Принцип работы защитного заземления

Принцип действия защитного заземления – снижение до безопасного уровня напряжений прикосновений и шага, обусловленных замыканием на корпус и другими причинами. Это достигается путем уменьшения потенциала заземленного оборудования (уменьшением сопротивления заземлителя), а также путем выравнивания потен­циалов основания, на котором стоит человек, и заземленного оборудования (подъемом потенциала основания, на котором стоит человек, до значения. близкого к значению потенциала заземленного оборудования).

Рассмотрим на примере принцип работы защитного заземления. Предположим. что одна из фаз, питающих электроустановку, замкнула на корпус (например, фаза C на рис. 1); при этом образуется цепь тока, проходящая через сопротивление заземляющего устройства R₃ и по ней ток вели–

Рис. 1. Защитное заземление в сетях с изолированной нейтралью

а – принципиальная схема; б – схема растекания потенциала  от одиночного заземлителя

чиной I₃. Падение напряжения на участке R₃ согласно закона Ома равно:

U₃ = I₃ · R₃ · α₁ , (1)

где α₁ – коэффициент прикосновения, учитывающий форму потенциальной кривой растекания тока; для одиночного горизонтального заземлителя и группового заземлителя, расположенного в ряд, α₁ = 1; для группового контурного заземлителя α₁ = 0,1…0,45.

Напряжение прикосновения для человека, который стоит на грунте и касается оказавшегося под напряжением заземленного корпуса, определяется по выражению:

U_h = U₃ · α₂ , (2)

где α₂ – коэффициент прикосновения, учитывающий падение напряжения

на сопротивлении растеканию тока основания, на котором стоит человек (сопротивление пола, обуви и т.п.).

С другой стороны, падение напряжения на участке с сопротивлением тела человека согласно закону Ома определяется по формуле:

U_h = I_h · R_h , (3)

где I_h – ток, проходящий через тело человека по пути «рука–нога», А;

R_h – сопротивление тела человека, Ом; в расчетах принимается равным 1000 Ом.

Решая последнее выражение относительно I_h и учитывая (1) и (2), получают для силы тока через тело человека в случае прикосновения его к корпусу, имеющего заземление:

. (4)

Отсюда видно, что сила тока через тело человека I_h будет тем меньше,

чем меньше, с одной стороны, сопротивление заземления R₃ и, с другой стороны, чем больше сопротивление тела самого человека R_h.

В отсутствии заземления корпуса прикосновение человека к последнему эквивалентно прикосновению к оголенному фазному проводу. В этом случае напряжение прикосновения U_h = U_ф и, как это следует из (1) и (2), человек оказывается под фазным напряжением, а через его тело протекает ток I_h = I₃, который в несколько десятков раз больше, чем при наличии заземления.

В то же время, если заземляющее устройство состоит из одиночного заземлителя, человек может подвергнуться воздействию так называемого шагового напряжения. Это связано с тем, что в месте замыкания, где расположен заземлитель, происходит растекание тока и образуется круговое поле потенциалов с максимальным значением ₀ в месте замыкания. Чем дальше по радиусу от заземлителя, тем меньше потенциал в дан­ной точке.

Если ноги человека не сомкнуты вместе, то они будут иметь разные по величине потенциалы (например, ₁ для правой ноги, ₂ для левой ноги). В этом случае человек, даже не прикоснувшийся к корпусу электроустановки, попадает под напряжение, называемое шаговым и определяемое как разность потенциалов:

U_Ш = ₁ – ₂ = I₃ · R₃ · β₁ , (5)

где β₁ – коэффициент шага, учитывающий форму потенциальной кривой растекания тока; принимается равным β₁ = 0,15…0,60.

Напряжение прикосновения аналогично выражению (2):

U_h = U_Ш · β₂ , (6)

где β₂ – коэффициент шага, учитывающий падение напряжения на сопротивлении растеканию тока основания, на котором стоит человек (сопротивление пола, обуви и т.п.).

Приравнивая друг к другу выражения (6) и (3) и решая относительно I_h, получают:

. (7)

Таким образом, через тело человека (в данном случае – через ноги) пойдет ток. Чтобы избежать это, необходимо устраивать групповой заземлитель, который состоит из нескольких одиночных заземлителей, расположенных либо в ряд, либо по контуру и соединяемых горизонтальной полосой (рис. 2).

В этом случае потенциалы соседних заземлителей накладываются друг на друга, и в зоне обслуживания электроустановки суммарный потенциал будет одинаковым и равным приблизительно ₀. Следовательно, согласно выражению (5) U_Ш = ₁ – ₂ = 0.

Теоретические сведения об эффективности действия защитных

заземляющих устройств

Рассмотрим основные случаи опасности прикосновения человека к корпусу электроустановок, питающихся от понизительных трансформаторов (подстанций) в схемах трехфазных сетей. Для упрощения примем:

1) сопротивление изоляции фазных проводов относительно земли одинаковы и равны R_A= R_B= R_C= R.

2) емкости фазных проводов относительно земли одинаковы и равны C_A= C_B= C_C= C.

В треxпроводной сети с изолированной нейтралью (рис. 3) при отсутствии заземления прикосновение человека к корпусу электроустановки при пробое какой–либо фазы на корпус эквивалентно включению человека в цепь с однофазным касанием. Ток замыкания на корпус I₃ и ток, проходящий через тело человека I_h, будут равны:

EMBED CorelDRAW.Graphic.13 Рис. 2. Защитное заземление в сетях с заземленной нейтралью

а) принципиальная схема; б) схема растекания потенциала  от группового заземлителя

(8)

где U_ф – фазное напряжение, В.

Рис. 3. Защитное заземление в 3-х фазной

3-х проводной сети с изолированной нейтралью

1 – электроустановка; 2 – заземлитель; 3 – проводник

Если заземление исправно (рис. 3), ток замыкания будет:

(9)

Сила тока через тело человека в данном случае определяется по формуле (4).

Наихудший случай – когда повреждена изоляция проводов, т.е. R = 0, при этом выражения (8) и (9) упрощаются, а токи, протекающие через тело

человека, значительно увеличиваются.

В четырехпроводной сети с заземленной нейтралью при отсутствии заземления (рис. 4) ток замыкается через рабочее заземление R₀, которое во много раз меньше сопротивления изоляции фазных проводов. Для этого случая ток, проходящий через тело человека I_h, и ток замыкания I₃ определяется из выражения:

(10)

Если заземление исправно (рис. 4)

(11)

Сила тока через тело человека определяется по формуле (4).

Рис. 4. Защитное заземление в 3-х фазной

4-х проводной сети с (глухо)заземленной нейтралью

1 – электроустановка; 2 – заземлитель; 3 – проводник

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА