Принцип работы защитного заземления

Назначение защитного заземления – устранение опасности поражения людей электрическим током при появлении напряжения на конструктивных частях электрооборудования, т.е. при замыкании на корпус.

Защитное заземление – преднамеренное электрическое соединение с землей или её эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.

Назначение защитного заземления – устранение опасности поражения людей электрическим током при появлении напряжения на конструктивных частях электрооборудования, т.е. при замыкании на корпус.

Принцип действия защитного заземления – снижение до безопасных значений напряжений прикосновения и шага, обусловленных замыканием на корпус. Это достигается уменьшением потенциала заземленного оборудования, а также выравниванием потенциалов за счет подъема потенциала основания, на котором стоит человек, до потенциала, близкого по назначению к потенциалу заземленного оборудования.

Область применения защитного заземления – трехфазные трехпроводные сети напряжением до 1000В с изолированной нейтралью и выше 1000В с любым режимом нейтрали.

Рис.1 Принципиальные схемы защитного заземления:

а – в сети с изолированной нейтралью до 1000В и выше

б – в сети с заземленной нейтралью выше 1000В

1 – заземленное оборудование;

2 – заземлитель защитного заземления

3 – заземлитель рабочего заземления

r _в и r _о – сопротивления соответственно защитного и рабочего заземлений

I _в – ток замыкания на землю

Заземляющим устройством называется совокупность заземлителя – металлических проводников, находящихся в непосредственном соприкосновении с землей, и заземляющих проводников, соединяющих заземляемые части электроустановки с заземлителем. Различают два типа заземляющих устройств: выносное и контурное.

Выносное заземляющее устройство характеризуется тем, что заземлитель его вынесен за пределы площадки, на которой размещено заземляемое оборудование, или сосредоточен на некоторой части этой площадки.

Данный тип заземляющего устройства применяют лишь при малых значениях тока замыкания на землю и, в частности, в установках напряжением до 1000В, где потенциал заземлителя не превышает допустимого напряжения прикосновения. Преимуществом такого типа заземляющего устройства является возможность выбора места размещения электродов с наименьшим сопротивлением грунта.

Контурное заземляющее устройство характеризуется тем, что его одиночные заземлители размещают по контуру площадки, на которой находится заземляемое оборудование, или распределяют по всей площадке по возможности равномерно.

Безопасность при контурном заземлителе обеспечивается выравниванием потенциала на защищаемой территории путем соответствующего размещения одиночных заземлителей.

Внутри помещений выравнивание потенциала происходит естественным путем через металлические конструкции, трубопроводу, кабели и подобные им проводящие предметы, связанные с разветвленной сетью заземления.

Различают заземлители искусственные, предназначенные исключительно для целей заземления, и естественные – находящиеся в земле металлические предметы для иных целей.

Для искусственных заземлителей применяют вертикальные и горизонтальные электроды. В качестве вертикальных электродов используют стальные трубы диаметром 3…5см и стальные уголки размером от 40*60 до 60*60мм и длиной 2,5…,м.

Назначение защитного заземления — устранение опасности поражения током в случае прикосновения к корпусу электроустановки и другим нетоковедущим металлическим частям, оказавшимся под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам.

Назначение, принцип действия, область применения

Эквивалентом земли может быть вода реки или моря, каменный уголь в карьерном залегании и т. п.

Назначение защитного заземления — устранение опасности поражения током в случае прикосновения к корпусу электроустановки и другим нетоковедущим металлическим частям, оказавшимся под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам.

Защитное заземление следует отличать от других видов заземления, например, рабочего заземления и заземления молниезащиты.

Принцип действия защитного заземления — снижение до безопасных значений напряжений прикосновения 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).

Заземление молниезащиты — преднамеренное соединение с землей молниеприемников и разрядников в целях отвода от них токов молнии в землю.

Принцип действия. Повышение уровня электробезопасности электроустановок, оборудованных системами защитного заземления обусловлено уменьшением до безопасных значений напряжения прикосновения и шагового напряжения, возникших в результате возникновения разности потенциалов на нетоковедущих частях заземленного оборудования.

Защитное заземление — защитная мера электробезопасности в электроустановках, представляющая собой преднамеренное создание электрической связи нетоковедущих частей электроустановки, которые в аварийном режиме могут оказаться под напряжением с землей (ее эквивалентом).

Согласно ПУЭ, п.1.7.53, данная защитная мера должна быть выполнено во всех электроустановках, напряжение в которых превышает 50 В переменного и 120 В постоянного тока.

Тем-же требованием Правил определены степени опасности помещений, в которых порог значений этих напряжений снижен до 25 В переменного (60 В постоянного) тока и 12 В переменного (30 В постоянного) тока.

Назначение защитного заземления — обеспечение защиты людей от поражений электрическим током в электроустановках в случае возникновения в них аварийных режимов работы (напр. при прикосновении людей к нетоковедущим частям электроустановки, вследствие повреждения изоляции оказавшимся под напряжением).

Устройство. Конструктивно система заземления представляет собой совокупность следующих элементов: заземлителя — проводящей части, имеющей непосредственный контакт с землей и заземляющего проводника, обеспечивающем электрическую связь заземлителя с нетоковедущими частями электроустановки.

Основные параметры систем (количество, размеры, глубина размещения, расстояние между электродами и пр.) являясь расчетными величинами определяются в каждом случае индивидуально, исходя из допустимого сопротивления растекания тока заземлителя.

Принцип действия. Повышение уровня электробезопасности электроустановок, оборудованных системами защитного заземления обусловлено уменьшением до безопасных значений напряжения прикосновения и шагового напряжения, возникших в результате возникновения разности потенциалов на нетоковедущих частях заземленного оборудования.

В сетях с заземленной нейтралью использование систем заземления наиболее эффективно в комплексе с устройствами защитного отключения, сработка которых при появлении опасного для человека потенциала на заземленном оборудовании вызывает обесточивание электроустановки.

Согласно международной классификации системы заземления, в зависимости от вида заземления нейтрали сети и нетоковедущих частей электрооборудования можно разделить на следующие виды: TN, TT, TN-C, TN-S, TN-C-S и IT.

Рис.3.4. Гиперболический закон распределения потенциала на основании земли в зависимости от расстояния (X) до заземлителя.

Обеспечения электробезопасности в электроустановках. Область применения

Защитное заземление представляет собой преднамеренное электрическое соединение металлических частей оборудования (например, корпусов), которые могут оказаться под напряжением в результате нарушения изоляции токоведущих частей оборудования (и по другим причинам), с землей посредством заземляющего устройства (рис.4.3.).

Так как потенциал рук равен напряжению на корпусе, ϕр =Uк= Iз⋅Rз , то напряжение прикосновения при заземленном корпусе станет равно:

Где α1 – коэффициент напряжения прикосновения, равный .

Он зависит от разности потенциалов на корпусе установки и основании (земле). В связи с тем, что потенциал на поверхности грунта уменьшается в зависимости от расстояния до заземлителя (места стекания тока в землю) по гиперболическому закону (рис. 3.4), то по мере удаления от места заземления разность потенциалов между корпусом и основанием будет увеличиваться и в зоне электротехнической земли (расстояние равно около 15–20 м), где потенциал на основании (поверхности грунта) приблизительно равен нулю, она

станет равной напряжению на корпусе. В этом случае коэффициент напряжения прикосновения α1 =1, а напряжение прикосновения равно:

Зона, в пределах которой потенциалы на поверхности грунта не равны нулю, называется зоной растекания тока (рис.3.4.).

Рис.3.4. Гиперболический закон распределения потенциала на основании земли в зависимости от расстояния (X) до заземлителя.

Для того, чтобы обеспечить достаточно безопасное значение напряжения прикосновения, т.е. не более 42 В, при длительности воздействия t≥1с, необходимо, как видно из выражения Uпр = Iз⋅Rз, уменьшать значение сопротивления заземляющего устройства Rз (R з.у. ). Так как ток, протекающий через заземлитель Iз , не может быть более 10 А в сетях напряжением до 1000 В, то Rз должно быть не более 4 Ом. Допускается 10 Ом при суммарной мощности источников напряжения сети до 100 кВ⋅А.

Поможем написать любую работу на аналогичную тему

Принцип работы защитного заземления как технического способа

Принцип работы защитного заземления как технического способа

Принцип работы защитного заземления как технического способа

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.

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

Контурное заземляющее устройство (рис. 4.5) характеризуется тем, что электроды его заземлителя размещаются по контуру (периметру) площадки, на которой находится заземляемое оборудование, а также внутри этой площадки. Часто электроды распределяются на площадке по возможности равномерно, и поэтому контурное заземляющее устройство называется также распределенным.

Назначение, принцип действия, область применения. Защитное заземление – преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам (индуктивное влияние соседних токоведущих частей, вынос потенциала, разряд молнии и т. п.).

Эквивалентом земли может быть вода реки или моря, каменный уголь в карьерном залегании и т. п.

Назначение защитного заземления — устранение опасности поражения током в случае прикосновения к корпусу электроустановки и другим нетоковедущим металлическим частям, оказавшимся под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам.

Защитное заземление следует отличать от других видов заземления, например, рабочего заземления и заземления молниезащиты.

Заземление молниезащиты — преднамеренное соединение с землей молниеприемников и разрядников в целях отвода от них токов молнии в землю.

Принцип действия защитного заземления — снижение до безопасных значений напряжений прикосновения 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 два случая. Корпус электроустановки не заземлен. В этом случае прикосновение к корпусу электроустановки также опасно, как и прикосновение к фазному проводу сети.

Корпус электроустановки заземлен (рис.4.2) . В этом случае напряжение корпуса электроустановки относительно земли уменьшится и станет равным:

(4.1)

Напряжение прикосновения и ток через тело человека в этом случае будут определяться по формулам:

(4.2)

где a ₁ — коэффициент напряжение прикосновения.

Уменьшая значение сопротивления заземлителя растеканию тока R _З , можно уменьшить напряжение корпуса электроустановки относительно земли, в результате чего уменьшаются напряжение прикосновения и ток через тело человека.

Заземление будет эффективным лишь в том случае, если ток замыкания на землю I _З практически не увеличивается с уменьшением сопротивления заземлителя. Такое условие выполняется в сетях с изолированной нейтралью (типа IT ) напряжением до 1 кВ, так как в них ток замыкания на землю в основном определяется сопротивлением изоляции проводов относительно земли, которое значительно больше сопротивления заземлителя (рис.4.2).

Рис.4. 2 . Схема сети с изолированной нейтралью (типа IT ) и защитным заземлением электроустановки

В сетях переменного тока с заземленной нейтралью напряжением до 1 кВ защитное заземление в качестве основной защиты от поражения электрическим током при косвенном прикосновении не применяется, т.к. оно не эффективно (рис.4. 3).

Рис.4.3. Схема сети с заземленной нейтралью и защитным заземлением потребителя электроэнергии

Область применения защитного заземления :

Типы заземляющих устройств. Заземляющим устройством называется совокупность заземлителя и заземляющих проводников.

В зависимости от места размещения заземлителя относительно заземляемого оборудования различают два типа заземляющих устройств: выносное и контурное.

Выносное заземляющее устройство (рис. 4.4) характеризуется тем, что заземлитель вынесен за пределы площадки, на которой размещено заземляемое оборудование, или сосредоточен на некоторой части этой площадки. Поэтому выносное заземляющее устройство называют также сосредоточенным .

Рис.4. 4 . Выносное заземляющее устройство

где I _з – ток, стекающий в землю через заземляющее устройство; r _з – сопротивление растеканию тока заземляющего устройства.

Кроме того, при большом расстоянии до заземлителя может значительно возрасти сопротивление заземляющего устройства в целом за счет сопротивления заземляющего проводника.

Достоинством выносного заземляющего устройства является возможность выбора места размещения электродов заземлителя с наименьшим сопротивлением грунта (сырой, глинистый, в низинах и т. п.).

Необходимость в устройстве выносного заземления может возникнуть в следующих случаях:

• при невозможности по каким-либо причинам разместить заземлитель на защищаемой территории;
• при высоком сопротивлении земли на данной территории (например, песчаный или скалистый грунт) и наличии вне этой территории мест со значительно лучшей проводимостью земли;
• при рассредоточенном расположении заземляемого оборудования (например, в горных выработках) и т. п.

Контурное заземляющее устройство (рис. 4.5) характеризуется тем, что электроды его заземлителя размещаются по контуру (периметру) площадки, на которой находится заземляемое оборудование, а также внутри этой площадки. Часто электроды распределяются на площадке по возможности равномерно, и поэтому контурное заземляющее устройство называется также распределенным.

Рис. 4.5. Контурное заземляющее устройство

Безопасность при распределенном заземляющем устройстве может быть обеспечена не только уменьшением потенциала заземлителя, но и выравниванием потенциалов на защищаемой территории до таких значений, чтобы максимальные напряжения прикосновения и шага не превышали допустимых. Это достигается за счет соответствующего размещения одиночных заземлителей на защищаемой территории.