2.2.2. Трехфазная четырехпроводная сеть с глухозаземленной нейтралью

Глухое заземление – соединение сети с землей только через активное сопротивление.

Однофазное прикосновение. Нейтральный провод. При симметричной нагрузке не-поврежденной сети прикосновение безопасно, т. к. напряжение прикосновения U_ч = 0 В. При несимметричной нагрузке или повреждении изоляции одной из фаз напряжение на нейтральном проводе может стать значительным.

Фаза. Человек находится под действием фазного напряжения и ток проходит по цепи «человек – земля – заземление нулевой точки трансформатора R_o – фазный провод». Пре-небрегая сопротивлением фазного провода (R_ф = 0,1…0,4 Ом) и считая, что человек стоит пря-мо на земле, то выражение для определения величины тока

I_ч = U_ф / (R_ч + R_о) = 220 / (1000 + 10) = 0,22 А, (4)

где R_о – сопротивление заземления нулевой точки трансформатора, Ом (R_о ≤ 10 Ом).

Рис. 3. Схема однофазного прикосновения человека в сети с глухозаземленной нейтралью

Аварийный режима работы – замыкание одной из фаз сети на землю и однофазное прикосновение к другой фазе, в этом случае напряжение под которым находится человек становится больше фазного, но меньше линейного

U_ф < U_ч < U_л.

Прикосновение к нулевому и фазному проводу. Человек оказывается под воздейст-вием фазного напряжения

U_ч = U_ф = 220 В. (5)

Двухфазное прикосновение. Человек находится под действием линейного напряже-ния

U_л = U_ф √3 = 380 В. (6)

2.3. Опасность напряжений прикосновения и шага при замыкании токоведущих частей электроустановок на землю

Электрическое замыкание на землю – случайное электрическое соединение токове-дущей части непосредственно с землей или нетоковедущими проводящими конструкция-ми, или предметами, не изолированными от земли. Ток замыкания на землю – ток, про-ходящий через место замыкания на землю. Земля становится участком электрической це-пи. И поскольку земля обладает электрическим сопротивлением, имеет место падение на-пряжения и появляется разность потенциалов между отдельными точками на ее поверх-ности.

Причины подобного явления: – падение на землю оборванного провода, повреждение изоляции проводов (земляные работы в зоне подземных кабелей), замыкание фазы на кор-пус электрооборудования и т. д.

Рассмотрим явления при появлении тока замыкания на землю в результате поврежде-ния изоляции электроустановки или падении оборванного провода на землю. Для просто-ты проанализируем характер изменения электрического поля при стекании тока с одиноч-ного полусферического заземлителя в однородном грунте с удельным сопротивлением ρ. Во всех случаях происходит резкое снижение потенциала φ поврежденной токоведущей части до значения равного

φ = I_З R_З, (7)

где I_З – ток замыкания на землю, А;

R_З – сопротивление земли растеканию тока, Ом (при электрическом замыкании обор-

ванного провода с землей R_З – сопротивление грунта).

Плотность тока j в i-ой точке на поверхности земли на расстоянии r_i от места замыка-

ния провода на землю составит

j_i = I_з / (2 π r_i²). (8)

Для определения потенциала в расчетной точке φ_i, выделим в поле растекания тока

элементарный слой земли dr, падения напряжения dU_i в котором будет

dU_i = Е dr, (9)

где Е = j_i ρ – напряженность электрического поля в i-точке, В/м;

ρ – удельное сопротивление грунта, Ом∙м.

Рис. 4. Распределение потенциала на поверхности земли

вокруг полущарового заземлителя

Потенциал i-точки на поверхности земли определяется из выражения

∞ ∞

φ_N = U_N = ∫ dU = I_з ρ / (2 π) ∫ dr / r² = I_з ρ / (2 π r). (10)

r r

Так как I_з ρ / 2 π = К = const, то φ_i = К / r, т. е. потенциал любой точки на поверхности

земли по мере ее удаления от места замыкания уменьшается по гиперболическому закону. В объеме земли, по которому проходит ток, возникает поле растекания тока. В поле рас-текания тока на человека действует напряжение шага – напряжение между двумя точка-ми цепи тока, находящихся одна от другой на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек.

Максимальный потенциал будет на поверхности заземлителя радиусом r₀

φ_max = U_З = I_З ρ / 2 π r₀ = I_З R_З (11)

где R_З = ρ / 2 π r₀ – сопротивление заземлителя растеканию тока, Ом (сопротивление за-

землителя).

Теоретически поле растекания тока распространяется до бесконечности, но практичес-ки уже на расстоянии 20 м от места замыкания сечение слоя земли, по которому проходит ток, оказывается столь большим, что плотность тока равняется нулю. На расстоянии 10÷20 м от места замыкания шаговое напряжение практически не представляет опасности. При шаге, равном 0,8 м, может возникнуть довольно интенсивная судорога, если шаговое напряжение равно 100÷150 В. Такое напряжение при протекании тока по пути «нога – но-га» еще не опасно. Но в результате судороги мышц ног человек может упасть на землю, при этом за счет увеличения расстояния между точками земли, которых при падении он будет касаться руками и ногами, увеличится разность потенциалов. Кроме того, ток будет протекать по более опасному пути «руки – ноги». Совокупность этих факторов может привести к поражению человека электрическим током.

Оказавшись случайно в зоне растекания тока, т е. под действием напряжения шага, че-ловек должен соединить ноги вместе и не спеша выходить из опасной зоны так, чтобы при передвижении ступня одной ноги не выходила за ступню другой.

Напряжение прикосновения – напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек, т. е. U_ПР есть разность потенциалов точек прикосновения

рук и ног человека

U_ПР = I_Ч R_Ч, (12)

где I_Ч – ток, проходящий через человека по пути «рука – рука»;

R_Ч – сопротивление тела человека.

Рассмотрим напряжение прикосновения человека при заземлении двух электродвига-телей на один общий заземлитель при расстоянии между ними более 20 м.

В случае пробоя обмотки статора на корпус одного из двигателей, то корпуса обоих электродвигателей окажутся под напряжением и вокруг заземлителя на поверхности зем-ли образуется поле растекания тока. При прикосновении к корпусу поврежденного элек-тродвигателя человек оказывается под действием напряжения прикосновения равного раз-ности потенциалов

U^'_ПР φ^' – φ^", (13)

где φ^' – потенциал заземлителя;

φ^" – потенциал точки земли, где располагается человек.

При прикосновении к корпусу неповрежденного электродвигателя напряжение прико-сновения достигает максимального значения

U^"_ПР φ^' – 0 = φ^'. (14)

Рис. 5. Схема определения напряжения прикосновения при заземлении двух электродвигателей на одиночный заземлитель

Следовательно, заземление нескольких удаленных друг от друга электродвигателей на одиночный заземлитель недопустимо, т. к. не обеспечивается защита от поражения напря-жения прикосновения. Для уменьшения до безопасного значения напряжения прикоснове-ния используют групповые заземлители, выравнивающие потенциальные поля в местах расположения оборудования.