Заземляющие устройства

Роль заземления. Многие электрические установки в сельскохозяй­ственном производстве работают в весьма неблагоприятных условиях (атмосферные воздействия, значительное содержание агрессивных паров, газов, пыли, повышенная влажность, вибрации и др.), которые пагубно сказываются на состоянии изоляции. Естественно, в таких условиях увеличивается вероятность появления на корпусах машин, трансформаторов, генераторов и других электрических аппаратов и приборов потенциала, в ряде случаев представляющего собой боль­шую опасность для обслуживающего персонала.

Для обеспечения безопасности людей и животных необходимо выполнять заземляющие устройства, к которым следует надежно подключать металлические части электроустановок и корпуса элект­рооборудования, могущие оказаться под напряжением вследствие нарушения изоляции.

Защитная роль заземляющего устройства может быть объяснена схемами, приведенными на рисунке 5.4.

Рис. 5.4. Цепи токов при различных вариантах прикосновения человека к корпусу электроустановки: а - корпус не заземлен; б - корпус заземлен;

в - схема замещения для рисунка 6; R_из - сопротивление изоляции сети;

R_ч - сопротивление человека с учетом переходного сопро­тивления от ног

к земле; R₃ - сопротивление растеканию заземления; КЗ - место корот­кого замыкания на корпус.

Здесь схематично показано замыкание фазы А на корпус в генераторе Г электростанции электро­стригального агрегата. Обмотка генератора соединена в треугольник. Сеть электростригального агрегата, выполненная шланговым про­водом, имеет сравнительно большую емкостную связь с землей. Но, кроме емкостной связи С сземлей, в каком-либо двигателе (а их общее число достигает нескольких десятков) может быть неисправ­на изоляция, например, вследствие повышенной влажности. Если человек прикоснется к корпусу генератора, изолированному от земли (рис. 5.4, а), что равносильно прикосновению к фазе А, он окажется включенным в электрическую цепь: фаза А (на корпу­се) — тело человека — земля — емкость и сопротивление изоляции между землей и фазами В и С. Если же общее сопротивление этой цепи будет таким, что ток через тело человека окажется равным или больше 0,05 А, то несчастный случай может окончиться смертельным исходом.

Напряжение прикосновения U_пр. Человек оказался включенным здесь на фазное напряжение - между фазой А и искусственной нуле­вой точкой, созданной емкостями С и сопротивлениями утечки R_из. Особенно опасным будет случай, когда в сети произошло замыкание на землю и второй фазы. Тогда человек окажется включенным на линейное напряжение.

В случае, когда корпус генератора Г (трансформатора) заземлен (рис. 5.4, б), ток поврежденной фазы пойдет в землю по двум параллельным путям: заземлению и телу человека, причем ток через тело человека будет во столько раз меньше тока через заземление, во сколько раз сопротивление его тела плюс переходное сопротивле­ние ноги - земля R_ч будет больше общего сопротивления R₃ зазем­ляющего устройства. Напряжение на теле человека (рис. 5.4, в)

(5.5)

Это напряжение называется напряжением прикосновения.

На рисунке 5.5, а показаны два случая: один из двигателей М1 находится непосредственно в зоне заземления, а второй М2 — на некотором расстоянии от заземления (для этого двигателя заземление является выносным).

Рис. 5.5. Растекание тока с заземлителя и характер изменения потенциала вокруг него: 3 - заземлитель; М1 и М2 - электродвигатели; φ_к - потенциал на корпусе электродвигателя (на заземлителях); U_пр - напряжение прикосновения; U_ш - напряжение шаговое.

Напряжение прикосновения в первом случае значительно меньше, чем во втором, поскольку в первом случае коэффициент прикосно­вения k, равный отношению k = U_пр / U_к = U_пр /(I₃R₃), значительно мень­ше единицы, а во втором — равен единице.

Таким образом ток через тело человека, касающегося двигателя М2 (рис. 5.5, а), из формулы (5.5)

(5.6)

а через тело человека, касающегося двигателя М1,

(5.7)

где k - коэффициент прикосновения.

Шаговое напряжение. На рисунке 5.5, б показан характер расте­кания тока с заземлителя и формирование шаговых напряжений.

Рис. 5.5, б.

Ток с заземлителя 3 растекается во все стороны равномерно. Сила тока, проходящего через элементы сферы I, II, III, IV, одина­ковая, условно равная I. На любых двух соседних точках, взятых в радиальном направлении от заземлителя, ток I создает падение напряжение U = IR, где R — сопротивление участка сферы между взятыми точками. Чем дальше от заземлителя взяты точки с одина­ковым расстоянием между ними (например, средняя длина шага человека), тем меньше напряжение между этими точками.

Представим себе четырех человек, идущих в направлении к заземлителю. Ноги первого человека находятся в точках 1 и 2, второго - в точках 3 и 4, третьего - 5 и 6, четвертого - 7 и 8. Длину шага каждого человека примем одинаковой, равной ш. Пусть расстояние от первого человека до заземлителя равно r, от второго до заземлителя - 2r, от третьего - 3r, от четвертого – 4r. Найдем и срав­ним шаговые напряжения, то есть напряжения между ступнями каждо­го из людей, находящихся на разных расстояниях от заземлителей.

Напряжение между каждой парой точек — 1 и 2, 3 и 4 и т. д. — может быть подсчитано по формуле:

(5.8)

где ρ - удельное сопротивление земли; ш - длина шага; S_i = 2πr_i² - площадь сечения проводника (участка сферы земли); r_i - расстояние (радиус) от центра сферы - зазем­лителя до середины рассматриваемой пары точек.

Подставляя значение S_i, в равенство (5.8), получим:

(5.9)

то есть шаговое напряжение убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от заземлителя.

Если для первого человека, находящегося на расстоянии r от заземлителя, шаговое напряжение составляет U_ш1, то для второго U_ш2 ⁼ U_ш1 /4, для третьего U_ш3 = U_ш1 /9, для четвертого U_ш4 = U_ш1 /16.

Если шаговые напряжения представить как разности потенциалов в рассматриваемых точках по отношению к потенциалу удаленной точки земли (от 20 м у одиночного заземлителя и далее и от 40 м от заземляющего контура и далее), равному нулю, то можно построить график, наглядно показывающий, как убывает потенциал точек земли с удалением от заземлителя, а также найти напряжение (как раз­ность потенциалов) между любыми двумя точками на поверхности земли. Этот график построен в верхней части рисунка 5.5, б. Полный потенциал заземлителя по отношению к удаленным точкам земли равен φ вольт. Потенциалы точек 1, 2, 3 к т. д. соответст­венно равны φ ₁, φ ₂, φ ₃ и т. д. И соответственно шаговые напряжения U_ш равны разности потенциалов тех точек, где находятся ступни человека.

Заземляющие устройства. Описанный выше тип заземлений назы­вают защитным. Защитное заземление - надежное средство снижения потенциала на корпусах и других металлических нетоковедущих частях до безопасного значения.

Рабочее заземление - это заземление нейтралей генераторов, трансформаторов, фазы при использовании земли в качестве рабочего провода и т. д.

Заземление молниезащиты служит для отвода в землю тока молнии от разрядников и молниеотводов.

Заземлителем называют металлический проводник (стержень, полосу и т. п.), электрически соединяющий заземляемую деталь электроустановки с землей. Заземляющее устройство (контур) состоит из ряда заземлителей, электрически соединенных между собой метал­лической полосой, проводом, лентой и т. п.

Основная электрическая характеристика заземлителя или заземляющего контура - это сопротивление растеканию тока.

Сопротивление заземления при протекании тока замыкания на землю 50 Гц называется стационарным. При протекании им­пульсного тока при разряде молнии импульсное сопротивление заземления может быть больше стационарного, если заземлитель протяженный. При тщательных расчетах заземлителей это обстоя­тельство должно учитываться импульсным коэффициентом.

Если при устройстве заземления из нескольких заземлителей сопротивление каждого из них, отдельно взятого, равно R₃, то общее сопротивление всего устройства R_к при числе п заземлите­лей R_к = R₃ / п будет лишь тогда, когда заземлители находятся на расстоянии не менее 20 м друг от друга и их взаимное влияние ничтожно.

Если же заземлители расположены ближе и каждый из них находится в сфере растекания тока с других заземлителей, то на общее сопротивление контура значительное влияние оказывает взаимоэкранирование, которое объясняется взаимодействием элект­рических полей, образуемых токами, растекающимися с зазем­лителей.

Рисунок 5.6, а иллюстрирует явление взаимоэкранирования и распределение потенциалов вокруг устройства. Взаимоэкранирование отдельных заземлителей в устройстве учитывается коэффициентом использования заземлителей, который всегда меньше единицы. Его значение принимают в результате анализа кривых, построенных по экспериментальным данным (рис. 5.6, б и в).

Рис. 5.6. Взаимоэкранирование и распределение потенциала в

заземляющем устройст­ве (а) и кривые для определения коэффициента

использования заземлителей в устройстве при расположении их в ряд (б) или по контуру (в)

Общее сопротивление R_у устройства, состоящего из п заземли­телей, при условии, что сопротивления всех заземлителей, равны между собой,

(5.10)

где R_з - сопротивление растеканию отдельного заземлителя; п - число заземлителей в устройстве; η - коэффициент использования заземлителей, взятый по эксперимен­тально построенным кривым или найденный в справочниках.

Зануление - основная мера защиты от поражения электрическим током в электроустановках напряжением до 1000 В с глухо-заземленной нейтралью источника питания в случае прикосновения к металлическим корпусам электрооборудования и металлическим конструкциям, оказавшимся под напряжением вследствие поврежде­ния изоляции сети или электроустановок.

Занулением называется преднамеренное электрическое соеди­нение металлических частей, нормально не находящихся под напряжением, с глухозаземленной нейтралью источника питания посредством нулевых защитных проводников. При этом не требуется предусматривать дополнительное заземление зануленных элементов электроустановок. Нулевой же провод может иметь повторные заземления.

Всякое замыкание токоведущих частей на зануленные части превращается таким образом в однофазное короткое замыкание, что приводит к отключению аварийного участка сети. [3, 454-459].