4.1 Общие сведения

При повреждении изоляции электрооборудования различные его металлические нетоковедущие части могут случайно оказаться под напряжением, создавая опасность поражения человека электрическим током. Прикасаясь к оборудованию с поврежденной изоляцией, человек становиться проводником для тока в землю. Токи от 0,05 А опасны для человека, а токи 0,1 А смертельны.

Значение тока, проходящего в землю, зависит от электрического сопротивления тела человека и напряжения поврежденной установки. Сопротивления тела человека колеблется в широких пределах: от нескольких сотен до тысяч Ом, поэтому опасность для его жизни и здоровья могут представлять установки и с относительно небольшим напряжением по отношению к земле.

Напряжением относительно земли при замыкании на корпус является напряжение между этим корпусом и точками земли, находящиеся вне зоны растекания токов в земле, но не ближе 20 метров от этой зоны.

Одной из основных мер защиты людей от поражения электрическим током при прикосновении к установкам, случайно оказавшиеся под напряжением, является устройство защитного заземления.

Заземление - это преднамеренное электрическое соединение какой-либо части установки с землей, выполняемое при помощи заземлителей и заземляющих проводников.

Заземлитель - это металлический проводник или группа проводников, заложенных в грунт.

Заземляющий проводник - это металлический проводник, соединяющий заземляемые части электроустановки с заземлителями.

Заземляющим устройством называют совокупность заземлителей и заземляющих проводников. Безопасность людей достигается только в том случае, если заземляющие устройство будет иметь во много раз меньшее сопротивление, чем наименьшее сопротивление тела человека.

Сопротивлением заземляющего устройства называется сумма сопротивлений заземлителя относительно земли и заземляющих проводников, и оно должно быть в пределах, определенных предварительным расчетом. Максимально допустимое сопротивление заземляющих устройств определяется напряжением установки, значениями токов замыкания на землю, наличием нейтрали и некоторыми другими условиями и устанавливаются действующими ПУЭ (правила устройства электроустановок). Ток замыкания на землю - ток, проходящий через землю в месте замыкания.

Для защиты людей от поражения электрическим током при повреждении изоляции металлические нетоковедущие части электрооборудования заземляют. Комплекс мер и технических устройств, предназначенных для этой цели, называют защитным заземлением. Защитное заземление представляет собой преднамеренное соединение с землей под средством заземляющих проводников и заземлителей нетоковедущих металлических частей электроустановок (рукояток приводов разъединителей, кожухов трансформаторов, фланцев опорных изоляторов, корпусов трансформаторных подстанций и т.п.).

Задача защитного заземления заключается в создании между металлическими конструкциями или корпусом защищаемого устройства и землей электрического соединения достаточно малого сопротивления; при однофазных замыканиях на землю или на корпус токопроводящих поврежденных частей электроустановок такое соединение обеспечивает снижения тока до значения, не угрожающие жизни и здоровью человека, так как электрическое сопротивление его тела во много раз выше сопротивления металлического проводника, соединенного с землей. Замыкание на землю это случайное электрическое соединение находящихся под напряжением частей электроустановки непосредственно с землей или с ее конструктивными частями, не изолированы от земли.

Защитное заземление принимают во всех сетях с изолированной нейтралью и в сетях с напряжением выше 1000 В с заземленной нейтралью. В последних точки однофазного замыкания протекают через землю и вызывают отключение аварийного участка.

Рисунок 1. ? Схема трехфазной сети с изолированной нейтралью (а) и

режимы ее работы при прикосновении человека к линейному проводу

(б); заземление одного линейного провода и прикосновение человека к

другому (в); прикосновение человека к линейному проводу в системе с

заземленной нейтралью (г) и в системе с заземленными нейтралью и

другими линейными проводом (д)

В сети с глухозаземленной нейтралью электроприемники получают питание от обмоток источника тока, соединенных в звезду, нулевая точка которых надежно соединена с землей. Глухозаземленной нейтралью называется нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление.

Заземление нейтрали. В ПУЭ указывается, что городские электрические сети свыше 1000 В должны выполняться трехфазными с изолированной нейтралью, а распределительные сети в новых городах трехфазными четырехпроводными с наглухо заземленной нейтралью при напряжении 380/220 В. Однако распространены также сети с напряжением 220/127 В с изолированной нейтралью, в которых применяются пробивные предохранители.

Обмотки силовых трансформаторов отечественного производства с напряжением 110 кВ и выше также рассчитываются на работу с заземленной нейтралью, так как они имеют неполную изоляцию нулевых выводов.

Рассмотрим, зачем в сетях до 1000 В заземляют нейтраль, по каким причинам иногда отдают предпочтение изолированной нейтрали и для чего служат пробивные предохранители.

На рис. 1 показаны вторичные обмотки трансформатора Тр, питающего четырехпроводную сеть напряжением 380/220 В, нейтраль которой изолирована. Пусть в рассматриваемый момент изоляция совершенно исправна. Тем не менее три сопротивления R,соединенные в звезду, нейтралью которой является земля, условно показывают не совершенство изоляции проводов, которая в какой-то степени все же проводит ток. Три конденсатора С, соединены в звезду, нейтралью которой также служит земля, условно изображают электрическую емкость проводов относительно земли, что в электроустановках переменного тока весьма важно, так как емкость проводит переменный ток.

Какие же напряжения действуют в рассматриваемой электроустановке? Между линейными проводами напряжение 380 В, а между каждым линейным проводом и нейтралью трансформатора - 220 В, так как земля оказалась нейтралью соединений звезд из трех равных сопротивлений R и трех равных емкостей С. Если же линейным проводом относительно нейтрали трансформатора имеет такое же напряжение, как и относительно земли, то между нейтралью трансформатора и землей напряжение равно нулю, но, конечно, только если сеть не нагружена либо нагрузка всех фаз одинакова.

Рисунок 2. ? Работа схемы трехфазной сети с глухозаземленной

нейтралью при прикосновении человека к токопроводящему проводу

(а), заземления (б) и занулении (в) электродвигателя

Прикосновение человека, стоящего на земле, к одному из линейных проводов небезопасно, так как через несовершенную изоляцию провода и тело человека пройдет ток (рис. 2). Сила этого тока, а следовательно, и степень опасности определяются значениями сопротивлений, емкостей конденсаторов и фазным напряжением. В этом случае человек находится под напряжением 220 В.

Но что произойдет, если один из линейных проводов заземлится, а человек, стоящий на земле, прикоснется к другому линейному проводу? Из рис. 3 видно, что человек окажется теперь не под фазным, а под линейным напряжением 380 В, что значительно опаснее.

В сетях с заземленной нейтралью человек, стоящий на земле и прикоснувшийся к линейному проводу, попадает под фазное напряжение. Если при этом заземляется другой линейный провод, то предохранитель перегорит, но повышения напряжения с фазного до линейного не произойдет.

Прикосновение к токопроводящему элементу в сети с глухозаземленной нейтралью очень опасно, так как при этом образуется замкнутая цепь, по которой под действием напряжения с фазы А через тело человека, обувь, пол, землю и заземление нейтрали течет поражающий ток. Опасно также прикосновение к электроприемнику, в котором произошло замыкание на заземленный корпус.

Кроме обеспечения минимального сопротивления заземляющего устройства, важно также обеспечить равномерное распределения напряжения вокруг защищаемого аппарата и по всей площади электроустановки. Максимальный потенциал (U₃) имеют заземлитель, соединенный с корпусом поврежденного аппарата, и грунт, соприкасающийся с заземлителем. По мере удаления от заземлителя потенциал на поверхности земли падает, достигая постепенно нулевого значения. Сопротивления грунта на этом расстоянии называется сопротивлением растеканию.

Человек, прикасающийся к корпусу аппарата с поврежденной изоляцией, оказывается под напряжением, значение которого определяется падением потенциала на участке между точкой прикосновения его к аппарату и точкой касания земли ногами. Это напряжение называется напряжением прикосновения (U_прик). Между ступнями человека, приближающегося к поврежденному аппарату, также будет разность потенциалов, называемая напряжением шага (U_шаг), значение которого зависит от ширины шага и расстояния до места повреждения.

Рисунок 3. ? Схема возникновения шагового напряжения

Напряжение шага и напряжение прикосновения возникает, если в заземленной сети происходит однофазное замыкание на землю. Пусть через вертикальный заземлитель З (рис. 3.), расположенный в точке 0, в землю течет ток однофазного замыкания. По мере удаления от заземлителя плотность тока и вызываемое им падение напряжения непрерывно уменьшается, т.е. если в точке 0 максимальный потенциал, то потенциал в точке грунта, расположенной далее 20 м от заземлителя, практически равен нулю. Изменение потенциала грунта в зависимости от расстояния от точки 0 характеризуется кривой АМ. Разделив расстояние 0М на отрезки длиной 0,8 м (средняя ширина шага человека), по этой кривой легко узнать, под какое напряжение попадает человек, находящийся на определенном расстоянии от заземлителя. Например, если ноги идущего человека находятся на расстоянии 1,6 и 2,4 м от заземлителя, то потенциалы грунта характеризуются точками В и Г кривой АМ, а отрезок ВЖ в определенном масштабе определяет разность потенциалов, т.е. напряжение.

Напряжение, под которым может оказаться человек, идущий в зоне растекания по земле тока однофазного замыкания, называют напряжением шага. Это напряжение уменьшается по мере удаления от заземлителя (ВЖ<БЕ<АД) и на расстоянии более 20 м от заземлителя оно практически исчезает.

Поражения людей из-за появления напряжения шага в случае однофазного замыкания на землю очень редки вследствие малых значений этого напряжения. Но если это напряжение возникает при падении на землю оборвавшегося провода воздушной линии, оно может достигать больших значений. В таких случаях выходить из зоны действия напряжения шага следует, используя сухие доски, листы пластика и другие изоляционные материалы, а при их отсутствии - мелкими шагами.

Опасно также напряжение, возникшее при работе защитного заземления, в режиме однофазного замыкания на землю. Если через заземлитель в землю течет ток I₃, то на сопротивление заземляющего устройства R₃ он создает падения напряжения I₃ R₃, т.е. напряжения прикосновения. Прикасаясь в этом случае к корпусу аппарата с поврежденной изоляцией, человек может попасть либо под полное напряжение I₃ R₃, либо под его часть. Наиболее опасны случаи, когда приемник с поврежденной изоляцией и человек, прикоснувшиеся к нему, находятся на расстояниях более 20 м от заземлителя, и если человек стоит непосредственно на земле в сырой подбитой гвоздями обуви.