Трехфазное заземление как работает

Исследование защитных заземляющих устройств в трехфазных сетях переменного тока

Цель работы: ознакомиться с назначением, принципом действия и областью применения защитного заземления, а также исследовать эффективность действия защитного заземления в трехфазных сетях тока напряжением 380 В.

Основные понятия

Защитное заземление – преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом (вода реки, моря, каменный уголь в коренном залегании и т.п.) металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на корпус (т.е. соединения токоведущей части с нетоковедущей в результате, например, повреждения изоляции, падения провода, находящегося под напряжением и т.п.).

Назначение защитного заземления – устранение опасности поражения током в случае прикосновения к корпусу электроустановки и другим нетоковедущим металлическим частям, оказавшимся под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам. Защитное заземление следует отличать от рабочего.

Рабочее заземление – преднамеренное соединение с землей отдельных точек электрических цепей, например, нейтральных точек обмоток генераторов, силовых и измерительных трансформаторов, дугогасящих аппаратов, реакторов поперечной компенсации и др. Рабочее заземление предназначено для обеспечения надлежащей работы электроустановки в нормальных или аварийных условиях и осуществляется непосредственно (т.е. путем соединения проводником заземляемых частей с заземлителем) или через специальные аппараты – пробивные предохранители, разрядники, резисторы и т.п.

Область применения защитного заземления – сети трехфазного тока с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В и выше (Рис. 1а) и сети трехфазного тока с заземленной нейтралью напряжением выше 1000 В (Рис. 1б).

Рис. 1. Схема защитного заземления в сетях:

а) с изолированной нейтралью до 1000 В и выше;

б) с заземленной нейтралью свыше 1000 В

Заземление электроустановок следует выполнять:

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

2) 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.

Заземление электроустановок не требуется при номинальных напряжениях до 42 В переменного тока и до 110 В постоянного тока во всех случаях, кроме электроустановок, расположенных во взрывоопасной зоне.

Действующие в настоящее время «Правила устройства электроустановок» (ПУЭ) требуют, чтобы сопротивление заземляющего устройства, используемого для защитного заземления электрооборудования в сетях с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В, не превышало 4 Ом. Допускается сопротивление заземления не более 10 Ом, если мощность питающих генераторов и трансформаторов не превышает 100 кВА.

Для рабочего заземления в сетях трехфазного тока, напряжением до 1000 В правила требуют, чтобы сопротивление заземляющего устройства, к которому присоединены нейтрали генераторов или трансформаторов, в любое время года должно быть не более 2, 4 и 8 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 330 и 220 В.

В установках напряжением свыше 1000 В в соответствии с ПУЭ сопротивление заземляющих устройств должно быть не более 0,5 Ом в сетях с эффективно заземленной нейтралью и 250/I_з, но не более 10 Ом – в сетях с изолированной нейтралью; если в последнем случае заземляющее устройство служит одновременно для электроустановок напряжением до 1000 В, то сопротивление заземляющего устройства не должно превышать 125/I_з, но не более 10 Ом (или 4 Ом, если это требуется для установок до 1000 В). Здесь I_з – ток замыкания на землю, А.

Защитное заземление. Зануление

Одними из эффективных средств защиты от поражения электрическим током являются защитное заземление и зануление электроустановок. В соответствии с ГОСТ 12.1.009–76: защитное заземление–это преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением;зануление– это преднамеренное электрическое соединение снулевым защитным проводником металлических нетоковедущихчастей, которые могут оказаться под напряжением. В вопросах применения и практического выполнения защитного заземления и зануления следует руководствоваться требованиями не только ПУЭ, но и ГОСТ Р 50571. В ГОСТ Р 50571.2– 94 «Электроустановки зданий. Часть 3. Основные характеристики» приводится классификация систем заземления электрических сетей: IT, TT, TN–С, TN–C–S, TN–S (рис.2). Применительно к сетям переменного тока напряжением до 1 кВ обозначения имеют следующий смысл. Первая буква – характер заземления источника питания (режим нейтрали вторичной обмотки трансформатора):

I – изолированная нейтраль;
Т – глухозаземленная нейтраль.

Вторая буква – характер заземления открытых проводящих частей (металлических корпусов) электроустановки:

Т – непосредственная связь открытых проводящих частей (ОПЧ) с землей (защитное заземление);
N – непосредственная связь ОПЧ с заземленной нейтралью источника питания (зануление).

Последующие буквы (если они имеются) – устройство нулевого рабочего и нулевого защитного проводников:

С – нулевой рабочий (N) и нулевой защитный (РЕ) проводники объединены по всей сети;
C–S – проводники N и РЕ объединены в части сети;
S – проводники N и РЕ работают раздельно во всей сети

Рис. 2. Разновидности систем заземления Проводники, используемые в различных типах сетей, должны иметь определенные обозначения и расцветку (табл. 1). Таблица 1 Обозначение проводников

Наименование проводника		Обозначение		Расцветка
		буквенное	графическое
Нулевой рабочий		N		Голубой
Нулевой защитный (защитный)		PE		Желто-зеленый
Совмещенный нулевой рабочий и нулевой защитный		PEN		Желто-зеленый с голубыми по концам метками, наносимыми при монтаже
Фазный	в трехфазной сети	L₁, L₂, L₃	Все цвета, кроме вышеперечисленных
	в однофазной сети	L

Область применения этих способов защиты определяется режимом нейтрали и классом напряжения электроустановки. Защитное заземление состоит (рис.3) из заземлителя 3 (металлических проводников, находящихся в земле с хорошим контактом с ней) и заземляющего проводника 2, соединяющего металлический корпус электроустановки 1 с заземлителем. Рис. 3. Схема защитного заземления: 1 — электроустановка; 2 — заземляющий проводник; 3 — заземлитель 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, а также в сетях напряжением выше 1000 В переменного и постоянного тока с любым режимом нейтрали. Защитное действие заземляющего устройстваосновано 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 L1 — корпус электроустановки 1 — человек — земля — емкостные Х_L3, Х_L2 и активные R_L₃,R_L₂ сопротивления связи проводов с землей, фазы L3 иL2. По человеку пойдет ток. Несмотря на то что электрические провода сети установлены на изолированных опорах, между ними и землей существует электрическая связь. Она происходит 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. При наличии заземляющего устройства образуется дополнительная цепь: фаза L1 — корпус электроустановки — заземляющее устройство — земля — сопротивления Х_L3,R_L3,X_L2,R_L2 — фазы L3 и L2. В результате этого ток замыкания распределяется между заземляющим устройством и человеком. Так как сопротивление заземлителя (оно должно быть не более 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 естественныхзаземлителей 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, забитые вертикально или уложенные горизонтально в землю. Электроды изготавливают из отрезков металлических труб диаметром не менее 32 мм и толщиной стенок не менее 3,5мм, угловой стали с толщиной полок не менее 4 мм, полосы сечением не менее 100 мм 2 , а также из отрезков швеллеров, прутковой стали диаметром не менее 10мм. Электроды, выполненные из более тонких профилей, вследствие коррозии быстро выходят из строя. Кроме того, тонкие профили имеют малый контакт с землей, поэтому их применение нежелательно. Длину электродов и расстояние между ними принимают не менее 2,5–3,0 м. Между собой вертикальные электроды в групповом заземлителе соединяют 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 функцийсопротивление заземляющего устройствав электроустановках напряжениемдо 1000 Вв сети с изолированной нейтралью должно быть не более 4 Ом. Необходимое сопротивление достигают установкой соответствующего количества электродов в заземлителе, определяемых расчетом. 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 сетях с нулевым проводом и глухозаземленной нейтралью источника тока напряжением до 1000 В зануление — основное средство защиты. 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 прокладывают по трассе фазных проводов, в непосредственной близости от них. 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. 4) большая часть тока с него пойдет в сеть через нулевой защитный провод 6. По цепи: корпус электроустановки 8 — человек — земля — заземляющее устройство 9 — нулевой рабочий провод 5 — пойдет незначительный ток, не вызывающий 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 ссрабатывает токовая защита (перегорает предохранитель 7, срабатывает 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, т.к. сопротивление зануляющего проводника обычно не превышает 0,3 Ом, а сопротивление заземлителя допускается до 4 Ом. Рис. 4. Схема зануления: 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 В зануленных 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, превышающий не менее чем в 3 раза 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. В зануленных 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. Нулевой защитный провод 5 сети (рис. 4) 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; а также 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 ПУЭсопротивление заземляющего устройства, к которому присоединена нейтраль источника тока,с учетом естественных и повторных заземлителей нулевого проводадолжно быть не более2, 4 и 8 Омсоответственно при линейных напряжениях источника трехфазного тока660, 380 и 220 В.Общее сопротивлениерастеканию заземлителей (в том числе естественных) всех повторныхзаземленийPEN–проводника каждой ВЛ в любое время года должно быть не более 5, 10 и 20 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В источника трехфазного токаили380, 220 и 127 В источника однофазного тока. При этомсопротивление растеканию заземлителякаждого из повторных заземлений должно быть не более 15, 30 и 60 Ом соответственно при тех же напряжениях.При удельном сопротивлении земли ρ_о> 100 Ом∙м допускается увеличивать указанные нормы в 0,01 ρ_ораз, но не более десятикратного.Зануление (заземление) металлических корпусов переносных электроустановок осуществляют третьей жилой для однофазных или четвертой жилой для трехфазных электроприемников, находящейся в одной оболочке с фазными проводами. Жилы этих проводов должны быть гибкими, медными, их сечение должно быть равно сечению фазных проводников и быть не менее1,5 мм2 . Втычные соединители (вилки и розетки) должны быть выполнены так, чтобы соединение заземляющих и нулевых защитных проводников происходило до соединения фазных проводников, а рассоединение происходило в обратной последовательности. Обычно это достигают применением у вилки более длинного штыря для защитного проводника, чем для фазных проводов. Во всех случаях вилку подсоединяют к электроприемнику, розетку — к сети.

Средства индивидуальной защитыот поражения электрическим током

Средства индивидуальной защиты от поражения электрическим током — электрозащитные средства (ЭЗС), которые делятся на основные и дополнительные. Основные ЭЗС — это средства защиты, изоляция которых длительно выдерживает рабочее напряжение электроустановок, что позволяет с помощью их прикасаться к токоведущим частям, находящимся под напряжением. Для работы на электроустановках до 1000 В к ним относятся: изолирующие штанги, изолирующие и электроизмерительные клещи, диэлектрические перчатки,слесарно-монтажный инструмент с изолированными рукоятками, указатели напряжения. При напряжении электроустановки свыше 1000 В основные средства включают изолирующие штанги, изолирующие и электроизмерительные клещи, указатели напряжения.Дополнительные ЭЗС — это средства защиты, изоляция которых не может длительно выдерживать рабочее напряжение электроустановок. Они применяются для защиты от напряжения прикосновения и шага, а при работе под напряжением исключительно с основными ЭЗС. К ним относятся: при напряжении до1000 В — диэлектрические галоши, коврики, изолирующие подставки; свыше 1000 В — диэлектрические перчатки, боты, коврики, изолирующие подставки.ЭЗС должны иметь маркировку с указанием напряжения, на которое они рассчитаны, их изолирующие свойства подлежат периодической проверке в установленные нормативами сроки. Сроки испытаний защитных средств от поражения электрическим током представлены в табл.2. Таблица 2 Сроки испытаний защитных средств от поражения электрическим током (фрагмент)

Защитное средство	Напряжение электроуста-новки	Срок периодичес-ких испытаний, мес.	Срок периодических осмотров, мес.
Изолирующие клещи	до 1000В	24	12
Указатели напряжения, работающие на принципе протекания активного тока	до 500В	12	перед употреблением
Инструмент с изолирующими рукоятками	до 1000В	12	то же
Перчатки резиновые диэлектрические	до 1000В	6	то же
Галоши резиновые диэлектрические	до 1000В	12	6
Коврики резиновые диэлектрические	до 1000В	24	12

Защитное заземление трехпроводных сетей трехфазного тока

Вследствие того что сопротивление изоляции R_m проводов электрической сети ограничено (не бесконечно велико) между линейными проводами возникают токи утечки /_у, которые замыкаются через землю. На рис. 12.15 распределенное по длине провода сопротивление изоляции для наглядности условно изображено сосредоточенным.

Если человек, стоящий на земле, коснется даже одного оголенного провода линии, он

окажется в опасности, так как почти весь ток утечки будет протекать через его тело, а величина тока утечки в мощных энергосистемах обычно превышает опасное значение 50 мА.

поскольку »/?_чел, практически весь ток утечки будет проходить через человека.

Конечно, случаи, когда стоящий на земле человек касается оголенного провода энергосистемы, редки и должны быть исключены совсем. Для этого токоведущие части электроустановок закрываются кожухами, применяются ограждения и блокировки,автоматически выключающие напряжение, когда человек входит внутрь ограждений. В местах опасности вывешиваются таблицы и плакаты. Обслуживающий персонал проходит курс техники безопасности,

Действительно, как это очевидно из рис. 12.16, ток утечки распределяется между параллельными ветвями R_4ejl и R_m, а

инструктируется, снабжается резиновыми перчатками, ботами, изолирующими ковриками и подставками.

Опасность протекания через тело человека токов утечки возникает в других случаях, а именно в случаях, когда вследствие повреждения изоляции под током оказываются металлические части и станины машин, нормально не соединенные с токоведущими деталями.

Для обеспечения безопасности в этом случае применяется защитное заземление металлических частей электротехнических установок, нормально не находящихся под напряжением. Заземление осуществляется при помощи стальных труб, полос, уголков, которые закладываются в почве на достаточной глубине и соединяются с заземляемыми деталями стальными полосами (шинами). На рис. 12.17 показано такое защитное заземление.

Если произойдет повреждение изоляции и корпус двигателя окажется соединенным с проводом сети, то человеку, прикоснувшемуся к заземленному корпусу двигателя, нс угрожает никакая опасность.

Действительно, в этом случае ток утечки распределяется между параллельными ветвями /?_чсл и R_t (рис. 12.18).

Поскольку сопротивление тела человека значительно больше, чем сопротивление заземлителя Я_чел » /. ₎ то практически весь ток утечки будет проходить через заземлитель. Конечно, все сказанное справедливо, если заземлитель правильно рассчитан и тщательно выполнен. При повышенном сопротивлении заземлителя опасность поражения человека токами утечки остается.

Карточка №12.12 (201)

Защитное заземление трехпроводных сетей трехфазного

Проводимость изоляций одного метра провода равна 10 -7 См/м (сопротивление 10 МОм-м)

а) проводимость;
б) сопротивление изоляции провода длиной 2 км.

а) 5Ю _10 См; б)0,2-10 ш Ом

а)210“ 4 См; б)5Ю 3 0м

а)2 10“ 3 См; 6)0,5 10 3 Ом

а) 10 См; б) 0,1 Ом

Определите ток утечки рассмотренного выше провода при напряжении 380 В.

Защитное заземление четырехпроводных сетей трехфазного тока

В рассмотренных выше трехпроводных линиях при пробое изоляции и соединении одного из линейных проводов с корпусом двигателя защита из плавких предохранителей не срабатывает, так как токи утечки недостаточны для пережигания плавкой вставки. Чтобы срабатывала

защита, можно оыло

бы точку 0, помеченную на рис. 12.17, заземлить, как это показано пунктиром на рис. 12.19. Тогда при пробое изоляции возникало бы короткое замыкание фазы через землю и плавкая вставка перегорела бы. Но такое заземление нулевой точки в трехпроводной сети недопустимо, так как прикосновение человека к корпусу поврежденного двигателя было бы смертельно опасным.

Действительно, в этом случае через параллельно соединенные заземлитель и тело человека будет протекать уже не ток утечки, а ток короткого замыкания (рис. 12.20) и, несмотря на то, что Л, «: Л_чсл, относительно небольшая часть тока короткого замыкания, протекающая через человека, в абсолютном выражении может значительно превышать опасный ток (50 мА).

Иначе обстоит дело в четырехпроводных сетях трехфазного тока. Здесь можно построить такую систему защиты, которая надежно срабатывала бы при каждом пробое изоляции и попадании напряжения на корпус двигателя. Для этого достаточно корпус двигателя и другие металлические части электротехнических установок, нормально не находящихся под напряжением, надежно соединить с помощью стальных полос или проводов с нулевым проводом, как показано на рис. 12.21. Теперь пробой изоляции приводит к короткому замыканию фазы генератора. Соответствующая плавкая вставка в течение долей секунды перегорает и отключает от сети поврежденный участок.

Такое соединение металлических частей электротехнических установок с нулевым проводом иногда называют занулением.

Для перегорания плавкой вставки нужно некоторое время. В течение этого времени человек, прикоснувшийся к поврежденному двигателю, будет соединен с линейным проводом и через его тело потечет ток утечки. Чтобы защитить человека от тока утечки, корпус двигателя (и все металлические части электротехнических установок, не находящиеся под напряжением) нужно заземлить. Однако проще заземлить сам нулевой провод, так как все металлические части уже соединены с ним, и тогда нет необходимости тянуть дополнительные шины к электротехническим установкам. Полученная схема (она изображена на рис. 12.21) получила широкое распространение. Такую сеть называют четырехпроводной сетью с заземленной нейтралью.

Категорически запрещается в четырехпроводной сети трехфазного тока с заземленной нейтралью заземлять корпусы электротехнических установок, не соединив эти корпусы с нулевым проводом. Если нарушить этот запрет, получим опасную схему, изображенную на рис. 12.19.

Карточка № 12.13 (204)

Защитное заземление четырехпроводных сетей трехфазного

Допустимо ли заземление средней точки генератора или питающего трансформатора для повышения безопасности в трехпроводной трехфазной цепи?

Такое заземление нецелесообразно, так как не влияет на условия безопасности

Такое заземление недопустимо, так как резко увеличивает вероятность поражения

Через параллельно соединенные заземлитель и тело человека протекает ток короткого замыкания 30 А.

Л_чсл = 2990 Ом. Определите ток, протекающий через тело человека.