17.9. Зануление

Зануление состоит в соединении корпусов токоприемников или другого оборудования, которое может оказаться под напряжением в результате нарушения изоляции, с нулевым проводом с помощью металлических проводников (рис. 17. 13, а).

Область применения за'ну-л е н и я — трехфазные четырехпровод-ные электрические сети напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью и напряжением 380/220, 220/127 и 660/ 380 В. Цель зануления — ликвидация опасности поражения электрическим током при повреждении изоляции и появлении на корпусах оборудования опасного напряжения. Принцип действия зануления — превращение пробоя на корпус в однофазное короткое замыкание, т. е. образование так называемой цепи короткого замыкания (корпус — нулевой провод — фазная обмотка трансформатора — корпус), обладающей малым сопротивлением.

Рис. 17.13. Схема зануления электрооборудования: а—схема и диаграмма напряжений нулевого провода относительно земли без повторного заземлителя; б — то же, с повторным заземлителем

При пробое на корпус в цепи короткого замыкания возникает большой ток короткого замыкания I_кз, в результате чего за 5. ..7 с перегорают плавкие вставки или срабатывают автоматические устройства, реагирующие на ток короткого замыкания за 1...2 с. При занулении в течение короткого времени, определяемого скоростью срабатывания защиты, человек, касающийся поврежденного оборудования, попадает под фазное напряжение. Если защитное зануление не срабатывает, то человек, контактирующий с поврежденным оборудованием, может быть поражен электрическим током. Для надежного срабатывания зануления необходимо выполнение условия

где — номинальный ток плавкой вставки; — номинальный ток автоматического выключателя.

Подбор плавких вставок предохранителей производится по значению пускового тока электродвигателя с учетом режима работы:

где — пусковой ток электродвигателя; а — коэффициент режима работ (для асинхронных двигателей α = 1,6... 2,5); — номинальный рабочий ток электродвигателя; (β — коэффициент перегрузки, принимаемый по каталогу для электродвигателей β = 5...7).

Ток короткого замыкания

где U_ф — фазное напряжение, В; Z_т — сопротивление вторичной обмотки трансформатора, Ом; R_н и R_ф — соответственно сопротивление нулевого и фазного проводов, Ом.

В схеме зануления необходимо наличие нулевого провода, заземления нейтрали источника тока, повторного заземления нулевого провода R_п (рис. 17. 13, б).

При наличии R_п и пробое фазы на корпусе в случае R_п = R_o падение напряжения на R_п и,следовательно, на корпусе составит U_ф/2. Такое же напряжение будет на сопротивлении R₀, т. е .U_ф/2 (рис. 17. 13, б) Наличие повторного заземления нулевого провода позволяет снизить напряжение на корпусе в два раза при R_о = R_п• При других значениях фазное напряжение перераспределяется пропорционально этим сопротивлениям.

Назначение нулевого провода — создание для тока короткого замыкания цепи с малым сопротивлением, с тем чтобы этот ток был достаточным для срабатывания защиты. Повторное заземление нулевого провода устраивается на случай обрыва нулевого провода. Нулевой провод должен иметь проводимость не менее 0,5 от проводимости фазного провода.

Заземление нулевой точки трансформатора К₀предусматривается для: обеспечения электрозащиты при пробое изоляции между обмотками трансформатора, т. е. для защиты от перехода высшего напряжения в сеть низшего; снижения до безопасного напряжения нулевого провода (относительно земли) и всех присоединенных к ним корпусов электроустановок при случайном замыкании фазы на землю.

Назначение повторного заземления нулевого провода— уменьшение опасности поражения электротоком при обрыве нулевого провода и замыкания фазы на корпус за местом обрыва (рис. 17. 14, а), снижение напряжения на корпусе в момент горения плавкой вставки (t = 5...7 с). При обрыве нулевого провода и замыкании фазы на корпус (за местом обрыва) отсутствие повторного заземления приводит к тому, что напряжение относительно земли оборванного участка нулевого провода и всех присоеди-нённых к нему корпусов окажется равным фазному напряжению сети (см. рис. 17.14, а). Это опасное напряжение будет существовать длительное время, так как поврежденный электродвигатель автоматически не отключится (отсутствует цепь короткого замыкания) и, кроме того, поврежденную электроустановку трудно обнаружить, с тем чтобы произвести отключение вручную. Если же нулевой провод будет иметь повторное заземление, то при его обрыве сохранится цепь тока; нулевой провод, К_п, земля, К₀ и фазные провода, благодаря чему напряжение на зануленных корпусах, находящихся за местом обрыва, снизится до величины (рис. 17. 14, б):

где U_к — напряжение на корпусе токоприемника; R_п — сопротивление повторного заземления нулевого провода; R_о — сопротивление заземления нулевой точки трансформатора.

Рис. 17.14. Схема действия зануления при обрыве нулевого провода: а — диаграмма напряжений нулевого провода относительно земли без повторного заземлителя; б — то же, с повторным заземлителем

Вместе с тем корпуса, присоединенные к нулевому проводу до места обрыва, также окажутся под напряжением относительно земли

;

В сумме эти напряжения равны фазному: U_к + U₀=R_ф. Если принять, что R_п = R₀, то корпуса установок, присоединенные к нулевому проводу как до места обрыва, так и после будут находиться под одинаковым напряжением

Этот случай является наименее опасным, так как при других соотношениях Rо и R_п часть корпусов будет находиться под напряжением большим, чем 0,5 U_ф.

Таким образом, повторное заземление нулевого провода уменьшает опасность поражения электротоком, возникающую в результате обрыва нулевого провода, но не устраняет ее полностью, так как напряжение, равное 0,5 U_ф, является опасным. Поэтому требуется тщательная прокладка нулевого провода, с тем чтобы исключить его обрыв. В нулевом проводе запрещается установка предохранителей, рубильников и других приборов, которые могут нарушить его целостность.

По Правилам устройства электроустановок сопротивление каждого из повторных заземлителей должно быть не более 15, 30 и 60 Ом при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока или 380, 220 и 127 В — источника однофазного тока.

Повторные заземления нулевого провода выполняются на концах воздушных линий длиной более 200 м и в середине линий и ответвлений длиной 500 м, а также на вводах линий в электроустановки.

Рис. 17.15. Схема неправильного выполнения заземления электродвигателя в сети с глухозаземленной нейтралью без нулевого провода

В сетях с глухозаземленной нейтралью необходимость нулевого провода доказывается следующим. Предположим, что нулевой провод отсутствует и имеется заземление корпуса электродвигателя (рис. 17. 15). Обеспечит ли такая схема электробезопасность при наличии пробоя изоляции в корпусе электродвигателя? При возникновении напряжения на корпусе U_к через заземляющее устройство R₃ начинает стекать ток I₃:

Ток, протекающий через К₃, землю, Ко, фазные провода, определяется по зависимости

Тогда

Сопротивления трансформатора и фазных проводов малы по сравнению с R₃ и R_о и поэтому в расчет не принимаются.

Тогда U_ф=220В и R₃=R0=4Ом ;I₃=220/(4+4)=27.5A ;U_к=220∙4.(4+4)=110В

Таким образом, ток I₃ = 27,5 А, протекающий через плавкие вставки, далеко не всегда обеспечит их срабатывание и отключение поврежденной фазы.

Рис. 17.16. Схема совместного использования зануления и защитного заземления

При использовании такой схемы (рис. 17. 15) нельзя обеспечить электробезопасность, так как на корпусе оборудования (при пробое изоляции) будет сохраняться опасное напряжение 1 10 В. Такое положение будет до тех пор, пока электродвигатель не будет отключен вручную. Поэтому правилами запрещается применять трехфазные сети с глухозаземленной нейтралью без нулевого провода.

Если же используется четырехпроводная сеть с нулевым проводом и глухозаземленной нейтралью, то в ней возможно выполнять как заземление корпуса электродвигателя, так и его зануленйе (рис. 17. 16). В этом случае при пробое изоляции сработает система зануления, т. е. возникнет большой ток I_к.з и поврежденная фаза отключится.

Роль же заземления корпуса будет заключаться в том, что в момент горения плавкой вставки (5...7 с) напряжение на корпусе электродвигателя снизится вдвое при R₃ = R₀.

Использовать схемы совместного использования зануления и защитного заземления можно, но они не находят применения из-за высокой стоимости, так как приходится выполнять два вида защиты.