Теоретический материал

В электрическом снабжении береговых предприятий и судов широко применяются трехфазные электрические сети переменного тока. Поражение человека при случайном прикосновении к токоведущим частям электрической сети зависит от схемы прикосновения человека, напряжения сети, схемы самой сети, режима нейтрали, качества изоляции токоведущих частей от земли, емкости токоведущих частей относительно земли и т.д.

Схемы прикосновения человека к сети могут быть различными, однако наиболее характерными являются схемы двухфазного и однофазного прикосновения (см. рис.8.1)

Во всех случаях напряжение прикладывается к цепи, в которую входит тело человека, обувь, пол или грунт, на котором стоит человек. Та часть напряжения, которая приходится в этой цепи непосредственно на тело человека, называется напряжением прикосновения U_h.

Ток, проходящий через тело человека, равен

(8.1)

Рис. 8.1. Схема прикосновения человека к токоведущим частям

трехфазной сети

а - двухфазное прикосновение; б, в - однофазное прикосновение;

Z_A, Z_B, Z_C - полное сопротивление проводов относительно земли.

где R_h - сопротивление человека - нелинейная величина, зависящая от многих факторов.

При переменном токе частотой 50 Гц опасной для человека является сила тока более 10 мА.

Наибольшую опасность представляет двухфазное прикосновение, так как в этом случае напряжение прикосновения равно линейному напряжению сети, а ток, проходящий через человека

(8.2)

где U_л - линейное напряжение сети, В;

U_ф- фазное напряжение сети, В.

Такие случаи прикосновения на практике сравнительно редки, чаще происходит случайное прикосновение человека к одной фазе трехфазной сети. Это может иметь место, например, при прикосновении к нетоковедущим частям электроустановок (корпуса электрооборудования, оболочки кабелей и т.д.), оказавшимся под напряжением в результате повреждения изоляции. В этом случае, если человек стоит на земле, цепь тока замыкается через землю, причем величина тока, проходящего через тело человека, зависит от режима нейтрали сети, сопротивления изоляции и емкости фаз относительно земли. Нейтраль источника питания трехфазной сети может быть изолированной и глухозаземленной.

Изолированной нейтралью называется нейтраль трансформатора или генератора, не присоединенная к заземляющему устройству или присоединенная через аппараты, компенсирующие емкости сети, трансформаторы напряжения и другие аппараты, имеющие большое сопротивление. Такие сети обычно применяются на судах.

Сеть с глухозаземленной нейтралью характеризуется тем, что точка источника питания соединена с землей через малое сопротивление R_o.

Схемы однофазного прикосновения к токоведущим частям приведены на рис. 8.2.

Рис. 8.2. Однофазное включение человека в сеть

а - с изолированной нейтралью; б - с глухозаземленной нейтралью

В сетях с изолированной нейтралью цепь тока, протекающего через человека, касающегося фазы, включает сопротивления изоляции и емкости фаз относительно земли (рис.8.2, а). На каждом участке длины кабеля изоляция имеет конечное активное сопротивление r и каждый участок кабеля вместе с землей образует емкость С, которые распределены по всей длине провода. При расчете установившегося тока через тело человека эти распределения проводимости и емкости принимают сосредоточенными.

В общем случае сопротивление изоляции и емкость фаз относительно земли несимметричны r_А ¹ r_B ¹ r_C и С_А¹С_В¹ С_С. При равенстве сопротивлений изоляции и емкостей фаз относительно земли, т.е. r_A = r_B = r_C = r и С_А= С_В=С_С = С ток, проходящий через тело человека, случайно прикоснувшегося к фазе А при нормальном режиме работы, равен

, (8.3)

где b<1 - коэффициент, учитывающий падение напряжения в дополнительных сопротивлениях (обувь, пол и т.д.);

Z – полное сопротивление фаз относительно земли. Оно уменьшается с увеличением протяженности сети.

Для обеспечения безопасности сеть с изолированной нейтралью должна иметь высокое сопротивление. В соответствии с «Правилами устройства электроустановок» (ПУЭ) сопротивление изоляции на каждом участке между двумя последовательно установленными предохранителями или за последним предохранителем в сетях напряжением до 1000 В должно быть не ниже 0,5 МОм на фазу. Для судовых электрических сетей нормы сопротивления изоляции рассчитываются в соответствии с ГОСТ 5.6016 «Методика расчета норм сопротивления изоляции судовых электрических сетей» в зависимости от количества электротехнических изделий, имеющих между собой электрическую связь во время измерения.

В процессе эксплуатации под действием влаги, едких паров, пыли и других факторов сопротивление изоляции снижается. Ее состояние должно периодически контролироваться, например, с помощью мегаомметра. Для судовых сетей снижение сопротивления изоляции ниже 0,75 нормы не допускается.

При аварийном режиме работы электрической сети, когда возникает глухое замыкание одной фазы на землю через малое активное сопротивление R₃, токоведущие части, которых может касаться человек в процессе работы, оказываются под напряжением, а напряжение исправных фаз относительно земли возрастает до линейного (рис. 8.3).

В этом случае ток, проходящий через человека при прикосновении к нетоковедущим частям, оказавшимся под напряжением, равен

(8.4)

где I₃ - сила тока однофазного замыкания на землю.

Рис.8.3. Глухое замыкание фазы на землю в сети

с изолированной нейтралью

В разветвленных городских сетях электроснабжение выполняют с заземленной нейтралью (рис. 8.2, б). Сопротивление заземления нейтрали должно быть не более 2, 4 и 8 Ом при линейном напряжении 660, 380 и 220 В соответственно.

Для снижения опасности поражения человека током в случае его прикосновения к токоведущим частям, случайно оказавшимся под напряжением, применяют защитное заземление, зануление и другие средства защиты по ГОСТ 12.1.009 [1] и ГОСТ 12.1.030 [2].

Защитное заземление – это преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Такими частями могут быть корпуса электрических машин, трансформаторов, каркасы распределительных щитов, металлические оболочки кабелей и др.

В электроустановках переменного тока напряжением до 1000 В в сети с изолированной нейтралью или изолированным выводом источника однофазного тока допустимое сопротивление заземляющего устройства R_{з доп.} не должно превышать 4 Ом, при суммарной мощности источника питания (трансформаторов, генераторов) не более 100 кВ×А R_{3 доп.} 10 Ом.

На судах в соответствии с правилами Регистра защитное заземление на корпус судна должно выполняться медной проволокой с площадью сечения равной (0,5…1) от сечения жилы подводящего кабеля.

Защитное действие заземления состоит в том, что оно перераспределяет ток замыкания между заземляющим устройством и человеком (рис.8.4). При этом сила тока замыкания на землю из-за малой величины сопротивления защитного заземления (R_з= 4 Ом) по сравнению с сопротивлением тела человека (R_h= 1000 Ом) существенно превышает силу тока, проходящего через человека.

Рис. 8.4. Схема прикосновения человека к корпусу заземленного оборудования, оказавшегося под напряжением в результате пробоя фазы

Защитное заземление эффективно, если ток замыкания на землю I₃ не увеличивается с уменьшением сопротивления замыкания R₃, т.е. только для сетей с изолированной нейтралью. Ток глухого замыкания на землю здесь определяется проводимостью изоляции исправных фаз. В сетях с заземленной нейтралью защитное заземление менее эффективно, т.к. из-за малого сопротивления нейтрали R_o ток I₃ резко возрастает. Лишь в сетях с напряжением выше 1000 В защитное заземление находит применение, т.к. здесь замыкание на землю является коротким замыканием, приводящим к срабатыванию максимальной токовой защиты.

Для обеспечения безопасности эксплуатации сетей с заземленной нейтралью напряжением до 1000 В в них применяется зануление. т.е. преднамеренное электрическое соединение металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением, с многократно заземленным нулевым проводом.

Повторное заземление нулевого провода выполняется с целью резервирования в случае его обрыва, а также для снижения напряжения на корпусе в момент пробоя фазы. Зануление превращает замыкание на корпус в однофазное короткое замыкание, в результате которого срабатывает максимальная токовая защита. Согласно ПУЭ ток однофазного короткого замыкания должен превышать не менее, чем в 3 раза номинальный ток плавкой вставки ближайшего предохранителя или ток срабатывания расцепителя автоматического выключения с обратнозависимой от тока характеристикой.

Защитное заземление выполняют:

- во всех случаях при переменном номинальном напряжении 380 В и выше и постоянном напряжении 440 В и выше;

- при номинальном переменном напряжении от 42 до 380 В и постоянном - от 110 до 440 В в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных, в наружных установках.

Заземляют либо корпуса электрооборудования в сетях с изолированной нейтралью, либо нейтраль в сетях с глухозаземленной нейтралью, соединяя их проводником с заземлителем (рис. 8.5)

Рис. 8.5.Принципиальная схема защитного заземления

а - в сети с изолированной нейтралью до 1000 В и выше; б - в сети

с заземленной нейтралью выше 1000 В; 1 - заземляемое оборудование;

2 - заземлитель защитного заземления; 3 - заземлитель рабочего

заземления (заземления нейтрали источника тока)

Заземляющее устройство – это совокупность конструктивно объединенных заземляющих проводников и заземлителя. Заземлителем называются одиночные или объединенные в группу металлические проводники электрического тока (электроды), находящиеся в грунте и имеющие с ним электрический контакт. Различают естественные и искусственные заземлители. Естественные заземлители – это металлические заглубленные конструкции (за исключением трубопроводов для горючих жидкостей и газов) или арматура железобетонных конструкций, фундаментов зданий. Искусственные заземлители предназначены только для заземления, в качестве их используют: вертикальные электроды – стержни диаметром до 20 мм, уголки, стальные трубы длиной 2 - 5 м и с толщиной стенок 3,5 мм и более, ввертываемые или забиваемые вертикально в землю; горизонтальные полосы – стальные полосы и стержни, укладываемые горизонтально в траншеи на глубину 0,5 - 0,7 м. Ток, стекая с электрода в землю, растекается по значительному ее объему. Пространство вокруг электрода, в котором наблюдается растекание тока замыкания, представляет собой поле растекания. Растекание тока в грунте зависит от размеров заземлителя, площади его контакта с грунтом, свойств грунта, его удельного сопротивления r (Ом×м), которое всегда больше сопротивления заземлителя. Потенциал на поверхности земли вокруг электрода уменьшается от максимального j_max = I₃×R₃ непосредственно у электрода до 0 на значительном удалении от него (для практических целей применяют расстояние 20 м от заземлителя).

Если человек, находясь на расстоянии C от заземлителя, прикоснется к заземленному оборудованию, оказавшемуся под напряжением (рис.8.6), напряжение прикосновения будет равно:

=(U_з - j_x)b = (j_max - j_x)b = j_maxab = I_з R_зab, (8.5)

где a = (j_{max -}j_x)/j_max - коэффициент напряжения прикосновения, зависящий от конструкции заземлителя и места нахождения человека.

Напряжение прикосновения по мере удаления от места заземления возрастает.

Напряжение между двумя точками цепи тока, на которых одновременно стоит человек и находящимися одна от другой на расстоянии шага, называется шаговым напряжением.

Человек, находясь в поле растекания тока заземлителя, может оказаться под напряжением шага (рис.8.6):

U_{ш =}(j_x - j_x+_c) b = I_зR_зa₁b, (8.6)

где - коэффициент напряжения шага, учитывающий форму кривой уменьшения потенциала по мере удаления от заземлителя.

Ток, протекающий через тело человека, прикоснувшегося к заземленному оборудованию, равен

, (8.7)

Он снижается с уменьшением сопротивления заземления и коэффициента напряжения прикосновения a.

Правильно рассчитанное защитное заземление должно иметь не только малое сопротивление растеканию тока на землю, но и снижать до допустимых величин напряжение прикосновения U_h и напряжение шага U_ш, т.е.

U_hU_h_доп; U_шU_{ш доп}; (8.8)

где U_h_доп, U_ш _доп – предельно-допустимые значения напряжений прикосновения и шага.

Рис. 8.6. Растекание тока в грунте вокруг заземлителя

Расчет сопротивления растеканию тока с заземлителей разных типов проводится в следующей последовательности:

1) Определяют удельное сопротивление грунта r по справочным таблицам в зависимости от вида грунта, глубины заложения заземлителя, климатических условий (см. табл.8.1), либо измеряют. В последнем случае для обеспечения нормативного сопротивления заземляющего устройства в наихудших условиях вымывания или промерзания грунта в формулы необходимо подставить расчетное значение r_расч

r_расч=y × r_изм, (8.9)

где r_изм - измеренное удельное сопротивление грунта;

y - климатический коэффициент (см.табл.8.2).

Таблица 8.1

Приближенные значения удельных электрических сопротивлений грунтов

Грунт	Удельное электрическое сопротивление. Ом.м
Грунт	пределы колебаний	при влажности 10-12% к массе грунта
Песок	400 - 700	700
Супесок	150 - 400	300
Суглинок	40 - 150	100
Глина	8 - 70	40
Чернозем	9 - 530	200

2) Определяют сопротивление одиночного заземлителя R_o. Для одиночного трубчатого или стержневого заземлителя, заглубленного вертикально в грунт на расстояние от поверхности грунта t₀≥0,5 имеем.

Таблица 8.2

Значения расчетных климатических коэффициентов

сопротивления грунта

Характер грунта	Глубина заложения заземлителя, м	Y₁	Y₂	Y₃
Суглинок	0,8 - 3,9	2,0	1,5	1,4
Садовая земля до глубины 0,6 м, ниже слой глины	0 - 3	-	1,3	1,2
Песок	0 - 2	2,4	1,6	1,2
Глина	0 - 2	2,4	1,4	1,2

Примечание. Значениями коэффициента Y₁ пользуются в случае, если сопротивление грунта измерялось при большой влажности; Y₂ - при средней влажности; Y₃ - при сухом грунте.

Ом, (8.10)

где - расстояние от поверхности земли до середины заземлителя, м;

l - длина заземлителя, м;

d - ширина заземлителя, м.

3) Находят сопротивление горизонтальной соединительной полосы R_п.

, Ом (8.11)

где l_пол - длина полосы, м;

b_пол - ширина полосы.

Длина полос при размещении заземлителей в ряд l_пол =L(n-1), м, при размещении по контуру l_пол =L×n, где L – расстояние между заземлителями, n - количество заземлителей.

4) Определяют сопротивление группового заземлителя R_гр, т.е. заземлителя, состоящего из нескольких параллельно соединенных с помощью полос одиночных заземлителей. При одинаковых размерах заземлителей, если расстояние между ними более 40 м, сопротивление группового заземлителя без учета влияния соединительной полосы равно

, (8.12)

Если расстояние между электродами менее 40 м, поля растекания токов как бы накладываются одно на другое, а потенциальные кривые взаимно пересекаются и, складываясь, образуют суммарную потенциальную кривую. Плотность тока на общих участках увеличивается, что приводит к увеличению сопротивления растеканию тока. Поэтому действительное сопротивление группового заземлителя R_{гр д} без учета влияния соединительной полосы равно

_, (8.13)

где h_в – коэффициент использования группового заземлителя или коэффициент экранирования (см.табл.8.3).

5) Определяют действительное сопротивление соединительных полос R_спд

, (8.14)

где h_г - коэффициент использования горизонтальной соединительной полосы (см. табл.8.4) и вертикальных заземлителей

Таблица 8.3

Коэффициент использования h_в вертикальных стержневых заземлителей без учета влияния полосы связи

Число заземли-телей	Отношение расстояний между заземлителями к их длине а/l
	1	2	3	1	2	3
	Заземлители размещены в ряд			Заземлители размещены по контуру
2	0,85	0,91	0,94	-	-	-
4	0,73	0,83	0,89	0,69	0,78	0,85
6	0,65	0,77	0,85	0,61	0,73	0,80
10	0,59	0,74	0,81	0,56	0,68	0,76
20	0,48	0,67	0,76	0,47	0,63	0,71
40	-	-	-	0,41	0,58	0,66
60	-	-	-	0,39	0,55	0,64
100	-	-	-	0,36	0,52	0,62

Таблица 8.4.

Коэффициент использования h_г горизонтального полосового заземлителя, соединяющего вертикальные стержневые заземлители

Число заземли-телей	Отношение расстояний между заземлителями к их длине а/l
	1	2	3	1	2	3
	Стержневые заземлители размещены в ряд			Стержневые заземлители размещены по контуру
2	0,85	0,94	0,96	-	-	-
4	0,77	0,84	0,92	0,45	0,55	0,70
6	0,72	0,80	0,88	0,40	0,48	0,64
10	0,62	0,75	0,82	0,34	0,40	0,56
20	0,42	0,56	0,68	0,27	0,32	0,45
40	-	-	-	0,22	0,29	0,39
60	-	-	-	0,20	0,27	0,36
100	-	-	-	0,19	0,23	0,33

6) Общее сопротивление заземления, выполненного из стержневых заземлителей, объединенных соединительными полосами равно

. (8.15)

Сопротивление заземления измеряют не реже одного раза в год в периоды наименьшей проводимости: летом при наибольшем просыхании грунта или зимой при наибольшем промерзании грунта, а также при перестановке оборудования и ремонте заземлителей. Если измерение покажет, что сопротивление заземляющего устройства R₃ возросло, его следует привести в соответствии с нормой путем, в частности, увеличения числа заземлителей.

Для измерения сопротивления растеканию тока с заземления применяют измеритель заземления МС-08, измеритель сопротивления заземлений Ф 4103-М1 или другие приборы. Для выполнения измерений необходимо иметь два вспомогательных электрода длиной l»0,8 м, которые изготавливают обычно из круглой стали диаметром 15 - 20 мм.

Один из электродов - зонд 3 должен забиваться в грунт на расстоянии не менее 20 м от исследуемого заземлителя, а второй электрод - вспомогательный заземлитель В - на расстоянии не менее 10 м за зондом (рис. 8.7).