4. Учебно-исследовательская
лабораторная работа
Исследование эффективности действия
защитного заземления в электроустановках
напряжением до 1000 В
4.1. Цель и содержание работы
Исследовать влияние защитного заземления на опасность поражения током в электроустановках, питающихся от трёхфазных трёхпроводных сетей с изолированной нейтралью и от трехфазных пятипроводных сетей с заземленной нейтралью напряжением до 1 кВ.
Содержание работы:
1. Исследовать эффективность защитного заземления корпуса электропотребителя, питающегося от трёхфазной трёхпроводной сети с изолированной нейтралью.
2. Исследовать зависимость напряжения на заземлённом корпусе электропотребителя от величины сопротивления его заземляющего устройства в сети с изолированной нейтралью.
3. Оценить опасность поражения током при одновременном замыкании разных фаз сети с изолированной нейтралью на корпуса электропотребителей, имеющих раздельные заземляющие устройства.
4. Исследовать влияние защитного заземления на опасность поражения током при замыкании фазы на корпус электропотребителя, питающегося от трёхфазной пятипроводной сети с заземленной нейтралью.
4.2. Теоретическая часть
4.2.1. Общие сведения
Технический прогресс сопровождается повышением энерговооруженности людей во всех сферах их жизнедеятельности. При этом расширяется номенклатура используемых электроустановок, представляющих собой любое сочетание взаимосвязанного электрооборудования в пределах данного пространства или помещения.
Под электрооборудованием понимается любое оборудование для производства, передачи, распределения или потребления электрической энергии, например: машины, трансформаторы, аппараты, измерительные приборы, устройства защиты, кабельная продукция, электроприемники.
Электрический ток, протекая через организм человека и оказывая тепловое (термическое), электролитическое и биологическое воздействие, может вызывать серьезные последствия для здоровья. И хотя электротравмы (травмы, вызванные воздействием электрического тока или электрической дуги) составляют лишь незначительную часть общего травматизма, количество смертельных электротравм в общем смертельном травматизме велико.
Действие на организм человека электрического тока одних и тех же параметров зависит от окружающей обстановки и состояния самого организма: электрический ток не вызывающий заметного воздействия на организм человека в одних условиях, может привести даже к смертельному исходу в других. Опасность поражения электрическим током усугубляется еще и тем, что он не может быть обнаружен при помощи наших органов чувств.
Защита людей от поражения электрическим током в условиях производства и быту достигается различными способами, одним из которых является защитное заземление.
4.2.2. Назначение, сущность и область применения защитного заземления
Защитное заземление предназначено для защиты людей от поражения электрическим поражающим током при косвенном прикосновении с открытыми проводящими частями электроустановки и сторонними проводящими частями, не являющимися частями электроустановки (например, металлоконструкции здания, металлические газовые сети, водопровод, трубы отопления и т.п. и неэлектрические аппараты, полы и стены из неизоляционного материала), которые могут оказаться под напряжением в случае повреждения.
Под поражающим током понимается ток, проходящий через тело человека, характеристики которого могут обусловить патофизиологические воздействия или вызвать травму.
Под открытой проводящей частью понимается нетоковедущая часть, доступная прикосновению человека, которая может оказаться под напряжением при нарушении изоляции токоведущих частей.
Защитное заземление представляет собой преднамеренное электрическое соединение с землей или её эквивалентом, например, с неизолированным от земли водоемом (в дальнейшем - землей), открытых проводящих частей электроустановки и сторонних проводящих частей, не являющихся частями электоустановки (в дальнейшем – открытых проводящих частей), которые могут оказаться под напряжением в случае повреждения.
Для электроустановок напряжением до 1 кВ в зависимости от типа систем токоведущих проводников (для переменного тока – однофазные двух- и трехпроводные, двухфазные трех- и пятипроводные и трехфазные четырех и пятипроводные и для постоянного тока – двух- и трехпроводные) по ГОСТ Р 50571.2-94 приняты следующие системы заземления: TN, TT, IT.
Буквенные обозначения здесь имеют следующий смысл.
Первая буква в обозначении (I или T) определяет характер заземления источника питания (генератора, трансформатора) (рис.4.1)
Буква I (изолированная нейтраль) обозначает, что все токоведущие части источника питания изолированы от земли, либо одна точка заземлена через приборы или устройства, имеющие большое сопротивление.
Буква Т (TERRA, земля) обозначает, что токоведущая часть (обычно нейтраль) источника питания соединена напрямую с заземляющим устройством (глухо заземленная нейтраль).
Вторая буква обозначает характер заземления открытых проводящих частей электроустановки.
Буква Т обозначает, что открытые проводящие части электроустановки заземлены независимо от характера связи источника питания с землей.
Буква N (нейтраль) обозначает непосредственную связь открытых проводящих частей электроустановки с глухозаземленной нейтралью источника питания.
Система ТN – система, в которой нейтраль источника питания глухо заземлена, а открытые проводящие части электроустановки присоединены к глухозаземленной нейтрали источника посредством нулевых защитных или совместных проводников.
По способу прокладки защитного проводника система TN подразделяется на:
систему TN–C, в которой функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводника совмещены в одном PEN-проводнике на всём её протяжении (рис.4.1а);
систему TN–S в которой нулевой защитный (PE) и нулевой рабочий (N) проводники разделены на всём её протяжении (рис.4.1 б);
систему TN–C–S, в которой функции нулевого рабочего (N) и нулевого защитного (PE) проводников совмещены в одном (PEN) проводнике в какой-то ее части, начиная от источника питания (рис.4.1 в);
Подстанция Электроустановка здания
а
Подстанция Электроустановка здания
б
Подстанция Электроустановка здания
в
Подстанция Электроустановка здания
г
Подстанция Электроустановка здания
д
Рис. 4.1. Типы систем заземления:
а – система TN-C; б – система TN-S; в – система TN-C-S; г – система TT;
д – система IT.
В качестве дополнительной меры в системе ТN может быть применен (а в некоторых случаях обязателен) повторный заземляющий контур на вводе потребителя, который обязательно соединяется с нулевым защитным проводником источника питания.
Система TT – система, в которой нейтраль источника питания глухо заземлена, а открытые проводящие части электроустановки заземлены при помощи заземляющего устройства, электрически независимого от глухозаземлённой нейтрали источника (рис.4.1 г).
Система IT – система, в которой нейтраль источника питания изолирована от земли или заземлена через приборы или устройства, имеющие большое сопротивление, а открытые проводящие части электроустановок заземлены (рис. 4.1 д).
Электроустановки напряжением до 1 кВ жилых, общественных и промышленных зданий и наружных установок, должны, как правило, получать питание от источника с глухозаземлённой нейтралью с применением системы TN.
Система защитного заземления типа TTприменяется в электроустановках напряжением до 1 кВ только в тех случаях, когда условия электробезопасности не могут быть обеспечены системой защитного заземления типаTN(например, для протяжённых линий не обеспечивается нормированное время отключения при помощи аппарата защиты от сверхтока и понижение напряжения прикосновения до безопасных значений).
Электроустановки напряжением до 1 кВ с изолированной нейтралью должны, как правило, иметь систему защитного заземления типа ITпри недопустимости перерыва питания при первом замыкании на землю или на открытые проводящие части.
Соединение открытых проводящих частей с землей осуществляется с помощью заземляющего устройства, представляющего собой совокупность заземлителя и заземляющих проводников.
Под заземлителем понимается проводник (электрод) или совокупность электрически соединенных между собой проводников, находящихся в контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду, например, через неизолированный от земли водоем.
Под заземляющим проводником понимается защитный проводник, соединяющий заземляемые части электроустановки с заземлителем.
В соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) заземлители подразделяются на естественные и искусственные.
В качестве естественных заземлителей могут быть использованы:
металлические трубы водопровода, проложенные в земле;
обсадные трубы буровых скважин;
металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящихся в соприкосновении с землей;
металлические оболочки (кроме алюминиевых) бронированных кабелей, проложенных в земле. Оболочки кабелей могут служить единственными заземлителями при количестве кабелей не менее двух;
рельсовые пути магистральных неэлектрифицированныхжелезных дорог и подъездные пути при наличии преднамеренного устройства перемычек между рельсами;
другие находящиеся в земле металлические конструкции и сооружения.
Искусственные заземлители могут быть выполнены из черной или оцинкованной стали или меди с профилем сечения: круглым, прямоугольным, угловым, трубным и многопроволочным медным канатным. В соответствии с ПУЭ в зависимости от вида материала и профиля сечения устанавливаются диаметры, площади поперечного сечения и толщины стенок (у труб) заземлителей.
Количество, геометрические размеры и способ расположения заземлителей должны обеспечивать при данном сопротивлении грунта необходимую величину сопротивления защитного заземления.
Согласно ГОСТ Р 50571.3-94 и ПУЭ защитное заземление необходимо выполнять в указанных ниже случаях.
При номинальном напряжении более 50 В переменного тока и более 120 В постоянного (выпрямленного) тока – во всех электроустановках;
При номинальном напряжении выше 25 В переменного тока и выше 60 В постоянного (выпрямленного) тока – только в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных электроустановках;
При номинальном напряжении до 25 В переменного тока и до 60 В постоянного тока – только во взрывоопасных зонах и электросварочных установках.
Помещения с повышенной опасностью характеризуются наличием одного из следующих пяти условий, создающих повышенную опасность поражения электрическим током:
сырость, когда относительная влажность воздуха превышает 75 %; такие помещения называют сырыми;
высокая температура, когда температура воздуха под воздействием различных тепловых излучений постоянно или периодически (более 1 суток) превышает +350С; такие помещения называются жаркими;
токопроводящая пыль, когда по условиям производства выделяется технологическая пыль, которая может оседать на токоведущих частях, проникать внутрь машин и аппаратов и т.п.; такие помещения называют пыльными;
токопроводящие полы (металлические, земляные, железобетонные, кирпичные и т.п.);
возможность одновременного прикосновения человека к металлоконструкциям зданий, имеющим соединение с землей, технологическим аппаратам, механизмам и т.п. с одной стороны, и к металлическим корпусам электрооборудования (открытым проводящим частям), с другой.
Помещения особо опасные характеризуются наличием одного из следующих трех условий, создающих особую опасность поражения электрическим током:
особая сырость, когда относительная влажность воздуха близка к 100 % (потолок, стены, пол и предметы, находящиеся в помещении, покрыты влагой);
химически активная или органическая среда, когда постоянно или в течение длительного времени содержатся агрессивные пары, газы, жидкости, образуются отложения или плесень, разрушающие изоляцию и токоведущие части электрооборудования;
одновременное наличие двух или более условий повышенной опасности.
Территория открытых электроустановок в отношении опасности поражения людей электрическим током приравнивается к особо опасным помещениям.
Остальные помещения относятся к помещениям без повышенной опасности.
Защитному заземлению подлежат корпуса электрических машин, трансформаторов, светильников и т.п.; приводы электрических аппаратов; каркасы распределительных щитов, щитов управления, щитков, шкафов и т.п.; металлические конструкции распределительных устройств, кабельные конструкции, кабельные муфты, рукава и трубы электропроводок, лотки, короба, металлические конструкции, на которых устанавливается электрооборудование; металлические оболочки и броня контрольных и силовых кабелей; металлические корпуса передвижных и переносных электроприемников; электрооборудование, установленное на движущихся частях, станков, машин и механизмов и т.п.