Заземляющие устройства

Неожиданно для себя столкнулся с тем, что даже многие инженеры, проработавшие в сфере энергетики десятки лет, не могут правильно объяснить работу заземляющего устройства. Не даёт удовлетворительного толкования и википедия. Я постарался разобраться в этом вопросе подоскональнее. Кроме того, я дам здесь ссылки на программный расчёт заземляющих устройств, оформление протоколов измерений и.т.п.


Термины и определения
Так как ПУЭ не даёт определения растеканию тока, я попробую сформировать его сам:
Стеканием (растеканием) тока называется уменьшение его плотности (и как следствие уменьшение напряжённости поля) до нулевого в определённом радиусе на земной поверхности вследствие её большой площади.
Заземлением какой-либо части электроустановки (ЭУ) или другой установки называется преднамеренное электрическое соединение этой части с заземляющим устройством (ЗУ). (ПУЭ п.1.7.6)
Защитным заземлением называется заземление частей электроустановки с целью обеспечения электробезопасности.(ПУЭ п.1.7.7)
Заземляющим устройством (ЗУ) называется совокупность заземлителя и заземляющих проводников (ПУЭ п.1.7.11)
Заземлителем называется проводник (электрод) или совокупность металлически соединённых между собой проводников (электродов), находящихся в соприкосновении с землёй. (ПУЭ п.1.7.12)
Искуственным заземлителем (ИЗ) называется заземлитель, специально выполняемый для целей заземления (ПУЭ п.1.7.13).
Естественными заземлителями (ЕЗ) называются находящиеся в соприкосновении с землёй электропроводящие части коммуникаций, зданий и сооружений производственного или иного назначения, используемые для целей заземления (ПУЭ п.1.7.14).
Заземляющим проводником (ЗП) называется проводник, соединяющий заземляемые части с заземлителем. (ПУЭ п.1.7.16)
Зоной растекания (ЗР) (току) называется область земли, в пределах которой возникает заметный градиент потенциала при стекании тока с заземлителя (ПУЭ п.1.7.19)
Зоной нулевого потенциала (ЗНП) называется зона земли за пределами зоны растекания. (ПУЭ п.1.7.20)
Напряжением на ЗУ (Uz) называется напряжение, возникающее при стекании (растекании) тока с заземлителя в землю между точкой ввода тока в ЗУ и зоной нулевого потенциала. (ПУЭ п.1.7.21)
Напряжением относительно земли при замыкании на корпус (НОЗК) называется напряжение между этим корпусом и зоной нулевого потенциала. (ПУЭ п.1.7.22)
(То есть это напряжение без учёта падения напряжения на ЗУ, например, при ситуации обрыва ЗУ – моё примечание).
Напряжением прикосновения называется напряжение между двумя точками цепи тока замыкания на землю (на корпус) при одновременном прикосновении к ним человека. (ПУЭ п.1.7.23)
Таким образом, сопротивление ЗУ – это сопротивление между заземляющим проводником и зоной нулевого потенциала земли.
Для заз-я ЭУ д.б. в первую очередь использованы естественные заземлители. Если они входят в норму, то искусственных заземлителей не требуется (ПУЭ п.1.7.35).
ПУЭ п.1.70.70 В качестве естественных заземлителей рекомендуется использовать:
1) проложенные в земле водопроводные и другие металлические трубоппроводы, за исключением трубопроводов горючих жидкостей, горючих или взрывчатых газов и смесей
2) обсадные трубы скважин
3) металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящиеся в соприкосновении с землёй
и т.д…

Принцип защиты человека с помощью заземления.



Если мы вобъём в землю (на ЛЮБУЮ глубину) металлический электрод и соединим его с фазным электрическим проводом, то под электродом образуется полусферическая зона электрического поля, напряжённость которого (потенциал) будет уменьшаться по мере удаления от электрода, и на расстоянии в радиусе примерно 20 м (статистические данные) от электрода практически станет равной нулю.
Такой эффект возникает из-за падения плотности тока (и, соответственно, падения напряжённости поля) в проводнике с расширяющимся сечением (в данном случае площадь сечения проводника – это площадь полусферы S = 6.28*r2 = 2512 м2 , где r =20 м – радиус полусферы). Проводником в данном случае является земля, а как известно, сопротивление проводника зависит не только от сечения, но и от удельного сопротивления, которое, в свою очередь, зависит от глубины в земле (т.е. длины электрода). Зона, в которой электропотенциал уменьшается от своего максимального значения до нуля, называется зоной растекания (ЗР) тока, а электрод называется заземлителем.

Сделаем небольшой ОЧЕНЬ грубый расчёт, показывающий, как меняются плотность тока и напряжённость поля в зависимости от радиуса ЗР, приняв за длину проводника земли длину электрода в земле.

Пусть удельное сопротивление грунта ρ = 10000 Ом*м, длина электрода L = 1 м и напряжение на ЗУ Uz = 120 В, тогда:
Rz = ρ*L/S = ~ 4 Ом
Ток замыкания на землю: Iz = Uz/Rz = 120/4 = 30 A;

Радиус зоны растекания r (м) 0.1 20
Площадь полусферы S = 6.28*r (м 2 ) 0.0628 2512
Плотность тока: J = Iz/S (A/м 2 ) 7606 0.01
Напряжённость поля: E = ρ * J (B/м) 76060000 100

Мы видим, что плотность тока (и напряжённость поля) в ЗР уменьшается примерно в 760000 раз, т.о. с уверенностью можно предположить, что при попадании на землю напряжения в 10000 В, на границе зоны растекания оно будет около 0.01 В.

