоненте – максимальное напряжение шага наблюдается вблизи от неё. Минимум этой величины проявляется на участках, достаточно удаленных от эпицентра аварии.
Характер распределения тока замыкания на землю, величина сопротивления растеканию и распределение потенциалов на опасном участке – все эти показатели зависят от геометрических параметров образовавшегося соединения. Существенное влияние на них оказывает и состояние грунта в момент аварии (повышенная влажность, сухость или другие факторы).
Возникновение дуги
Ещё одним последствием замыкания фазного проводника на землю является образование электрической дуги, в процессе горения которой выделяется большое количество тепла и наблюдается ионизация воздуха. Это создаёт условия, способствующие появлению в линейных межфазных цепях короткого замыкания.
Прерывистый характер дуги, образующейся при замыкании на землю, приводит к появлению значительных перенапряжений величиной до 3,2 Uф.. С целью снижения амплитуды ёмкостных токов, увеличения времени восстановления напряжения на аварийной фазе, а также ограничения перенапряжений при последующих зажиганиях дуги в цепях устанавливается специальный дугогасящий реактор.
Компенсационные меры защиты
В соответствии с положениями ПУЭ в нормальных условиях работы сети должны предприниматься специальные меры защиты от возможного пробоя на землю.
Для ограничения емкостных токов в нейтраль трансформатора вводится специальный дугогасящий реактор (смотрите рисунок 1, б). С его помощью удаётся снизить (компенсировать) ток однофазного замыкания на землю, возникающий сразу после аварии.
Практически установлено, что при наличии компенсатора воздушные и кабельные линии могут работать в критическом аварийном режиме довольно продолжительное время и вот почему.
Как только протекающий в реакторе индуктивный ток Ip сравнивается по своей величине с противофазной емкостной составляющей Ic – наблюдается эффект компенсации, при котором Iр + Iс = 0 (явление резонанса токов).
Реакторы с индуктивным импедансом достаточно просто настраиваются на работу с переменным значением компенсационного потока и могут эксплуатироваться в режимах недо- и перекомпенсации.
Использование дугогасящего реактора оказывает определённое влияние на распределение потенциалов в линейных проводах и в нейтрали. В последней появляется напряжение смещения Ucм , вызванное асимметрией в цепи и приложенное к выводам реактора.
В резонансном режиме такое рассогласование приводит к искажению нормальной картины распределения потенциалов даже в отсутствии однофазного замыкания (ОЗЗ).
Искусственное предупреждение резонансных явлений может быть достигнуто путём преднамеренного рассогласования соответствующих цепей, в результате чего удаётся снизить Ucм и выровнять показания контрольных приборов.
Дополнительное замечание. Варьировать величину компенсационных токов допускается в пределах, при которых образовавшееся в случае аварии рассогласование не приводило бы к появлению Ucм более чем 0,7 Uф.
Порядок расчёта параметров однофазного замыкания
Расчет емкостного тока замыкания предлагаем рассмотреть на примере типовых электрических подстанций с действующим напряжением 10 киловольт.
Для повышения точности проводимых при этом выкладок советуем воспользоваться методом, при котором за основу берётся показатель удельного ёмкостного тока. (С его рабочими значениями можно будет ознакомиться в одной из таблиц, приведённых в приложении). Формула, в соответствии с которой рассчитывается этот показатель, выглядит следующим образом:
Uф – эта фазное напряжение 3-х фидерной электросети, киловольты,
Со – величины ёмкости каждой отдельной фазы по отношению к земле (микрофарады/километры).
Сразу же вслед за этим можно будет приступать к определению величины ёмкостной составляющей тока в самой фидерной линии:
По завершении основного расчёта переходим к определению параметров срабатывания защиты от перенапряжений (компенсационных токов).
При их проведении следует исходить из показателя емкостного тока защиты, определяемого по формуле:
где:
Кн – показатель надежности работы защиты (обычно он принимается равным 1,2),
Кбр – показатель так называемого «броска», учитывающий скачок тока в момент возникновения однофазного замыкания на землю (ОЗЗ),
Ic фидера макс. – емкостный ток подлежащего защите фидера.
Соблюдение неравенства, обозначенного в приведённой выше формуле, позволяет обеспечить условия, при которых даже при возникновении однофазного замыкания на землю защита не будет срабатывать.
Для реле ЭМ типа рекомендуемый показатель надёжности срабатывания защиты, как правило, выбирается равным 2 или 3 единицам. При этом в защитной схеме не предусматривается специальная временная задержка. При установке в этих цепях цифровых реле рабочее значение показателя Кбр = 1-1,5.
В заключение отметим, что для различных промышленных устройств фидерной защиты указанные параметры могут иметь значения, несколько отличающиеся от тех, что приведены в расчётах.
Заземление и зануление. Принцип действия, защитные меры.
Замыканием на землю называется случайное электрическое соединение находящихся под напряжением частей электроустановки с конструктивными частями, не изолированными от земли, или с землей непосредственно.
Замыканием на корпус называется замыкание, возникшее в электрических машинах, аппаратах, приборах, сетях на конструктивные части электроустановки, обычно не находящиеся под напряжением.
Заземлением называется преднамеренное металлическое соединение с заземляющим устройством частей электроустановок.
Защитным заземлением называется заземление частей электроустановок, обычно не находящихся под напряжением, для защиты людей от поражения электрическим током.
Рабочим заземлением называется заземление какой-либо точки токоведущих частей электроустановки, необходимое для обеспечения ее работы.
Занулением в электроустановках напряжением до 1000 В называется преднамеренное металлическое соединение частей электроустановки, могущих оказаться под напряжением при замыкании на корпус, с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора — в сетях трехфазного тока, с глухозаземленным выводом источника тока — в сетях однофазного тока, а также с глухозаземленной средней точкой трехпроводных сетей постоянного тока.
Защитным отключением называется защитная мера, применяемая в сетях напряжением до 1000 В, обеспечивающая автоматическое отключение всех фаз или полюсов аварийного участка сети и безопасное для человека тока и времени срабатывания (имеются в виду токи, протекающие через тело человека, и время с момента прикосновения к поврежденному элементу установки до отключения аварийного участка сети).
Защитным отключением в функции тока называется система защитного отключения, реагирующая на токи утечки через изоляцию установки или тело человека.
Защитным отключением в функции напряжения называется система
защитного отключения, реагирующая на напряжение корпуса электроприемника относительно земли при замыкании на корпус.
Заземлителем называется проводник (электрод) или совокупность металлически соединенных между собой проводников (электродов), находящихся в непосредственном соприкосновении с землей. Заземляющие проводники, лежащие в земле и не изолированные от нее, рассматриваются как часть заземлителя.
Естественными заземлителями называются находящиеся в соприкосновении с землей электропроводящие части коммуникаций и сооружений производственного или иного назначения.
Заземляющим проводником называется проводник, соединяющий заземленные части установки с заземлителем.
Заземляющим устройством называется совокупность заземлителя и заземляющих проводников.
Нулевым защитным проводником (PE) в электроустановках до 1000 В называется проводник, соединяющий корпус электрооборудования с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора — в сетях переменного тока, или с глухозаземленной средней точкой — в трехпроводных сетях постоянного тока.
Нулевым рабочим проводником (N) в электроустановках до 1000 В называется проводник, соединенный с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора — в сетях переменного тока, или с глухозаземленной средней точкой — в трехпроводных сетях постоянного тока, используемый для питания электроприемников.
Совмещенным нулевым защитным и нулевым рабочим проводником (PEN) в электроустановках до 1000 В называется проводник, сочетающий функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников.
Защитный проводник — проводник, предназначенный для выполнения защитных функций.
Зоной растекания называется зона, в пределах которой может возникнуть заметный электрический потенциал, вызываемый растекающим током.
Зоной нулевого потенциала называется зона земли за пределами зоны растекания.
Напряжением на заземлителе называется разность потенциалов между ним и зоной нулевого потенциала при стекании с заземлителя тока в землю.
Напряжением относительно земли при замыкании на корпус называется разность потенциалов между этим корпусом и зоной нулевого потенциала.
Сопротивлением растеканию заземлителя называется отношение напряжения на заземлителе к току, стекающему с него в землю.
Сопротивлением заземляющего устройства называется сопротивление, слагающееся из сопротивления растеканию заземлителя и сопротивления сети заземляющих проводников.
Током замыкания на землю называется ток, стекающий в землю через место замыкания.
Напряжением прикосновения называется напряжение, обусловленное током замыкания на землю, между двумя точками при одновременном прикосновении к ним человека.
Напряжением шага называется напряжение, обусловленное током замыкания на землю, между двумя точками земли или пола в зоне растекания при одновременном касании их ногами.
Электроустановки в отношении мер безопасности разделяются на:
· электроустановки напряжением выше 1000 В с глухозаземленной нейтралью (с большими токами замыкания на землю);
· электроустановки напряжением выше 1000 В с изолированной нейтралью (с малыми токами замыкания на землю);
· электроустановки напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью;
· электроустановки напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью.
Глухозаземленной нейтралью называется нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная к заземляющему устройству непосредственно.
Изолированной нейтралью называется нейтраль трансформатора или генератора, не присоединенная к заземляющему устройству или присоединенная через аппараты, компенсирующие емкостной ток в сети, трансформаторы напряжения или другие аппараты, имеющие большое сопротивление.
Рабочей изоляцией называется изоляция токоведущих частей электроустановки, необходимая для нормальной ее работы, а также для защиты от случайного прикосновения к частям, находящимся под напряжением.
Защитной (дополнительной) изоляцией называется независимая изоляция, предусмотренная в дополнение к рабочей.
Двойной изоляцией электроприемника называется совокупность рабочей и защитной (дополнительной) изоляции, при которой доступная прикосновению часть электроприемника не приобретает опасного потенциала при повреждении рабочей или защитной изоляции.
Малым напряжением называется напряжение не более 42 В, принимаемое для электрических установок в необходимых случаях для обеспечения электробезопасности.
Разделительным трансформатором называется трансформатор, в котором принят ряд конструктивных мер, обеспечивающих:
· невозможность пробоя с обмотки высшего напряжения без одновременного замыкания на землю в точке пробоя высшего напряжения (заземленный экран между обмотками и т.п.);
· повышенную надежность трансформатора путем применения усиленной изоляции обмоток, меньших удельных нагрузок и т.п.
2. Защитные меры
Для защиты людей от поражения электрическим током применяют одну или несколько из следующих защитных мер:
Область предпочтительного применения каждого вида защиты в электроустановках напряжением до 1000 В указаны в табл. 2.1.
Таблица 2.1. Выбор защитных мер
Характер помещений и производств
Рекомендуемые защитные меры
Глухое заземление нейтрали 1
Заземление нейтрали через пробивной предохранитель
Защитное заземление корпуса электрооборудования
Зануление корпуса электрооборудования 2
Защитное отключение в функции тока
Защитное отключение в функции напряжения
Помещения с сухими, изолирующими полами и стенами (жилые и общественные здания)
Нормальные производственные помещения (помещения с повышенной опасностью); кухни и санузлы жилых помещений и общественных зданий
Особо опасные помещения (подземные выработки)
Химические производства с мокрым технологическим процессом (гальваника, красильни)
Если допустимо по технологии
Если допустимо по технологии
1. В четырехпроводных сетях переменного тока и трехпроводных сетях постоянного тока обязательно глухое заземление нейтрали или средней точки.
2. В электроустановках напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора переменного тока или с глухозаземленной средней точкой в установках постоянного тока должно быть выполнено зануление заземленных корпусов электрооборудования. Применение в таких установках заземления корпусов электрооборудования без их зануления запрещается.
3. Защитное заземление и зануление
3.1. Заземление
Рабочее заземление. Рабочее заземление применяется для ограничения величины потенциала токоведущих частей установки относительно земли и для обеспечения правильного действия защиты в электросистеме. В сетях напряжением до 1000 В, питаемых через трансформаторы от сетей напряжением более 1000 В, нейтраль или одна из фаз обмотки НН должна быть присоединена к заземлителю наглухо. При пробое между обмотками высшего и низшего напряжения заземление нейтрали или фазы ограничивает потенциал относительно земли сети низшего напряжения. В этих установках заземление нейтрали или фазы частично выполняет защитные функции.
Защитное заземление. В условиях промышленных предприятий напряжение прикосновения может возникнуть не только между корпусом поврежденного электроприемника и землей, но и между корпусами электроприемников, между корпусом электроприемника и металлическими конструкциями здания, между станиной станка и металлическими трубопроводами и т.п. Сеть заземления в цехе промышленного предприятия должна электрически связывать между собой металлические части электрооборудования, которые могут оказаться под напряжением при пробое изоляции, и присоединить их к металлическим частям технологического оборудования и здания с целью уравнять потенциалы тех и других, если при порче изоляции какого-либо электроприемника такие разности потенциалов появятся. Поскольку в цех всегда может быть заведен также и нулевой потенциал земли, металлические части электрооборудования, могущие при пробое изоляции оказаться под напряжением, металлические части технологического оборудования и здания должны быть также заземлены, т.е. присоединены к заземлителю.
Защитное заземление не требуется в установках при номинальных напряжениях 42 В переменного тока и 110 В постоянного тока и менее.
К частям, подлежащим заземлению в тех случаях, когда оно требуется, относятся:
· корпуса электрических машин, трансформаторов, аппаратов, светильников и т.п.;
· приводы электрических аппаратов;
· вторичные обмотки измерительных трансформаторов;
· каркасы распределительных щитов, щитов управления, щитков и шкафов;
· металлические конструкции распределительных устройств;
· металлические кабельные конструкции;
· металлические корпуса кабельных муфт;
· оболочки и броня контрольных и силовых кабелей;
· металлические оболочки проводов, а также металлические трубы электропроводки, лотки, короба, тросы и металлические полосы, на которых укреплены кабели и провода (кроме тросов и полос, по которым проложены кабели с заземленными или занулеными оболочками);
· другие металлические конструкции, связанные с установкой электрооборудования, и металлические корпуса передвижных и переносных электроприемников.
Металлические оболочки и броня кабелей должны быть заземлены или занулены в начале и конце трассы. Должны быть заземлены или занулены также и металлические оболочки и броня кабелей и проводов напряжением 42 В переменного и 110 В постоянного тока и менее, если они проложены на общих металлических конструкциях, в том числе в трубах, коробах, лотках и т.п., вместе с кабелями и проводами, металлические оболочки и броня которых подлежат заземлению или занулению.
Оборудование, установленное на заземленных металлических конструкциях, в том числе съемные или открывающиеся части на металлических заземленных каркасах и камерах распределительных устройств, ограждений, шкафов (например, двери и т.п.), может не заземляться (зануляться) отдельным проводником, если на опорных поверхностях предусмотрены незакрашенные и зачищенные места, достаточные для обеспечения электрического контакта.
Допускается при заземлении отдельных электродвигателей, аппаратов и т.п. на станках непосредственно не заземлять металлические станины станков при условии обеспечения надежного контакта между корпусами электрооборудования и станиной.
Заземлению не подлежат:
· арматура подвесных и штыри опорных изоляторов, кронштейны и осветительная арматура при установке их на деревянных опорах линий электропередачи и на деревянных конструкциях открытых подстанций, если это не требуется по условиям защиты от атмосферных перенапряжений;
· корпуса электроизмерительных приборов, реле и т.п., установленных на щитах, щитках, шкафах, а также на стенах камер распределительных устройств;
· электроприемники с двойной изоляцией;
· рельсовые пути, выходящие за территорию электростанций, подстанций, распределительных устройств и промпредприятий.
Для защиты электроустановок различных назначений и различных напряжений, территориально приближенных друг к другу, рекомендуется применять одно общее заземляющее устройство.
Согласно ПУЭ сопротивление заземляющего устройства, к которому присоединены нейтрали генераторов или трансформаторов или выводы источника постоянного 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.
3.2. Принцип действия защитного заземления
Корпус электродвигателя или трансформатора, арматура электрического светильника или трубы электропроводки нормально не находятся под напряжением относительно земли благодаря изоляции от токоведущих частей. Однако в случае повреждения изоляции любая из этих металлических частей может оказаться под напряжением, нередко равным фазному. Электродвигатель с пробитой на корпус изоляцией часто электрически соединен с машиной, которую он приводит в движение, — например, установлен на станке. Таким образом, рабочий, взявшись за рукоятки управления станком, может нечаянно попасть под напряжение. Чтобы уменьшить опасность поражения людей при повреждениях изоляции токоведущих частей, применяют ряд мер, среди которых наиболее распространено защитное заземление металлических частей электроустановок, обычно не находящихся под напряжением, и их зануление.
Защитное заземление состоит в том, что заземляемые металлические части соединяют электрическим проводником с заземлителем, то есть 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, прикоснувшись 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, то есть нуль. Дело в том, что землю можно рассматривать как электрический проводник с некоторым сопротивлением электрическому току, с падением напряжения вдоль пути тока, то есть с различным потенциалом точек земли около заземлителя и на большом расстоянии от него, где потенциал действительно можно считать нулевым.
Если представить себе заземлитель полусферы (рис. 1), то ток в земле растекается во все стороны от этого заземлителя в радиальных направлениях. Сечение «земляного проводника» определяется поверхностью полусфер того или иного радиуса и по мере увеличения радиуса возрастает. Соответственно уменьшается сопротивление грунта растеканию тока. Как показывают опыты, падение напряжения на участке однородного грунта радиусом в 1 м от поверхности заземлителя составляет около 68% от всего напряжения на заземлителе, то есть от напряжения между заземлителем и точками нулевого потенциала, которые располагаются на расстоянии около 20 м от такого заземлителя. Приблизительно так же, как на рис. 1, выглядит эта кривая при другой конструкции сосредоточенного заземлителя.
На расстоянии более 20 м от одиночного сосредоточенного заземлителя падение напряжения в слоях земли от тока, растекающегося с заземлителя, уже практически не обнаруживается. Пространство вокруг заземлителя, где обнаруживается ток растекания, называется полем или зоной растекания. Сопротивление заземлителя относительно земли (то есть относительно точек грунта с нулевым потенциалом) включает в себя, кроме сопротивления растеканию тока в земле, также сопротивление току при прохождении по самим заземлителям и переходное сопротивление в электрическом контакте между металлическим заземлителем и ближайшими к нему слоями грунта.
Рис. 1 Растекание тока в земле от сосредоточенного заземлителя и кривая изменения потенциала на поверхности земли по мере удаления от заземлителя
Последние две составляющие очень малы по сравнению с первой, даже если заземлители стальные и покрыты слоем ржавчины (но не краски). Поэтому под сопротивлением заземлителя относительно земли часто понимают его сопротивление растеканию, однако, точнее, сопротивление заземлителя — это отношение напряжения на нем (его потенциал) к току, который через него протекает при повреждении изоляции одной из фаз:
Напряжение на заземленном корпусе электрооборудования Uк отличается от напряжения заземлителя Uзна величину падения напряжения в заземляющих проводниках, соединяющих корпус с заземлителем. Но можно считать Uз ≈ Uк.
Хотя за пределами поля растекания ток в земле практически не обнаруживается, не следует считать, что в этом месте его нет. Для наличия электрического тока необходим замкнутый контур. Ток с провода, где повреждена изоляция, протекает через заземлитель и землю на провода других фаз в сети с незаземленной нейтралью через активное сопротивление их изоляции и через емкостные сопротивления этих проводов относительно земли. В сети с заземленной нейтралью ток от места замыкания течет главным образом к этой нейтрали, но не только по пути с наименьшим индуктивным сопротивлением (непосредственно под проводами линии), а и по другим путям, немного напоминающие силовые линии поля. На силу тока, протекающего через защитное заземление, влияет сопротивление всех элементов цепи этого тока, в том числе сопротивление заземлителя нейтрали.
Если человек, находясь на земле в потенциальном поле заземлителя, прикоснется к заземленному корпусу оборудования с поврежденной изоляцией, он окажется под действием разности потенциалов между корпусом и точкой поверхности земли, на которой он стоит (рис. 1). Эту разность называют напряжением прикосновения Uпр. Оно в общем случае составляет лишь часть напряжения заземлителя или равного ему напряжения на корпусе Uкотносительно точек земли с нулевым потенциалом:
Iз — ток, стекающий с заземлителя;
Rз — сопротивление заземлителя;
α — коэффициент прикосновения (меньше единицы) который показывает, какую часть от напряжения на корпусе составляет напряжение прикосновения.
Величины α и Uпрзависят от расстояния между ногами человека и заземлителем (чем дальше, тем больше) и от крутизны кривой спада потенциала, которая может быть более пологой при сложной конструкции заземлителя (чем положе, тем лучше условия безопасности). 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. Часто под напряжением прикосновения понимают именно падение напряжения в теле человека между точками с разным потенциалом, которых он одновременно касается рукой и ногами или двумя руками.
Между ступнями человека, идущего в потенциальном поле заземлителя, действует разность потенциалов, называемая шаговым напряжением Uш. Как видно из рисунка, оно 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 ногами больше, отчего напряжение шага, действующее на них, выше; оно опаснее, чем для людей, еще и потому, что вызванный им ток проходит у животных через грудную клетку. Поэтому, например, корова может погибнуть при значительно меньшем напряжении на заземлителе, к которому она приближается (или на большем расстоянии от упавшего на землю провода), хотя для крупных животных значение смертельных токов намного больше, чем для людей. Установлено, что при одиночном вертикальном стержневом заземлителе ток через него в 3,5 А уже может создать смертельное для животных шаговое напряжение.
На рисунке 2 показана сеть без заземленной точки с сопротивлением изоляции проводов относительно земли r1и r2. После пробоя изоляции одного из проводов на металлический корпус, который связан с защитным заземлением, обладающим сопротивлением растеканию тока в земле r3, этот корпус будет иметь относительно участков земли с нулевым потенциалом напряжение, равное падению напряжения на r3от тока через него.
Так как сопротивление изоляции проводов относительно земли значительно больше сопротивления растеканию тока в земле, ток через заземлитель практически не зависит от сопротивления заземлителя. Поэтому с уменьшением сопротивления заземлителя пропорционально уменьшается напряжение прикосновения. Уменьшается и опасность от прикосновения. Однако такое же напряжение появится на корпусах и неповрежденного оборудования, присоединенных к тому же защитному заземлению. Это один из недостатков заземления как защитного мероприятия.
Рис. 2. Защитное заземление в однофазной сети без заземленной точки
3.3. Принцип действия защитного зануления
В установках напряжением 380/220 В с заземленной нейтралью непосредственное защитное заземление корпусов оборудования нередко могло бы оказаться недостаточно эффективным, потому что заземлений в таких сетях понадобилось бы много и экономически невозможно было бы сооружать их все с очень маленьким сопротивлением заземлителей. При пробое изоляции сопротивление двух последовательно включенных сопротивлений (заземления нейтрали R0 и защитного заземления корпуса поврежденного токоприемника RЗ) могло быть таким, что ток однофазного замыкания на корпус был бы слишком мал, чтобы вызвать срабатывание плавкого предохранителя, защищающего поврежденный токоприемник. Например, при сопротивлении обоих заземлителей по 4 Ом, даже если пренебречь сопротивлением фазного провода от источника питания до места повреждения изоляции, ток
(в расчете не учтены активное сопротивление земли между зонами растекания тока с заземлителей, равное 0,05 Ом/км, и внешнее индуктивное сопротивление току однофазного короткого замыкания в петле фаза — земля).
Из расчета видно, что в этом случае предохранитель с номинальным током плавкой вставки 35 А и выше не сработает. На заземленном оборудовании длительно может оставаться напряжение, при равенстве сопротивлений заземлителей равное половине фазного, то есть 110 В. Если же защитное заземляющее устройство имеет большее сопротивление, чем заземляющее устройство нейтрали, то напряжение относительно земли на заземленном оборудовании будет во столько же раз превышать напряжение на нулевой точке. Например, если сопротивление заземления нейтрали 2 Ом, а сопротивление защитного заземления 8 Ом, на заземленных частях оборудования при пробое изоляции будет напряжение
Поэтому в сетях напряжением 380/220 В, где нейтраль обмотки питающего трансформатора или генератора наглухо заземляется, вместо защитного заземления корпусов токоприемников путем непосредственной связи с расположенным поблизости заземлителем применяют особую разновидность заземления, которая по сути дела является самостоятельным защитным мероприятием и называется занулением. Это металлическое присоединение корпусов электрооборудования к нулевой точке (заземленной нейтрали) трансформатора или генератора. Обычно проводники, зануляющие отдельные токоприемники, связывают их не непосредственно с нулевой точкой, а с рабочим нулевым проводом.
При пробое изоляции в зануленом оборудовании возникает цепь тока однофазного короткого замыкания со сравнительно небольшим сопротивлением, состоящим из сопротивлений фазного и нулевого проводов. Появляется ток короткого замыкания, значительно больший, чем ток однофазного замыкания на землю, где применяется просто защитное заземление. Поэтому быстро срабатывает плавкий предохранитель или автоматический выключатель, защищающий поврежденное оборудование или участок сети. Именно быстрое и полное снятие напряжения с поврежденного оборудования является основой защитного действия зануления — в отличие от защитного заземления, когда напряжение на заземленных частях при повреждении изоляции понижается, но может длительно сохраняться.
В случае обрыва нулевого провода все оборудование за точкой обрыва оказалось бы не только совершенно лишенным защиты, но и поставленным даже в более плохие условия, чем при полном ее отсутствии, потому что при повреждении изоляции любого аппарата или электродвигателя, присоединенному к нулевому проводу за точкой обрыва, появилось бы напряжение, часто равное фазному, и на его корпусе, и на всех других зануленных корпусах. Чтобы избежать этого, во-первых, стремятся предотвратить обрывы нулевого провода. Во-вторых, чтобы уменьшить напряжение при замыкании на корпус электрооборудования, связанного с нулевым проводом, если он все же оборвется, необходимо делать повторные заземления нулевого провода.
Повторные заземления нулевого провода полезны и при целом нулевом проводе, так как они снижают напряжение на корпусе поврежденного оборудования до момента срабатывания предохранителя или в случае, если он все же не сработает из-за неправильного выбора плавкой вставки или при недостаточно большой силе тока короткого замыкания, когда замыкание на корпус произошло через большое переходное сопротивление остатков изоляции.
Если у нулевого провода сечение в 2 раза меньше, а сопротивление в 2 раза выше, чем у фазного, то без повторного заземления при замыкании на корпус в зануленном токоприемнике на нулевом проводе возникает падение напряжения приблизительно в 2/3 фазного напряжения, то есть 147 В. Оно и будет на корпусе относительно земли. Если же вблизи поврежденного оборудования находится одно повторное заземление, то параллельный нулевому проводу путь тока через землю снизит результирующее сопротивление цепи тока от корпуса до нулевой точки трансформатора. Понизится и падение напряжения UК.0 на этом пути. Еще больше понизится напряжение UК на корпусе токоприемника относительно земли, которое будет составлять лишь часть от UК.0:
R0 — сопротивление заземления нейтрали;
RП — сопротивление повторного заземлителя. При
При двух или большем количестве повторных заземлений на данной линии напряжение на корпусе снижается еще больше.
В установках до 1000 В с заземленной нейтралью запрещается применять защитное заземление корпуса без металлической связи с нулевой точкой источника. Но если заземлители данного корпуса и нулевой точки металлически связаны между собой, можно не иметь специального зануляющего проводника.
Запрещается применять землю в качестве рабочего нулевого провода в установках напряжением 380/220 В или 220/127 В (с заземленной нейтралью) и в качестве фазного провода в установках напряжением до 1000 В с незаземленной нейтралью.
Если в жилой комнате или общественном помещении есть радиаторы центрального отопления или проходят металлические водогазопроводные трубы, опасно пользоваться вблизи них настольной лампой с металлическим незануленным корпусом или утюгом и другими переносными электроприборами без зануления, так как возможность одновременного соприкосновения с корпусами электрооборудования и заземленными трубопроводами создает повышенную опасность поражения электротоком. Допускается использовать переносные электроприемники без заземления (зануления) только в случае, если металлические трубопроводы недоступны для прикосновения, — например, если радиаторы ограждены деревянными решетками.
В установках напряжением 36 В (42 В) и ниже переменного тока или 110 В и ниже постоянного тока заземление или зануление не применяют вообще ни в каких помещениях или наружных установках, кроме взрывоопасных; не применяют их и для электросварки, где независимо от напряжения полагается заземлять зажим вторичной обмотки трансформатора, к которому присоединяется обратный провод от свариваемой детали.
3.4. Зануление
Общие требования. Зануление применяется с целью отключить при пробое на корпус поврежденный электроприемник в возможно короткий срок и тем самым ограничить до возможного минимума время, в течение которого поврежденный объект будет представлять опасность для персонала. При занулении отключение поврежденного электроприемника производится под действием тока замыкания на корпус в линии, питающей поврежденный электроприемник.
Для быстрого и надежного срабатывания защиты максимального тока кратность тока замыкания на корпус по отношению к току уставки защиты должна быть как можно больше.
ПУЭ требует (пункт 1.7.79): чтобы ток однофазного замыкания на корпус
· превосходил — не менее чем в 3 раза номинальный ток плавкой вставки ближайшего предохранителя;
· не менее чем в 3 раза ток уставки расцепителя автоматического выключателя, имеющего обратно зависимую от тока характеристику;
· не менее чем в 1,1 Кр раза ток мгновенного срабатывания автомата, имеющего только расцепитель без выдержки времени, где Кр — коэффициент, учитывающий разброс токов срабатывания (по заводским данным). При отсутствии заводских данных о величине разброса кратность тока короткого замыкания относительно величины уставки следует принимать 1,4
для автоматов до 100 А и 1,25 для автоматов с номинальным током более 100 А.
Во взрывоопасных установках (ПУЭ, пункт 7.3.139) указанные выше кратности тока однофазного замыкания на корпус должны быть повышены до 4 в цепи, защищенной плавким предохранителем; до 6 в цепи, защищенной автоматическим выключателем с обратно зависимой от тока характеристикой. В цепях, защищенных автоматическим выключателем, имеющим только электромагнитный (мгновенный) расцепитель, кратность тока однофазного замыкания на корпус определяется как для невзрывоопасных установок.
Нулевые защитные проводники. В качестве нулевых защитных проводников могут служить:
· отдельные (в том числе нулевые) жилы многожильных проводов и кабелей;
· специально проложенные проводники;
· элементы металлических конструкций зданий, стальные трубы электропроводок, металлические конструкции производственного назначения, трубопроводы всех назначений (кроме трубопроводов горючих и взрывоопасных смесей) проложенные открыто;
· алюминиевые оболочки кабелей.
Заземляющие и нулевые защитные проводники должны быть защищены от коррозии. Места соединения стыков после сварки должны быть окрашены. В сухих помещениях для этого следует применять асфальтовый лак, масляные краски или нитроэмали. В сырых помещениях и помещениях с едкими парами окраска должна быть выполнена красками, стойкими в отношении химических воздействий (например поливинилхлоридными эмалями).
Запрещается использовать металлические оболочки трубчатых проводов, несущие тросы при тросовой электропроводке, металлические оболочки изоляционных трубок, металлорукава, броню и свинцовую оболочку проводов и кабелей в качестве заземляющих или нулевых защитных проводников.
При использовании алюминиевых оболочек кабелей в качестве заземляющих или нулевых защитных проводников присоединение их к корпусам электрооборудования, к соединительным или концевым кабельным муфтам должно выполняться гибкими медными перемычками сечением не менее приведенных в табл. 3.
Таблица 3. Сечение гибких медных перемычек
Сечение жил кабеля, мм2
Сечение перемычек, мм2
В электроустановках напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью нулевые защитные проводники с целью уменьшения индуктивного сопротивления цепи фаза-нуль следует прокладывать совместно с фазными или в непосредственной близости к ним.
Ответвления от магистрали к электроприемникам до 1 кВ допускается прокладывать скрыто непосредственно в стене, под чистым полом и т.п. с защитой их от воздействия агрессивных сред. Такие ответвления не должны иметь соединений.
Прокладка заземляющих и нулевых защитных проводников через стены должна выполняться в открытых проемах, в неметаллических трубах или иных жестких обрамлениях.
В помещениях сухих, без агрессивной среды, заземляющие и нулевые защитные проводники допускается прокладывать непосредственно по стенам. Во влажных, сырых и особо сырых помещениях и в помещениях с агрессивной средой заземление и нулевые защитные проводники следует прокладывать на расстоянии от стен не менее чем 10 мм. Расстояние между опорами для крепления заземляющих и нулевых защитных проводников должны быть не более 1000 мм. В наружных установках заземляющие и нулевые защитные проводники допускается прокладывать в земле, в полу или по краю площадок, фундаментов технологических установок и т.п.
Использование неизолированных алюминиевых проводников для прокладки в земле в качестве заземляющих или нулевых защитных проводников запрещается. Каждая часть электроустановки, подлежащая заземлению или занулению, должна быть присоединена к сети заземления или зануления при помощи отдельного ответвления. Последовательное включение в заземляющий или нулевой защитный проводник заземляемых или зануляемых частей электроустановки не допускается.
Заземлители надлежит соединять с магистралями заземления не менее чем двумя проводниками, присоединенными к заземлителю в разных местах. Это требование не относится к повторному заземлению нулевого провода и металлических оболочек кабелей.
Соединение частей заземлителя между собой, а также заземлителя с заземляющими проводниками следует выполнять сваркой; при этом длина нахлеста должна быть равна ширине проводника при прямоугольном сечении и шести диаметрам при круглом сечении. При Т-образном соединении внахлестку двух полос длина нахлестки определяется шириной полосы.
Использование специально проложенных заземляющих или нулевых защитных проводников для каких-либо целей не допускается.
Открыто проложенные заземляющие и нулевые защитные проводники должны иметь отличительную окраску: желтые полосы по зеленому фону. При использовании строительных или технологических конструкций в качестве заземляющих или нулевых защитных проводников на перемычках между ними, а также в местах присоединений и ответвлений проводников должны быть нанесены две полосы желтого цвета по зеленому фону на расстоянии 150 мм одна от другой.
Присоединение заземляющих и нулевых защитных проводников к частям оборудования, подлежащим заземлению или занулению, должно быть выполнено сваркой или болтовым соединением. Присоединение должно быть доступно для осмотра.
Для болтового соединения следует предусматривать меры против ослабления контактного соединения (контрогайки, разрезные пружинные шайбы и т.п.) и коррозии (смазка тонким слоем вазелина зачищенных до металлического блеска контактных поверхностей и т.п.).
Сопротивление нулевых защитных проводников оказывает решающее влияние на общее сопротивление цепи зануления и, следовательно, на величину тока замыкания на корпус. Из перечисленных выше нулевых защитных проводников аналитическому расчету поддается только сопротивление жил проводов и кабелей.
Расчет нулевых защитных проводников по нагреву. Нулевые защитные проводники должны пропускать, не повреждаясь, ток однофазного замыкания на корпус. Считается, что это требование выполняется, если проводимость нулевого защитного проводника в любой точке составляет не менее 50% проводимости фазных проводников.
Ток двухфазного короткого замыкания может протекать по нулевым защитным проводникам только в случае одновременного замыкания на корпус у различных электроприемников и в различных фазах. При выборе сечения нулевых защитных проводников этот случай не принимается во внимание.
Элементы металлоконструкций зданий, стальные трубы электропроводки, конструкции производственного назначения и трубопроводы, используемые в качестве нулевых защитных проводников, не проверяются на устойчивость при замыканиях на корпус.
Поперечное сечение алюминиевой оболочки кабелей практически во всех имеющих место случаях превышает сечение фазного провода, поэтому ее можно считать устойчивой при токах короткого замыкания на корпус.
Заземляющие и нулевые защитные проводники в электроустановках до 1 кВ должны иметь размеры не менее приведенных в табл. 3.
Таблица 3. Наименьшие размеры заземляющих и нулевых защитных проводников (ПУЭ, табл. 1.7.1)
Замыкание на землю
ЗАМЫКАНИЕ НА ЗЕМЛЮ — случайное соединение находящихся под напряжением частей электроустановки с конструктивными элементами, не изолированными от земли, или непосредственно с землей.
Российская энциклопедия по охране труда. — М.: НЦ ЭНАС . Под ред. В. К. Варова, И. А. Воробьева, А. Ф. Зубкова, Н. Ф. Измерова . 2007 .
Смотреть что такое «Замыкание на землю» в других словарях:
замыкание на землю — Случайный электрический контакт между токоведущими частями, находящимися под напряжением, и землей. [ПУЭ] замыкание на землю Замыкание, обусловленное соединением с землей. [ГОСТ 26522 85] замыкание на землю Состояние, характеризующееся… … Справочник технического переводчика
Замыкание на землю — – замыкание, обусловленное соединением проводника с землей или уменьшением сопротивления его изоляции по отношению к земле ниже определенной величины. [СТ МЭК 50(151) 78] Рубрика термина: Энергетическое оборудование Рубрики энциклопедии:… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Замыкание на землю — случайное соединение находящихся под напряжением частей электроустановки с конструктивными частями, не изолированными от земли, или непосредственно с землей. Источник: Постановление Госгортехнадзора РФ от 05.06.2003 N 65 Об утверждении… … Официальная терминология
замыкание на землю — 3.10 замыкание на землю: Случайное или преднамеренное (например, при срабатывании короткозамыкателя) возникновение проводящей цепи между находящейся под напряжением токоведущей частью и землей или не изолированной от земли проводящей частью.… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
замыкание на землю — įžemėjimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. ground short circuit; short circuit to earth vok. Erdschluß, m rus. замыкание на землю, n pranc. court circuit à la terre, m; défaut à la terre, m … Fizikos terminų žodynas
Замыкание на землю фазы А — — [ГОСТ Р МЭК 60870 5 103 2005] Тематики телемеханика, телеметрия EN ground fault L1 … Справочник технического переводчика
Замыкание на землю фазы В — — [ГОСТ Р МЭК 60870 5 103 2005] Тематики телемеханика, телеметрия EN Ground fault L2 … Справочник технического переводчика
замыкание на землю (англ.) — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN earth … Справочник технического переводчика
замыкание на землю (повреждение) — — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN ground fault … Справочник технического переводчика