Корпус электродвигателя, арматура электрического светильника или трубы электропроводки обычно не находятся под напряжением относительно земли благодаря изоляции от токоведущих частей. Однако в случае повреждения изоляции они могут оказаться под напряжением, нередко равным фазному. Электродвигатель с пробитой на корпус изоляцией соединен с машиной, которую он приводит в движение, например установлен на станке. Рабочий, взявшийся за рукоятки управления станком, может попасть под напряжение. Защиту от поражения электрическим током при повреждении изоляции обеспечивают защитное заземление, зануление, выравнивание потенциалов, уравнивание их с помощью системы защитных проводников, защитное отключение, изоляция нетоковедущих частей, электрическое разделение сети, малое напряжение, контроль изоляции, изолирующие защитные средства, а в сети с изолированной нейтральной точкой также компенсация токов замыкания на землю. Эти способы можно использовать в сочетании друг с другом. Наибольшее распространение получили защитное заземление и зануление. Заземление состоит в том, что заземляемые части соединяют с заземлителем, т.е. с металлическим предметом, находящимся в непосредственном соприкосновении с землей, или с группой таких предметов. Чаще всего это стержни из угловой стали, забитые в землю вертикально и соединенные под землей приваренной к ним стальной полосой. Заземление частей электроустановки для обеспечения электробезопасности называют защитным заземлением. Бывают также грозозащитное (от грозовых перенапряжений в проводке или воздушной линии), молниезащитное и рабочее (необходимое для работы установки) заземления. Можно выделить также вспомогательные заземления в составе иных защитных мероприятий электробезопасности, например повторные заземления нулевого провода в системе технического способа «зануление». Заземления разных назначений, устроенные на одной площадке, как правило, конструктивно и электрически совмещают. Защитное заземление применяют в электроустановках напряжением выше 1000 В с любым режимом работы нейтрали и в установках до 1000 В с изолированной от земли нейтральной точкой, а зануление применяют в установках напряжением до 1000 В с заземленной нейтралью (в частности, в сетях 380/220 В). Благодаря защитному заземлению напряжение, под которое может попасть человек, прикоснувшийся к заземленной части, значительно снижается. Однако неверно, что это напряжение равно нулю, так как все, что электрически связано с землей, должно иметь потенциал земли, т. е. нуль. Дело в том, что землю можно рассматривать как электрический проводник с некоторым сопротивлением электрическому току и с падением напряжения вдоль пути тока, т. е. с различным потенциалом точек земли около за- землителя и на большом расстоянии от него, где потенциал действительно можно принять равным нулю. Если представить себе заземлитель в виде полусферы (рис. 10.1), то можно считать, что ток в земле растекается во все стороны от этого заземлителя в радиальных направлениях. Сечение «земляного» проводника определяется поверхностью полусфер того или иного радиуса и по мере увеличения радиуса возрастает. Соответственно уменьшаются сопротивление грунта растеканию тока и падение напряжения на 1 м пути. Кривая изменения потенциала на поверхности земли представляет собой гиперболу. На расстоянии около 20 м от одиночного сосредоточенного заземления падение напряжения в слоях земли от тока, растекающегося с заземлителя, уже практически не обнаруживается, т. е. потенци- и,% ал можно считать равным нулю. Пространство вокруг заземлите- ля, где обнаруживается заметный электрический потенциал от тока, стекающего с заземлителя, называют зоной растекания. В сущности, сопротивление растеканию тока от заземлителя — это сопротивление полусферы грунта с радиусом, равным радиусу зоны растекания. Сопротивление заземлителя относительно земли (относительно точек грунта с нулевым потенциалом, находящихся вне зоны растекания тока) включает в себя кроме сопротивления растеканию тока в земле также сопротивление току при прохождении его по самим заземлителям и переходное сопротивление в электрическом контакте между металлическим заземлите- лем и ближайшими к нему слоями грунта. Последние две составляющие очень малы по сравнению с первой, даже если заземлите- ли покрыты слоем ржавчины. Поэтому под сопротивлением заземлителя часто понимают его сопротивление растеканию. Но точнее это отношение напряжения на нем U3 (его потенциала) к току /3, который через него стекает в землю, т. е. R3=u3/I3. Совокупность заземлителя и заземляющих проводников, соединяющих заземлитель с заземляемыми частями электроустановки, называется заземляющим устройством. Напряжение на заземленном корпусе электрооборудования UK отличается от напряжения заземлителя U3 на значение падения напряжения в заземляющих проводниках, соединяющих корпус с заземлителем. Но можно считать UK = Ur Сопротивлением заземляющего устройства считают сопротивление заземлителя. За пределами зоны растекания ток в земле практически не обнаруживается, но не следует считать, что его там нет. В сети с изолированной нейтралью ток с провода, где повреждена изоляция, протекает через заземлитель и землю на провода других фаз, через активное сопротивление их изоляции и через емкостные сопротивления этих проводов относительно земли. В сети с заземленной нейтралью ток от места замыкания течет главным образом к нейтрали по пути с наименьшим индуктивным сопротивлением (под проводами линии). Если нейтраль изолирована, то значение тока, А, зависит от номинального напряжения сети (/„, кВ, и от емкости сети относительно земли (от длины металлически связанных воздушных и кабельных линий с ответвлениями): /,= ?/„(/„/350+ /к/10), где /„ и /к — соответственно длина ВЛ и кабелей, км. На рис. 10.2 показана сеть без заземленной точки с полным сопротивлением изоляции проводов относительно земли 7Л и Z2. После пробоя изоляции одного из проводов на металлический корпус, который связан с защитным заземлением, имеющим сопротивление R3, этот корпус будет иметь относительно участков земли с нулевым потенциалом напряжение, равное падению напряжения на /?3 от тока /3 через него: UK=U3^I3R3BR3UII/(R3 + Z2). Так как обычно Z2 »Л3, сила тока /3 от значения R3 практически не зависит, a UK прямо пропорционально R3. Поэтому с уменьшением R3 снижается и напряжение, которое может иметь заземленный предмет. Однако такое же напряжение появится на корпусах неповрежденного оборудования, присоединенных к тому же за- землителю. Это один из недостатков защитного заземления. Аналогично действует защитное заземление и в трехфазных установках с изолированной нейтралью, например в установках с номинальным напряжением 6...35 кВ. Напряжение относительно земли, под которым могут оказаться корпуса оборудования а, б иве пробитой изоляцией (рис. 10.3) при отсутствии защитного заземления на а, зависит от сопротивления изоляции фаз относительно земли и теоретически может лежать в пределах от 0 (при ZA = 0) до линейного Un (при ZB— 0 или Zc— 0, ZA*0). В таких сетях возможно проявление следующего недостатка защитного заземления. Если изоляция двух других фаз достаточно хорошая, а емкость их относительно земли мала, то ток замыкания на заземленный корпус (например, 6) может быть настолько Рис. 10.3. Схема, поясняющая действие защитного заземления в трехфазной сети с изолированной нейтралью мал, что напряжение на корпусе Uk6 может не ощущаться людьми, в то же время напряжение двух других фаз относительно земли увеличивается от фазного до линейного. Изоляция этих фаз может не выдержать увеличившегося напряжения и оказаться поврежденной в другом электроприемнике, имеющем свое защитное заземление (в). Ток двойного замыкания на землю может быть близок по значению к току короткого замыкания двух фаз и может создавать большое падение напряжения на сопротивлениях заземления обоих поврежденных приемников Rj6 и R3B. Видно, что какими бы малыми ни были R& и /?зв, падения напряжения на них, а значит, и напряжения на корпусах Uk6 И Ukb будут зависеть от соотношения между /?зб и R3B и от линейного напряжения сети. Практически всегда будет существовать опасность поражения электричеством. Например, при R3B = Rзб и ил= 10 кВ получится: f/K6 = 0,5 Un = 5 кВ. Участок сети с двойным замыканием на землю автоматически отключается за время, не превышающее 2...3 с, но до момента отключения заземления не защищает людей. Поэтому продолжительность работы сети с однофазным замыканием на землю ограничивают. На торфоразработках и в других местах с особо опасными условиями с точки зрения возможности поражения током вообще не допускается работа при однофазном замыкании на землю. В этих случаях применяют автоматическое отключение. В установках напряжением выше 1 кВ с заземленной нейтралью (в России это установки с номинальным напряжением 110 кВ и более) защитное заземление снижает напряжение на заземленных частях оборудования, оказавшихся под напряжением при пробое изоляции одной фазы, а затем устройства релейной защиты от однофазных к. з. отключают поврежденную часть электроустановки за несколько секунд. Напряжением прикосновения U„p по ПУЭ называют напряжение между двумя точками цепи тока замыкания на землю (на заземленный корпус) при одновременном прикосновении к ним человека. Это, например (см. рис. 10.1), корпус заземленного аппарата и точка земли в месте, где стоит человек, касающийся аппарата. Напряжением шага Um называют напряжение между двумя точками на поверхности земли, обусловленное растеканием тока замыкания на землю (на корпус) при одновременном касании их ногами человека. Определение этих понятий в ГОСТ Р 50571. 10—96 другое. Там это напряжение на теле человека при прикосновении или соответственно при шаге, т. е. оно меньше за счет падения напряжения на сопротивлениях растекания с ног в землю, обуви, пола при протекании тока через человека. Однако и определенное по ПУЭ ипр составляет лишь часть напряжения на заземлителе или практически равного ему напряжения на корпусе относительно точек земли с нулевым потенциалом. Оно зависит от расстояния между ногами человека и заземлителем (чем дальше, тем больше) и от крутизны кривой спада потенциала, которая может быть более пологой при сложной конструкции заземлителя (поло- же — безопаснее). Заземляют открытые (доступные прикосновению) металлические нетоковедущие части, на которые напряжение может попасть в результате повреждения изоляции. Это корпуса трансформаторов и других электроприемников, приводы выключателей и других коммутационных аппаратов, каркасы распределительных щитов, пультов и щитов управления, шкафов с электрооборудованием, металлические оболочки кабелей, проводов, стальные трубы для электропроводки, тросы, на которых подвешены провода, кожухи шинопроводов, короба и лотки, арматура железобетонных опор и их проволочные оттяжки. Чтобы уравнять потенциалы в помещениях, где применяется заземление или зануление, заземляют (зануляют) также все так называемые сторонние проводящие части (строительные и производственные металлоконструкции и трубы водопровода и центрального отопления). Однако не заземляют и не зануляют: изоляторные крюки на деревянных опорах, если на них не проложен кабель с заземленной броней и не требуется заземление крюков на данной опоре для грозозащиты; металлические скобы для крепления проводов и другие детали размером не более 50x50 мм, недоступные для прикосновения; трубы для прохода через стены, в том числе при выполнении его кабелем. Не заземляют и металлические корпуса электрооборудования, установленного на заземленных или зануленных частях станков, если на опорных поверхностях предусмотрены места, зачищенные для хорошего контакта. На движущихся частях станка электрооборудование зануляют, поскольку оно отделено от неподвижной части станка смазочной пленкой. По ГОСТ 30331.3—95 «Электроустановки зданий. Ч. 4. Требования по обеспечению безопасности. Защита от поражения электрическим током» требуется заземление или зануление открытых нетоковедущих частей, в частности металлических корпусов стационарных и переносных электроприемников, в любых зданиях (производственных, жилых) независимо от степени опасности поражения током в данном помещении, если номинальное напряжение превышает 50 В переменного тока или 120 В постоянного. Если же напряжение меньше, но больше 25 В переменного тока или 60 В постоянного, то так называемая защита от косвенного прикосновения (к корпусу оборудования с поврежденной изоляцией), в частности заземление или зануление, требуется в помещениях с повышенной опасностью или в особо опасных и наружных электроустановках. При меньшем напряжении заземление или зануление необходимо только во взрывоопасных зонах и для электрооборудования электросварки. Для выравнивания потенциалов на территории электростанций и подстанций с целью уменьшения напряжения прикосновения и шага заземлитель в электроустановках напряжением выше 1000 В обязательно делают в виде замкнутого горизонтального контура из круглой или полосовой стали, охватывающего территорию, на которой размещена подстанция или электростанция. Незамкнутый контур, например ряд стержней, допускается лишь для заземления опор ЛЭП. В электроустановках напряжением выше 1000 В с эффективно заземленной нейтралью (это установки с номинальным напряжением 110 кВ и выше) кроме замкнутого контура дополнительно применяют выравнивание электрических потенциалов путем прокладки внутри контура продольных и поперечных горизонтальных элементов заземлителя и соединения их сваркой между собой в заземляющую сетку. На рис. 10.4 показано, как при этом уменьшаются напряжения прикосновения и шага по сравнению с сосредоточенным заземлителем (см. рис. 10.1). Продольные заземлители (выравнивающие потенциал неизолированные проводники) надо прокладывать на расстоянии 0,8... 1 м (длина вытянутой руки) от фундаментов или оснований электрооборудования со стороны его обслуживания вдоль осей оборудования на глубине 0,5...0,7 м от поверхности земли. Поперечные заземлители прокладывают на такой же глубине в удобных местах между оборудованием. Если заземляющая сетка располагается в пределах внешнего ограждения электроустановки, то у входов и въездов на ее территорию для дополнительного выравнивания потенциалов в установках напряжением 110 кВ и выше к внешнему горизонтальному проводнику присоединяют заглубленные под него два вертикальных стержня длиной по 3...5 м с расстоянием между ними, равным ширине входа или въезда. В скальных грунтах допускается не применять вертикальные заземлители, а горизонтальные прокладывать на глу бине 0,15...0,5 м. В обычных грунтах заземляющие проводники от заземляемых частей оборудования к заземляющей сетке следует прокладывать в земле на глубине не менее 0,3 м. Если для обеспечения необходимого значения сопротивления заземления заземляющая сетка имеет такие размеры, что она не помещается внутри территории электроустановки, то в дополнение к базовой конструкции внутри ограждения территории за оградой прокладывают горизонтальный контур, причем для уменьшения напряжения шага на глубине не менее 1 м и в виде многоугольника с тупыми углами. У заземлителей в электроустановках напряжением выше 1000 В с изолированной нейтралью (подстанции 35/6...10 кВ, 6...35/0,4 кВ) выравнивающие потенциал горизонтальные неизолированные проводники внутри замкнутого контура заземления, причем только продольные, прокладывают лишь в случае, если заземляющее устройство имеет сопротивление более 10 Ом. От стойки портала, на которой установлен вертикальный молниеотвод, или от точки присоединения к заземлителю подстанции напряжением 35... 110/6 кВ протяженного тросового молниеотвода, защищающего подходы BJ1 к подстанции, должны отходить в трех направлениях горизонтальные заземлители каждый с вертикальным заземлителем длиной 3...5 м на расстоянии от этой стойки или точки присоединения не менее, чем его длина, т. е. на внешнем контуре. Кроме обычных конструкций заземлителей (вертикальных длиной 3...5 м и горизонтальных на глубине 0,5...0,7 м) применяют углубленные заземлители, которые представляют собой заземлитель из круглой стали, горизонтально уложенный по внешнему контуру дна котлована для фундамента здания. Если фундамент железобетонный, то можно использовать его арматуру. Благодаря углубленному расположению обеспечивается малое сопротивление при сравнительно небольшом расходе металла и без специальных работ. Сезонными изменениями сопротивления у таких заземлителей можно пренебречь, т. е. выполнять их без соответствующих запасов. Заглублять стержни на 5...10м можно с помощью различных механизмов. Для завинчивания круглых стержней диаметром 12 мм применяют ручной переносной инструмент на базе электродрели, снабженной редуктором и специальным зажимом для стержня, например типа ПВЭ или ПЗ-12. Предварительно надо приварить к концу стержня по винтовой линии два-три витка проволоки диаметром 6 мм или просто отковать в виде плоского копья конец стержня длиной, равной 10 его диаметрам. Иногда заглубляют стержни электровибратором, вдавливают их с помощью трубоукладчика или ямобура, забивают пневмомолотком или переоборудованным автопогрузчиком с падающим грузом. В качестве заземлителей рекомендуется использовать так назы ваемые естественные заземлители: арматуру железобетонных фундаментов, в том числе имеющих защитную гидроизоляцию; свинцовые оболочки кабелей, если их не менее двух (на случай ремонта одного из них); трубопроводы, проложенные в земле, за исключением трубопроводов канализации и центрального отопления или содержащих горючие и взрывоопасные газы или жидкости, если они отделены от заземляемого оборудования, а также кроме покрытых изоляцией для защиты от коррозии. Алюминиевые оболочки кабелей нельзя использовать в качестве естественных зазем- лителей ввиду быстрой коррозии при стекании с них тока в землю (в конструкции кабеля они изолированы от брони). Если естественный заземлитель удовлетворяет по значению сопротивления Re j необходимым требованиям к сопротивлению заземления R3, то сооружать искусственный заземлитель нужно только для выравнивания потенциалов на территории установки, если без выравнивания напряжение прикосновения имеет недопустимое значение, или для снижения плотности токов, протекающих по естественным заземлителям или стекающих с них. Когда заземлитель проектируют по допустимому значению R3 и значения и„р и Um не проверяют, искусственный заземлитель при Re j < R3 приходится сооружать (хотя бы минимальных размеров) для выполнения требований ПУЭ к конструкции заземлителя, обеспечивающей выравнивание потенциалов (замкнутый контур). Искусственные заземлители необходимы также для заземления железобетонных опор в сетях напряжением выше 1000 В с изолированной нейтралью, если эти опоры не соединены с заземлите - лем подстанции или электростанции грозозащитным тросом. Искусственные заземлители должны обеспечивать нужное сопротивление без учета действия подземной части опоры как естественного заземлителя, иначе токи замыкания на опору, длительно стекая с нее в землю, в сетях напряжением 6...35 кВ приводят к повреждению опоры, а также высушивают землю вокруг и создают опасные напряжения прикосновения и шага, так как в сухой земле Rs возрастает. В качестве заземляющих спусков у железобетонных опор следует использовать все элементы продольной арматуры, которые должны быть соединены между собой и с заземлителем посредством так называемого нижнего заземляющего выпуска. Это стальной стержень длиной 1,5 м, заранее приваренный к арматуре опоры и выведенный из ее нижнего торца. Металлические траверсы и другие детали опоры, а также грозозащитные тросы присоединяют к ее арматуре с помощью заранее приваренного к ней верхнего заземляющего выпуска. Металлические и железобетонные конструкции при их использовании в качестве естественных заземлителей должны образовывать непрерывную электрическую цепь. Согласно ГОСТ 12.1.030—81 «Электробезопасность. Защитное заземление, зануление», если железобетонные фундаменты производственных зданий в качестве естественного заземлителя обеспечат допустимые напряжения прикосновения, то сооружение искусственного заземлителя и прокладка магистральных проводников заземления внутри зданий не требуются. Для заземления нейтральной точки в электроустановках напряжением до 1000 В естественными заземлителями можно также считать нулевые провода воздушных линий (повторные и грозозащитные заземления нулевого провода), если линий не менее двух. Однако в составе заземления нейтральной точки обязательно должно быть заземление в непосредственной близости от нее, т. е. использующее другие естественные заземлители на территории, например, подстанции, кроме нулевых проводов, если есть другие, или искусственное заземление, если нет. Если в наиболее неблагоприятное для работы заземлителя время года (зимой) удельное сопротивление земли р превышает 200 Ом ? м, то для экономии затрат на заземлители рекомендуется заменять грунт в непосредственной близости от заземлителя (на расстоянии до 1 м), засыпая траншеи пластичной глиной, или применять углубленные заземлители (на глубине р меньше), или устраивать выносные заземлители, если за пределами территории электроустановки имеются места со значительно меньшим р. Траншеи с заземлителями для предотвращения их локальной коррозии засыпают грунтом, не содержащим щебень и мусор. В зависимости от грунта, приводящего к быстрой коррозии, рекомендуется применять круглую сталь вместо полосовой и угловой, увеличивать сечение заземлителя. В обычных условиях сечение элементов из круглой стали уменьшается в 2 раза (при этом элемент должен быть заменен) за 6... 12 лет при диаметрах соответственно 10...20 мм [14]. Это надо учитывать при проектировании заземлителя. Заземляющее устройство состоит из искусственных и естественных заземлителей и проводников, которые соединяют с ними заземляемое оборудование. К оборудованию заземляющие проводники присоединяют сваркой или болтами, а к металлоконструкциям и заземпителю (под землей) — сваркой внахлестку на длине, равной двойной ширине для полос или шести диаметрам для круглых стержней. К трубопроводам, используемым в качестве естественного заземлителя, заземляющие проводники можно присоединять с помощью хомутов, если контактная поверхность хомута облужена, а труба в месте его наложения зачищена. Отдельные заземляемые корпуса обычно присоединяют не к зазем- лителю, а к магистральному заземляющему проводнику, сечение которого (если это стальная полоса) должно быть не менее 100 мм2 в установках напряжением до 1000 В или 120 мм2 при напряжении выше 1000 В. Магистрали заземления присоединяют к заземлителю не менее чем двумя проводниками в разных местах (за исключением заземления опор ЛЭП, повторных заземлений нулевого провода и металлических оболочек кабелей). В качестве заземляющих рекомендуется применять неизолированные стальные проводники. Наименьшие размеры стальных заземлителей и заземляющих проводников по соображениям стойкости против коррозии указаны в табл. 10.1. Заземляющие проводники в сетях с изолированной нейтралью нужно выбирать, кроме того, такого сечения, чтобы их проводимость составляла не менее 1/3 проводимости фазных проводов на данном участке. Стальные заземляющие проводники на деревянных опорах должны быть диаметром не менее 10 мм при напряжении ЛЭП выше 1000 В и не менее 6 мм при напряжении до 1000 В. 10.1. Наименьшие размеры стальных заземляющих проводников и заземлителей, мм Круглые (диаметр) Прямоугольные Угловая сталь (толщина полки) Трубы (толщина стенок) Условия прокладки сечение толщина газоводо провод ные тонко стенные В зданиях В наружных установках: 5 24 3 2 2,5 1,5 в воздухе 6 48 4 2,5 2,5 2,5 в земле 10 48 4 4 3,5 Недо пустимы В качестве заземляющих можно применять и проводники из цветных металлов. Неизолированные алюминиевые проводники нельзя прокладывать в непосредственном соприкосновении с землей из-за их быстрой коррозии. В зданиях они должны иметь сечение не менее 6 мм2, а медные — не менее 4 мм2. Каждый заземляемый элемент установки присоединяют к заземляющей магистрали отдельным проводником. Нельзя последовательно включать несколько заземляемых частей в заземляющий проводник. Кроме специальных заземляющих проводников дополнительно к ним, а если будет достаточно по проводимости, то и вместо них следует применять, когда это возможно, металлические конструкции зданий, каркасы распределительных устройств, подкрановые пути, стальные трубы электропроводок и других трубопроводов в земле (кроме содержащих горючие или взрывоопасные газы и жидкости и кроме трубопроводов канализации и центрального отопления), а также алюминиевые оболочки любых кабелей. Независимо от использования этих проводников и конструкций в качестве заземляющих все они, а также все металлические оболочки проводов должны быть соединены с заземляющим устройством во всех помещениях, где применяют заземление. Места соединений отдельных частей этих конструкций должны иметь хороший электрический контакт. Например, в трубопроводах муфты надо выполнять на сурике, а задвижки и другие места возможного разъединения трубопровода при ремонте должны иметь обходные электрические соединения. При использовании участков металлических конструкций их нужно соединять сваркой с помощью стальных шин сечением не менее 100 мм2. Нейтрали генераторов и трансформаторов заземляют только специально проложенными проводниками. Заземляющие проводники надо защищать от коррозии. В сухих помещениях без агрессивной среды их допускается прокладывать непосредственно по стенам, а в остальных случаях — на расстоянии не менее 10 мм от них. Прокладывать заземляющие проводники через стены нужно, как правило, с непосредственной заделкой, но в этом месте они не должны иметь соединений и ответвлений. У мест прохода должны быть опознавательные знаки. 10.3.