Удельное сопротивление грунта очень сильно зависит от глубины его залегания (чем глубже, тем оно меньше, т.к. меньше подвержено просыханию и промерзанию грунта), т.е. от длины вертикального электрода. Если нет возможности забивать электроды вертикально глубоко в землю, применяют и горизонтальную закладку электродов, и соединение нескольких электродов.
Прнинцип работы заземления
Первое утверждение: ЗУ шунтирует тело человека и таким образом через тело течёт малый ток. – Не верно, так как шунт не уменьшает напряжение на параллельно присоединённом сопротивлении (теле человека).
Второе утверждение: при пробое изоляции вследствие увеличивающего тока через ЗУ срабатывает защита линии – автомат или предохранитель. – Не верно, так как автомат – это самостоятельный вид защиты, предназначенный для работы в цепи фаза-нуль, а не в цепи фаза-земля.
А верное утверждение такое:
ЗУ работает как плечо резистивного делителя напряжения: возникающее при пробое изоляции напряжение на нулевом проводе делится:
1) на сопротивлениях ЗУ источника и приёмника прямо пропорционально их значениям
2) на сопротивлениях плеч в зоне растекания тока ЗУ приёмника, получающихся в результате касания человека токоведущих частей.
Заземление в системе 220/380 B с глухозаземлённой нейтралью (трёхфазная звезда).
В такой системе обязательно работают два ЗУ – ЗУ ЭУ и ЗУ ТП (трансформаторной подстанции или электрогенератора). Поэтому ЗУ ЭУ называют в такой системе повторным заземлением. ЗУ ТП делается обязательно и должно иметь сопротивление не более 4 Ом для системы 220/380.

Так как движок блога плохо поддерживает работу скриптов, программный расчёт токов и напряжений в такой схеме я разместил ЗДЕСЬ
При пробое изоляции вся схема сводится к простейшему резистивному делителю напряжения:
Эквивалентная схема при пробое изоляции
Напряжение 110 В на делителе получится при условии одинакового сечения нулевого и фазного проводов (при обрыве нулевого провода оно будет равно фазному – 220 В).
Теперь рассчитаем напряжения на заземлениях (напряжение прикосновения равно напряжению на заземлении приёмника Uзп):
Дано:
Rзи = 4 Ом, Rзп = 30 Ом
Найти: Uзп, Uзи
Решение:
Iд = 110/(Rзи + Rзп) = 3,24 (А)
Uзп = Iд*Rзп = 97 (В)
Uзи = Iд*Rзи = 110 – Uзп = 13 (В)
В системе с изолированной нейтралью Rзи ≥ 500000 Om, поэтому:
Iд = 110/(Rзи + Rзп) = 0,00022 (А) = 0,2 мА
Uзп = Iд*Rзп = 6 (В)
Uзи = Iд*Rзи = 110 – Uзп = 104 (В)
Видим, что работа ЗУ приёмника наиболее эффективна в системе с изолированной нейтралью.
Но мы рассмотрели только первый этап работы ЗУ.
Теперь рассмотрим второй этап: допустим, на ЗУ приёмника падают рассчитанные нами выше 97 В.
При касании человеком токопроводящего корпуса зона растекания тока ЗУ превращается в резистивный делитель напряжения, сопротивления плеч которого прямо пропорциональны их длинам в земле.
При нахождении человека в середине зоны растекания (около 10 м от точки соединения заземляющего проводника с заземляющим контуром) они примерно равны. Тогда падение напряжения на каждом плече:
U = 97/2 = 49 B.
Что близко к напряжению, принятому считать безопасным: 42 В.
Максимальное напряжение касания (97 В) будет на границе зоны растекания, минимальное (0 В) – вблизи от точки соединения заземляющего проводника с заземлителем.

Резюме:
1. В нормальном режиме работы (Riz > 1 МОм) напряжение на ЗУ, а соответственно и ток через тело равны нулю. Нулевой провод шунтирует ЗУ и оно практически не работает.
2. При пробое изоляции (Riz ~ 0 Ом) и целом нулевом проводе (RN = 0.1 Ом) напряжение, возникающее на нулевом проводе (~ 110 B), распределяется по делителю напряжения, составленному из сопротивлений ЗУ ЭУ и ТП. Напряжение прикосновения равно падению напряжения на ЗУ ЭУ.
3. При пробое изоляции (Riz ~ 0 Ом) и оборванном нулевом проводе (RN > 1 МОм) фазное напряжение (~ 220 B), распределяется по делителю напряжения, составленному из сопротивлений ЗУ ЭУ и ТП. Напряжение прикосновения равно падению напряжения на ЗУ ЭУ. Это наиболее опасный режим.
4. При пробое изоляции (Riz ~ 0 Ом), целом нулевом проводе (RN = 0.1 Ом) и высоком сопротивлении ЗУ ТП (т.е. его обрыве) напряжение, возникающее на нулевом проводе (~ 110 B), распределяется по делителю напряжения, составленному из сопротивлений ЗУ ЭУ и ТП и почти полностью падает на высоком сопротивлении ЗУ ТП. Т.о. напряжение прикосновения равно нулю. А такое положение вещей как-раз и является системой с изолированной нейтралью!!! И здесь заземление называют уже не повторным, а просто защитным.

4 thoughts on “Заземляющие устройства

  1. Спасибо за статью про заземляющее устройство. А какую систему заземления рекомендуете лично вы TN-C-S или ТТ, для домов садоводческих кооперативов , дачь? Как правило эл.питание подается в поселки по воздушным линиям и нет никакой гарантии качественного повторного заземлени я на опорных столбах ЛЭП?

    • Для централизованного электроснабжения как правило система TN, п. 4.3.2.9 ткп 339-2011. Гарантия – ответственность организации – на чьем балансе линия – вероятно районные электросети.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *