Основи охорони праці - Запорожець О.І. - 12.6. Захисне заземлення електроустановок

Допоміжне електричне з'єднання з землею чи її еквівалентом металевих неструмопровідних частин, що можуть виявитися під напругою має назву захисне заземлення.

Захисне заземлення має за мету знизити напругу дотику між корпусом електроустановки і землею до 42 В, і менше, що виникає в результаті ушкодження чи пробою ізоляції струмопровідних частин. Захисне заземлення варто відокремити від заземлення для захисту від розрядів статичної й атмосферної електрики.

Допоміжне з'єднання з землею нейтральних точок обмоток генераторів, силових і вимірювальних трансформаторів, дугогасних апаратів та інших ланцюгів для забезпечення нормальної роботи електроустановок називається робочим заземленням. Заземлення для захисту від розрядів статичної й атмосферної електрики здійснюється для відводу цих зарядів у землю.

Принцип роботи захисного заземлення. На рис.12.6, а показана ситуація дотику людини до заземленого корпуса електроустановки, на якому з'явилася напруга. На рис.12.6, б - її еквівалентна електрична схема.

Рис.12.6. Випадок дотику людини до заземленого корпуса електроустановки:

а - схема дотику;

б - еквівалентна електрична схема заземленої електроустановки

По-перше, визначимо значення напруги дотику U_дот, що прикладається до людини при дотику її до заземленого корпуса, з одного боку, і до ніг, з другого, а потім значення струму І, що протікає через людину в цьому ланцюзі.

З метою спрощення математичних перетворень по-перше, оперувати будемо провідностями ланцюгів, а потім замінимо їх опорами.

Таким чином, провідність заземлення G_з, провідність людини G_л і провідність ізоляції С₁ проводу 1 щодо землі включені паралельно між собою і послідовно з провідністю С₂ ізоляції проводу 2.

Провідність сумарна паралельного ланцюга проводу 1:

При дотику до корпусу електроустановки напруга U_дот, що впливає на людину, визначиться:

У цьому виразі провідності G_л, G1, О₂ значно менші провідності заземлення G_з і ними як доданками в знаменнику цього виразу можна знехтувати. Замінюючи провідності опорами і приймаючи r₂ = r_із (г - опір ізоляції), одержимо

Вираз (12.5) дозволяє стверджувати, що найбільш доступним заходом щодо зниження напруги U_дот є зменшення опору заземлення г_з, а збільшувати опір ізоляції г_з економічно недоцільно.

Тоді струм, що протікає через людину при дотику її до заземленого корпуса електроустановки визначиться:

Приклад 12.5. Розрахувати значення струму, що протікає через людину при дотику її до корпуса електроустановки, на прикладі рис.12.6 у двох випадках: установка не заземлена; установка заземлена.

Вихідні дані: r₁ = r₂ = r_із = 5-10³ Ом;напруга мережі и = 115 В; Я = 1000 Ом; г = 4 Ом" Розв'язок:

У випадку, коли установка не заземлена, струм, який протікає крізь людину визначається за формулою (12.4):

Коли установка заземлена, значення струму, що протікає через людину, визначимо за формулою (12.6):

Правила улаштування електроустановок (ПУЕ-86) установлюють норми опору заземлювального пристрою. Як витікає з виразу (12.5), норма опору заземлювального пристрою г_з залежить від струму замикання на землі І_з у мережі, до якої підключена електроустановка, що підлягає заземленню. У мережах різної довжини і розгалуженості і, отже, з різними струмами замикання на землю установлені визначені значення опору заземлювального пристрою.

Для електроустановок, що живляться напругою до 1000 В від мереж малої довжини з малими струмами замикання на землю (не більше 5 А), опір заземлювального пристрою повинен бути не більше 4 Ом. До таких мереж на підприємствах відносяться мережі з напругою 380/220 В, прокладені на території підприємств від трансформаторних підстанцій для живлення споживачів електроенергії й освітлювальних установок підприємства.

Якщо електроустановка живиться від винесених трансформаторів і генераторів потужністю до 100 кВА опір заземлювального пристрою повинен бути не більшим 10 Ом . Такі мережі мають малу довжину і розгалуженість, а струми замикання на землю в них не перевищують 0,1-0,2 А. До таких мереж відносяться мережі живлення від дизель-генераторних установок (під час аварій у міських системах електропостачання).

