Устройство защитного заземления
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.
Рабочее заземление — преднамеренное соединение с землей отдельных точек электрической цепи, например нейтральных точек обмоток генераторов, силовых и измерительных трансформаторов, дугогасящих аппаратов, реакторов поперечной компенсации в дальних линиях электропередачи, а также фазы при использовании земли в качестве фазного или обратного провода. Рабочее заземление предназначено для обеспечения надлежащей работы электроустановки в нормальных или аварийных условиях и осуществляется непосредственно (т. е. путем соединения проводником заземляемых частей с заземлителем) или через специальные аппараты — пробивные предохранители, разрядники, резисторы и т. п.
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.
Московский энергетический институт (ТУ)
Кафедра инженерной экологии и охраны труда
Заземление – что это и для чего нужно
Тело человека – хороший проводник электрического тока. Самыми высокими показателями электропроводности обладают мышцы и подкожная-жировая клетчатка, то есть как раз те места, которые первыми контактируют с внешним источником тока, будь то оголенный провод или неисправный электроприбор.
Ток проникает в тело через поры и каналы потовых желез, поэтому очевидно, что сухая кожа отличается более высоким сопротивлением, чем влажная. Так, при контакте с напряжением 220 В значение силы тока, воздействующей на мокрый кожный покров, составляет порядка 220 мА. При такой электротравме смерть наступает мгновенно, учитывая, что опасным для организма считается показатель уже в 15мА, а смертельном опасным – 100 мА.
Это доказывает необходимость разработки мер, которые предотвращают случайное поражение электрическим током во всех областях человеческой деятельности, как на производстве, так и в быту. Одна из таких мер – установка заземляющих устройств (ЗУ).
Что такое заземление
Если говорить простыми словами, это защитная система, которая предотвращает от ударов током при прикосновении к металлическим частям оборудования, находящегося под напряжением. Вся конструкция состоит из следующих частей:
- Металлический контур
- Заземляющая шина
- Разводка проводов заземления
Контур представляет собой 4-6 штырей (электродов), забитых в грунт и соединенных между собой металлическими полосами. Необходимая глубина заземляющего устройства – 2,5-3 метра, то есть ниже уровня промерзания почвы. Это требуется для того, чтобы даже зимой контур получал доступ к влаге, проводящей ток.
Вверху одного вертикального электрода располагается «контактная зона» (чаще всего в виде болта с резьбой), от которой берет начало медная шина, ведущая в специальную планку в распределительном щитке.
От главной заземляющей шины, в свою очередь, расходятся медные жилы к розеткам потребителей. Эти провода, по сути, отвечают за подключение заземления – к примеру, в современных домах разводка от щитка выполняется трехжильным кабелем, где одна из жил – желто-зеленого цвета – отведена «под землю».
Рис 1. Устройство заземления. а) – заземление в линию; б) – контур заземления
Требования к заземлению
Обеспечение безопасности потребителя при работе с электрическими приборами – приоритетная задача производителей и эксплуатантов электроустановок, поэтому в этой сфере действует ряд норм и правил. Отметим основные:
- Заземлять нужно все, что имеет металлический корпус: котлы, станки, насосы, инструменты, оборудование;
- Штыри и соединения контура должны отличаться антикоррозионностью и износостойкостью, что обеспечивается правильным выбором материала и диаметра – например, для этих целей нередко используется нержавеющая сталь с поперечным сечением не менее 90 кв. мм;
- Заземлители должны всегда находиться во влажной почве – для этого нужно учесть географические, климатические и геологические особенности региона и выбрать правильную глубину размещения металлических электродов.
Почему человека бьет током
- В бытовом электрическом приборе, установленном без заземления (к примеру, в стиральной машине), нарушилась целостность проводки. Причины могут быть любые – естественный износ, механические повреждения, вредительство насекомых или грызунов.
- В результате на корпусе агрегата скапливается электрический разряд.
- Человек прикасается к устройству и получает удар током.
Важно понимать, что ток при этом движется по замкнутой цепи, где тело человека выступает как одно из звеньев. Если бы мы, скажем, летали по воздуху, то электрические травмы были бы нам практически не страшны – посмотрите на птиц за окном: они спокойно сидят на высоковольтных проводах, не догадываясь о смертельной опасности.
Однако мы, в отличие от птиц, ходим по земле, которая, в свою очередь, считается идеальной точкой с нулевым потенциалом. Получается, что тело человека выступает как проводник, по которому электрический ток от неисправного электроприбора или оголенного провода устремляется к земле, чтобы уравнять количество заряженных частиц в этих двух точках, как того требуют законы природы.
Как работает заземление
Ток движется по пути наименьшего сопротивления. Этот простой принцип лежит в основе работы заземления: наш кожный покров обладает более высоким сопротивлением, чем металлический провод, поэтому при касании поверхности под напряжением ток сразу уходит в землю, не причиняя человеку вреда. Это главное, что нужно понимать о работе ЗУ.
Есть и еще один фактор, который обеспечивает работу заземления – бесконечно обширное «сечение» грунта. Обратимся к физике: ток, уходя во влажную почву, запускает цепную реакцию ионов, которые передают энергию все дальше и дальше, практически до бесконечности. Чем больше электрически заряженных частиц (ионов) участвует в процессе, тем быстрее передается энергия, рассеивается ток и, следовательно, тем эффективнее работает заземление. Добавим, что здесь немаловажную роль играет и достаточный диаметр металлических электродов, входящих в контур заземляющего устройства.
Заземление и зануление – в чем отличие
Кроме установки ЗУ, существует еще один способ, защищающий человека от удара током от неисправных электроустановок. Это зануление (другое название: заземление на ноль). Его суть в том, что при возникновении неисправности возникает короткое замыкание, что приводит к отключению автомата-предохранителя. Технически это реализовано так: корпус электроустановки соединяется с нейтралью источника питания, то есть с заземленной точкой трансформатора.
Простыми словами, разница между занулением и заземлением в том, что в первом случае питающая цепь отключается из-за превышения токовой уставки автомата, а во втором – опасный ток отправляется в грунт и «растекается» в его влажной среде.
В многоквартирных высотках заземлять электроприборы технически сложно, поэтому здесь чаще всего используется зануление (наряду с УЗО). В частных домах, наоборот, удобнее всего сделать систему заземления.
Для чего применяются УЗО и дифавтоматы
Эксплуатация заземляющих устройств невозможна без дополнительных приборов. К главным из них нужно отнести устройство защитного отключения (УЗО) и дифференциальные автоматы. Несмотря на внешнюю схожесть, они используются для разных задач:
- УЗО отключается в момент появления в сети так называемого тока утечки, который может привести, с одной стороны, к возгоранию (при повреждении электропроводки изоляция начинает сильно греться), а с другой – к удару током, если человек дотронется до неисправного оборудования. УЗО всегда работает «в связке» с обычным автоматом.
- Дифференциальный автомат соединяет в себе функции устройства защитного отключения и автомата, то есть он защищает систему электропроводки от перегрузок и коротких замыканий, а человека – от электрических травм.
Таким образом, заземление представляет собой металлический провод, уходящий в почву и предназначенный для «утекания» тока в землю при возникновении неисправности в системе электроснабжения.
В чем состоит защитное действие заземления
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.
Защитному заземлению подлежат металлические нетоковедущие части оборудования, которые из-за неисправности изоляции могут оказаться под напряжением и к которым возможно прикосновение людей. При этом в помещениях с повышенной опасностью и особо опасных по условиям поражения током, а также в наружных установках заземление является обязательным при номинальном напряжении электроустановки выше 42В переменного и выше 110В постоянного тока, а в помещениях без повышенной опасности – при напряжении 380В и выше переменного и 440В и выше постоянного тока. Лишь во взрывоопасных помещениях заземление выполняется независимо от назначения установки.
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.
В качестве естественных заземлителей можно использовать: проложенные в земле водопроводные и другие металлические трубопроводы, за исключением трубопроводов горючих жидкостей, горючих или взрывоопасных газов, а также трубопроводов, покрытых изоляцией для защиты от коррозии. Естественные заземлители обладают, как правило, малым сопротивлением растеканию тока, и поэтому использование их для целей заземления дает большую экономую. Недостатками естественных заземлителей является доступность их неэлектротехническому персоналу и возможность нарушения непрерывности соединения протяженных заземлителей.
Защитное заземление и способы его выполнения
Многие части электроустановок, не находящиеся под напряжением (корпуса электрических машин, кожухи трансформаторов, осветительная арматура, приводы и кожухи электрических аппаратов, вторичные обмотки измерительных трансформаторов, каркасы распределительных шкафов и щитов управления, металлические конструкции подстанций, металлические оболочки кабелей и кабельные муфты, стальные трубы электропроводок и т.п.) могут во время аварии оказаться под напряжением, что обусловливает опасность поражения электрическим током обслуживающего персонала. Обеспечить безопасность прикосновения к таким частям позволяет защитное заземление.
Рис. 1. Устройство заземления в трехфазной установке с изолированной (а) и глухозаземленной (б) нейтралью
Заземление снижает до безопасного значения потенциал по отношению к земле металлических частей электроустановки, оказавшихся под напряжением при аварии.
Защитное действие заземления состоит в уменьшении тока, протекающего в теле человека при соприкосновении с корпусом машины, оказавшимся под напряжением (рис. 1, а). Человек включается в электрическую цепь параллельно заземлению; чем больше сопротивление человека гч по сравнению с сопротивлением заземления, тем меньше ток в теле человека /ч.
Сопротивление заземляющих устройств для электроустановок при различных напряжениях должно приниматься в соответствии с нормами ПУЭ.
Способы выполнения защитного заземления зависят от системы электроснабжающей сети и напряжения электроустановки. В электроустановках напряжением до 1 000 В с глухозаземленной нейтралью трансформаторов (или генераторов) защитное заземление выполняют присоединением заземляемых частей установки к заземленному нейтральному проводу электросети. В этом случае при повреждении изоляции и переходе напряжения на металлические части установки возникает короткое замыкание одной фазы трансформатора (или генератора) через нейтраль (рис. 1, б). В результате поврежденная часть электроустановки немедленно автоматически отключается (перегорает плавкая вставка предохранителя или отключается автомат).
В электроустановках напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью трансформаторов (или генераторов), а также во всех установках напряжением свыше 1000 В, защитное заземление выполняют путем сооружения местного заземляющего устройства с малым сопротивлением, к которому присоединяют заземляемые части установки (см. рис. 1, а). Действие такого заземления состоит в том, что оно снижает до безопасного значения напряжение относительно земли, появляющееся на металлических частях установки при повреждении изоляции.
Значения сопротивления местного заземляющего устройства нормируются ПУЭ.
Для заземляющих устройств следует по возможности использовать естественные заземлители: водопроводные и другие металлические трубы, проложенные в земле без изоляции (кроме трубопроводов с горючими веществами), металлические конструкции зданий и сооружений, а также имеющие соединения с землей шпунты, свинцовые оболочки проложенных в земле кабелей и т.п.
Искусственные заземлители, как правило, выполняют из вертикально забитых в фунт стальных стержней, соединяемых между собой стальными полосами. Полосы прокладывают в земле на глубине не менее 0,5 м и приваривают к верхним концам стержней.
Рис. 2. Правильная (f) и неправильная (б) схемы присоединения заземляемых элементов к заземляющей магистрали:
1 — заземляемый элемент; 2 — ответвление; 3 — заземляющая магистраль
Каждый заземляемый элемент 1 установки следует присоединять к заземлителю или заземляющей магистрали 3 при помощи отдельного ответвления 2 (рис. 2, а). Заземляемые элементы нельзя включать последовательно в заземляющую магистраль (рис. 2, б). Присоединение заземляющих проводников к электрооборудованию выполняют при помощи болтов или сварки.
Заземляющие устройства начинают действовать только при повреждениях изоляции электроустановок.
Рис. 3. Схемы заземления однофазных (а) и трехфазных (б, в) понизительных трансформаторов
Передвижные механизмы, электроинструменты, понизительные трансформаторы и сварочные аппараты, работающие при напряжении до 1000 В в сетях с глухозаземленной нейтралью, получают питание от питаюших пунктов (щит или силовой шкаф). Заземление корпусов указанных электроприемников осуществляют заземляющей жилой питающего шлангового кабеля, один конец которой присоединяют к заземляющему болту на корпусе устройства, а другой — к корпусу питающего пункта. Корпуса питающих пунктов через заземляющий зажим соединяют с нейтральным проводом сети и через него — с заземленной нейтралью источника питания (как правило, трансформатора). Все корпуса электроинструментов, работающих при напряжении свыше 40 В, подлежат заземлению (подсоединению к нейтральному проводу сети) с помощью специального проводника или заземляющей жилы шлангового провода (кабеля). Все корпуса и обмотки низшего напряжения понижающих трансформаторов для электроинструмента заземляют таким же образом (рис. 3).
Для выполнения повторных заземлений нейтрального провода на передвижных установках применяют переносные инвентарные заземлители, к которым присоединяют корпуса и металлические конструкции машин и механизмов.