"Новости Электротехники" «Замыкания на землю и заземления»

< Предыдущая ] [ Следующая >

Журнал №5(11) 2001

Замыкания на землю и заземления

Евгений Иванов, сопредседатель проблемного комитета «Электробезопасность» Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности, д. т. н., профессор кафедры безопасности жизнедеятельности СПГЭТУ «ЛЭТИ»

В предыдущих номерах нашего журнала, рассматривая вопрос об основах электробезопасности в свете современных требований, мы писали о видах действия электрического тока на человека, схемах включения человека в цепь тока, о сопротивлении изоляции и емкости электроустановок относительно земли. В этом материале речь пойдет о замыканиях на землю и заземляющих устройствах.

Электротравмы в большинстве случаев происходят в режимах однофазного (однополюсного) прикосновения человека к токоведущей части электроустановки или к нетоковедущим металлическим конструкциям, случайно оказавшимся под напряжением вследствие повреждения электрической изоляции. Пожароопасные ситуации также в большинстве случаев возникают в режимах однофазного (однополюсного) замыкания на землю токоведущих частей электроустановки при эксплуатационных повреждениях изоляции. В этих режимах значения токов в цепях «токоведущая часть - земля» или «токоведущая часть - тело человека - земля» определяются параметрами цепей связи токоведущих частей с землей не только через сопротивления утечки, как это указывалось в предыдущей статье, но и через сопротивления замыкания на землю или принятого в проекте электроустановки искусственного заземления токоведущих частей.

Замыкания на землю
Согласно Правилам устройства электроустановок (п. 1.7.10) замыканием на землю называется случайное соединение находящихся под напряжением частей электроустановки с конструктивными частями, не изолированными от земли, или с землей непосредственно.
Вблизи места замыкания на землю формируется зона растекания тока — пространство, на поверхности которого электрические потенциалы отличны от нуля. Понятие об этой зоне - одно из основополагающих в теории электробезопасности. Поэтому рассмотрим его подробнее, взяв в качестве примера линию передачи электроэнергии (ЛЭП).

Пусть по какой-либо причине происходит замыкание фазного провода С на опору ЛЭП (увлажненность, загрязнение изоляторов, крылья птицы и пр.). Ток замыкания на землю протекает по контуру: фаза С - опора ЛЭП - земля - сопротивление заземления нейтрали R0 трансформатора ЛЭП - нейтраль 0 трансформатора (рис. 1).
Вблизи опоры ЛЭП формируется зона растекания тока (считается, что ее радиус равен 20 м). В этой зоне ток протекает в земле по радиусам во все стороны от фундамента опоры. Поэтому упрощенно поперечное сечение проводящего слоя земли можно принять за полусферу, площадь которой
S = 2px²,
где x — расстояние до опоры. То есть по мере удаления от фундамента опоры ток замыкания на землю протекает как бы по проводнику с переменным сечением, увеличивающимся по мере удаления от места замыкания. Наибольшая плотность тока j_зам наблюдается вблизи места замыкания (здесь наименьшее сечение проводника — земли). По мере удаления от места замыкания сечение проводника — земли возрастает и поэтому плотность тока j_зам = I_зам/2px² постепенно уменьшается до бесконечно малого значения. Соответственно изменяется и напряженность электрического поля в зоне растекания тока E = rj_зам (здесь r — удельное сопротивление грунта) — от максимального значения до нуля. То есть потенциалы электрического поля в зоне растекания тока изменяются от максимального значения j_зам в месте замыкания на землю до практически нулевого значения на расстоянии 20 м от места замыкания. Такая закономерность характерна для любых вариантов замыканий на землю (замыкание на опору ЛЭП взято лишь для наглядности).

Сопротивление зоны растекания тока
Поскольку в зоне растекания тока существуют электрические потенциалы, она может представлять опасность для жизни человека. Поэтому всегда необходимо выполнять количественную оценку ее параметров, в частности, определять значение максимального потенциала j_зам. Этот потенциал равен падению напряжения на зоне растекания тока в контуре тока замыкания на землю: j_зам = I_замR_зам, где R_зам — сопротивление зоны растекания тока. Так же как и сопротивление электрической изоляции, сопротивление зоны растекания тока - распределенный параметр, количественное значение которого может быть определено только путем специальных измерений.

Поставим эксперимент. Воткнем в землю два электрода Э1 и Э2 и через амперметр А подключим к ним источник измерительного напряжения U_изм (рис. 2).
Вблизи каждого из этих электродов возникают зоны растекания тока I_зам с максимальными потенциалами j_зам1 и j_зам2, причем j_зам1 + j_зам2 = U_изм. Значения этих потенциалов относительно земли можно измерить. Для этого применяют дополнительный электрод ЭВ, вынесенный за зону растекания тока, туда, где потенциал на поверхности земли j₀ близок к нулю.
Показание вольтметра V, подключенного между дополнительным и основным электродами, будет U = j_зам - j₀ = j_зам. Зная по показанию амперметра А значение тока замыкания на землю, получаем значения сопротивлений зон растекания тока R_зам1 = j_зам1/I_зам и R_зам2 = j_зам2/I_зам. Обычно вместо двух приборов — амперметра и вольтметра — используют логометр, позволяющий получить отношение потенциала к току непосредственно (измеритель заземления типа М 416 ).
Приведем некоторые количественные значения сопротивлений зон растекания тока. В варианте обрыва провода ЛЭП и замыкания его на землю сопротивление зоны растекания тока зависит от вида грунта; ориентировочно считают: при замыкании на щебень сопротивление зоны растекания тока равно 10 кОм, на асфальт — 1 кОм, на сырую землю — 100 Ом. Если замыкание произошло на водопроводную трубу, то сопротивление зоны растекания тока вокруг нее можно принять равным 100 Ом. Когда человек стоит на земле и касается токоведущей части, то под его ногами также возникает зона растекания тока с сопротивлением порядка 30 Ом (сырая земля), 1000 Ом (сухая земля), 10 кОм (щебень).

Заземляющее устройство
Заземление — это намеренное соединение металлических токоведущих или нетоковедущих частей с землей. Оно может преследовать различные цели - защита от поражения током (защитное заземление), защита радиоэлектронной аппаратуры от помех, заземление нейтрали источника, рабочее заземление (в однопроводных системах электропитания и электросварочных установках), снятие заряда статического электричества и пр. Оно осуществляется с помощью заземляющего устройства, основным элементом которого является заземлитель - металлоконструкция, врытая в землю. В производственных условиях по контуру помещения располагается шина заземления (стальная или медная полоса, связанная с заземлителем). Заземляемые конструкции соединяются с шиной заземления заземляющими проводниками, сечение которых выбирается из соображений механической прочности (например, чтобы при уборке помещения исключить возможность случайного обрыва проводника) или термической устойчивости к токам замыкания. Требования к конструкции шины заземления и заземляющим проводникам приведены в ПУЭ (глава 1.7).
Количественной нормируемой характеристикой заземляющего устройства является его сопротивление Rз, то есть максимально допустимое значение сопротивления зоны растекания тока вблизи заземлителя (табл. 1).

На подвижных объектах (самолет, корабль и пр.) заземлителем является металлический корпус самого объекта. Здесь сопротивление заземляющего устройства определяется не нормами безопасности, а качеством (механической целостностью) винтового контактного соединения заземляющего проводника с металлоконструкцией (0,02 - 0,05 Ом). Правила контроля заземляющих устройств приведены в Правилах эксплуатации электроустановок потребителей (приложение 24).

Ток замыкания на землю
Значения токов однофазного замыкания на землю ограничены импедансами изоляции здоровых фаз (в сетях, изолированных от земли) или сопротивлением заземления нейтрали (в сетях с заземленной нейтралью). Поэтому на ток однофазного замыкания не реагирует ни аппаратура от токов междуфазного короткого замыкания (максимальная защита), ни аппаратура защиты от перегрузки (тепловая защита). В результате режим однофазного (однополюсного в двухпроводных сетях) замыкания на землю может существовать длительное время, приводя к пожароопасным ситуациям. В режиме однофазного замыкания распределенные по всей сети активные и емкостные токи утечки сосредотачиваются в месте замыкания. Именно здесь — на сопротивлении замыкания или на контакте с сопротивлением заземления — и выделяется активная мощность, под действием которой может произойти процесс роста температуры нагрева. Токи утечки на землю между здоровыми фазами и землей рассредотачиваются по всей сети на бесконечно малые токи по распределенным сопротивлениям утечки и поэтому пожарной опасности не представляют. Ток замыкания опасен именно в месте замыкания. По данным ВНИИ противопожарной обороны (полковник В.В.Смирнов) пожароопасными считаются такие токи, при которых в месте повреждения изоляции выделяется активная мощность более 17 Вт. Во взрывоопасных зонах опасен ток замыкания на землю, значение которого превышает 25 мА.
Предполагаемое (возможное) значение тока замыкания может быть рассчитано по формулам:

для трехфазной сети с изолированной нейтралью (соответствует замыканию фазы А, в случае замыкания другой фазы следует изменить индексы):

(1)
для двухпроводной сети, изолированной от земли:
(2)
для сети с глухим заземлением нейтрали:

(3)

Здесь приняты следующие обозначения: g_a, g_b, g_c — активные проводимости изоляции фаз, gзам — активная проводимость в месте повреждения изоляции (проводимость зоны растекания тока), C_ф— емкости фаз относительно земли, U_ф — фазное напряжение.