Електроустановки, що живляться напругою вище 1000 В - до 110 кВ і вище з ефективно заземленою нейтраллю, де струми замикання на землю в мережі досягають значень 50-500 А, опір заземлювального пристрою повинен бути не більшим 0,5 Ом. Захисне заземлення електроустановок виконують: на всіх електроустановках при напрузі змінного струму 380 В і вище, 440 В і вище - постійного струму;

в електроустановках, розташованих у приміщеннях з підвищеною небезпекою, особливо небезпечних і в зовнішніх установках при номінальних напругах вище 42 В змінного струму і вище 110 В постійного струму;

у вибухонебезпечних приміщеннях - для всіх напруг. Пристрій заземлення. Заземлювачі бувають - штучні, спеціально призначені тільки для заземлення електроустановок, і природні - металеві предмети і конструкції в землі.

Заземлювачі штучні можуть бути вертикальними і горизонтальними. Як вертикальні заземлювачі використовують сталеві стрижні, пруток і кутову сталь довжиною 2,5-3 м, а самостійні горизонтальні заземлювачі і для зв'язку вертикальних - смугову сталь і сталевий пруток. Найменші розміри штучних заземлювачів: діаметр пруткових не оцинкованих - 10 мм, перетин прямокутних заземлювачів 48 мм²; товщина прямокутних заземлювачів (смугова сталь) і полиць кутової сталі - 4 мм.

Заземлювачі вертикальні забивають за допомогою механізмів у попередньо вириті траншеї глибиною 0,7-0.8 м (рис 12.7). Сталеві прутки діаметром 10-12 мм, довжиною 4-4,5 м вкручують за допомогою спеціальних пристосувань.

Занурені в землю вертикальні заземлювачі з'єднують смуговою сталлю, прива-рюючи її до верхнього кінця стрижня ребром нагору для кращого контакту з землею. При використанні смуги, як самостійного заземлювача, її укладають у таку ж траншею ребром нагору і засипають землею з наступним ретельним трамбуванням для поліпшення її контакту з землею.

Розташовують заземлювачі у місцях, де немає підсушування землі від прокладених трубопроводів та інших джерел тепла.

Горизонтальні заземлювачі прокладають у траншеях з однорідним ґрунтом, без щебеню і будівельного сміття. Коли існує небезпека корозії заземлювачів, тоді:

- збільшують переріз одиночних заземлювачів;

- застосовують оцинковані заземлювачі;

- використовують електричний захист заземлювачів проти корозії.

Як штучні заземлювачі, допускається застосовувати бетон, що проводить електрику. Для заземлювачів можна застосовувати метали, що були уживані, але вони не повинні мати сильних ознак корозії, повинні бути очищені від фарби, олив та ізолюючих речовин.

Штучні пристрої на спорудах, які заземлюють, у районах з великим питомим опором ґрунту рекомендується:

- вертикальні заземлювачі більшої довжини (більше 3 м) застосовувати, якщо на глибині питомий опір ґрунту менший, ніж ближче до поверхні;

- виносні заземлювачі розташовувати в місцях (до 2 км) з меншим питомим опором ґрунту;

- у траншеї навколо заземлювачів, прокладених горизонтально, укладати вологий глинистий ґрунт, який трамбують і засипають щебенем;

- коли застосування інших заходів неефективне, обробляти грунт для зниження його питомого опору.

На практиці у більшості випадків одного заземлювача для забезпечення встановленої норми заземлення недостатньо. У таких випадках забивають декілька заземлювачів по периметру об'єкта, що захищається, чи під об'єктом, що захищається. Таке заземлення називається контурним.

Природні заземлювачі - це металеві конструкції будинків, споруд та інших об'єктів чи предметів, що мають добрий електричний контакт з землею.

Як природні заземлювачі можуть використовуватися:

- трубопроводи, прокладені в землі (крім трубопроводів для пальних рідин і вибухових газів);

- обсадні труби артезіанських колодязів і шпар;

- арматура залізобетонних конструкцій будинків і споруд, що мають зв'язок з землею;

- свинцеві оболонки кабелів, прокладених у землі;

- заземлювачі опор ліній електропередачі (ЛЕП);

- повітряні ЛЕП, з'єднані з заземлювальним пристроєм електроустановки за допомогою горизонтального троса, якщо він не ізольований від опору лінії;

- нульові проводи повітряних ЛЕП напругою до 1000 В з повторними заземлювачами при кількості ліній не менше двох;

- рейкові шляхи магістральних не електрифікованих залізниць;

- під'їзні колії при наявності допоміжного пристрою перемичок між рейками.

Заземлювачі природні приєднуються до магістралі заземлення не менше, ніж у двох місцях.

Заземлювачі природні мають малий опір відносно розтікання електричного струму, а тому їхнє використання зумовлює економію металу. Природні заземлювачі використовують без штучних заземлювачів, якщо вони забезпечують встановлену в ПУЕ-86 норму опору, і яка залишається незмінною від сезону до сезону.

Розрахунок захисного заземлення. Заземлювальний пристрій розраховують для визначення кількості вертикальних заземлювачів, довжини з'єднувальної смуги і їх розміщення. При цьому враховують можливість використання природних заземлювачів.

В залежності від призначення заземлювального пристрою визначають норму опору.

Визначають ґрунт, в якому будуть розташовувати заземлення, потім визначають його питомий опір (табл.12.1).

Таблиця 12.1

Питомий опір ґрунтів і води

Примітки: 1. Значення питомих опорів ґрунтів дано при їхній вологості 10-20 %. 2. У дужках наведені межі коливань значення опору ґрунту залежно від вологості.

Опір ґрунту залежить і від часу року. Для зменшення сезонних коливань опору заземлювачі забивають (закладають) якомога глибше. Питомий опір ґрунту є найважливішим параметром, що визначає значення опору заземлювального пристрою. Тому при укладанні заземлювачів в піщаних, кам'янистих ґрунтах і в районах вічної мерзлоти необхідно застосовувати заходи, що знижують питомий опір ґрунтів.

Можна збільшити електропровідність грунту, якщо навколо заземлювача в радіусі більше 0,5 м замінити ґрунт дрібнозернистим, більш гігроскопічним (глиною, жирним чорноземом, суглинком) чи додати до ґрунту кам'яновугільний шлак, деревне вугілля, золу, сажу, сіль.

Крім того, місце установки заземлювача можна поливати водою чи розчинами солей хлористого натрію чи кальцію, розчинами мідного або залізного купоросу.

Заземлення розраховують в такій послідовності.

1. Розраховують опір одиночного заземлювача з обраного матеріалу за емпіричними формулами.

Смуга сталева з перерізом не менше 100 мм² і товщиною 4 мм, яка закладається в ґрунт паралельно землі на глибину 0,7-0,8 м ребром угору, дорівнює:

Кільцевий заземлювач з прутка діаметром d чи смуги шириною р, що закладається на глибину Н_см 0,7-0,8 м, має опір:

де: D- діаметр кільця заземлювача м; d = 0,5 b діаметр заземлювача для смуги шириною b.

2. Визначають коефіцієнт використання опору одиночного заземлювача, розрахованого за формулами (12.7)-(12.9), коли він знаходиться в групі контурного заземлення.

Коли в груповому контурному заземленні відстань між одиночними заземлювачами більше 40 м, то загальний опір усієї групи буде визначатися, як паралельне з'єднання окремих заземлювачів.

Коли відстані між заземлювачами менше 40 м, тоді погіршуються умови розтікання струму від кожного окремого заземлювача, тобто опір розтіканню струму від заземлювача, розрахований за формулами (12.7)-(12.9), фактично буде більшим. Більшим буде й опір контурного групового заземлювача, і щоб одержати такий же опір контурного групового заземлення, потрібна більша кількість окремих заземлювачів. Розраховуючи кількість окремих групових заземлювачів, використовують коефіцієнт, що враховує ступінь збільшення опору одиночного заземлювача - коефіцієнт використання одиночного заземлювача ц або коефіцієнт екранування.

Значення коефіцієнт використання одиночного заземлювача залежить від: кількості заземлювачів у контурі; відстані між заземлювачами; форми і їхніх розмірів. Чим менша відстань між заземлювачами, тим менший цей коефіцієнт. Він дорівнює одиниці при відстані між заземлювачами більше 40 м, коли взаємне їхнє екранування відсутнє.

Якщо відома кількість одиночних заземлювачів і відстань між ними, тоді згідно з табл.12.2 знаходимо коефіцієнти використання як одиночного заземлювача, так і смуги, що з'єднує заземлювачі.

Коли відомий опір одиночного вертикального заземлювача, розрахований за формулами (12.7)-(12.9), орієнтовно визначають (при відомій нормі опору заземлювального пристрою) кількість заземлювачів. Потім розміщують заземлювачі на плані, визначають відстань між ними і згідно з табл.12.2 знаходять значення коефіцієнтів η _ст і η _см і більш точно розраховують кількість заземлювачів у контурному груповому заземленні:

Таблиця 12.2

Коефіцієнти використання одиночного заземлювача зі стрижня (η _ст) чи кутника (η _к) і смуги, що поєднує ці заземлювачі (η _см)

3. Розраховують опір розтіканню струму в землі від з'єднувальної смуги за формулою (12.8), попередньо визначивши її довжину при відомій кількості заземлювачів і відстані між ними.

4. Розраховують опір групового контурного заземлювального пристрою зі стрижневих чи кутникових заземлювачів, з'єднаних смугою:

Приклад 12.6. Розрахувати контурне заземлення підстанції 6/0,4 кВ і опір контура заземлювача.

Вихідні дані: Трансформаторна підстанція має два понижуючих трансформатори 6/0,4 кВ, у яких нейтралі заземлені на стороні 0,4 кВ. Підстанція розміщується в цегельному будинку розміром 10x15 м. Поблизу підстанції частково зарита в землю металева конструкція, яку можна використовувати як природний заземлювач, що має опір розтіканню струму з урахуванням сезонних коливань ІІ_е= 18 Ом. Довжина кабельних ліній напругою 6 кВ І = 80 км, повітряних - І = 50 км. Як єдині вертикальні заземлювачі, будуть використовуватися сталеві стрижні довжиною І_в = 5 м, діаметром й = 16 мм. З'єднуються верхні кінці стрижнів сталевою смугою перерізом 4x40мм, покладеної в землю на глибині Н_см = 0,8 м. Вертикальні заземлювачі, головним чином, розташовуються в суглинку з питомим опором ґрунту р_в = 110 Ом-м, а горизонтальна сталева смуга - в чорноземі з питомим опором р_см = 190 Ом-м (табл.12.1).

Розв'язання. Струм замикання на землю І_з на стороні 6 кВ визначиться за формулою:

Заземлення приймаємо загальним для установок 6 кВ і 0,4 кВ і тоді відповідно до ПУЕ-86 його опір штучного заземлення становитиме:

Тоді необхідний опір контурного заземлення з урахуванням використання природного заземлювача визначається за виразом:

Заземлення приймаємо загальним для установок 6 кВ і 0,4 кВ і тоді відповідно до ПУЕ-86 його опір штучного заземлення становитиме:

Тоді необхідний опір контурного заземлення з урахуванням використання природного заземлювача визначається за виразом:

Попередньо заземлювачі розмістимо на плані з урахуванням розмірів підстанції. Розташовуємо заземлювачі по периметру підстанції на відстані а = 5 м один від одного. Як що кількість заземлювачів п = 12 шт., тоді довжина Ь з'єднувальної смуги визначиться:

Визначимо опір розтікання струму від одиночного вертикального стрижневого заземлювача R_ст і від з'єднувальної смуги R_см за формулами (12.7)-(12.8):

З табл.12.2 визначимо коефіцієнт використання одиночного стрижневого заземлювача при відношенні: а/1 = 5/5 = 1; п = 12 шт.; П_ст= 0,55 і з'єднувальної смуги г|_см = 0,35.

Визначимо опір штучного контурного заземлення Я_шкз за формулою (12.10):

Визначений опір штучного контурного заземлення 2,6 Ом перевищує Я_н = 2,28 Ом, тому слід збільшити кількість заземлювачів до 13 штук.

Отже, контурне заземлення буде складатися з 13 вертикальних стрижнів довжиною 5 м, діаметром 16 мм, забитих по периметру будинку підстанції на відстані 5 м один від одного, з'єднаних сталевою смугою довжиною 65 м, перерізом 4х40 мм, прокладеною на глибині 0,8 м, і підключених до природного заземлювача зварюванням.

Контроль заземлювальних пристроїв. Виконавець заземлювального пристрою до початку приймально-здавальних випробувань надає приймальній комісії технічну документацію:

- робочі креслення і схеми заземлювального пристрою із зазначенням розташування підземних комунікацій;

- акти на підземні роботи щодо укладання елементів заземлювального пристрою;

- акти на виконання схованих чи малодоступних елементів захисту від блискавки (струмовідводи, троси, приймачі блискавок). Опір заземлювального пристрою вимірюють за допомогою спеціальних приладів - вимірників заземлення. Опір розраховується безпосередньо в омах за шкалою приладу. Для цього застосовуються вимірники заземлення МЗГ з трьома границями виміру (0-2,5; 0-25 і 0-250 Ом) і похибкою до 5%.

ІВЗ-І - інспекторський вимірник заземлення з двома границями виміру (0-5 і 0-50 Ом) і похибкою 10 % і вимірник опору заземлення типу М-416.

Занулення електроустановок - електричне з'єднання з нульовим захисним провідником 1 металевих неструмопровідних частин електроустановок, що можуть виявитися під напругою. Нульовий захисний провідник - провідник, що з'єднує занульовані частини з глухозаземленою нейтральною точкою обмотки джерела струму чи з її еквівалентом.

Схема занулення електроустановки наведена на рис.12.8. Занулення здійснюють для усунення небезпеки ураження людини струмом у випадку її дотику до корпуса електроустановки, яка виявилася під напругою щодо землі, при замиканнях на корпус чи переході напруги внаслідок ушкодження ізоляції струмопровідних дротів електроустановки.

Робота занулення полягає в тому, що при замиканні фази на корпус створюється однофазне коротке замикання між фазою і нульовим захисним провідником через апаратуру захисту - запобіжник 2, що спрацьовує і відключає замкнену на корпус фазу. Як апаратуру захисту при цьому застосовують: плавкі запобіжники чи автомати максимального струму; магнітні пускачі з тепловим захистом; контактори з тепловими реле для захисту від перевантажень та ін.ш.

Занулення застосовується у трифазних чотирипровідних мережах із глухозаземленою нейтраллю напругою 380/220 В, 220/127 В і 660/380 В. Зануленню підлягають усі корпуси електроустановок і неструмопровідні частини, що підлягають заземленню.

Однак слід знати, що в одній мережі, неприпустимо одні установки тільки зануляти, а інші - тільки заземляти, тому що небезпека дотику до корпусів електроустановок, що живляться від цієї мережі зростає.

Для прикладу розглянемо ситуацію (рис.12.9), коли установка 1 занулена, а установка 2 заземлена.

Коли фаза замкнула на корпус заземленої установки 2, тоді струм замикання / буде протікати через опір заземлення цього корпуса r_з, опір заземлення нейтралі г₀ і нульову точку джерела струму

(рис.12.9).

Тоді напруга Е/_к між заземленим корпусом 2 і землею буде дорівнювати:

Коли припустимо, що опір заземлення нейтралі г₀ і опір захисного заземлення г₃ однакові (r₀ = r_з), то U_к і U₀ теж будуть однакові, тобто напруга корпуса щодо землі кожної з установок буде дорівнювати половині фазної 220/2 = 110 В. Більше того, якщо опори r ₀ і г не будуть однакові, то напруга фази розподілиться між ними пропорційно значенням цих опорів і тоді на одній з установок напруга може бути більша 110 В. На практиці таке замикання може існувати довго та його відшукати дуже важко, тому що корпуси всіх установок занулених та заземлених, у тому числі і справних, знаходяться під напругою. Одночасне занулення і заземлення того самого корпуса електроустановки не тільки не є небезпечним, а, навпаки, збільшує безпеку.

Література: [5], [19], [21], [22].

Питання для самоконтролю

1. Який механізм ураження електричним струмом?

2. Як діє електричний струм на організм людини?

3. Які фактори впливають на результат ураження електричним струмом?

4. Яке значення опору тіла людини і від чого він залежить?

5. Як визначити категорію приміщення, в якому ви працюєте, за ступенем електронебезпечності?

6. До якої категорії приміщень за ступенем електробезпечності потрібно відносити літак?

7. Які способи штучного дихання застосовують при наданні першої допомоги?

8. У чому сутність однополюсного і двополюсного дотику до двопровідної літакової мережі 115 В, 400 Гц?

9. Наскільки небезпечний однополюсний дотик до літакової одно-провідної мережі 27 В постійного струму?

10. Як змінюється значення струму, що протікає через тіло людини, залежно від умов навколишнього середовища?

11. У чому небезпека дотику до трифазної мережі з заземленою нейтраллю?

12. З чого виходять при виборі режиму нейтралі?