Примеры решения задач по оценке эффективности защитного заземления

Практические занятия 8 и 9

Защитное заземление

Защитное заземление – преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам (индуктивное влияние соседних токоведущих частей, вынос потенциала, разряд молнии и т. п.).

Назначение защитного заземления— устранение опасности поражения током в случае прикосновения к корпусу электроустановки и другим нетоковедущим металлическим частям, оказавшимся под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам.

Защитное заземление следует отличать от других видов заземления, например, рабочего заземления и заземления молниезащиты.

Рабочее заземление — преднамеренное соединение с землей отдельных точек электрической цепи, например нейтральных точек обмоток генераторов, силовых и измерительных трансформаторов, дугогасящих аппаратов, реакторов поперечной компенсации в дальних линиях электропередачи, а также фазы при использовании земли в качестве фазного или обратного провода. Рабочее заземление предназначено для обеспечения надлежащей работы электроустановки в нормальных или аварийных условиях и осуществляется непосредственно (т. е. путем соединения проводником заземляемых частей с заземлителем) или через специальные аппараты — пробивные предохранители, разрядники, резисторы и т. п.

Заземление молниезащиты — преднамеренное соединение с землей молниеприемников и разрядников в целях отвода от них токов молнии в землю.

Принцип действия защитного заземления— снижение до безопасных значений напряжений прикосновения и шага, обусловленных замыканием на корпус и другими причинами. Это достигается путем уменьшения потенциала заземленного оборудования (уменьшением сопротивления заземлителя), а также путем выравнивания потенциалов основания, на котором стоит человек, и заземленного оборудования (подъемом потенциала основания, на котором стоит человек, до значения, близкого к значению потенциала заземленного оборудования).

Рассмотрим два случая. Корпус электроустановки не заземлен. В этом случае прикосновение к корпусу электроустановки также опасно, как и прикосновение к фазному проводу сети.

Корпус электроустановки заземлен (рис.4.2) . В этом случае напряжение корпуса электроустановки относительно земли уменьшится и станет равным:

Напряжение прикосновения и ток через тело человека в этом случае будут определяться по формулам:

где a₁- коэффициент напряжение прикосновения.

Уменьшая значение сопротивления заземлителя растеканию тока R_З, можно уменьшить напряжение корпуса электроустановки относительно земли, в результате чего уменьшаются напряжение прикосновения и ток через тело человека.

Заземление будет эффективным лишь в том случае, если ток замыкания на землю I_З практически не увеличивается с уменьшением сопротивления заземлителя. Такое условие выполняется в сетях с изолированной нейтралью (типа IT) напряжением до 1 кВ, так как в них ток замыкания на землю в основном определяется сопротивлением изоляции проводов относительно земли, которое значительно больше сопротивления заземлителя (рис.1).

Рис.1. Схема сети с изолированной нейтралью (типа IT) и защитным заземлением электроустановки

В сетях переменного тока с заземленной нейтралью напряжением до 1 кВ защитное заземление в качестве основной защиты от поражения электрическим током при косвенном прикосновении не применяется, т.к. оно не эффективно (рис.2).

Рис. 2. Схема сети с заземленной нейтралью и защитным заземлением потребителя электроэнергии

Область применения защитного заземления:

· электроустановки напряжением до 1 кВ в трехфазных трехпроводных сетях переменного тока с изолированной нейтралью (система IT);

· электроустановки напряжением до 1 кВ в однофазных двухпроводных сетях переменного тока изолированных от земли;

· электроустановки напряжением до 1 кВ в двухпроводных сетях постоянного тока с изолированной средней точкой обмоток источника тока (система IT);

· электроустановки в сетях напряжением выше 1 кВ переменного и постоянного тока с любым режимом нейтрали или средней точки обмоток источников тока.

Типы заземляющих устройств.Заземляющим устройством называется совокупность заземлителя и заземляющих проводников.

В зависимости от места размещения заземлителя относительно заземляемого оборудования различают два типа заземляющих устройств: выносное и контурное.

Выносное заземляющее устройство (рис. 3) характеризуется тем, что заземлитель вынесен за пределы площадки, на которой размещено заземляемое оборудование, или сосредоточен на некоторой части этой площадки. Поэтому выносное заземляющее устройство называют также сосредоточенным.

