ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Цель работы

Оценка эффективности защитного заземления в трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью и в трехфазной четырех­проводной сети с глухозаземленнойнейтралью напряжением до 1000 В.

Содержание работы

1. Оценить эффективность защитного заземления в трехфазной трехпроводной сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В (система IT).

Рис.3.1. Система IT переменного тока. Открытые проводящие части электроустановки заземлены. Нейтраль источника питания изолирована от земли или заземлена через большое сопротивление:

1 - сопротивление заземления нейтрали источника питания (если имеется); 2 - заземлитель; 3 - открытые проводящие части; 4 - заземляющее устройство электроустановки;

2. Оценить эффективность защитного заземления в сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В (система IT) при двойном замыкании на корпуса электроустановок, имеющие раздельные заземляющие устройства.

3. Оценить эффективность защитного заземления в трехфазной четырех­проводной сети с глухозаземленнойнейтралью напряжением до 1000 В (система TN).

Рис. 3.2. Система TN-C переменного тока.
Нулевой защитный и нулевой рабочий проводники совмещены в одном проводнике:

1 -заземлитель нейтрали (средней точки) источника питания;                                                                 2 – открытые проводящие части.

Защитное заземление

Защитное заземление- заземление, выполняемое в целях электробезопасности [2].

Защитное заземление следует выполнять преднамеренным электрическим соединением металлических частей электроустановок с "землей" или ее эквивалентом [3].

Защитным заземлением называется преднамеренное электрическое соединение с заземляющим устройством открытых проводящих частей электроустановок (например, корпусов электрооборудования), которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам (индуктивное влияние со­седних токоведущих частей, вынос потенциала и т.п.).

Открытая проводящая часть – доступная прикосновению проводящая часть электроустановки, нормально не находящаяся под напряжением, но которая может оказаться под напряжением при повреждении основной изоляции [2].

Замыкание на корпус- случайный электрический контакт между токоведущими частями и открытыми проводящими частями электроустановки.

Назначение защитного заземления- устранение опасности пора­жения электрическим током в случае прикосновения к корпусу и дру­гим открытым проводящим частям электроустановки, оказав­шимся под напряжением.

Причем, допустимые напряжения прикосновения и сопротивления заземляющих устройств должны быть обеспечены в любое время года [3].

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.

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 (рис.3.3). В этом случае прикосновение к корпусу электроустановки также опасно, как и прикосновение к фазному проводу сети.

Рис. 3.3. Прикосновение человека к изолированному от земли корпусу при замыкании на него фазного проводника

,                                 (3.1)

гдеU_ф- фазное напряжение сети, В; R_h, - сопротивление тела человека, Ом; z- комплекс полного сопротивления проводника относительно земли, Ом;

 ,                                           (3.2)

здесьr иС- сопротивление изоляции и емкость проводников относи­тельно земли соответственно; w- угловая частота, с^-1 .

При малых значенияхС (т.е. в коротких сетях) уравнение (3.1) принимает вид:

,                                            (3.3)                                                

Корпус электроустановки заземлен (рис.3.2) . В этом случае напряжение корпуса электроустановки относительно земли уменьшится и станет равным потенциалу заземлителя:

(3.4)

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

, (3.5)

где - коэффициент напряжения прикосновения, учитывающий форму потенциальной кривой (распределение потенциала по поверхности земли при стекании тока;

 - коэффициент напряжения прикосновения, учитывающий дополнительное сопротивление основания растеканию тока по поверхности земли.

Ток через тело человека, касающегося корпуса при самых неблагоприятных условиях(a₁ = a₂ = 1), будет равен:

.(3.6)

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 (система 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.3.4).

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

Сопротивление заземляющего устройства выбирается таким, что­бы напряжение прикосновения не превышало допустимых значений. Для сетей напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью наибольшие допустимые значенияr_зсоставляют 10 Ом при суммарной мощности генераторов или трансформаторов, питающих дан­ную сеть не более 100кВ×А; а в остальных случаях r_з не должно превышать 4 Ом.

Рис.3.4. Принципиальная схема защитного заземления

в сети с изолированной нейтралью (система IT)

При двойном замыкание на землю в сети трехфазной трехпроводной с изолированной нейтралью (система IT) до 1000 В, то есть замыкании двух фаз на два корпуса, имеющих раздельные заземлители (рис.3.5), эти и другие корпуса, присоединенные к указанным заземлителям, окажутся под напряжением относительно земли, равным: в установке1 -U_з1= I_зr_з1, в установке 2-U_з2 = I_зr_з2 соответственно.

Сопротивление изоляции и емкости фазных проводников относитель­но земли в данном случае практически не влияют на значение тока замыкания на землю, цепь которого устанавливается через сопротив­ления заземленийr_з1 и r_з2. При этом U_з1 +U_з2 = U_л (U_л-ли­нейное напряжение сети). При равенстве r_з1 и r_з2, U_з1=U_з2= 0,5U_л. Наличие таких напряжений на заземленных элементах установок явля­ется опасным для человека, тем более, что замыкание в сетях до 1000 В может существовать длительно.

Рис.3.5 Двойное замыкание на землю (замыкание двух разных фаз сети на корпуса электроустановок, имеющие раздельные заземлители)

Если же заземлители, или корпуса электроустановок1 и 2 соединить провод­ником достаточного сечения или эти заземлители выполнить как од­но целое, то двойное замыкание на землю превратится в межфазное короткое замыкание, что вызовет быстрое от­ключение установок максимальной токовой защитой (предохранители, автоматические выключатели и т.п.), т.е. обеспечит кратковременность опасного режима.

В сети с глухозаземленнойнейтралью (рис.3.6) при замыкании фазно­го проводника на корпус по цепи, образовавшейся через землю, будет проходить ток

,                                                  (3.7)

гдеr₀- сопротивление заземления нейтрали, Ом.

При этом фазное напряжение распределится между r_з иr₀, т.е.

U_з=U_корп= I_зr_з; U₀= I_зr₀; U_з +U₀ = U_ф.                            (3.8)

Таким образом, напряжение корпуса относительно земли зависит от соотношения сопротивленийr₀ иr_з. При равенствеr₀ иr_з на­пряжение на заземленном корпусе будет

U_з =U₀ = 0,5×U_ф

Это напряжение является опасным для человека, поэтому в сети на­пряжением до 1000 В с глухозаземленнойнейтралью защитное заземление не применяется.

Рис.3.6. Защитное заземление в сети с глухозаземленнойнейтралью

(система ТN)

В сетях с глухозаземленнойнейтралью и корпусами, имеющими отдельное заземление (система TТ) обязательным согласно ПУЭ является дополнительное применение устройств защитного отключения на дифференциальном токе (рис.3.7).

Рис.3.7. Защитное заземление в сети с глухозаземленнойнейтралью

(система ТТ)

Экспериментальная часть

Применяемое оборудование

Лицевая панель стенда представлена на рис.3.5.

Стенд включа­ется кнопкой "Вкл". Распределенные вдоль фазных проводников сопротивления изоляции относительно земля имити­руются на стенде резисторами R₁, R₂ и R₃, величина этих сопротивлений варьируется от 5 до 120 кОм последовательным нажатием на кнопку П5.

Вольтметр U_L измеряет напряжение относительно земли каждого фазного проводника (подключение вольтметра к фазному проводнику осуществляется последовательным нажатием на кнопку П3), вольтметр U₀ – напряжение нейт­рали источника тока относительно земли, вольтметр U_К1 – напряжение корпуса первой электроустановки относительно земли, вольтметр U_К2 – напряжение корпуса второй электроустановки относительно земли.

Замыкание фазного проводника на корпус первой электроустановки осуществляется кнопкой П1. Корпус первой электроустановки подсоединяется к заземлителю кнопкой В2. С помощью кнопки П4 можно изменять значение сопротивления заземления

Замыкание фазного проводника на корпус второй электроустановки осуществляется кнопкой П2. Корпус второй электроустановки подсоединяется к заземлителю кнопкой В3. Величина сопротивления заземления корпуса второй электроустановки не изменяется.

Амперметр измеряет ток I_З, стекающий в землю при замыкании фазы на корпус первой электроустановки, если последний заземлен.

Кнопка В1 предназначена для подключения нейтральной точки источника тока к рабочему заземлению R₀, значение которого неизменно и составляет 4 Ом.

Рис. 3.5. Лицевая панель стенда