Защитное заземление электроустановок.

Защитное заземление (рис.5.8) – это преднамеренное соединение при помощи проводников 2металлических нетоковедущих частей оборудования1 с токопроводящими элементами 3, находящимися в земле иимеющими хороший контакт с грунтом.

Рис. 5.8. Схема заземляющего устройства.

1 – корпус оборудования; 2 – заземляющая шина (проводник);

3 – заземлитель; (2 + 3) – заземляющее устройство или защитное заземление.

Защитное заземление применяют в трехфазных трехпроводных сетях с изолированной нейтралью в установках напряжением до и выше 1000 В, а также в установках напряжением 110 кВ и выше с глухозаземленной нейтралью источника тока.

В соответствии с требованием ПУЭ защитное заземление (зануление) электроустановок необходимо выполнить:

- при напряжении 380 В и выше переменного тока и 440 В и выше постоянного тока – во всех электроустановках;

- при номинальных напряжениях выше 42 В, но ниже 380 В переменного тока и выше 110 В, но ниже 440 В постоянного тока – только в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных установках;

- в электросварочных установках независимо от величины напряжения, кроме заземления (зануления) корпусов и других нетоковедущих частей оборудования должно быть осуществлено заземление одного из зажимов (выводов) вторичной цепи источника сварочного тока.

Защитное заземление защищает человека от поражения током при замыкании фазы на корпус оборудования или на землю путем снижения величины напряжения прикосновения (U_пр) и напряжения шага (U_ш) до допустимых значений (табл. 2).

Напряжение прикосновения – это напряжение между двумя точками (А и В, рис. 5.9.) цепи тока, которых одновременно касается человек. Одной точкой (А) является корпус оборудования, на который замкнула фаза, другой - (В) основание. При растекании тока в земле на ее поверхности появляется напряжение, которое уменьшается в зависимости от увеличения расстояния (х) до места стекания тока в землю.

Напряжение прикосновения

Uпр = U_A - U_B = U₃ × a₁ ∙ ₂ (5.1)

где Uз = I₃ × R₃ – напряжение на заземлителе (то же самое и на корпусе оборудования);

a₁ – коэффициент напряжения прикосновения, для полушаровых заземлителей a₁ = (Х – Х₃) / Х (Х₃ – размер заземлителя,

Х – расстояние от заземлителя).

При Х = Х₃ коэффициент a₁ = 0, т.е. U_пр = 0; при Х > Х₃ коэффициент a₁®1, следовательно Uпр ® U₃. Другими словами: чем ближе человек находится к заземлителю, тем меньше будет напряжение прикосновение, чем дальше – тем больше. Это хорошо видно из схемы на рис. 5.9 и из формулы 5.1: напряжение в точке А остается постоянным, а в точке В изменяется от максимального значения до нуля.

Коэффициент a₂ зависит от сопротивления человека (R_h), обуви (R_o) и пола (R_п), то есть a₂ = R_h / (R_h + R_o + R_п), следовательно, чем больше будет сопротивление обуви и основания, на котором стоит человек, тем меньше будет a₂ и напряжение прикосновения (U_пр).

Напряжение шага – это напряжение между двумя точками (С и Д, рис. 5.9) электрической цепи тока, находящимся одна от другой на расстоянии шага (а = 0, 8 м, рис.5.9), на которых одновременно стоит человек.

С Д

Рис. 5.9. Напряжение прикосновения и шага

Uш = U_c – U_д = U₃ × b₁ × b₂ (5.2)

где b₁ – коэффициент напряжения шага, зависит от заземлителя.

(5.3)

Анализ уравнения (5.3) и схемы на рис. 5.9 показывает, что чем ближе к месту стекания тока в землю, тем больше коэффициент b₁ и, следовательно, больше напряжение шага. С увеличением расстояния от места стекания тока коэффициент b₁ уменьшается и снижается напряжение шага.

Коэффициент b₂ равен коэффициенту a₂, т.е. b₂ = a₂ = R_h / (R_h + R_o + R_п).

Для снижения напряжений прикосновения и шага (соответственно величины тока, протекающего через человека) необходимо уменьшить напряжение (U₃) на заземляющем устройстве (формулы 5.1, 5.2) при замыкании на него фазы. Напряжение на корпус при замыкании на него фазы U_к=U_з= I_з× R_з зависит от тока замыкания (I₃) и сопротивления заземляющего устройства (R₃). Величина тока замыкания зависит в основном от полного сопротивления изоляции фаз относительно земли = U_ф / (Z / З). Для ограничения тока замыкания () в первую очередь необходимо поддерживать сопротивление изоляции фаз сети на нормированном уровне. Сопротивление заземляющего устройства (R₃) также не должно превышать допустимых нормируемых значений. Кроме того, необходимо уменьшать расстояние между элементами заземлителя для выравнивания потенциалов на поверхности основания, увеличивать удельное электрическое сопротивление обуви (R_o) и основания (R_п). Данные мероприятия позволяют снизить напряжение прикосновения и шага до допустимых величин.

Заземлители подразделяются на естественные, искусственные и комбинированные (естественные + искусственные).

В качестве естественных заземлителей разрешается использовать токопроводящие элементы, находящиеся в земле и имеющие хороший контакт с грунтом, кроме трубопроводов с горючими жидкостями, газами и парами. Когда сопротивление естественных заземлителей превышает нормируемое значение, то к ним дополнительно размещают искусственные. Искусственные заземлители могут быть в виде горизонтальных металлических полос толщиной не менее 4 мм и вертикальных стержней из круглой стали диаметром не менее 10 мм, металлических уголков с толщиной полки не менее 3, 5 мм, металлических труб с толщиной стенки не менее 3, 5 мм и т.п. Все элементы заземляющего устройства между собой соединяются при помощи сварки (рис. 5.10), только к корпусам оборудования разрешено болтовое присоединение.

Рис. 5.10. Схемы присоединения элементов заземляющих шин

В качестве заземляющих проводников в цехах используют все металлические конструкции здания, а также подкрановые пути мостовых кранов и кранбалок, кроме трубопроводов с горючими жидкостями, газами, парами и свинцовых оболочек кабелей. Если металлические конструкции имеют болтовое или заклепочное соединение, то их между собой соединяют стальными перемычками сечением не менее 100 мм² при помощи сварки.

Кроме того, в цехах прокладывают магистральные заземляющие шины по стенам здания на высоте 400 – 600 мм от пола. В сухих помещениях шины крепят к стене, (рис. 5.11, а), а в сырых помещениях и с агрессивной средой – на кронштейнах (рис.5.11, б)_. Минимальные размеры заземляющих шин, проложенных в помещении цеха: круглые из оцинкованной проволоки – диаметр не менее 5 мм, прямоугольные сечением 4 х 6 мм площадью не менее 24 мм², металлический уголок с толщиной полки не менее 2, 5 мм, металлические трубы с толщиной стенки не менее 2, 5 мм. Соединяют элементы заземляющих шин при помощи сварки в нахлестку (рис. 5.10). Внутри цеха заземляющие шины образуют контур, который не менее чем в двух местах соединяется при помощи сварки с заземлителем, расположенным снаружи цеха. Внутри цеха заземляющие шины окрашивают в черный цвет. Внутренние заземляющие шины дверные проемы обходят по верху. В исключительных случаях заземляющие шины прокладывают в металлических трубах в полу при обходе дверных проемов.

Корпуса оборудования к магистральным заземляющим шинам присоединяют при помощи специальных заземляющих шин или используют для этого металлические трубы, в которых прокладывают провода или кабели для подвода электроэнергии к электроприемнику.

Корпуса оборудования к магистральным заземляющим шинам разрешается присоединять только параллельно (рис. 5.12).

Искусственные заземлители подразделяются на контурные и выносные (рис.5.12).

Контурные искусственные заземлители (рис. 5.12) располагают снаружи по периметру здания на расстоянии 1 – 1, 5 м от отмостки стены здания. Для этого роют траншею глубиной 0, 5 – 1, 0 м, в которую забивают вертикальные стержни длиной 1, 5 – 3 м и соединяют их металлической полосой при помощи сварки. Затем эту полосу соединяют проводником не менее чем в двух местах с магистральной заземляющей шиной цеха с помощью сварки. Измеряют сопротивление заземлителя и заземляющего устройства и засыпают траншею землей.

1 – прямоугольного сечения;

2 – круглого сечения

Рис. 5.11. Крепление заземляющих шин к стене здания:

а – в сухих помещениях; б – в сырых помещениях и в помещениях с агрессивной средой

Когда удельное электрическое сопротивление грунта вокруг здания высокое (r > 1000 Ом× м) или разместить заземлитель по техническим причинам невозможно, то заземлитель располагают вдали от здания (рис. 5.12).

Рис. 5.12. Схемы искусственных заземляющих устройств.

При одинаковых условиях уровень электробезопасности при контурном заземляющем устройстве выше, чем при выносном. При контурном заземлителе напряжение прикосновения внутри контура U_пр = I₃ Rз a₁× a₂ =,

где a₁» 0, 15…0, 4, а при выносном – внутри помещения U_пр = I₃ × R₃× a₁ × a₂ где a ₁» 1, т.е. при выносном заземлителе создавать необходимый уровень электробезопасности в основном можно только за счет снижения сопротивления заземлителя (R₃).

Сопротивление заземляющих устройств регламентировано ПУЭ и ПТБ электроустановок потребителей. В установках U до 1000 В с изолированной нейтралью сопротивление заземляющего устройства должно быть не более 4 Ом. При мощности трансформаторов или генераторов 100 кВ× А и менее допускается сопротивление заземляющего устройства не более 10 Ом.

В установках U > 1000 В с изолированной нейтралью сопротивление заземляющего устройства должно быть не более:

- при использовании заземляющего устройства одновременно и для установок до 1000 В

R₃ = 125 / I₃ £ 10 Ом

где I₃ – расчетный ток замыкания на землю, А;

- при использовании заземляющего устройства только для электроустановок выше 1000 В

R₃ = 250 / I₃ £ 10 Ом;

- если I₃ > 500 А, то R₃ £ 0, 5 Ом.

Сопротивление заземлителей как естественных, так и искусственных рассчитывают. При совместном использовании естественных и искусственных заземлителей сначала рассчитывают сопротивление естественных заземлителей, а затем определяют какую величину сопротивления должен иметь искусственный заземлитель (R_и).

, Ом

где R_н – нормируемое сопротивление заземлителя, Ом;

R_е - сопротивление естественных заземлителей, Ом.

Методика расчета искусственных заземлителей.

1) Рассчитывают сопротивление стекания тока с вертикального стержня

2) Определяют необходимое количество вертикальных стержней

N = R_е (R_н × h_c), шт.

3)Рассчитывают сопротивление стеканию тока с соединительной полосы

, Ом

4) Определяют общее сопротивление заземлителя

, Ом

5) Сравнивают с нормируемым

R_к £ R_н

6) Если R_к > R_н - увеличивают количество элементов искусственного заемлителя и расчет проводят до тех пор, пока R_к £ R_н

где r - удельное сопротивление грунта, Ом× м;

ℓ – длина стержня, м;

d - диаметр стержня, м;

H – расстояние от поверхности земли до середины стержня, м;

L – длина соединительной полосы, м;

В – ширина соединительной полосы, м;

h – расстояние от поверхности земли до соединительной полосы;

h_с, h_п – коэффициенты экранирования (значения табличные).

Сопротивление цеховых заземлителей необходимо измерять не реже 1-го раза в год. Измеряют сопротивление заземлителей прибором ЭКО – 200 или мостом МС – 08. затем сравнивают с допустимым, т.е. R_из£ R_н

Выборочное вскрытие грунта для осмотра заземлителей в наиболее опасных местах проводят не реже 1 раза в 10 лет.