Рис.3. Выносное заземляющее устройство

Существенный недостаток выносного заземляющего устройства – отдаленность заземлителя от защищаемого оборудования, вследствие чего на всей или на части защищаемой территории коэффициент прикосновения a₁=1. Поэтому заземляющие устройства этого типа применяются лишь при малых токах замыкания на землю, в частности в установках до 1000В, где потенциал заземлителя не превышает значения допустимого напряжения прикосновения U_пр.доп (с учетом коэффициента напряжения прикосновения, учитывающего падение напряжения в сопротивлении растеканию основания, на котором стоит человек, a₂):

где I_з – ток, стекающий в землю через заземляющее устройство; r_з – сопротивление растеканию тока заземляющего устройства.

Кроме того, при большом расстоянии до заземлителя может значительно возрасти сопротивление заземляющего устройства в целом за счет сопротивления заземляющего проводника.

Достоинством выносного заземляющего устройства является возможность выбора места размещения электродов заземлителя с наименьшим сопротивлением грунта (сырой, глинистый, в низинах и т. п.).

Необходимость в устройстве выносного заземления может возникнуть в следующих случаях:

· при невозможности по каким-либо причинам разместить заземлитель на защищаемой территории;

· при высоком сопротивлении земли на данной территории (например, песчаный или скалистый грунт) и наличии вне этой территории мест со значительно лучшей проводимостью земли;

· при рассредоточенном расположении заземляемого оборудования (например, в горных выработках) и т. п.

Контурное заземляющее устройство (рис. 4) характеризуется тем, что электроды его заземлителя размещаются по контуру (периметру) площадки, на которой находится заземляемое оборудование, а также внутри этой площадки. Часто электроды распределяются на площадке по возможности равномерно, и поэтому контурное заземляющее устройство называется также распределенным.

Рис. 4. Контурное заземляющее устройство

Безопасность при распределенном заземляющем устройстве может быть обеспечена не только уменьшением потенциала заземлителя, но и выравниванием потенциалов на защищаемой территории до таких значений, чтобы максимальные напряжения прикосновения и шага не превышали допустимых. Это достигается за счет соответствующего размещения одиночных заземлителей на защищаемой территории.

Примеры решения задач по оценке эффективности защитного заземления

Задача 1

В сети типа IT (U_л=380 B) произошло замыкание двух различных фаз на два раздельно заземленных корпуса.

Заземлитель первого корпуса имеет полусферическую форму с радиусом r = 0,2 м и расположен на поверхности земли.

Человек одной ногой стоит на этом заземлителе. Расстояние до второго заземлителя более 30 м.

Определить напряжение шага U_ш и ток I_h, протекающий через человека, если сеть короткая, R_L1=R_L2=R_L3= 40 кОм; R_З1= 4 Ом; R_З2= 6 Ом; R_h=1 кОм; шаг человека а= 0,8 м; b ₂=0,5.

Решение:

При замыкании двух различных фаз сети IT на два раздельно заземленных корпуса (например, см. рис. 1) значение тока I_з, стекающего в землю, практически не зависит от значений сопротивления изоляции фаз относительно земли и определяется как

При этом потенциал заземлителя первого корпуса составит

В общем случае напряжения шага с учетом формы потенциальной кривой и сопротивления основания растеканию току определяется как

где b ₁ – коэффициент напряжения шага, учитывающий форму потенциальной кривой. Поскольку человек стоит одной ногой на полушаровом заземлителе, в данном случае x = r, и b ₁ можно рассчитать следующим образом

Коэффициент, учитывающий сопротивление основания растеканию тока, b ₂=0,5 по условиям задачи.

Поэтому искомое значение напряжения шага

а ток, протекающий через тело человека,

Ответ задачи: U_ш=60,8 В; I_h = 60,8 мА.

Задача 2

Потребитель электроэнергии подключен к сети типа IT, произошло замыкание одного из фазных проводов на заземленный корпус.

При каком значении сопротивления изоляции напряжение прикосновения человека, касающегося заземленного корпуса, равно длительно допустимому значению.

Дано: U_л=380 В; R_L1= R_L2= R_L3= R; R_h=1 кОм; R_З=4 Ом; сеть короткая; a ₁= a ₂= 1.

Решение:

В данном случае значение тока I_з, стекающего в землю через заземлитель, зависит от значений сопротивления изоляции фаз относительно земли (см. рис. 2) определяется как

Значение напряжения прикосновения человека, касающегося заземленного корпуса, равно в данном случае значению потенциала на заземлителе

По условиям задачи значение напряжения прикосновения может равняться длительно допустимому значению U_д.доп, т.е.

Из полученного уравнения определяем искомые значения сопротивлений изоляции фаз

Подставивив в последнее выражение значение длительно допустимого напряжения U_д.доп = 36 В, получим искомое значение сопротивления изоляции фаз

Ответ задачи: при R_L1= R_L2= R_L3= R = 61,3 Ом

Примечание. При полученном значении сопротивления изоляции (значительно меньшем реального значения) наличие защитного заземления обеспечивает безопасность при замыкании на корпус в сети IT.

Задание на самостоятельную работу

Задача№1

Человек коснулся заземленного корпуса электроустановки, на который произошло замыкание одного из фазных проводов сети типа IT (трехфазная трехпроводная с изолированной нейтралью). Сеть короткая, напряжением 220/380 В. Сопротивления фазных проводов относительно земли R_L1=R_L2=R_L3=R=63 кОм. Сопротивление заземления электроустановки r_З=1 Ом. Сопротивление тела человека R_h=1000 Ом.

1. Определить напряжение прикосновения, если человек стоит на расстоянии 20 м от заземлителя на полу, сопротивление растеканию тока которого R_ПОЛА=10 кОм.

2. Оценить эффективность защитного заземления для данного случая.

Задача №2

Сеть типа IT (трехфазная трехпроводная с изолированной нейтралью) напряжением 220/380 В питает электроустановку, которая заземлена через одиночный заземлитель с сопротивлением растеканию тока r_З=4 Ом. Сеть работает в аварийном режиме (один из фазных проводов сети замкнулся на землю через малое активное сопротивление r_ЗМ=15 Ом). Человек касается корпуса электроустановки, на который произошел пробой исправной фазы сети. Оценить опасность прикосновения.

Дано: Сеть короткая и симметричная. Сопротивления фазных проводов относительно земли R_L1=R_L2=R_L3=R=63 кОм. Сопротивление тела человека R_h=1000 Ом. Коэффициенты напряжения прикосновения: a₁=1 и a₂=1.

Задача №3

Оцените эффективность защитного заземления:

1. Сеть типа IT (трехфазная трехпроводная с изолированной нейтралью) напряжением 220/380 В.

2. Сеть типа T-N-C (трехфазная четырехпроводная с глухозаземленной нейтралью) напряжением 220/380 В.

Дано: Сеть короткая и симметричная. Сопротивления фазных проводов относительно земли R_L1=R_L2=R_L3=R=66 кОм. Сопротивление тела человека R_h=1000 Ом. Сопротивление заземления нейтральной точки источника тока R₀=4 Ом. Сопротивление заземления корпуса электроустановки r_З=7 Ом. Коэффициенты напряжения прикосновения: a₁=1 и a₂=1.

Задача №4

Оценить эффективность защитного заземления (определить ток I_h, протекающий через тело человека), если человек касается корпуса заземленной электроустановки, на который произошел пробой одного из фазных проводов сети типа T-N-C (трехфазной четырехпроводной с глухозаземленной нейтралью) напряжением 220/380 В. Заземлитель электроустановки полушаровой с радиусом r=0,4 м. Человек стоит на основании с сопротивлением растеканию тока R_ОСН=9 кОм. Оценить опасность поражения человека электрическим током.

Дано: Сеть короткая и симметричная. Сопротивления фазных проводов относительно земли R_L1=R_L2=R_L3=R=63 кОм. Сопротивление тела человека R_h=1000 Ом. Сопротивление заземления нейтральной точки источника тока R₀=4 Ом. Сопротивление заземления корпуса электроустановки r_З=1 Ом. Расстояние от человека до места размещения заземлителя L=2 м.

Задача №5

Оценить эффективность защитного заземления (определить ток I_h, протекающий через тело человека), если человек касается корпуса заземленной электроустановки, на который произошел пробой одного из фазных проводов сети типа IT (трехфазной трехпроводной с изолированной нейтралью) напряжением 220/380 В. Заземлитель электроустановки полушаровой с радиусом r=0,2 м. Расстояние от человека до места размещения заземлителя L=0,8 м. Оценить опасность поражения человека электрическим током.

Дано: Сеть короткая и симметричная. Сопротивления фазных проводов относительно земли R_L1=R_L2=R_L3=R=33 кОм. Сопротивление тела человека R_h=1000 Ом. Сопротивление заземления корпуса электроустановки r_З=2 Ом. Коэффициент напряжения прикосновения a₂=1.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: