2.5. Електробезпечність

 2.5.1. Заземлення, занулення і захисне відключення

2.5.1.1. Загальні положення

Заземленням якої-небудь частини електроустановки називається навмисне з'єднання її з пристроєм, що заземлює. Пристрій, що заземлює, складається з заземлювачів і провідників, що заземлюють.

Заземлювач являє собою один або декілька металевих з'єднаних між собою провідників (електродів), що знаходяться в безпосереднім зіткненні з землею. Провідники, що заземлюють - металеві провідники, що з'єднують заземлювач із заземленими частинами електроустановки.

Захисне заземлення служить для запобігання від поразки струмом при дотику до металевих конструктивних частин електроустановок, що нормально не знаходиться під напругою, але здатної виявитися під ним внаслідок ушкодження ізоляції. Воно застосовується в мережах, що працюють з ізольованої нейтраллю (наприклад, 6 або 10 кВ).

Якщо корпус (кожух) електрообладнання не заземлений, то при порушенні ізоляції однієї зі струмоведучих частин між незаземленим корпусом і землею з'явиться напруга. Отже, дотик людини до такого корпуса буде так само небезпечно, як і до неізольованого провідника однієї фази.

Якщо корпус заземлений, то при ушкодженні ізоляції однієї з фаз через нього буде проходити струм iз, обумовлений малим опором пристрою, що

заземлює, яз і значним опором ізоляції двох неушкоджених фаз. Значення

напруги дотику нормується ДСТ.

В електроустановках до 1 кВ із глухим заземленням нейтралі джерел живлення (генераторів, трансформаторів) захисне заземлення виконується шляхом приєднання не струмоведучих частин електрообладнання до заземленого нульового проводу мережі. Така система називається зануленням. (рис.2.29).


У цих установках (мережах) при замиканні однієї фази на корпус у результаті ушкодження ізоляції виникає однофазне КЗ (шлях струму показано на рис.2.29), у результаті якого ушкоджена частина установки (або ділянка мережі) відключається токовим захистом, чим і забезпечується безпека дотику.

Главою 1.7 ППЕ встановлено, що в приміщеннях з підвищеною небезпекою, особливо небезпечних і в зовнішніх електроустановках захисне заземлення або занулення обов'язково у всіх випадках при напрузі перемінного струму вище 42 і постійного струму вище 110 В. У приміщеннях без підвищеної небезпеки заземлення потрібно при напрузі 380 В і вище перемінного струму і 440 В і вище постійного струму.

Заземленню (зануленню) підлягають усі металеві корпуси електродвигунів, пускової апаратури, електроінструменти, металеві труби електропроводок, короба, лотки, металеві оболонки, броня і муфти кабелів, кабельні конструкції, кронштейни й інші металеві елементи кріплення електропроводок і т.ін. незважаючи на те що житлові будинки відносяться до приміщень без підвищеної небезпеки. Заземленню (зануленню) підлягають корпуса кухонних стаціонарних електроприладів потужністю 1,3 кВт і вище, таких, як посудомийні, автоматичні пральні машини, а також корпуса щитів,

щитків, світильників і сталеві труби. Короба, лотки електропроводок на сходових клітках, у технічних підпіллях і на горищах. Металеві оболонки і броня кабелів, як правило, повинні бути заземлені на початку і кінці траси.

Не підлягають заземленню арматура ізоляторів, відтягнення, кронштейни й освітлювальна арматура при установці їх на дерев'яних опорах, корпуса електроприймачів з подвійною ізоляцією (подвійною називається електрична ізоляція, що складається з робочої і додаткової ізоляції), знімні двері або двері, що відкриваються, на металевих заземлених шафах. У житлових кімнатах, а також у кухнях і вбиральнях квартир металеві корпуси стаціонарно встановленого освітлювального електрообладнання і переносних побутових електроприладів і машин потужністю до 1,3 кВт (праски, чайники, холодильники, швейні машини тощо) заземлювати (зануляти) не потрібно. У ванних кімнатах можуть застосовуватися прилади і машини, що мають подвійну ізоляцію, що заземлювати (зануляти) не потрібно. При використанні у ванних кімнатах машин і приладів з одинарною ізоляцією їхні металеві корпуси необхідно заземлювати (зануляти).

Корпуса сталевих або чавунних ванн з'єднуються за допомогою сталевої смуги з трубами водопроводу для вирівнювання потенціалів, що можуть з'явитися на корпусі ванни при ушкодженні схованих електропроводок, що знаходяться в конструкціях будинків.

У чотирьохпровідних мережах перемінного струму з глухозаземленною нейтраллю приєднання корпуса електроприймачів і інших частин електроустановок, що підлягають заземленню, до заземлювача без підключення до нульового захисного проводу не дозволяється, тому що при цьому не забезпечується безпека людей, оскільки при замиканні на корпус через два послідовних заземлення струм однофазного КЗ може виявитися недостатнім для спрацьовування захисту.

Опір пристрою, що заземлює, нейтралі генераторів і трансформаторів повинний бути в мережах 380/220 В не більш 4 Ом (цей опір повинен бути

забезпечений з урахуванням використання природних заземлювачів. Однак у всіх випадках опір штучного заземлення повинен бути при тієї ж напрузі не більш 30 Ом). Оскільки заземлення на підстанціях є загальним і для установок високої напруги, то в деяких випадках, визначених ППЕ, цей опір приходиться приймати на підставі спеціального розрахунку в залежності від можливого значення струму замикання на землю в мережі вищої напруги.

2.5.1.2. Заземлення і занулення

Необхідно відзначити, що заземлення в будинках і спорудах є загальним як для всіх електротехнічних установок, так і для пристроїв автоматики. У якості заземлювачів, в першу чергу, використовувати так називані природні заземлювачі. До них відносяться водопровідні й інші металеві трубопроводи без антикорозійного покриття, за винятком трубопроводів з пальними рідинами або пальними і вибуховими газами, свинцеві оболонки кабелів, металеві конструкції й арматура залізобетонних будинків і споруджень, що мають з'єднання з землею, фундаменти, металеві шпунти, обсадні труби та ін. Алюмінієві оболонки кабелів і неізольовані алюмінієві провідники використовувати в якості заземлювачів не дозволяється.

У тих випадках, коли природні заземлювачі відсутні або їх опір перевищує необхідне значення, улаштовуються штучні заземлювачі, що складаються з відрізків кутової сталі (розмірами 50x50x4 мм) довжиною 2,5-3 м, некондиційних сталевих труб діаметром 50 мм тієї ж довжини з товщиною стінки не менш 3,5 мм, відрізків круглої сталі діаметром 12-14 мм, довжиною до 5 м і більш.

Зазначені відрізки (електроди) занурюються в ґрунт на відстані друг від друга приблизно 3 м і з'єднуються між собою сталевою смугою розміром звичайно 40x4 мм. Верхні кінці електродів повинні бути на глибині 0,6-0,7 м від поверхні. Сполучна смуга прокладається в траншеї глибиною 0,6-0,7 м. Всі з'єднання здійснюються зварюванням. Кількість електродів залежить від їх розмірів, питомого опору ґрунту, глибини промерзання і деяких інших факторів і визначається на підставі спеціального розрахунку.

У якості провідників що заземлюють і нульових захисних провідників в електроустановках до 1 кВ можуть бути використані металеві конструкції будинків (якщо забезпечується надійне з'єднання ланок усього ланцюга), сталеві труби електро-проводок, алюмінієві оболонки кабелів, металеві трубопроводи (крім трубопроводів з пальними і вибухонебезпечними сумішами, каналізації, центрального опалення), металеві кожухи шинопроводів, металеві короби і лотки, нульові робочі проводи електричної мережі. Не дозволяється використовувати в якості провідників що заземлюють і нульових захисних провідників металеві оболонки трубчастих проводів і свинцеві оболонки кабелів (АТПРФ, АСРГ тощо).

В електроустановках до 1 кВ із глухим заземленням нейтралі нульові захисні провідники повинні бути обрані таким чином, щоб при однофазному замиканні на корпус або на нульовий провідник відбувалося швидке відключення захистом дефектної ділянки. Правила пристрою електроустановок вимагають, щоб при цьому струм однофазного КЗ у найбільш віддаленої точці ланцюга перевищував не менш чим у 3 рази номінальний струм плавкої вставки найближчого запобіжника або номінальний струм комбінованого або теплового розцеплювача автоматичного вимикача.

У повітряних мережах змінного струму занулення здійснюється за допомогою нульового проводу, прокладеного на тих же опорах лінії, що і фазні проводи. На кінцях повітряних ліній (або відводів) довжиною більш 200 м, а також на введеннях у будинки, електроустановки яких підлягають зануленню, повинні виконуватися повторні заземлення нульового проводу загальним опором у мережах 380/220 В не більш 10 Ом. При цьому опір кожного з повторних заземлень повинний бути не більш 30 Ом.

Для повторного заземлення треба в першу чергу використовувати природні заземлювачі. Повторні заземлення підвищують умови безпеки, особливо при обривах нульового проводу. У повітряних лініях довжиною до 200 м і кабельних мережах будь-якої довжини повторні заземлення не потрібні, тому що в них обрив нульової жили малоймовірний. У житлових будинках з електроплитами в квартирах повторні заземлення виконуються і при кабельних вводах.

2.5.1.3. Розрахунки заземлювачів

Опір, який протидіє струму в землі на ділянці ґрунту від заземлювача до точок з нульовим потенціалом називають опором розтіканню струму.

Опір розтіканню заземлювача визначається як відношення напруги між заземлювачем та точками землі з нульовим потенціалом U3, (В), до струму

замикання Із, (А):

R = U3 /Із. (2.55) Оскільки людина практично не може одночасно торкатися заземленого корпуса обладнання або провідників, що заземлюють, (їх опором, як незначним, зневажають) і точки на ґрунті з нульовим потенціалом, що знаходиться на відстані близько 20 м, то напруга дотику Uдот завжди менш ніж U3 . Якби навіть такий дотик виявився можливим, то й у цьому випадку завдяки опорові взуття й одягу напруга, під яким виявилася людина, завжди було б менше U3:

Uдот = КдотІз , (2.56)

де, Кдот - коефіцієнт дотику, що має значення менше одиниці.

Між двома точками поверхні землі на ділянці розтікання струму також має місце різниця потенціалів. Людина, проходячи по ділянці розтікання, зробивши крок, умовно прийнятий 0,8 м, попадає під деяку різницю потенціалів, що зветься кроковою напругою (UK). При цьому через тіло людини (в основному через ноги) протікає струм поразки, що може досягати значень, небезпечних для людини.

Криві на рис.2.30 ілюструють розтікання струму в землі і показують значення напруг дотику і кроку. З рис.2.30 видно, що в міру віддалення від заземлювача крокова напруга зменшується. Зниження напруги дотику і крокової напруги досягається зменшенням опору заземлювача, а отже, і струму, що протікає через тіло людини. В установках напругою вище 1 кВ застосовуються замкнуті контури заземлювачів, що складаються з одного або


декількох рядів сталевих стержнів, забитих у землю, з'єднаних на зварюванні сталевої смуги і розташованих в межах об'єкта, що захищається. Таким чином, вирівнюються потенціали суміжних точок поверхні. Вище були зазначені опори розтіканню в електроустановках напругою до 1 кВ. Тут відзначимо необхідні опори розтіканню в електроустановках напругою вище 1 кВ.

Так, в установках з великими струмами замикання на землю (вище 500 А) опір розтіканню пристрою, що заземлює, повинен бути не більш 0,5 Ом. У мережах з малими струмами замикання на землю (6, 10, 20 кВ) значення опору розтіканню повинно бути не більш:

а)         при загальному пристрої, що заземлює, для установок напругою до
1 кВ і більш

б)         при використанні пристрою, що заземлює, тільки для установок
напругою вище 1 кВ

и 250

R3 < — , (2.58)

з

де І3 - розрахунковий струм однофазного замкнення на землю; R3 не повинне

бути більше 10 Ом.

Значення Із звичайно задаються енергопостачальними організаціями при

видачі технічних умов на приєднання до їхніх мереж. Наближене значення розрахункового струму Із може бути визначене з наступних виражень:

для кабельної мережі

13 = Т0;           (2.59)

для повітряної мережі

1 з =Ч7К,        (2.60)

де U - напруга мережі, кВ; і - загальна довжина мережі, км.

Як вже було сказано, для заземлення використовуються природні і штучні заземлювачі.

визначати за формулою, Ом,


Опір розтіканню струму заземлення в першу чергу залежить від питомого опору ґрунту р , приведеного в табл.2.34. Найбільше зручно і економічно в якості природних заземлювачів використовувати залізобетонні фундаменти і конструкції будинків і споруджень.

R ф = r(0,5/Vs7),

(2.61)

де р - питомий електричний опір ґрунту, Ом-м; Sф - площа, обмежена

периметром будинку на рівні денної поверхні землі, м2.

Сталеві водопровідні труби без антикорозійного покриття зі звареними стиками і свинцеві оболонки кабелів (якщо вони маються) теж слід використовувати в якості природних заземлювачів. Кабелі з алюмінієвою оболонкою використовувати в якості природних заземлювачів. Кабелі з алюмінієвою оболонкою використовувати в якості заземлювача не дозволяється.


Для попередніх розрахунків можна користуватися даними про опір розтіканню водопровідних труб, приведеними в табл.2.35 для р = 100 Ом-м та в табл.2.36 для кабелів.

Значення питомого опору, прийняті по табл. 2.34, необхідно множити на коефіцієнт сезонності (промерзання і зволоження), приведений у табл. 2.37 і залежний від кліматичної зони, де споруджується об'єкт.


Якщо оболонки кабелів є єдиним заземлювачем і в траншеї прокладено кілька кабелів (їх повинно бути не менше двох), то загальний опір розтіканню з врахуванням їх взаємного екранування:

де Ro ,к - опір розтіканню струму оболонки одного кабелю; пк - число кабелів в одній траншеї.

У тих випадках, коли опір розтіканню природних заземлювачів перевищує необхідне ППЕ, необхідно створити додатково штучне заземлення з опіром, рівним:

де Rз н — значення нормованого опору розтіканню, Ом.

У тих випадках, коли елементи заземлення занурюються в ґрунт нижче глибини промерзання, коефіцієнт сезонності не вводиться і р приймається по табл.2.34 без змін.

Опір розтіканню струму неізольованого сталевого трубопроводу Rcmp -можна (поряд з показниками табл.2.35) визначати за формулою

(2.64)

Опір обсадної труби Ro c свердловини дорівнює

де / - довжина труби, м, але не більш 200 м; h - глибина закладення труби від поверхні землі, м; d - діаметр труби, м.

Формули для визначення опору розтіканню одиночних заземлювачів (електродів) приведені в табл.2.38

Таблиця 2.38 - Опор одиночних заземлювачів, Ом

Вид заземлювача

Вертикальний електрод із круглої сталі або труби

Примітка. Умовні позначки: / - довжина електрода, м; d - зовнішній діаметр електрода, м; h- глибина закладення від поверхні землі (для вертикального електрода - відстань від поверхні землі до середини електрода), м; b- ширина смугового електрода (для кутової сталі - ширина полки), м.

Штучні заземлювачі, як правило, улаштовуються з декількох електродів

(іноді з досить значної їх кількості), з'єднаних сталевою смугою. У цьому

випадку приходиться враховувати вплив взаємоекранування стержньових і

протяжних заземлювачів, що як би підвищують опір розтіканню струму. Ця

обставина враховується введенням у розрахункові формули коефіцієнтів

використання, що залежать від кількості стержньових електродів і їх

розташування.

Задавши попередньою довжиною протяжного заземлювача, визначають його опір:

де пст - кількість стержнів; І^со - опір одиночного електрода; 77ст, Лп -коефіцієнти використання стержньових і протяжних заземлювачів (табл. 2.39 і

2.40)

Якщо число стержнів сильно відрізняється від прийнятого попередньо, то розрахунок варто повторити.

2.5.1.4. Глибинні заземлювачі

У реальних умовах земля має багатошарову будову, однак для практичних розрахунків досить представити ґрунт у виді двошарової

структури. У багатьох випадках питомий опір нижнього шару /2 менше /1 верхнього шару, тому доцільно використовувати заглибленні (5-10 м) і глибинні (понад 10 м) заземлювачі, що забезпечує істотну економію коштів. Опір розтіканню Rr З такого вертикального заземлювача, Ом, можна визначати за формулою

де h - глибина верхнього шару, м; / - довжина заземлювача, м; d- діаметр заземлювача, м.

Побудова такого заземлювача здійснюється за допомогою бурової установки.

У деяких складних випадках при досить великих значеннях р прибігають

до штучного зниження опору розтіканню за допомогою спеціальних електролітів, якими просочується ґрунт навколо заземлювача. Ці питання викладені в спеціальній технічній літературі.

2.5.1.5. Замулення

Система занулення повинна насамперед забезпечити швидке відключення електроустановки при однофазному замиканні на найбільш віддаленій ділянці електричного ланцюга. Для цієї мети повинний бути виконаний розрахунок струму однофазного КЗ.

З метою забезпечення надійності і механічної міцності пристроїв

заземлення і занулення ППЕ встановлені найменші розміри що заземлюють і

нульових захисних провідників, приведені в табл. 2.41.


Таблиця 2.41 - Найменші розміри заземлюючих та нульових захисних
провідників

2.5.2. Захисне відключення і розділові трансформатори

Захисне заземлення і занулення не завжди забезпечують необхідні умови безпеки людей, що стикаються з електроустановками, тому що навіть при струмі однофазного КЗ, що перевищує в 3 рази номінальний струм плавкої вставки запобіжника або розцеплювача автоматичного вимикача, спрацьовування захисту відбувається з деякою витримкою часу (іноді в кілька хвилин). У цих випадках доцільно, особливо в приміщеннях з підвищеною небезпекою, додатково до занулення застосовувати захисне відключення.

2.5.2.1. Апарати захисного відключення являють собою автоматичні вимикачі, постачені пристроями, що реагують на струм витоку. Основною частиною пристрою захисного відключення є диференціальний трансформатор струму, первинною обмоткою якого служать проводи мережі, що захищається. До вторинної обмотки приєднується схема, що безпосередньо впливає на механізм відключення вимикача.

Існує велика розмаїтість видів пристроїв захисного відключення. Найбільш розробленими є пристрої високої чутливості, що реагують не тільки на глухе, але і на неповне замикання на землю. Такі пристрої при правильно обраних уставках струмів витоку (близько 30 мА) мають велику швидкодію і захищають навіть при однополюсному дотику і струмоведучих частинах.

Функції пристроїв захисного відключення зводяться до наступного: а) захист від глухого замикання на землю; б) захист від неповного замикання на землю; в) автоматичний постійний контроль стану ізоляції мережі і ланцюгів заземлення (занулення); г) самоконтроль.

Найбільш прості апарати захисного відключення спрацьовують при замиканні на землю з часом відключення 0,1-0,2 с і забезпечують безпеку тільки при дотику до заземлених не струмоведучих частин, які з'явились під напругою.

Дія пристроїв захисного відключення засноване на тім, що через диференціальний трансформатор струму пропускають усі проводи лінії, що захищається, включаючи нульовий провід, завдяки чому геометрична сума струмів дорівнює нулеві навіть при несиметричному навантаженні фаз. При такій рівновазі струмів пристрій не спрацьовує. При замиканні однієї фази на корпус виникає струм витоку, що не проходить через диференціальний трансформатор струму. Виниклий при цьому в диференціальному трансформаторі струм небалансу викликає спрацьовування пристрою захисного відключення.

Уставка на струм витоку повинна бути більше природних струмів витоку електроприймачів, що приєднуються до мережі, що захищається, в противному випадку можуть виникати помилкові відключення. Разом з тим загрубіння уставок струмів витоку знижує надійність захисту від поразки електричним струмом.

2.5.2.2. Застосування розділових трансформаторів

Понижуючі трансформатори з вторинною напругою не більш 42 В і заземленою вторинною обмоткою не забезпечують необхідної безпеки у випадку порушення ізоляції між обмотками. У цьому випадку у вторинний ланцюг переходить напруга первинного ланцюга і людина може виявитися під потенціалом, небезпечним для життя.

Цього недоліку можна уникнути, застосовуючи так званні розділові трансформатори. Ці трансформатори мають підвищену ізоляцію, завдяки чому в значній мірі знижується можливість переходу напруги первинної обмотки у вторинну. Розділові трансформатори не обов'язково повинні бути понижуючими, однак вторинна напруга не повинна бути більше 380 В.

Прагнення до створення найбільших зручностей привело до установки у ванних кімнатах квартир, готелів і гуртожитків штепсельних розеток для включення в них деяких побутових електроприймачів, що споживають невелику потужність. До таким електроприймачів відносяться електробритви,

вібраційні прилади для масажу і т.п. Однак установка штепсельної розетки у ванній кімнаті з приєднанням її безпосередньо до мережі квартири становить безумовну небезпеку для людей і ППЕ це забороняє. Справа в тім, що в умовах ванної кімнати (звичайно вкрай тісне приміщення, у якому маються заземлені металеві частини - крани, труби, ванна і т.п.), несправність ізоляції електроприймача або штепсельної розетки може привести до важких травм. Штепсельна розетка у ванній кімнаті повинна включатися тільки через розділовий трансформатор, завдяки чому побутовий електроприймач ізолюється від загальної мережі квартири, тобто виключаються умови, що викликають підвищену небезпеку.

Вторинну обмотку розділового трансформатора і електроприймач, підключений до нього, заземлювати заборонено.

При відсутності заземлення дотик до частин, що знаходиться під напругою, або до корпуса з ушкодженою ізоляцією не створює небезпеки, тому що вторинна мережа розділового трансформатора коротка і струми витоку в ній при справній ізоляції невеликі. Якщо при цьому виникає ушкодження ізоляції і на іншій фазі вторинного ланцюга (подвійне замикання), то на корпусі електроприймача з'явиться напруга відносно землі, що в несприятливих випадках (наприклад, підлога що проводить у ванній кімнаті) може виявитися небезпечним. Щоб зменшити імовірність появи подвійних замикань, до розділового трансформатора не слід приєднувати більш однієї розетки. Крім того, самі розділові трансформатори повинні мати високий рівень ізоляції, що досягається спеціальним виконанням.


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я