РОЗДІЛ 4.ЗАЗЕМЛЮВАЧІ ТА ЗАЗЕМЛЮВАЛЬНІ ПРИСТРОЇ

________________________________________________________________________

“Щасливий справді той, хто здатний створювати собі, рідним та друзям радості життя”

(М.П. Костюченко)

4.1. Захисне заземлення та заземлювачі

_____________________________________________________________________________

Заземлення: означення, призначення, типи (функціональне, захисне). Заземлювачі: природні, штучні. Явище замикання струму на землю.

Потенціал заземлювача. Зона розтікання струму та модель потенційної кривої.

Формула електричного опору заземлювачів різної форми.

_____________________________________________________________________________

Розглянемо та проаналізуємо технічні терміни, які унормовані ПУЕ [45].

Як ми вже пояснювали, локальна земля або зона розтікання – частина землі, яка знаходиться в електричному контакті з заземлювачем і електричний потенціал якої не обов’язково рівний нулю.

Термін “земля” використовується ПУЕ як “земля в зоні розтікання”. Стікання струму в землю через окремий заземлювач супроводжується виникненням на заземлювачі, в землі навколо заземлювача і на поверхні землі (ґрунті) в зоні розтікання струму електричних потенціалів відносно зони нульового потенціалу. Напруга, яка виникає у випадку стікання струму з заземлювача в землю між точкою вводу струму в заземлювач і зоною нульового потенціалу – напруга на заземлювальному пристрої.

На відміну від локальної землі, відносна земля або зона нульового потенціалу– провідна частина землі, електричний потенціал якої умовно прийнятий за нульовий, і яка знаходиться за межами зони впливу будь-якого заземлюючого пристрою. Очевидно, з’єднання з локальною землею може бути навмисним, ненавмисним і випадковим, а також постійним або тимчасовим, функціональним і захисним.

Заземлення–виконання електричного з’єднання між визначеною точкою системи або установки або обладнання і локальною землею.

З’єднання з локальною землею може бути різноманітним: навмисним, ненавмисним і випадковим, а також постійним або тимчасовим, функціональним і захисним.

Розрізняють робоче, функціональне та захисне заземлення.

У ПУЕ також використовується термін “функціональне (робоче) заземлення”, під яким розуміють заземлення точки або точок системи, установки чи обладнання з метою, не зв’язаною з електробезпекою.

Функціональне заземлення необхідне для забезпечення роботи електроустановки. Наприклад, заземлення нейтралі первинної обмотки трансформатора напруги, якенеобхідне для забезпечення можливості вимірювання фазних напруг, тобто напруг щодо землі. Вказане заземлення виконують з метою зниження дії електромагнітних перешкод на чутливі до них елементи,для підвищення перешкодостійкості мікропроцесорних систем, для забезпечення електромагнітної сумісності. З цією метою здійснюється заземлення корпусів серверів, комп'ютерів, мікропроцесорних систем і т. ін.

Захисне заземлення –заземлення точки або точок системи, установки чи обладнання з метою забезпечення електробезпеки.

Наприклад, заземлення корпусу електрообладнання є захисним і необхідне для зниження напруги на корпусі при пробої ізоляції.

Заземлення будь-якого виду здійснюється за допомогою заземлювача або системи заземлювачів.

Заземлювач –провідна частина (провідник) або сукупність зв’язаних між собою провідних частин (провідників), які знаходяться в електричному контакті з землею безпосередньо або через проміжне провідне середовище, наприклад бетон. Заземлювачі бувають зосереджені та групові, виносні (зосереджені) та контурні (розподілені), електрично незалежні та залежні, природні та штучні.

Вищерозглянуті нами одиночні заземлювачі мають назву “зосереджених заземлювачів”. Вони виконуються у вертикальній площині, заглиблюються в землю на глибину 5 м і більше в залежності від виду, структури та вологості землі.

Електрично незалежні заземлювачі – заземлювачі, розташовані на такій відстані один від одного, що максимально можливий струм, який може стікати в землю по одному з них, істотно не впливає на електричний потенціал інших.

Розглянемо штучний заземлювач –заземлювач, який спеціально виконаний з метою заземлення. Існують різні типи штучних заземлювачів: кульовий, півкульовий, кільцевий, пластинчастий, дисковий, смуговий, штабовий, кутиковий (рос. “уголковый”), трубчастий, стержневий та інших форм. На практиці, як правило, використовуються штабові, кутикові, трубчасті та стержневі заземлювачі.

При пошкодженні електроустановки електричний струм стікає в землю через заземлювач. Це явище називається замиканням на землю–виникнення випадкового провідного кола між провідником, який знаходиться під напругою, і землею (заземлювачем, заземлюючим пристроєм) безпосередньо або через проміжні провідні частини (пошкоджену ізоляцію, будівельні конструкції, рослини тощо) [45].

Роль провідника може відігравати металевий корпус електроустановки, оболонка кабелю, провід під напругою, який лежить на ґрунті тощо.

Причин замикання на землю можна навести безліч, наприклад, при пошкодженні ізоляції обмотки електродвигуна та переході фазної напруги на його корпус, при замиканні фази на оболонку в кабельній лінії, при падінні на землю проводу під напругою тощо.

Струм, що стікає в землю через місце замикання –струм замикання на землю. При замиканні на землю відбувається розтікання струму в землю, що викликає наведення на заземлювачі та на поверхні ґрунту поблизу заземлювача потенціалів, які зменшуються по мірі віддалення від місця замикання на землю.

Закон розподілу потенціалів на поверхні ґрунту залежить від форми та розмірів одиночного заземлювача, величини струму замикання на землю (I_з), структури і властивостей землі, наявності поблизу інших заземлювачів та ін.

Розглянемо стальний заземлювач напівсферичної форми, який занурений в однорідний та ізотропний ґрунт з питомим опором r(рис. 4.1). Як наслідок, на сферичній поверхні, радіуса x, сила струму розподіляється рівномірно, а густина струму d в точці А на поверхні ґрунту на відстані xвід заземлювача визначається як відношення струму замикання на землю Iздо площі поверхні півсфери радіусаx,яка є еквіпотенціальною поверхнею (поверхня рівного потенціалу):d = I_з / (2px²). 

Виділимо елементарний шар товщиною dx. Враховуючи, що напруженість електричного поля  за модулем дорівнює = Е = grad j, або в проекції на вісь ОX: Е = dj / dx. Звідси dj= Е dx, де модуль напруженості поля знайдемо за законом Ома в диференціальній формі Е = d×r.

Тоді dj = drdx = I_зrdx / (2px²). Знайдемо невласний інтеграл, який визначає потенціал точки А, який рівний падінню напруги від точки А до нескінченно віддаленої точки з нульовим потенціалом:

                                           j_А = =  = U_A,                                        (4.1)

де U_A– падіння напруги від точки А до нескінченно віддаленої точки з нульовим потенціалом.

Можна показати, що для заземлювача будь-якого типута відповідно форми (куля, еліпсоїд, куб тощо) при відстані від заземлювача, яка значно перевищує розміри заземлювача, потенціали точок ґрунту в полі розтікання струму змінюються за гіперболічним законом, зменшуючись від максимального значенняj_з до нуля по мірі віддалення від заземлювача:

                                                  j (x) = ,                                                           (4.2)

де r– питомий опір локальної землі, яка вважається однорідною й ізотропною, x– відстань від центру заземлювача до точки на поверхні ґрунту, в якій фіксується потенціал j (x).При цьому не враховуються параметри форми заземлювача (зокрема, радіус кулі).

Зона землі, за межами якої електричний потенціал, обумовлений струмами замикання на землю, може бути умовно прийнятий рівним нулю є зоною розтікання струму замикання на землю (рис. 4.1).

Якщо радіус сферичного заземлювача r, то його потенціал:

j_з =  = U_з . (4.3)

Зважаючи на те, що I_з / (2px) =k =const, приходимо до висновку: потенціали точок ґрунту в полі розтікання струму змінюються за гіперболічним законом:

j(x) = k / x.                                              (4.4)

Основним показником для заземлювача є опір струму розтікання(опір землі) R_з, який являє собою опір ґрунту струму замикання на землю в межах зони розтікання.

Очевидно, напруга, яка виникає у випадку стікання струму з заземлювача в землю між точкою вводу струму в заземлювач і зоною нульового потенціалу – напруга на заземлюючому пристрої. На основі законуОма напруга на заземлювачі

U_з = j_з = I_з×R_з .                                  (4.5)

Із врахуванням (4.3) маємо формулу опору струму розтіканнядля півкульовогозаземлювача:

                                                    R_з =                                                               (4.6)

Очевидно з врахуванням попередніх міркувань, площа поверхні сфери радіусаx дорівнює 4px², тоді потенціал кульового заземлювача в землі на великій глибині описується такою моделлю потенціальної кривої:

                                                   j(x) = .                                                            (4.7)

Якщо кульовий заземлювач закопаний неглибоко, то як показано в [15], поверхня землі деформує електричне поле, тому модель потенційної кривої для точки А на поверхні землі має вигляд:

                                                 j (А) = ,                                                          (4.8)

де m–відстань від кульового заземлювача до точки А на поверхні землі.

На практиці, як правило, використовують стрижневі заземлювачі круглого поперечного перерізу діаметром d і довжиноюL, які закопані або забиті в землю. Умовно розбиваємо заземлювач на нескінченно малі ділянки довжиною dy, які можна уподібнювати як елементарні кульові заземлювачі діаметром dy, з кожного з яких в землю стікає елементарний струм dI_з = ×dy(рис. 4.2).

Потенціал точки А, що створений елементарним кульовим заземлювачем відповідно з (4.6) буде таким

dj =  = dy.

Далі інтегруємо j =  та отримуємо математичну модель потенційної кривої стрижневого заземлювача: