Технічні способи та засоби захисту при переході напруг на нормально неструмопровідні частини електроустановок

Захисне заземлення застосовують у мережах з напругою до 1000 В з ізольованою нейтраллю та в мережах напругою вище 1000 В з будь-яким режимом нейтралі джерела живлення (рис. 11).

Захисне заземлення – це навмисне електричне з’єднання із землею або з її еквівалентом металевих нормально не струмопровідних частин, які можуть опинитися під напругою. Призначення захисного заземлення полягає в тому, щоб у випадку появи напруги на металевих конструктивних частинах електроустаткування забезпечити захист людини від ураження електричним струмом при її доторканні до таких частин.

Принцип дії захисного заземлення в мережах з ізольованою нейтраллю полягає в зменшені до безпечних значень напруги доторкання та кроку, зумовлених замиканням на корпус. Це досягається зменшенням потенціалу на корпусі заземленого устаткування, а також вирівнюванням потенціалів, тобто підвищенням потенціалу основи до потенціалу заземленого устаткування.

В електроустановках напругою вище 1000 В з ефективно заземленою нейтраллю замикання на корпус завдяки наявності захисного заземлення перетворюється на коротке замикання. При цьому спрацьовує максимальний струмів захист і пошкоджена ділянка електроустановки вимикається.

Якщо корпус устаткування є незаземленим і відбулося замикання нього однієї із фаз, то доторкання до такого корпуса рівнозначно доторканню до фази. Якщо ж корпус електрично з’єднаний із землею, то він опиниться під напругою замикання , а людина, яка доторкається до такого корпуса, згідно з формулою 16 потрапляє під напругу доторкання . Струм, який пройде через людину, в такому випадку визначається із рівняння:

, (21)

звідки видно, що чим меншими є значення Rз та α, тим менший струм пройде через тіло людини, яка стоїть на землі і доторкається до корпуса устаткування.

Заземлювальним пристроєм називають сукупність конструктивно об’єднаних заземлювальних провідників та заземлювача. Заземлювач – провідник або сукупність електрично з’єднаних провідників, які перебувають у контакті із землею, або її еквівалентом. Заземлювачі бувають природні та штучні. Як природні заземлювачі використовують електропровідні частини будівельних і виробничих конструкцій, а також комунікацій, які мають надійний контакт із землею (водогінні та каналізаційні трубопроводи, фундаменти будівель і т.п.). Для штучних заземлювачів використовують сталеві труби діаметром 35 – 50 мм (товщина стінок не менше 3,5 мм) та кутники (40×40 та 60×60 мм) довжиною 2,5 – 3,0 м, а також сталеві прути діаметром не менше ніж 10 мм та довжиною до 10 м. В більшості випадків штучні вертикальні заземлювачі знаходяться у землі на глибині h = 0,5 – 0,8 м (рис. 12). Вертикальні заземлювачі з’єднують між собою штабою з поперечним перерізом не менше ніж 4×12 мм або прутком з діаметром не менше ніж 6 мм за допомогою зварювання. Приєднання заземлювального провідника до корпуса устаткування здійснюється зваркою або болтами.

Об’єкти, що підлягають заземленню приєднуються до магістралі заземлення виключно паралельно за допомогою окремого провідника (рис. 13).

Залежно від розташування заземлювачів стосовно устаткування, що підлягає заземленню, розрізняють виносне (зосереджене) та контурне (розподілене) заземлення. Перевага виносного заземлення (рис. 13, а) полягає в тому, що можна вибрати місце розташування заземлювачів з найменшим опором грунту (землі). Заземлювачі контурного заземлення (рис. 13, б) розташовують безпосередньо біля периметра (контура) дільниці, на якій знаходиться заземлювальне устаткування. Це дозволяє вирівняти потенціали всередині контура, а відтак – знизити напругу доторкання та кроку. Тому більш ефективним з точки зору електробезпеки є контурне заземлення.

Правила улаштування електроустановок (ПУЕ) обмежують найбільші опори заземлення:

• для електроустановок напругою до 1000 В:

- при сумарній потужності генераторів або трансформаторів в мережі живлення не більше 100кВт або 100 кВА – 10 Ом;

- в інших випадках – 4 Ом;

• для електроустановок напругою вище 1000 В:

- при ефективно заземленій нейтралі мережі живлення (напругах 110 кВ та вище і великих струмах замикання на землю) – 0,5 Ом;

- при ізольованій нейтралі мережі живлення (напругах до 35 кВ включно) та умові, що заземлювач використовується тільки для електроустановок напругою вище 1000 В – ≤ 10 Ом;

- те ж саме, але при умові, що заземлювач використовується одночасно для електроустановок напругою до 1000 В – ; при цьому приймається найменший розрахунковий опір або потрібний для електроустановок напругою до 1000 В.

Відповідно до ПУЕ захисне заземлення належить виконувати:

§ при напрузі змінного струму 380 В і вище та 440 В і вище для постійного струму – у всіх електроустановках;

§ при номінальних напругах змінного струму вище 42 В та постійного струму вище 110 В – лише в електроустановках, що знаходяться в приміщеннях з підвищеною небезпекою, особливо небезпечних, а також у зовнішніх електроустановках;

§ при будь-якій напрузі змінного та постійного струму – у вибухонебезпечних установках.

В процесі експлуатації електроустановок можливе порушення цілісності заземлювальних провідників та підвищення опору заземлення вище норми. Тому ПУЕ передбачено проведення візуального контролю (огляду) цілісності заземлювальних провідників та вимірювання опору заземлення. Такі вимірювання проводять, як правило, при найменшій провідності грунту: літом – при найбільшому висиханні чи зимою – при найбільшому промерзанні грунту. Вимірювання опору заземлення належить проводити після монтажу електроустановки, після її ремонту чи реконструкції, а також не рідше одного разу на рік.

Занулення. Заземлення корпусів електрообладнання, що споживає електроенергію від мережі напругою до 1000 В з глухозаземленою нейтраллю джерела, неефективне, бо при замиканні фази на корпус напруга на ньому відносно землі досягає значення більшого чи рівного половині фазного, а струм замикання на землю недостатній для спрацьовування максимального струмового захисту. Тому в таких мережах застосовується занулення корпусів електроустаткування.

Занулення – це навмисне електричне з’єднання з нульовим захисним провідником металевих нормально неструмопровідних частин, які можуть опинитися під напругою.

Нульовий захисний провідник – це провідник, який з’єднує частини, що підлягають зануленню, з глухозаземленою нейтральною точкою обмотки джерела струму або її еквівалентом.

Принцип дії занулення полягає в перетворені замикання фази на корпус в однофазне коротке замикання, тобто замикання між фазним і нульовим провідниками, з метою одержання великого струму, здатного забезпечити спрацьовування максимального струмового захисту. Внаслідок цього електроустановка автоматично вимикається апаратом захисту від струмів короткого замикання. Сила цього струму обумовлюється фазною напругою та повним опором ланцюга короткого замикання (петля фаза – нуль) і визначається за формулою:

, (22)

де RФ – активний опір фазного провідника, Ом; R0 – активний опір нульового провідника, Ом; LФ – індуктивність фазного провідника, Гн; L0 – індуктивність нульового провідника, Гн; ZТ - розрахунковий опір трансформатора, Ом.

Для зменшення небезпеки ураження струмом, яка виникає внаслідок обриву нульового провідника, влаштовують (багатократно) додаткове заземлення нульового провідника Rд (рис. 14).

У схемі без повторного заземлення нульового провідника потенціал відносно землі корпуса пошкодженого обладнання, якщо зневажати опором трансформатора та індуктивним опором петлі фаза – нуль, при замиканні фази на корпус визначається залежністю:

, (23)

а при наявності повторного заземлення нульового провідника:

. (24)

У випадку обриву нульового провідника між джерелом живлення та пошкодженим електрообладнанням потенціал корпуса відносно землі, якщо немає повторного заземлення нульового провідника, дорівнює фазній напрузі φк = UФ, а при наявності повторного заземлення:

. (25)

Таким чином, повторне заземлення нульового провідника в період замикання фази на корпус знижує напругу доторкання до зануленого електрообладнання як при справній схемі, так і у випадку обриву нульового провідника.

Струм, що протікає через тіло людини, яка доторкається до корпуса пошкодженої електроустановки, визначається за формулою:

. (26)

До схеми занулення ПУЕ пред’являють такі вимоги:

1. струм однофазного короткого замикання повинен перевищувати не менш ніж в 3 рази номінальний струм плавкої вставки або струм спрацьовування розщіплювача автоматичного вимикача із зворотною залежною характеристикою. При захисті мережі автоматичними вимикачами, які мають тільки електромагнітний розщіплювач, кратність струму приймається 1,1; при відсутності заводських даних коефіцієнт приймається 1,4 для автоматів з номінальним струмом до 100 А, для інших – 1,25.

2. повна провідність нульового провідника у всіх випадках повинна бути не менше 50% провідності фазного провідника.

3. щоб забезпечити безперервність кола занулення, забороняється встановлення в нульовий провідник запобіжників та вимикачів. Виняток допускається тільки в тому випадку, коли вимикач разом із нульовим провідником розмикає й усі фазні провідники.

4. опір заземлюючого пристрою, до якого приєднуються нейтралі джерел живлення (робоче заземлення R0), не може перевищувати значень, які наведені в табл. 5. ці опори повинні забезпечуватись з урахуванням використання природних заземлювачів, а також заземлювачів повторних заземлень нульового провідника повітряних ліній електропередачі до напругою 1000 В при кількості ліній, що відходять, не менше двох. Але при цьому повинні передбачатися і штучні заземлювачі з опором, значення яких не повинні перевищувати дані, наведені в табл. 5.

Таблиця 5

Примітка. Якщо питомий опір ρ землі більший 100 Ом•м, допускається збільшувати указаний в таблиці опір в 0,01•ρ раз, але не більш ніж десятикратно.

5. Повторне заземлення нульового провідника повинне виконуватись на кінцях повітряних ліній або відгалужень довжиною більше 200 м, а також на вводах повітряних ліній у приміщення, електроустановки яких підлягають зануленню.

6. загальний опір заземлюючих пристроїв всіх повторних заземлень нульового провідника і кожного повторного заземлення не повинен перевищувати значень, наведених в табл. 5.

Слід зазначити, що одночасне заземлення та занулення корпусів електроустановок значно підвищує їх електробезпеку.

Захисне вимикання застосовується, як основний або додатковий засіб, якщо безпека не може бути забезпечена шляхом влаштування заземлення, або іншими способами захисту.

Захисне вимикання – це швидкодіючий захист, який забезпечує автоматичне вимкнення електроустановки (не більше ніж 0,2 с) при виникненні в ній небезпеки ураження струмом.

Існує багато схем захисного вимикання.