Заземление, зануление и защитное отключение. 
Общие положения

Существуют следующие способы защиты, применяемые отдельно или в сочетании друг с другом: защитное заземление, зануление, защитное отключение, электрическое разделение сетей разного напряжения, применение малого напряжения, изоляция токоведущих частей, выравнивание потенциалов.

В электроустановках (ЭУ) напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью и в ЭУ постоянного тока с изолированной средней точкой применяют защитное заземление в сочетании с контролем изоляции или защитное отключение.

В этих электроустановках сеть напряжением до 1000 В, связанную с сетью напряжением выше 1000 В через трансформатор, защищают от появления в этой сети высокого напряжения при повреждении изоляции между обмотками низшего и высшего напряжения пробивным предохранителем, который может быть установлен в каждой фазе на стороне низшего напряжения трансформатора.

В электроустановках напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью или заземленной средней точкой в ЭУ постоянного тока применяется зануление или защитное отключение. В этих ЭУ заземление корпусов электроприемников без их заземления запрещается.

Защитное отключение применяется в качестве основного или дополнительного способа защиты в случае, если не может быть обеспечена безопасность применением защитного заземления или зануления или их применение вызывает трудности При невозможности применения защитного заземления. зануления или защитного отключения допускается обслуживание ЭУ с изолирующих площадок.

Защитное заземление. Заземлением (рис. 4.7) называется соединение с землей нетоковедущих металлических частей электрооборудования через металлические детали, закладываемые в землю и называемые заземлителями, и детали, прокладываемые между заземлителями и корпусами электрооборудования, называемые заземляющими проводниками.

Проводники и заземлители обычно делаются из низкоуглеродистой стали, называемой в просторечии железом.

Заземлители в виде штырей, вбиваемых в землю, называются электродами, и могут быть одиночными или групповыми. Заземлитель имеет характеристики, обусловленные стеканием по нему тока в землю.

Зануление (рис. 4.12) предусматривает глухое заземление нейтрали источника или трансформатора трехфазного тока, одного вывода источника однофазного тока, наличие нулевого провода и его повторного заземления.

Заземление нейтрали источника тока имеет целью понизить напряжение на корпусах оборудования и на нулевом проводе, с которым эти корпуса соединены, до безопасного значения при замыкании фазного проводника на землю, при этом создается путь для тока Iф-з (рис. 4.12).

Нулевой защитный проводник предназначен для увеличения тока короткого замыкания lk c целью воздействия этого тока на защиту. Увеличение lк происходит за счет уменьшения сопротивления току при наличии нулевого провода по сравнению с тем, если бы ток шел через землю.

Повторное заземление нулевого провода предназначено для снижения напряжения на корпусах оборудования при замыкании фазы на корпус как при исправном, так и при оборванном нулевом проводе.

Зануление в электроустановках до 1000 В применяется в 4-проводных сетях с глухозаземленной нейтралью трансформатора ипи генератора, в сетях с заземленным выводом источника однофазного тока, в сетях с заземленной средней точкой источника постоянного тока. Зануление выполняется в тех же случаях, что и защитное заземление.

Устройство защитного отключения (УЗО) состоит из чувствительного элемента, реагирующего на изменение контролируемой величины, и исполнительного органа, отключающего соответствующий участок сети.

Чувствительный элемент может реагировать на потенциал корпуса, ток замыкания на землю, напряжение и ток нулевой последовательности, оперативный ток. В качестве выключателей могут применяться контакторы, магнитные пускатели, автоматические выключатели с независимым расцепителем, специальные выключатели для УЗО.

Назначение УЗО — защита от поражения электрическим током путем отключения ЭУ при появлении опасности замыкания на корпус оборудования или непосредственно при касании тоговедущих частей человеком.

УЗО применяется в ЭУ напряжением до 1000 В с изолированной или глухозаземленной нейтралью в качестве основного или дополнительного технического способа защиты, если безопасность не может быть обеспечена путем применения заземления или зануления или если заземление или зануление не могут быть выполнены по некоторым причинам.

УЗО обязательно для контроля изоляции и отключения ЭУ при снижении сопротивления изоляции в ЭУ специального назначения, например, в подземных горных выработках (реле утечки).

Примером УЗО является защитно-отключающее устройство типа ЗОУП-25, предназначенное для отключения и включения силовых трехфазных цепей при напряжении 380 В и токе 25 А в системах с глухозаземленной нейтралью, а также для защиты людей при касании токоведущих частей или корпусов оборудования, оказавшихся под напряжением.

Электрическое разделение сетей. Электрическое разделение сетей осуществляется через специальный разделительный трансформатор, который отделяет сеть с изолированной или глухозаземленной нейтралью от участка сети, питающего электроприемник. При этом связь между питающей сетью и сетью приемника осуществляется через магнитные поля, участок сети приемника и сам приемник не связываются с землей. Разделительный трансформатор представляет собой специальный трансформатор с коэффициентом трансформации, равном единице, напряжением не более 380 В, с повышенной надежностью конструкции и изоляции. От трансформатора разрешается питание не более одного приемника с током не более 15 А. В качестве разделительных трансформаторов могут быть использованы трансформаторы понижающие со вторичным напряжением не более 42 В, если они удовлетворяют требованиям к разделительному трансформатору.

Заземление электроустановки — преднамеренное электрическое соединение ее с заземляющим устройством.

При неповрежденной изоляции металлический корпус электроустановки не находится под напряжением относительно земли. Если же изоляция повреждена, то на любой из частей электроустановки, нормально не находящейся под напряжением, может появиться напряжение 220 В относительно земли и, хотя видимых признаков опасности нет, прикасаться к аварийной электроустановке смертельно опасно. На случай такой ситуации токопроводящие части электроустановки, нормально не находящиеся под напряжением, заземляют, соединив их электрическим проводником с заземлителем — устройством в виде нескольких стальных стержней (электродов) длиной не менее 2,5 м, забитых в землю и соединенных друг с другом стальными полосами или проволокой на сварке.

Защитное заземление значительно снижает напряжение, под которое может попасть человек, прикоснувшись к заземленной части аварийной установки, но это напряжение, вопреки бытующему мнению, далеко не равно нулю. Это объясняется тем, что проводники заземления, сам заземлитель и земля имеют некоторое сопротивление. При повреждении изоляции ток замыкания протекает по корпусу установки, заземлителю и далее по земле к нейтрали трансформатора, вызывая на их сопротивлении падение напряжения, которое хотя и меньше 220 В, но вполне ощутимо человеком. Для уменьшения этого напряжения необходимо принимать меры к снижению сопротивления заземлителя относительно земли, что связано с увеличением количества электродов и стоимости заземляющего устройства.

Другая функция заземления, как это ни парадоксально, — увеличение аварийного тока замыкания на землю. При плохом заземлителе с высоким сопротивлением относительно земли ток замыкания может оказаться недостаточным для срабатывания защитной аппаратуры: предохранителей, автоматических выключателей. При малом токе замыкания защита «не заметит» аварийного тока, и установка останется включенной, представляя опасность для людей и животных. Чем больше ток аварии, тем быстрей и надёжней защита отключит аварийную установку и тем скорее после повреждения изоляции пропадет напряжение на ее корпусе.

Расчет заземления (расчет сопротивления заземления) для одиночного глубинного заземлителя на основе модульного заземления производится как расчет обычного вертикального заземлителя из металлического стержня диаметром 14,2 мм.

Формула расчета сопротивления заземления одиночного вертикального заземлителя:

где: с — удельное сопротивление грунта (Ом*м).

L — длина заземлителя (м).

d — диаметр заземлителя (м).

T — заглубление заземлителя (расстояние от поверхности земли до середины заземлителя) (м) р — математическая константа Пи (3,141 592).

ln — натуральный логарифм.

Зануление электроустановки — преднамеренное электрическое соединение ее частей, нормально не находящихся под напряжением к нейтрали трансформатора через нулевой провод сети.

При повреждении изоляции зануленного электрооборудования цепь аварийного тока замыкания имеет малое сопротивление, равное сумме сопротивлений фазного и нулевого проводов сети. Ток в этом случае значительно больше, чем при использовании только заземления, и защитная аппаратура сработает эффективнее. Быстрое и полное отключение поврежденного оборудования — основное назначение зануления.

Роль нулевого провода электрической сети жизненно важна. При его обрыве все зануленное электрооборудование за точкой Обрыва не только лишается защиты, но и становится опасным в эксплуатации: на всех зануленных посредством этого провода корпусах появится напряжение, так как они через остаток нулевого провода и хотя бы один включенный (но неработающий, так как провод оборван) потребитель оказываются подключенными к фазному проводу с напряжением 220 В относительно земли. В связи с этим недопустима установка в нулевой провод внутренней сети помещения предохранителей и автоматических выключателей, которые разрывали бы его при срабатывании (рис. 9).

Чтобы уменьшить напряжение на зануленных корпусах оборудования, выполняют повторные заземления нулевого провода на линии электропередачи через каждые 200 м магистральной линии, на ее концевых опорах и на опорах, с которых выполнены вводы в здания. Если электрическая установка расположена вне здания, то ближайшее повторное заземление нулевого провода должно находиться на расстоянии не более 100 м от нее. Сопротивление каждого заземлителя, используемого для повторного заземления нулевого провода должно быть не более 30 Ом, а за счет многочисленности таких заземлителей на магистральной линии их общее сопротивление еще меньше и не должно превышать 10 Ом.

Повторные заземления нулевого провода, уменьшающие сопротивление между нулевым проводом и землей, полезны еще и потому, что снижают напряжение на зануленном корпусе установки в период от момента повреждения ее изоляции до срабатывания защиты.

В сети 380/220 В недопустимо применять только заземление одних аппаратов и зануление других, так как в случае повреждения изоляции заземленного аппарата на нулевом проводе и зачтенном оборудовании может появиться напряжение. Заземленный корпус аппарата должен иметь металлическое соединение и с нулевым проводом сети.