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).

Предположим, что одна из фаз, питающих электроустановку, замкнула на корпус (например, фаза А на рис. 1а). При этом через сопротивление заземляющего устройства R_з потечет ток замыкания на землю величиной I_з. Падение напряжения на участке согласно закона Ома равно:

U_з = I_з * R_з * ₁, (1)

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

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

U_h = U_з * ₂, (2)

где ₂ – 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 закона 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), получим для силы тока через тело человека в случае прикосновения его к корпусу, имеющего заземление:

I_h = I_з * R_з * ₁ * ₂ / R_h. (4)

Отсюда видно, что сила тока через тело человека I_h будет тем меньше, чем меньше, с одной стороны, будет сопротивление заземления R_h и чем больше, с другой стороны, сопротивление тела человека R_h.

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 попадает под напряжение, называемое шаговым и определяемое как разность потенциалов:

U_ш = ₁ – ₂ = I_з * R_з * ₁, (5)

где ₁ – коэффициент шага, учитывающий форму потенциальной кривой растекания тока, ₁ = 0,15  0,60.

Напряжение прикосновения аналогично выражению (2):

U_h = U_ш * ₂, (6)

где ₂ – коэффициент шага, учитывающий падение напряжения на сопротивлении растеканию основания, на котором стоит человек (сопротивление пола, обуви).

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

I_h = I_з * R_з * ₁ * ₂ / R_h. (7)

Во избежание воздействия шагового напряжения необходимо устраивать групповой заземлитель, который состоит из нескольких одиночных заземлителей, расположенных либо в ряд, либо по контуру и соединяемых горизонтальной полосой (Рис.1б). 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 3-фазных сетей. Для упрощения примем:

1. сопротивления изоляции фазных проводов относительно земли одинаковы и равны R = R_A = R_B = R_C;

2. емкости фазных проводов относительно земли одинаковы и равны С = С_A = C_B = С_C.

Рис. 2

В трехпроводной сети с изолированной нейтралью (Рис.2а) 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 I_з равен току, проходящему через тело человека I_h':

I_з = I_h' = U_ф / (R_h + R/3), ( 8 )

где R – сопротивление изоляции фазных проводов относительно земли, Ом.

Если заземление исправно (Рис. 2б), ток замыкания будет:

I_з = U_ф / (R_з + R/3). ( 9 )

Силу тока через тело человека I_h" можно определить по формуле (4), приравняв I_h" = I_h.

Наихудший случай – когда повреждена изоляция проводов, т.е. R = 0, при этом выражения (3) и (9) упрощаются, а токи, протекающие через тело человека, значительно увеличиваются.

Рис. 3

В четырехпроводной сети с заземленной нейтралью при отсутствии заземления (Рис. 3а) ток замыкается через рабочее заземление R₀, которое во много раз меньше сопротивления изоляции фазных проводов R. Ток замыкания на корпус I_з равен току, проходящему через тело человека I_h:

I_з = I_h' = U_ф /(R_h + R₀). (10)

Если же заземление исправно (Рис. 3б):

I_з = U_ф / (R_з + R₀). (11)

Силу тока через тело человека I_h" можно определить по формуле (4), приравняв I_h" = I_h.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Описание лабораторной установки

Стенд типа ОТ-10 предназначен для исследования защитных заземляющих устройств в сетях трехфазного тока с различным режимом нейтрали.

Рис. 4

Стенд представляет собой (Рис. 4) общий каркас коробчатого типа, устанавливаемый на столе и специальной подставке. Конструктивно стенд выполнен в виде отдельных узлов и блоков, монтируемых в металлическом кожухе.

К передней раме каркаса крепится панель, на которой установлены основные элементы управления. На панели нанесена электрическая схема и предусмотрены отверстия для органов управления и регулирования, гнезд для присоединения измерительных приборов к различным участкам схемы.

К задней раме каркаса крепится откидная панель блока трансформаторов, на которой установлены три трансформатора и кронштейн с клеммами заземления, элементами цепи, имитирующими сопротивление грунта, предохранителями.

Напряжение на стенд подается от трехфазной сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 380 В через выключатель В₁ "Сеть" на трансформатор, первичные обмотки которых соединены звездой. При включении стенда в сеть загораются сигнальные лампочки JI₁, JI₂, Л₃, которые включены между нулевым проводом и каждой фазой через диоды Д₁, Д₂, Д₃ и резисторы R₁, R₂, R₃. Три фазы, нулевой провод и провод земли позволяют соответствующими переключениями тумблеров В₂, В₃ моделировать любую схему сетей трехфазного тока.

Каждая фаза и нулевой провод имеют свой блок имитации изоляции. Для имитации изоляции служат резисторы: постоянный типа МЛТ-2-10 кОм±5%, переменный типа СП-1-1А-100 кОм±20%. Для имитации емкости каждой фазы и нулевого провода служат: конденсатор типа МБМ-250-0,25 мкФ±10%, резистор переменный типа СП-1-1А-330 кОм±30%.

Цепи замыкания на корпус подключаются к каждой из фаз и нулевому проводу через переключатели В₄ и В₆. Тумблеры В₅ и В₇ служат для подключения к корпусам Кор.I и Кор.II заземляющих устройств. Аварийный режим замыкания какой-либо фазы на корпус осуществляется кнопками Кн.1 и Кн.2. Резисторы R₁₆, R₁₇, R₁₈, R₁₉ и тумблеры B₈ и В₉ предназначены для двух цепей, имитирующих сопротивление грунта между двумя заземлителями. Предел регулирования сопротивления грунта от 2,4 до 12 кОм.

Гнезда Гн.7-Гн.8 и Гн.15-Гн.16 предназначены для подключения измерительного прибора – амперметра, с помощью которого измеряется величина тока, протекающего через цепь, замкнутую на корпус. Гнезда Гн.9-Гн.10 и Гн.17-Гн.18 предназначены для подключения измерительного прибора – вольтметра, с помощью которого измеряется величина напряжения на корпусе относительно земли. Остальные гнезда необходимы для дополнительных замеров.

Клеммы Кл.1, Кл.2, Кл.3 служат для подключения к заземлителям, при этом каждая клемма должна иметь свой заземлитель. Общим заземлителем объединять клеммы Кл.1, Кл.2, Кл.3 – нельзя!