РАСЧЁТ СИСТЕМЫ ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Эксплуатация большинства машин связана с применением электрической энергии. Электрический ток, проходя через организм человека, оказывает на него термическое, электролитическое и биологическое действие, вызывая общие и местные электротравмы. Характер воздействия электрического тока на организм человека зависит от ряда факторов: значения и длительности протекания тока через организм, рода и частоты тока и индивидуальных свойств человека.

Анализ несчастных случаев в промышленности показывает, что число травм, вызванных воздействием электрического тока, сравнительно невелико и составляет 0,5 - 1% общего числа несчастных случаев в промышленности, однако среди травм со смертельным исходом электротравмы составляют 20 - 40%.

На практике условиями возникновения электротравм являются:

1) прикосновение к токоведущим частям электрооборудования, находящимся под напряжением (случайное, не вызванное производственной необходимостью прикосновение к оголённым проводам, зажимам, ошибочная подача напряжения во время ремонтов и осмотров);

2) прикосновение к нетоковедущим (токопроводным) частям электрооборудования, случайно оказавшимся под напряжением при повреждении изоляции (прикосновение к корпусу электродвигателя, имеющему замыкание на корпус, или к приводимому им в действие станку);

3) попадание человека в зону действия электрической дуги, нахождение человека вблизи оборванного провода, упавшего на землю (возможность поражения шаговым напряжением).

Замыканием на корпус называется случайное соединение токоведущих частей оборудования с корпусом или другими частями, нормально не находящимися под напряжением, что происходит вследствие повреждения изоляции (старение, износ, механические повреждения).

Замыканием на землю называется случайное электрическое соединение находящихся под напряжением частей электроустановок с землей, сопровождаемое протеканием аварийного тока через грунт. Это может произойти вследствие появления контакта между токоведущими частями и заземленным корпусом оборудования, а также при падении на землю оборванного провода или при повреждении изоляции и т. д.

Во всех перечисленных случаях ток частей оборудования, находящихся под напряжением, проходит в землю непосредственно или через специально предусмотренный для этой цели электрод - заземлитель. Вблизи заземлителя или места непосредственного контакта оборванного провода с землей образуется электрическое поле. Потенциал любой точки этого электрического поля в зависимости от расстояния до электрода изменяется по гиперболическому закону (рис. 1). Потенциалы в точках, удаленных от электрода на расстоянии 20 м и более, принимают равными нулю. Человек, находящийся в поле растекания электрического тока, оказывается под напряжением шага, если его ноги находятся в точках с разными потенциалами (длину шага человека принимают равной 0,8 м).

Как видно из рис. 2, напряжение шага увеличивается по мере приближения человека к месту контакта электрода с землей.

Для защиты от поражения электрическим током при переходе напряжения на конструктивные металлические части оборудования применяются защитное заземление, защитное зануление и защитное отключение.

Защитное заземление представляет собой преднамеренное электрическое соединение с землей или её эквивалентом металлических нетоковедущих частей оборудования, которые могут оказаться под напряжением.

 

Рис. 2. Общая схема растекания тока в грунт

и возникновения шагового напряжения

 

Защитное заземление применяется в трехфазных трёхпроводных сетях напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью, а в сетях с напряжением свыше 1000 В с изолированной и заземленной нейтралью (рис. 3). Защитное заземление может быть эффективным только в том случае, если сила тока замыкания на землю не увеличивается по мере уменьшения сопротивления заземления. Это возможно в сетях с изолированной нейтралью, где при глухом замыкании на землю или на заземлённый корпус сила тока практически не зависит от сопротивления заземления.

 

Рис. 3. Принципиальная схема защитного заземления:

а - в сети с изолированной нейтралью; б - в сети с заземлённой нейтралью.

 

Прикосновение человека к корпусу незаземлённого оборудования, случайно оказавшегося под напряжением, равносильно прикосновению его к фазе.

В случае замыкания на корпус заземлённого электрооборудования последнее окажется под напряжением

U_З = I_З · R_З,

где I_З - сила тока короткого замыкания; R_З - сопротивление заземленного оборудования.

При наличии защитного заземления человек, касаясь оборудования, имеющего замыкание на корпус, окажется под воздействием только части полного напряжения, под которым относительно земли находится электрооборудование (рис. 4). Это напряжение называется напряжением прикосновения и оно будет равно:

U_пр = k · I_З · R_З,

где k - коэффициент напряжения прикосновения, который изменяется от нулевого значения в точке над заземлителем до единицы в точке на границе нулевого потенциала (удаленной от заземлителя на расстоянии 20 м).

Из этого следует, что если человек стоит над заземлителем (k = 0), то напряжение прикосновения и ток равны нулю. Если человек находится вне поля растекания, то он попадает под напряжение прикосновения, равное напряжению заземлителя относительно земли j_з.

 

Рис. 4. Напряжение прикосновения к заземлённым нетоковедущим частям

оборудования, оказавшимся под напряжением: 1– потенциальная кривая,

характеризующая изменение потенциала земли вокруг заземлителя; 2 – кривая,

характеризующая изменение напряжения прикосновения U_пр при изменении

расстояния от заземлителя

Сопротивление защитного заземляющего устройства в несколько сотен раз меньше сопротивления тела человека. Поэтому сила тока, проходящего через человека, в соответствии с законом Кирхгофа будет во столько же раз меньше силы тока короткого замыкания, а значение её будет безопасным для жизни человека.

Защитное зануление – это преднамеренное электрическое соединение токопроводных частей электроустановок, которые могут оказаться под напряжением, к неоднократно заземлённому нулевому проводнику. Схема защитного зануления представлена на рис. 5.

 

Рис. 5. Принципиальная схема

защитного зануления:

1– корпус;

2 – плавкие предохранители, автоматы и т. п.;

R₀ – сопротивление заземления нейтрали источника тока;

R_п – сопротивление повторного заземления нулевого защитного проводника;

I_к – ток короткого замыкания;

Æ – фазный провод;

0 – нулевой провод

 

Область применения защитного зануления – трёхфазные четырехпроводные электрические сети напряжением до 1000 В с заземлённой нейтралью.

Назначение защитного зануления – устранение опасности поражения человека электрическим током при замыкании на корпус. Принцип его действия заключается в превращении замыкания на корпус в однофазное короткое замыкание, в результате чего происходит срабатывание защиты и отключение поврежденной электроустановки от сети.

Защитное отключение – это устройство, обеспечивающее быстрое автоматическое отключение электроустановки от питающей сети при возникновении опасности поражения человека электрическим током. Такая опасность возникает при замыкании фазы на корпус, при снижении сопротивления изоляции и т. п. Схема защитного отключения представлена на рис. 6.

Рис. 6. Принципиальная схема

защитного отключения:

 

ЭУ – электроустановка;

П – кнопка "Пуск";

С – кнопка "Стоп";

К – кнопка "Контрольная";

МП – магнитный пускатель;

РЗ – реле;

КРЗ – катушка реле

 

При появлении напряжения относительно земли на корпус ЭУ под действием катушки КРЗ срабатывает реле РЗ. Контакты реле разрывают цепь обмотки пускателя МП, и неисправная электроустановка ЭУ отключается от сети. Цепь искусственного замыкания, включаемая кнопкой К, служит для контроля исправности схемы отключения.

Защитное отключение может использоваться как самостоятельно, так и в сочетании с защитным заземлением. Оно применяется в тех случаях, когда выполнение защитного заземления связано с большими техническими трудностями (при большом удельном сопротивлении грунта, на скальных грунтах, для передвижных установок и т. д.).