Защитное заземление электроустановок

Вспомогательное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением называется защитное заземление.

Защитное заземление имеет целью снизить напряжение прикосновения между корпусом электроустановки и землей до 42 В, и меньше, что возникает в результате повреждения или пробоя изоляции токоведущих частей. Защитное заземление следует отделить от заземления для защиты от разрядов статического и атмосферного электричества.

Вспомогательное соединение с землей нейтральных точек обмоток генераторов, силовых и измерительных трансформаторов, дугогасящих аппаратов и других цепей для обеспечения нормальной работы электроустановок называется рабочим заземлением. Заземления для защиты от разрядов статического и атмосферного электричества осуществляется для отвода этих зарядов в землю.

Принцип работы защитного заземления. На рис.12.6, а показана ситуация прикосновения человека к заземленному корпусу электроустановки, на котором появилось напряжение. На рис.12.6, б - ее эквивалентна электрическая схема.

Случай прикосновения человека к заземленному корпусу электроустановки

Рис.12.6. Случай прикосновения человека к заземленному корпусу электроустановки:

а - схема прикосновения;

б - эквивалентная электрическая схема заземленной электроустановки

Во-первых, определим значение напряжения прикосновения U дот, что прикладывается к человеку при прикосновении ее к заземленному корпусу, с одной стороны, и к ногам, с другой, а затем значение тока И, протекающего через человека в этой цепи.

С целью упрощения математических преобразований во-первых, оперировать будем проводимостями цепей, а затем заменим их опорами.

Таким образом, проводимость заземления G с, проводимость человека G л и проводимость изоляции С 1 провода 1 по земле включены параллельно между собой и последовательно с проводимостью С 2 изоляции провода 2.

Проводимость суммарная параллельной цепи провода 1:

При прикосновении к корпусу электроустановки напряжение U дот, что влияет на человека, определится:

В этом выражении проводимости G л, G1, В 2 значительно меньше проводимости заземления G с и ими как слагаемыми в знаменателе этого выражения можно пренебречь. Заменяя проводимости опорами и принимая r 2 = r с- сопротивление изоляции), получим

Выражение (12.5) позволяет утверждать, что наиболее доступным мероприятием по снижению напряжения U дот является уменьшение сопротивления заземления г с, а увеличивать сопротивление изоляции г с экономически нецелесообразно.

Тогда ток, протекающий через человека при прикосновении ее к заземленному корпусу электроустановки определится:

Пример 12.5. Рассчитать значение тока, протекающего через человека при прикосновении ее к корпусу электроустановки, на примере рис.12.6 в двух случаях: настройка не заземлена; установка заземлена.

Выходные данные: r 1 = r 2 = r с = 5-10 3 Ом; напряжение сети и = 115 В; Я = 1000 Ом; г = 4 Ом "Решение:

В случае, когда установка не заземлен, ток, протекающий через человека определяется по формуле (12.4):

Когда установка заземлена, значение тока, протекающего через человека, определим по формуле (12.6):

Правила устройства электроустановок (ПУЭ-86) устанавливают нормы сопротивления заземляющего устройства. Как следует из выражения (12.5), норма сопротивления заземляющего устройства г с зависит от тока замыкания на земле И с в сети, к которой подключена электроустановка, подлежит заземлению. В сетях различной длины и разветвленности и, следовательно, с разными токами замыкания на землю установлены определенные значения сопротивления заземляющего устройства.

Для электроустановок, питаемых напряжением до 1000 В от сетей малой длины с малыми токами замыкания на землю (не более 5 А), сопротивление заземляющего устройства должно быть не более 4 Ом. К таким сетям на предприятиях относятся сети с напряжением 380/220 В, проложенные на территории предприятий от трансформаторных подстанций для питания потребителей электроэнергии и осветительных установок предприятия.

Если электроустановка питается от вынесенных трансформаторов и генераторов мощностью до 100 кВА сопротивление заземляющего устройства должно быть не более 10 Ом. Такие сети имеют малую длину и разветвленность, а токи замыкания на землю в них не превышают 0,1-0,2 А. К таким сетям относятся сети питания от дизель-генераторных установок (при авариях в городских системах электроснабжения).

Электроустановки, питающиеся напряжением выше 1000 В - до 110 кВ и выше с эффективно заземленной нейтралью, где токи замыкания на землю в сети достигают значений 50-500 А, сопротивление заземляющего устройства должно быть не более 0,5 Ом. Защитное заземление электроустановок выполняют: на всех электроустановках при напряжении переменного тока 380 В и выше, 440 В и выше - постоянного тока;

в электроустановках, расположенных в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных установках при номинальных напряжениях выше 42 В переменного тока и выше 110 В постоянного тока;

во взрывоопасных помещениях - для всех напряжений. Устройство заземления. Заземлители бывают - искусственные, специально предназначенные только для заземления электроустановок, и природные - металлические предметы и конструкции в земле.

Заземлители искусственные могут быть вертикальными и горизонтальными. Как вертикальные заземлители используют стальные стержни, пруток и угловую сталь длиной 2,5-3 м, а самостоятельные горизонтальные заземлители и для связи вертикальных - полосную сталь и стальной пруток. Наименьшие размеры искусственных заземлителей: диаметр прутковых не оцинкованы - 10 мм, сечение прямоугольных заземлителей 48 мм 2; толщина прямоугольных заземлителей (полосная сталь) и полок угловой стали - 4 мм.

установка одиночного стержневого заземлителя в траншеи

Заземлители вертикальные забивают с помощью механизмов в предварительно вырытые траншеи глубиной 0,7-0.8 м (рис 12.7). Стальные прутки диаметром 10-12 мм, длиной 4-4,5 м вкручивают с помощью специальных приспособлений.

Погружены в землю вертикальные заземлители соединяют полосовой сталью приватизирован-рюючи ее к верхнему концу стержня ребром вверх для лучшего контакта с землей. При использовании полосы, как самостоятельного заземления, ее укладывают в ту же траншею ребром вверх и засыпают землей с последующим тщательным трамбованием для улучшения ее контакта с землей.

Располагают заземлителей в местах, где нет подсушивания земли от проложенных трубопроводов и других источников тепла.

Горизонтальные заземлители прокладывают в траншеях с однородным грунтом, без щебня и строительного мусора. Когда существует опасность коррозии заземлителей, тогда:

- Увеличивают сечение одиночных заземлителей;

- Применяют оцинкованные заземлители;

- Используют электрическую защиту заземлителей против коррозии.

Как искусственные заземлители, допускается применять бетон, который проводит электричество. Для заземлителей можно применять металлы, были подержанные, но они не должны иметь сильных признаков коррозии, должны быть очищены от краски, масел и изолирующих веществ.

Искусственные устройства на сооружениях, заземляющих в районах с большим удельным сопротивлением почвы рекомендуется:

- Вертикальные заземлители большей длины (более 3 м) применять, если на глубине удельное сопротивление почвы меньше, чем ближе к поверхности;

- Выносные заземлители располагать в местах (до 2 км) с меньшим удельным сопротивлением грунта;

- В траншеи вокруг заземлителей, проложенных горизонтально, заключать влажный глинистый грунт, трамбуют и засыпают щебнем;

- Когда применение других мер неэффективно, обрабатывать почву для снижения его удельного сопротивления.

На практике в большинстве случаев одного заземлителя для обеспечения установленной нормы заземления недостаточно. В таких случаях забивают несколько заземлителей по периметру защищаемого или под защищаемым объектом. Такое заземление называется контурным.

Естественных заземлителей - это металлические конструкции зданий, сооружений и других объектов или предметов, имеющих хороший электрический контакт с землей.

В качестве естественных заземлителей могут использоваться:

- Трубопроводы, проложенные в земле (кроме трубопроводов для горючих жидкостей и взрывчатых газов)

- Обсадные трубы артезианских колодцев и скважин;

- Арматура железобетонных конструкций зданий и сооружений, имеющих связь с землей;

- Свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле;

- Заземлители опор линий электропередачи (ЛЭП);

- Воздушные ЛЭП, соединенные с заземляющим устройством электроустановки с помощью горизонтального троса, если он не изолирован от сопротивления линии;

- Нулевые провода воздушных ЛЭП напряжением до 1000 В с повторными заземлителями при количестве линий не менее двух;

- Рельсовые пути магистральных НЕ электрифицированных железных дорог;

- Подъездные пути при наличии вспомогательного устройства перемычек между рельсами.

Заземлителей природные присоединяются к магистрали заземления не менее, чем в двух местах.

Заземлителей природные имеют малое сопротивление относительно растекания электрического тока, а потому их использование приводит экономию металла. Естественных заземлителей используют без искусственных заземлителей, если они обеспечивают установленную в ПУЭ-86 норму сопротивления, и которая остается неизменной от сезона к сезону.

Расчет защитного заземления. Заземляющий устройство рассчитывают для определения количества вертикальных заземлителей, длины соединительной полосы и их размещения. При этом учитывают возможность использования естественных заземлителей.

В зависимости от назначения заземляющего устройства определяют норму сопротивления.

Определяют почву, в котором будут располагать заземления, затем определяют его удельное сопротивление (табл.12.1).

Таблица 12.1

Удельное сопротивление почв и воды

Грунт

Удельное сопротивление, 10 две Ом-м

Почва, вода

Удельное сопротивление, 10 две Ом-м

Песок

7 (4-10)

Глина

0,4 (0,08-0,7)

Супесь

3 (1,5-4)

Торф

0,2 (0,05-0,3)

Чернозем

2 (0,096-5,3)

Водаричкова

0,5 (0,1-0,8)

Суглинок

1 (0,4-1,5)

Вода морская

0,01 (0,002-0,01)

Примечания: 1. Значения удельных сопротивлений грунтов дан их влажности 10-20%. 2. В скобках приведены пределы колебаний значения сопротивления почвы в зависимости от влажности.

Сопротивление почвы зависит и от времени года. Для уменьшения сезонных колебаний сопротивления заземлителей забивают (закладывают) как можно глубже. Удельное сопротивление почвы является важнейшим параметром, определяющим значение сопротивления заземляющего устройства. Поэтому при заключении заземлителей в песчаных, каменистых почвах и в районах вечной мерзлоты необходимо применять меры, снижающие удельное сопротивление почв.

Можно увеличить электропроводность почвы, если вокруг заземлителя в радиусе более 0,5 м заменить почву мелкозернистой, более гигроскопичным (глиной, жирным черноземом, суглинком) или добавить в почву каменноугольный шлак, древесный уголь, золу, сажу, соль.

Кроме того, место установки заземления можно поливать водой или растворами солей хлористого натрия или кальция, растворами медного или железного купороса.

Заземление рассчитывают в такой последовательности.

1. Рассчитывают сопротивление одиночного заземлителя из выбранного материала по эмпирическим формулам.

Полоса стальная с сечением не менее 100 мм 2 и толщиной 4 мм, которая закладывается в грунт параллельно земле на глубину 0,7-0,8 м ребром вверх, равна:

Кольцевой заземлитель из прутка диаметром d или полосы шириной р, закладывается на глубину Н см 0,7-0,8 г., имеет сопротивление:

где: D - диаметр кольца заземления м; d = 0,5 b диаметр заземления для полосы шириной b.

2. Определяют коэффициент использования сопротивления одиночного заземления, рассчитанного по формулам (12.7) - (12.9), когда он находится в группе контурного заземления.

Когда в групповом контурной заземлении расстояние между одиночными заземлителями более 40 м, то общее сопротивление всей группы будет определяться, как параллельное соединение отдельных заземлителей.

Когда расстояния между заземлителями менее 40 м, тогда ухудшаются условия растекания тока от каждого отдельного заземления, то есть сопротивление растеканию тока от заземления, рассчитанный по формулам (12.7) - (12.9), фактически будет больше. Больше будет и сопротивление контурного группового заземления, и чтобы получить такой же сопротивление контурного группового заземления, требуется большее количество отдельных заземлителей. Рассчитывая количество отдельных групповых заземлителей, используют коэффициент, учитывающий степень увеличения сопротивления одиночного заземлителя - коэффициент использования одиночного заземлителя ц или коэффициент экранирования.

Значение коэффициент использования одиночного заземлителя зависит от: количества заземлителей в контуре; расстояния между заземлителями; формы и их размеров. Чем меньше расстояние между заземлителями, тем меньше этот коэффициент. Он равен единице при расстоянии между заземлителями более 40 м, когда взаимное их экранирование отсутствует.

Если известно количество одиночных заземлителей и расстояние между ними, тогда согласно табл.12.2 находим коэффициенты использования как одиночного заземления, так и полосы, соединяющей заземлители.

Когда известный сопротивление одиночного вертикального заземления, рассчитанный по формулам (12.7) - (12.9), ориентировочно определяют (при известной норме сопротивления заземляющего устройства) количество заземлителей. Затем размещают заземлители на плане, определяют расстояние между ними и согласно табл.12.2 находят значения коэффициентов η в и η см и более точно рассчитывают количество заземлителей в контурной групповом заземлении:

Таблица 12.2

Коэффициенты использования одиночного заземлителя со стержня в) или уголка (η к) и полосы, объединяющей эти заземлители (η см)

Коэффициенты использования одиночного заземлителя со стержня (η в) или уголка (η к) и полосы, объединяющей эти заземлители (η см)

3. Рассчитывают сопротивление растеканию тока в земле от соединительной полосы по формуле (12.8), предварительно определив ее длину при известном количестве заземлителей и расстояния между ними.

4. Рассчитывают сопротивление группового контурного заземляющего устройства из стержневых или уголкового заземлителей, соединенных полосой:

Пример 12.6. Рассчитать контурное заземление подстанции 6 / 0,4 кВ и сопротивление контура заземления.

Выходные данные: Трансформаторная подстанция имеет два понижающих трансформаторы 6 / 0,4 кВ, в которых нейтрали заземлены на стороне 0,4 кВ. Подстанция размещается в кирпичном доме размером 10x15 м. Вблизи подстанции частично зарыта в землю металлическая конструкция, которую можно использовать в качестве естественных заземлителей, что сопротивление растеканию тока с учетом сезонных колебаний ИИ е = 18 Ом. Длина кабельных линий напряжением 6 кВ и = 80 км, воздушных - И = 50 км. Как единые вертикальные заземлители, будут использоваться стальные стержни длиной И в = 5 м, диаметром и = 16 мм. Соединяются верхние концы стержней стальной полосой сечением 4x40мм, положенной в землю на глубине Н см = 0,8 м. Вертикальные заземлители, главным образом, располагаются в суглинка с удельным сопротивлением почвы г. в = 110 Ом-м, а горизонтальная стальная полоса - в черноземе с удельным сопротивлением р см = 190 Ом-м (табл.12.1).

Решение. Ток замыкания на землю и с на стороне 6 кВ определится по формуле:

Заземление принимаем общим для установок 6 кВ и 0,4 кВ и тогда в соответствии с ПУЭ-86 его сопротивление искусственного заземления составит:

Тогда требуемое сопротивление контурного заземления с учетом использования естественных заземлителей определяется по выражению:

Заземление принимаем общим для установок 6 кВ и 0,4 кВ и тогда в соответствии с ПУЭ-86 его сопротивление искусственного заземления составит:

Тогда требуемое сопротивление контурного заземления с учетом использования естественных заземлителей определяется по выражению:

Предварительно заземлителей разместим на плане с учетом размеров подстанции. Располагаем заземлителей по периметру подстанции на расстоянии а = 5 м друг от друга. Как что количество заземлителей п = 12 шт., Тогда длина Ь соединительной полосы определится:

Определим сопротивление растекания тока от одиночного вертикального стержневого заземления R в и от соединительной полосы R см по формулам (12.7) - (12.8):

С табл.12.2 определим коэффициент использования одиночного стержневого заземлителя при отношении: а / 1 = 5/5 = 1; п = 12 шт .; П в = 0,55 и соединительной полосы г | см = 0,35.

Определим сопротивление искусственного контурного заземления Я ШКЗ по формуле (12.10):

Определенный сопротивление искусственного контурного заземления 2,6 Ом превышает Я н = 2,28 Ом, поэтому следует увеличить количество заземлителей до 13 штук.

Итак, контурное заземление будет состоять из 13 вертикальных стержней длиной 5 м, диаметром 16 мм, забитых по периметру дома подстанции на расстоянии 5 м друг от друга, соединенных стальной полосой длиной 65 м, сечением 4х40 мм, проложенной на глубине 0,8 м, и подключенных к естественному заземления сваркой.

Контроль заземляющих устройств. Исполнитель заземляющего устройства до начала приемо-сдаточных испытаний предоставляет приемной комиссии техническую документацию:

- Рабочие чертежи и схемы заземляющего устройства с указанием расположения подземных коммуникаций;

- Акты на подземные работы по заключению элементов заземляющего устройства;

- Акты на выполнение скрытых или малодоступных элементов молниезащиты (токоотводы, тросы, приемники молний). Сопротивление заземляющего устройства измеряют с помощью специальных приборов - измерителей заземления. Сопротивление рассчитывается непосредственно в омах по шкале прибора. Для этого применяются измерители заземления МЗГ с тремя границами измерения (0-2,5; 0-25 и 0-250 Ом) и погрешностью до 5%.

