РАЗДЕЛ ПЯТЫЙ
ЗАЩИТНЫЕ ЗАЗЕМЛЕНИЯ И ОТКЛЮЧЕНИЯ В ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ
ГЛАВА XVIII
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ЗАЩИТНЫХ ЗАЗЕМЛЕНИИ И ОТКЛЮЧЕНИИ
§ 18.1. Общие понятия и определения
Случайное прикосновение человека к токоведущим частям электрической установки вызывает прохождение через его тело тока, который может быть опасным или даже смертельным.
Поражение человека возможно и при прикосновении к отдельным металлическим частям оборудования, нормально не находящимся под напряжением, но оказавшимся под таковым в результате повреждения изоляции (например, корпуса электродвигателей, светильников, пусковой аппаратуры и т. д.).
Возможны два вида прикосновения: однополюсное, когда человек прикасается к одному из проводов, и двухполюсное, когда человек одновременно касается двух линейных проводов. Двухполюсное прикосновение более опасно, так как проходящий через тело человека ток Iч будет иметь максимальную величину:
При однополюсном прикосновении человека как непосредственно к электрической цепи, так и к нетоковедущей части оборудования, оказавшейся под напряжением, величина тока, протекающего через человеческое тело, будет зависеть от способа заземления нейтрали источника питания. Нейтрали генераторов и трансформаторов могут быть выполнены либо глухозаземленными, либо изолированными от земли.
Глухозаземленной называется нейтраль генератора или трансформатора, присоединенная к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление (например, трансформаторы тока и т. д.).
Изолированной называется нейтраль, не присоединенная к заземляющему устройству или присоединенная к нему через большое сопротивление (например, компенсационные катушки, трансформаторы напряжения и т. д.).
На рис. 18.1 показаны схемы электрических сетей с заземленной и изолированной нейтралью.
При однополюсном прикосновении в сети с глухозаземленной нейтралью ток, текущий через тело человека, определяется фазным напряжением сети и сопротивлением тела (если пренебречь незначительным сопротивлением почвы на участке от ступней ног человека до заземляющего устройства и сопротивления обуви), а также сопротивлением заземляющего устройства
(18.2)
В системе с изолированной нейтралью Iч зависит от суммарного значения сопротивления человека и изоляции сети и от емкости проводов линии относительно земли. Система с изолированной нейтралью при нормальном состоянии изоляции менее опасна для человека, чем система с глухим заземлением нейтрали.
Однако в линии такой системы может длительное время существовать незамеченное персоналом замыкание одной из фаз на землю. Если в это время человек прикоснется к проводу одной из двух других фаз, то окажется под полным линейным напряжением сети, что равносильно двухполюсному прикосновению.
Согласно ПУЭ в четырехпроводных сетях переменного тока и трехпроводных сетях постоянного тока должно быть выполнено глухое заземление нейтрали.
435
Сети с изолированной нейтралью следует применять при повышенных требованиях безопасности (торфоразработки, угольные шахты и т. д.) с обязательным устройством контроля изоляции сети и целости пробивных предохранителей силовых трансформаторов, позволяющих персоналу быстро обнаружить замыкание на землю, либо с устройством автоматического отключения участков, получивших замыкание на землю.
Физиологами и врачами установлено, что ток величиной до 0,0015 а вызывает неприятные ощущения, дрожание пальцев рук, ток порядка 0,05 а вызывает паралич дыхания, а при токе 0,1 а наступает паралич сердца и смерть, С повышением частоты ток становится менее опасным для жизни. Так, при частоте 100.000 Гц ток в 3 а вызывает только ожоги.
Тяжелые последствия, вызываемые поражениями электрическим током, требуют применения специальных мер для защиты людей.
Одной из наиболее радикальных мер по защите людей от поражения электрическим током при прикосновении к нетоковедущим металлическим частям электрического оборудования является их заземление.
Заземлением какой-либо части электроустановки называется преднамеренное электрическое соединение ее с заземляющим устройством.
Заземляющее устройство состоит из заземлителя и заземляющих проводников.
Заземлителем называется металлический проводник или группа проводников, соприкасающихся непосредственно с грунтом.
Заземляющими проводниками называются металлические проводники, соединяющие заземляемые части электроустановки с заземлителем.
В качестве заземлителей обычно используются стержни круглые или из угловой стали, пластины и т. д. (одиночные стержневые заземлители или электроды), а также горизонтально провоженные стальные полосы (протяженные заземлители).
При устройстве заземлений в установках напряжением до 1000 в надлежит в первую очередь использовать естественные заземлители, надежно соединенные с землей (металлические конструкции зданий, обсадные, водопроводные и другие трубы, за исключением труб с горючими жидкостями или с горючими и взрывчатыми газами), свинцовые оболочки кабелей и т. д.
Алюминиевые оболочки кабелей, имеющие антикоррозийное покрытие, можно использовать только в качестве заземляющих проводников, но не заземлителей.
Искусственные заземляющие устройства применяются лишь как дополнение к естественным заземлителям либо при их отсутствии.
Различают замыкание на землю и замыкание на корпус.
Замыканием на землю называется случайное электрическое соединение находящихся под напряжением частей электроустановки непосредственно с землей.
Замыканием на корпус называется электрическое соединение токоведущих частей машин, аппаратов и линий с заземленными конструктивными частями электроустановки.
Рис. 18.2. Заземление:
а — в сети с заземленной нейтралью; б — в сети с изолированной нейтралью
На рис. 18.2 показано схематически устройство заземления в установках напряжением до 1000 в с изолированной и заземленной нейтралями. Как видно из рис. 18.2, а заземление в четырехпроводных сетях с глухозаземленной нейтралью выполняется металлическим соединением частей установки, подлежащих заземлению с нулевым проводом. В такой системе замыкание на корпус или на землю вследствие короткого замыкания приводит к быстрому срабатыванию защиты и отключению поврежденного участка, что является благоприятным фактором, улучшающим условия безопасности.
В трехпроводной сети с изолированной нейтралью при замыкании на корпус электродвигателя фазы А (рис. 18.2, б) ток пойдет через заземлитель Rз в землю и далее через сопротивления изоляции «здоровых» фаз к источнику питания (трансформатору).
Проходя через заземлитель, ток вызывает падение напряжения на участке растекания тока в земле. Между заземленными корпусами оборудования и землей образуется определенная разность потенциалов. При этом человек, прикоснувшийся к корпусу машины, попадет под напряжение, равное разности потенциалов корпуса и той точки земной поверхности, на которой человек находится.
По мере удаления от заземлителя потенциалы поверхности почвы снижаются, и примерно на расстоянии 20 м и более потенциал почвы можно уже считать равным нулю. Это объясняется характером растекания тока в земле, при котором сечение массива земли, принимающего участие в проведении тока замыкания на землю, увеличивается по мере удаления от заземлителя.
§ 18.2. Сопротивление растеканию тока
Сопротивление, которое оказывает току в земле участок почвы от заземлителя до точек с нулевым потенциалом, называется сопротивлением растеканию тока.
Сопротивление растеканию заземлителя определяется как отношение напряжений между заземлителем и точками земли с нулевым потенциалом Uз к току замыкания на землю Iз:
Между любыми двумя точками поверхности земли на участке растекания тока также имеет место разность потенциалов. Человек, проходя по участку растекания, сделав шаг, условно принятый 0,8 м, попадает под некоторую разность потенциалов, называемую шаговым напряжением Um, которое вызывает ток поражения, протекающий в основном через ноги человека.
По мере удаления от заземлителя шаговое напряжение уменьшается. Кривые на рис. 18.3 иллюстрируют растекание тока в земле и показывают величины напряжений прикосновения и шага. Чем меньше напряжения прикосновения и шаговые напряжения, тем безопасней установка для обслуживания.
Уменьшением величины сопротивления растеканию заземлителя можно достигнуть соответствующего снижения напряжения прикосновения и шагового напряжения, а следовательно, и величины тока, протекающего через тело человека.
Рис. 18.3. Кривая распределения потенциала в зависимости от расстояния от заземлителя
В установках напряжением выше 1000 в дополнительное снижение шаговых напряжении и напряжений прикосновения достигается устройством замкнутых контуров заземления. Контуры выполняются в виде одного или нескольких рядов стальных стержней, забитых в землю, соединенных стальной полосой и расположенных в пределах защищаемого объекта. Таким образом, выравниваются потенциалы смежных точек поверхности, а следовательно, уменьшается разность потенциалов, под которой может оказаться человек.
ПУЭ устанавливают определенные требования к величине сопротивления растеканию заземляющих устройств.
В электроустановках напряжением до 1000 в с глухозаземленной нейтралью сопротивление растеканию заземляющего устройства, к которому присоединяются нейтрали генераторов и трансформаторов, должны быть не более 4 ом. При мощности генераторов и трансформаторов 100 кВА и менее это сопротивление может быть увеличено до 10 ом.
В установках напряжением до 1000 в с изолированной нейтралью величины сопротивлений растеканию заземления принимаются те же, что и при глухозаземленной нейтрали.
В сети с глухозаземленной нейтралью, помимо основного заземления нейтрали источника питания, должны быть выполнены повторные заземления. Так, для воздушных линий повторные заземления нулевого провода должны быть не менее чем через каждые 0,25 километра ее длины в конце линии и в конце ответвлений при длине их более 200 м. При этом сопротивление повторных заземлений должно быть не более 10 ом.
В электроустановках напряжением выше 1000 в с большими токами замыкания на землю (более 500 а) сопротивление заземляющего устройства в любое время года не должно превышать 0,5 ом.
В установке напряжением выше 1000 в с малыми токами замыкания на землю сопротивление заземляющего устройства принимается:
а) при общем заземляющем устройстве для установок напряжением до 1000 в и более
; (18.5)
б) при использовании заземляющего устройства только для установок напряжением выше 1000 в.
, (18.6)
где Iз — расчетный ток однофазного замыкания на землю.
При всех условиях не должно быть более 10 ом. Для заземления электроустановок различных назначений и различных напряжений следует применять одно общее заземляющее устройство, которое должно иметь сопротивление растеканию, наименьшее из числа требуемых. ПУЭ устанавливают также, в каких случаях и для каких величин эксплуатационных напряжений электроустановок выполнение заземления обязательно.
В установках напряжением до 36 в переменного и 110 в постоянного тока заземление не требуется, за исключением случаев, оговоренных специальными правилами.
В установках напряжением до 500 в заземление устраивается в помещениях с повышенной опасностью и особо опасных. К помещениям с повышенной опасностью относятся сырые, жаркие, с проводящей пылью и токопроводящими полами (металлическими, земляными, железобетонными и т. п.), а также помещения, в которых возможно одновременное прикосновение человека к имеющим соединение с землей металлоконструкциям зданий, технологическим аппаратам, механизмам и т. п., с одной стороны, и к металлическим корпусам электрооборудования — с другой.
К помещениям особо опасным относятся помещения особо сырые или с химически активной средой, а также помещения,
имеющие одновременное наличие двух или более условии повышенной опасности.
При напряжении 500 а и выше заземление необходимо во всех случаях.
Заземлению подлежат металлические корпуса электрических машин, трансформаторов, пусковой аппаратуры, приводы электрических аппаратов, корпуса светильников, щитов, щитков, металлические конструкции подстанций, трубы электропроводки, металлические оболочки кабелей и т. д. (более подробно см. ПУЭ 1-7-26 и 1-7-28).
В жилых и общественных зданиях заземление обязательно для силовых стационарных электроприемников, например электрических плит, кипятильников и т. п., а также металлических труб и электропроводок к ним. Кроме того, подлежат заземлению металлические корпуса электрооборудования и части электропроводок в лестничных клетках жилых и общественных зданий, душевых, домовых и общественных уборных, банях и тому подобных помещениях.
В ванных комнатах жилых и общественных зданий и в банях корпуса ванн должны быть соединены металлическими проводниками с трубами водопровода для выравнивания потенциалов.
Вместе с тем в помещениях без повышенной опасности жилых и общественных зданий, а также в кухнях квартир, в ванных комнатах и уборных квартир и номеров гостиниц не требуется заземление стационарно установленного осветительного электрооборудования и металлических корпусов переносных электроприемников (электроутюги, чайники, плитки, комнатные холодильники, пылесосы, стиральные и швейные машины и т. д.).
