Защитное заземление и зануление

Защитное заземление – это преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Оно состоит (рис. 24.6) из заземлителя 3 (металлических проводников, находящихся в земле с хорошим контактом с ней) и заземляющего проводника 2, соединяющего металлический корпус электроустановки 1 с заземлителем.

Совокупность заземлителя и заземляющих проводов называют заземляющим устройством. Защитное заземление применяют в трехфазных трехпроводных и однофазных двухпроводных сетях переменного тока напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью (так называемая система IT), а также в сетях напряжением выше 1000 В переменного и постоянного тока с любым режимом нейтрали.

Защитное действие заземляющего устройства основано на снижении до безопасной величины тока, проходящего через человека в момент касания им поврежденной электроустановки. При попадании напряжения на корпус электроустановки человек, коснувшись ее и имея хороший контакт с землей, замыкает собой электрическую цепь: фаза С – корпус электроустановки 1 – человек – земля – емкостные Х A, X B ) и активные R A, R B сопротивления связи проводов с землей, фазы А и В. По человеку пойдет ток. Несмотря на то что электрические провода сети установлены на изолированных опорах, между ними и землей существует электрическая связь. Она возникает за счет несовершенства изоляции проводов, опор и т.п. и наличия емкости между проводами и землей. При большом протяжении проводов эта связь становится значительной, а ее активное R и емкостное X сопротивления снижаются и становятся соизмеримыми с сопротивлением тела человека. Вот почему, несмотря на отсутствие видимой связи, человек, находящийся под напряжением и имеющий контакт с землей, замыкает собой электрическую цепь между различными фазами сети.

Рис. 24.6. Схема защитного заземления (система IT):

1 – электроустановка; 2 – заземляющий проводник; 3 – заземлитель

При наличии заземляющего устройства образуется дополнительная цепь: фаза С – корпус электроустановки – заземляющее устройство – земля – сопротивления Х А, R A, Х B, R B – фазы A и В. В результате ток замыкания распределяется между заземляющим устройством и человеком. Так как сопротивление заземлителя (оно не должно превышать 10 Ом) во много раз меньше сопротивления человека (1000 Ом), то через тело человека будет проходить малый ток, не вызывающий его поражения. Основная часть тока пойдет по цепи через заземлитель.

Заземлители могут быть естественными и искусственными. В качестве естественных заземлителей используют металлические конструкции и арматуру зданий и сооружений, имеющие хорошее соединение с землей, проложенные в земле водопроводные, канализационные и другие трубопроводы (за исключением трубопроводов горючих жидкостей, горючих и взрывоопасных газов и трубопроводов, покрытых изоляцией для защиты от коррозии).

В качестве искусственных заземлителей применяют одиночные или соединенные в группы металлические электроды длиной 2,5-3,0 м, забитые вертикально в землю с расстоянием друг от друга 2,5-3,0 м или уложенные горизонтально в землю. Электроды изготавливают из отрезков металлических труб, угловой стали, швеллеров с толщиной стенок не менее 4 мм. Более тонкие профили вследствие коррозии быстро выходят из строя.

Вертикальные электроды в групповом заземлителе соединяют между собой с помощью сварки перемычкой, выполненной из аналогичных материалов и тех же сечений, что и сами электроды. Заземляющее устройство должно иметь вывод наружу (на поверхность земли), выполненное на сварке из таких же материалов. Оно служит для подсоединения заземляющего проводника.

Для осуществления заземляющих функций сопротивление заземляющего устройства в электроустановках напряжением до 1000 В в сети с изолированной нейтралью должно быть не более 4 Ом. При мощности генераторов и трансформаторов, питающих сеть, 100 кВ • А и менее допускается сопротивление заземлителей не более 10 Ом. Необходимое сопротивление достигают установкой соответствующего количества электродов в заземлителе, определяемого расчетом. Для глинистых, влажных почв обычно бывает достаточно двух-трех электродов, на сухих песчаных или каменистых участках этого может не хватить.

Сопротивление заземляющего устройства – это отношение напряжения на заземляющем устройстве к току, стекающему с заземлителя в землю.

Различают выносное и контурное заземляющие устройства. Выносное устройство располагают за пределами площадки с заземляемым оборудованием. Его достоинство состоит в возможности выбора грунта с наименьшим удельным сопротивлением. Контурное заземление выполняют забивкой электродов по контуру заземляемого оборудования и между ним. Такая установка электродов создает дополнительный защитный эффект за счет повышения и выравнивания (более равномерного распределения) потенциалов земли в зоне нахождения человека.

Зануление – это преднамеренное электрическое соединение металлических нетоковедущих частей электроустановок, которые могут оказаться под напряжением, с глухозаземленной нейтралью источника тока (генератора или трансформатора).

В четырехпроводных или пятипроводных сетях с нулевым проводом и глухозаземленной нейтралью источника тока напряжением до 1000 В (так называемая система TN) зануление – основное средство защиты. Заземление в таких сетях неэффективно.

Подсоединение корпусов электроустановок к нейтрали источника тока осуществляют с помощью нулевого защитного проводника (РЕ- проводника). Его нельзя путать с нулевым рабочим проводом (N-проводником), который также соединен с нейтралью источника, но служит для питания однофазных электроустановок. Нулевой защитный проводник РЕ прокладывают по трассе фазных проводов, в непосредственной близости от них. Систему, где присутствуют нулевой рабочий провод N и нулевой защитный проводник РЕ, и они разделены на всем протяжении трассы, называют системой TN-S. Буква S означает разделение указанных проводников на всем их протяжении.

В качестве нулевого защитного проводника в сетях до 1000 В в первую очередь рекомендуется использовать нулевой рабочий проводник (кроме специально оговоренных случаев), к которым подсоединяют корпуса электроустановок. В этом случае его называют совмещенным нулевым защитным и нулевым рабочим проводником (PEN-проводником), а саму систему – системой TN-С. Это система TN, в которой нулевой защитный и нулевой рабочий проводники совмещены в одном проводнике на всем ее протяжении (рис. 24.7).

Если же функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников совмещены в одном проводнике только в какой-то ее части, начиная от источника питания, а далее они идут раздельно (первый из них служит для защиты электроустановок, а второй – для питания однофазных электроустановок), то такую систему называют системой TN-C-S.

Рис. 24.7. Схема зануления (система TN-C):

1 – заземлитель нейтрали трансформатора; 2 – источник тока (трансформатор); 3 – нейтраль источника тока; 4 – зануление корпуса трансформатора; 5 – нулевой рабочий (он же и нулевой защитный) провод сети; 6' – нулевой защитный провод электроустановки; 7 – предохранитель; 8 – электроустановка; 9 – повторное заземление нулевого защитного провода сети; L 2, L 3 – фазные провода; PEN – нулевой рабочий проводник и нулевой защитный проводник, совмещенные в одном

Согласно ПУЭ не допускается использовать в качестве РЕ проводников:

• • металлические оболочки изоляционных трубок и трубчатых проводов, несущие тросы при тросовой электропроводке, металлорукава, а так же свинцовые оболочки проводов и кабелей;
• • трубопроводы газоснабжения и другие трубопроводы горючих и взрывоопасных веществ и смесей, трубы канализации и центрального отопления;
• • водопроводные трубы при наличии в них изолирующих вставок.

Защитное действие зануления основано на снижении до безопасной величины тока, проходящего через человека в момент касания им поврежденной электроустановки, и последующем отключении этой установки от сети. Работает зануление следующим образом. При попадании напряжения на корпус зануленной электроустановки 8 (рис. 24.7) бо́льшая часть тока с него пойдет в сеть через нулевой защитный провод 6. Через тело человека по цепи: корпус электроустановки 8 – человек – земля – заземляющее устройство 9 – нулевой рабочий провод 5 пойдет незначительный ток, не вызывающий его поражения (ввиду более высокого сопротивления этой цепи по сравнению с сопротивлением цепи через нулевой защитный провод 6). Одновременно с этим замыкание на корпус фазного провода при такой схеме защиты автоматически превращается в однофазное короткое замыкание между фазным и нулевым рабочим проводом 5 сети, в результате чего через 0,2–7 с срабатывает токовая защита (перегорает предохранитель 7, выключается автоматический выключатель и т.п.) и электроустановка, а вместе с ней и человек, полностью обесточиваются. Таким образом, в первоначальный момент зануление работает аналогично защитному заземлению, а в последующем оно полностью прекращает действие тока на человека. Только при этом ток, проходящий через тело человека до срабатывания защиты, будет в несколько раз меньше, так как сопротивление зануляющего проводника обычно не превышает 0,3 Ом, а допустимое сопротивление заземлителя – 4 Ом.

В запуленных электроустановках до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью с целью надежного обеспечения автоматического отключения аварийного участка проводимость фазных и нулевых защитных проводников и их соединений должна обеспечить ток короткого замыкания, не менее чем в три раза превышающий номинальный ток плавкого элемента ближайшего предохранителя или автоматического выключателя, имеющего расцепитель с обратнозависимой от тока характеристикой (тепловой расцепитель), в 1,4 раза – для автоматических выключателей с электромагнитными расцепителями с силой номинального тока до 100 А и в 1,25 раза – с величиной тока более 100 А.

Нулевой защитный провод 5 сети должен обеспечивать надежное соединение корпусов электроустановок с нейтралью источника. Поэтому все соединения выполняют сварными. В нем запрещается установка предохранителей и выключателей (за исключением случая одновременного отключения и фазных проводов).

Нулевой защитный провод 5 сети заземляют: у источника тока с помощью заземлителя 1; на концах воздушных линий (или ответвлений от них) длиной более 200 м; на вводах воздушной линии к электроустановкам. Повторные заземления 9 необходимы для уменьшения опасности поражения электрическим током при обрыве нулевого провода и замыкании фазы на корпус электроустановки за местом обрыва, а также для снижения напряжения на корпусе в момент срабатывания токовой защиты. Согласно ПУЭ сопротивление заземляющего устройства, к которому присоединена нейтраль источника тока, с учетом естественных и повторных заземлителей нулевого провода должно быть не более 2, 4 и 8 Ом соответственно при линейных напряжениях источника трехфазного тока 660, 380 и 220 В. Сопротивление каждого повторного заземлителя в отдельности должно быть не более 15, 30 и 60 Ом соответственно при тех же напряжениях.

В сети, где применяют зануление, нельзя заземлять корпуса электроустановок без их зануления, так как в случае замыкания фазы на корпус заземленной, но не зануленной электроустановки иод напряжением окажутся все корпуса других зануленных электроустановок. В то же время дополнительное заземление зануленных электроустановок весьма полезно. Оно повышает надежность заземления нулевого провода.

Если в помещении находится несколько электроустановок, то каждую из них заземляют или зануляют, подсоединяя к магистрали заземления (зануления), представляющей собой металлический проводник сечением не менее 100 мм2 (например, стальная полоса 40 х 4 мм), укрепленный по периметру помещения. Магистраль соединяют с заземлителем, или с нулевым защитным проводником (в зависимости от принятой системы защиты), или с тем и другим одновременно.

Последовательное заземление или зануление электроустановок (одна от другой) не разрешается (рис. 24.8).

Заземлители с магистралью зануления заземления соединяют не менее чем двумя проводниками, подсоединяя их к заземлителю в разных местах.

Присоединение заземляющих проводников к заземлителю и заземляющим конструкциям выполняют сваркой, а к главному заземляющему зажиму, корпусам аппаратов, машин и опорам ЛЭП – болтовым соединением (для обеспечения возможности производства измерений) с принятием мер против ослабления контакта и его коррозии.

Рис. 24.8. Схема группового зануления электроустановок:

1, 4, 5 и 6 – правильное зануление электроустановки; 2 и 3 – неправильное зануление электроустановки; 7 – магистраль заземления (зануления)

Для обеспечения надежной защиты сечения всех защитных проводников (РE-проводников) должны быть не менее приведенных в табл. 24.3 при условии выполнения их из тех же материалов, что и фазные проводники.

Таблица 24.3

Наименьшие площади поперечного сечения защитных проводников РЕ

Зануление (заземление) металлических корпусов переносных электроустановок осуществляют дополнительной жилой кабеля (проводником PEN в системе TN-C в системе, где нулевой рабочий и нулевой защитный проводники совмещены в одном PEN- проводнике): третьей жилой для однофазных и четвертой – для трехфазных электроприемников.

Если применяется система с разделенными нулевым рабочим (N) и нулем защитным (РЕ) проводниками (система TN-S), то в питающем кабеле должно быть уже две дополнительные жилы: (N) и (РЕ). То же самое должно быть и в соединительной вилке, и в розетке. Жилы эти проводов должны быть гибкими, медными, их сечение должно быть равно сечению фазных проводников и быть не менее 1,5 мм2.

Втычные соединители (вилки и розетки) должны быть выполнены так, чтобы соединение защитных проводников происходило до соединения фазных проводников, а рассоединение – в обратной последовательности. Обычно это достигается применением у вилки более длинного штыря для защитного проводника (РЕ или PEN), чем для фазных проводов (рис. 24.9 и 24.10).

Если корпуса розетки или вилки выполнены из металла, то к ним также подсоединяют защитные проводники (PEN или РЕ, в зависимости от того, какая система защиты применяется). Во всех случаях вилку подсоединяют к электро- приемнику, розетку – к сети.

Таблица 24.4