ИВЗ-И - инспекторский измеритель заземления с двумя границами измерения (0-5 и 0-50 Ом) и погрешностью 10% и измеритель сопротивления заземления типа М-416.

Зануление электроустановок - электрическое соединение с нулевым защитным проводником 1 металлических нетоковедущих частей электроустановок, которые могут оказаться под напряжением. Нулевой защитный проводник - проводник, соединяющий занульовани части с глухозаземленной нейтральной точкой обмотки источника тока или с ее эквивалентом.

Схема зануления электроустановки приведена на рис.12.8. Зануление осуществляют для устранения опасности поражения человека током в случае ее прикосновения к корпусу электроустановки, которая оказалась под напряжением относительно земли, при замыканиях на корпус или переходе напряжения вследствие повреждения изоляции токопроводящих проводов электроустановки.

Принципиальная схема зануления электроустановки в трехфазной сети

Работа зануления состоит в том, что при замыкании фазы на корпус создается однофазное короткое замыкание между фазой и нулевым защитным проводником через аппаратуру защиты - предохранитель 2, что срабатывает и отключает замкнутую на корпус фазу. Как аппаратуру защиты при этом применяют: плавкие предохранители или автоматы максимального тока; магнитные пускатели с тепловой защитой; контакторы с тепловыми реле для защиты от перегрузок и ин.ш.

Зануление применяется в трехфазных четырехпроводных сетях с глухозаземленной нейтралью напряжением 380/220 В, 220/127 В и 660/380 В. занулении подлежат все корпуса электроустановок и нетоковедущие части, подлежащие заземлению.

Однако следует знать, что в одной сети, недопустимо одни установки только занулять, а другие - только заземлять, так как опасность прикосновения к корпусам электроустановок, питаемых от сети растет.

Для примера рассмотрим ситуацию (рис.12.9), когда установка 1 зануленных, а установка 2 заземлена.

Когда фаза замкнула на корпус заземленной установки 2, тогда ток замыкания / будет протекать через сопротивление заземления этого корпуса r с, сопротивление заземления нейтрали г 0 и нулевую точку источника тока

(рис.12.9).

Тогда напряжение Е / к между заземленным корпусом 2 и землей будет равна:

Когда предположим, что сопротивление заземления нейтрали г 0 и сопротивление защитного заземления г 3 одинаковы (r 0 = r с), то U к и U 0 тоже будут одинаковы, то есть напряжение корпуса относительно земли каждой из установок будет равняться половине фазного 220/2 = 110 В. Более того, если опоры r 0 и г, не будут одинаковы, то напряжение фазы распределится между ними пропорционально значению этих сопротивлений и тогда на одной из установок напряжение может быть больше 110 В. На практике такое замыкание может существовать долго и его отыскать очень трудно, так как корпуса всех установок зануленных и заземленных, в том числе и исправных, находящихся под напряжением. Одновременное зануление и заземление того же корпуса электроустановки не только не опасно, а, наоборот, увеличивает безопасность.

Литература: [5], [19], [21], [22].

Вопросы для самоконтроля

1. Какой механизм поражения электрическим током?

2. Как действует электрический ток на организм человека?

3. Какие факторы влияют на исход поражения электрическим током?

4. Какое значение сопротивления тела человека и от чего он зависит?

5. Как определить категорию помещения, в котором вы работаете, по степени електронебезпечности?

6. К какой категории помещений по степени электробезопасности следует относить самолет?

7. Какие способы искусственного дыхания применяют при оказании первой помощи?

8. В чем сущность однополюсного и двухполюсного прикосновения к двухпроводной самолетной сети 115 В, 400 Гц?

9. Насколько опасен однополюсный прикосновение к самолетной одно- проводной сети 27 В постоянного тока?

10. Как изменяется значение тока, протекающего через тело человека, в зависимости от условий окружающей среды?

11. В чем опасность прикосновения к трехфазной сети с заземленной нейтралью?

12. С чего получаются при выборе режима нейтрали?

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >