Повторное заземление
Если для электроприемников требуется защитное зануление, потребителю следует соорудить повторное заземление нулевого провода. Этого можно не делать, если повторное заземление есть на опоре ВЛ и длина ответвления не превышает 10 м. Повторное заземление на ВЛ определяют по наличию заземляющего спуска, к которому присоединены нулевой провод, а также крюки или штыри изоляторов. Заземляющий спуск прокладывают по стойке опоры до заземлителя (одной или нескольких труб, полос или иной металлической массы, заглубленной в землю). Длина деталей заземлителя, число стержней или труб и глубина их заложения зависят от свойств грунта в месте сооружения и уровня грунтовых вод.
Защитные заземления электроустановок
В случае прикасания человека к токоведущим частям электрической установки, находящимся под напряжением, или к металлическим частям, которые находятся под напряжением вследствие неисправности изоляции, Может произойти поражение человека электрическим током (в виде электрического удара или электрических травм (ожогов)). В результате электрического удара человек может потерять сознание, у него могут появиться судороги, прекратиться дыхание и кровообращение. Электрический удар может привести к смертельному исходу. Смертельные поражения человека электрическим током возможны при напряжениях от 12 В и выше.
Чтобы исключить случайное прикосновение человека к оголенным токоведущим частям, их располагают на высоте или устанавливают ограждения. Для обеспечения безопасности людей, работающих на установках напряжением до 1000 В и выше, сооружают заземляющие, или зануляющие, устройства и заземляют, или зануляют, металлические части электрического оборудования и электрических установок. Заземляющие (зануляющие) устройства должны удовлетворять требованиям, обусловленным режимом работы сетей и защиты от перенапряжений.
При расчетах и устройстве заземлений и занулений в электрических установках используют следующие основные термины.
Заземлитель– металлический проводник или группа проводников (электродов), находящихся в соприкосновении с землей.
Заземляющие проводники– металлические проводники, соединяющие заземляемые части электрической установки с заземлителем.
Заземление какой-либо части установки – преднамеренное электрическое соединение ее с заземлителем.
Заземляющее устройство– совокупность заземлителя и заземляющих проводников.
Сопротивление заземляющего устройства– сумма сопротивлений заземлителя (относительно земли) и заземляющих проводников.
Сопротивление растеканию– сопротивление, которое оказывает заземлитель на участке растекания тока:
Rз = Uз /Iз,
где Uз – напряжение на заземлителе, В; Iз – ток, стекающий через заземлитель в землю, А.
Замыкание на землю– случайное электрическое соединение находящихся под напряжением частей электроустановки с частями, неизолированными от земли, или непосредственно с землей.
Замыкание на корпус– электрическое соединение отдельных частей машин, аппаратов, линий с заземленными конструктивными частями электроустановки.
Ток замыкания на землю– ток, проходящий через землю в месте замыкания.
Электроустановками с большими токами замыкания на землю– электроустановки напряжением выше 1000 В, в которых однофазный ток замыкания на землю составляет более 500 А.
Электроустановки с малыми токами замыкания на землю– электроустановки напряжением выше 1000 В, в которых однофазный ток замыкания на землю равен или менее 500 А.
Глухозаземленная нейтраль– нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление (трансформаторы тока и др.).
Изолированная нейтраль– нейтраль, не присоединенная к заземляющему устройству или присоединенная через аппараты, компенсирующие емкостный ток в сети, трансформаторы напряжения и другие аппараты, имеющие большое сопротивление.
Нулевой рабочий проводник электроустановок до 1000 В – проводник, используемый для питания электроприемников, соединенный с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, с глухозаземленным выводом источника однофазного тока, глухозаземленной средней точкой источника постоянного тока.
Нулевой защитный проводник электроустановок до 1000 В – проводник, соединяющий зануляемые части с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока.
Отключение электроустановок при однофазных замыканиях на землю может осуществляться при помощи защитного отключения, которое выполняется в дополнение к заземлению (занулению). Если невозможно выполнить заземление (зануление) и обеспечить защитное отключение электроустановки или трудно выполнить по технологическим причинам, допускается обслуживание электрооборудования с изолирующих площадок. При этом должна быть исключена возможность одновременного прикосновения к незаземленным частям электрооборудования и частям зданий или оборудования, имеющим соединение с землей.
На землю в целях обеспечения безопасности в электроустановках с большими токами замыкания должно быть выполнено выравнивание потенциала.
Рабочее заземление– присоединение к заземляющему устройству какой-либо точки электрической цепи, необходимое для обеспечения надлежащей работы установки в нормальных или аварийных условиях, что осуществляется непосредственно или через специальные аппараты (пробивные предохранители, разрядники и резисторы) называется.
На концах воздушных линий и ответвлений длиной более 200 м, а также вблизи вводов кабельных пли воздушных линий в помещения должны выполняться повторные заземления нулевого провода. Внутри помещений нулевой провод, имеющий повторное заземление, присоединяется к заземляющей сети у всех щитов, распределительных пунктов и щитков. Сопротивление заземляющих устройств всех повторных заземлений нулевого провода должно быть не более 5, 10, 20 Ом для напряжений 660, 380, 220 В.
Сопротивление заземляющего устройства должно быть не более 0,5 Ом в электроустановках напряжением выше 1000 В с глухозаземленной нейтралью с большими токами замыкания на землю.
Сопротивление в электроустановках напряжением выше 1000 В с изолированной нейтралью с малыми токами замыкания на землю должно удовлетворять условию:
Rз ≤ /Iз,
где Uз = 250 В, если заземляющее устройство используется только для установок напряжением выше 1000 В; Uз = 125 В, если заземляющее устройство одновременно используется и для установок до 1000 В; Iз – расчетный ток замыкания на землю, А.
В случае если заземляющее устройство является общим для распределительных устройств электроустановок различных напряжений, то за расчетную величину сопротивлений заземления принимается наименьшая из требуемых величин.
Емкостный ток замыкания на землю определяется по приближенной формуле:
Iз = U (35l каб + lв )/350,
где U – линейное напряжение сети, кВ; l каб и lв – суммарная длина электрически связанных между собой кабельных и воздушных линий, км.
По опытным данным, в электроустановках с малыми токами замыканий на землю эксплуатации систем электроснабжения в качестве расчетного емкостного тока принимается ток срабатывания релейной защиты от междуфазных замыканий или ток плавления предохранителей, если эта защита обеспечивает отключение замыканий на землю. При этом ток замыкания на землю должен быть не менее полуторакратного тока срабатывания релейной защиты или трехкратного тока предохранителей.
Заземляющие устройства
Защитное действие заземления основано на том, что части электроустановок, прикосновение к которым опасно при нарушении изоляции, соединяют с заземлителями, расположенными в грунте, т. е. создается заземление, которое имеет сопротивление, достаточно малое для того, чтобы падение напряжения на нем (а именно оно воздействует на организм, определяя значение тока) не достигало опасного значения. Поэтому человек, прикоснувшийся к заземленной части, попадает под пониженное напряжение. Чем лучше заземление, т. е. чем меньше его сопротивление, тем меньше появляющееся при нарушении изоляции напряжение на машинах, станках, корпусах электроаппаратов и двигателей, конструкциях зданий, опорах воздушных линий и на поверхности земли. Понятно, что при этом растут затраты труда и материалов, необходимых для монтажа заземляющего устройства. Нормативы устанавливают разумные пределы напряжения прикосновения и в то же время позволяют проектировать заземление без чрезмерных затрат.
В СН и П, ПУЭ, Правилах технической эксплуатации и инструкциях подробно перечисляются элементы электроустановок, которые нужно заземлять, даются указания по расчету заземлителей и напряжений прикосновения для разных условий, перечислены требования к проектированию, монтажу и эксплуатации заземляющих устройств. Характерными и принципиальными чертами нормативов являются:
отход от нормирования заземляющих устройств по сопротивлению растекания электрического тока и ориентация на нормирование возникающих напряжений;
использование естественных заземлителей при обеспечении их работоспособности в условиях протекания больших токов замыкания;
учет коррозионного воздействия грунта для обеспечения надежности заземлителей и заземляющих проводников.
С учетом этого увеличены размеры элементов, например нормативный минимальный диаметр стержневых заземлителей из неоцинкованной стали увеличен с 6 до 10 мм.
Нормы постоянно совершенствуются, в них вносятся изменения и дополнения, которые публикуются в сборниках и новых изданиях нормативных документов.
Очень часто одно и то же заземляющее устройство является одновременно и рабочим, и защитным, а иногда и грозозащитным (молниезащитным). В близко расположенных установках напряжением до 1 кВ и выше используют общее заземляющее устройство, что снижает расходы на его монтаж. При этом за норму принимают наименьшее значение сопротивления растеканию тока из тех значений, которые нормированы для каждой из объединяемых электроустановок.
Совокупность заземлителя и заземляющих проводников представляет собой заземляющее устройство, через которое осуществляется заземление элементов и частей электроустановок.
Основные элементы заземляющих устройств:
1) естественные заземлители, т. е. находящиеся в земле или соприкасающиеся с землей сооружения, используемые для заземления;
2) заземляющие проводники, соединяющие заземлители с заземляемым оборудованием;
3) искусственные заземлители, т. е. такие, которые специально закладывают в землю для заземления.
Каждый из перечисленных элементов может иметь разные конструкции.
Естественные заземлители
В первую очередь для заземления электроустановок используют естественные заземлители: металлические части (арматуру) железобетонных конструкций (фундаментов опор линий электропередач и подстанций, фундаментов здании); металлические подземные коммуникации (трубопроводы, броню и оболочки кабелей); наземные коммуникации (рельсовые пути) и др. Если естественные заземлители обеспечивают выполнение требований, предъявляемых к параметрам заземляющих устройств, то искусственные заземлители применяют, если необходимо уменьшить токи, протекающие по естественным заземлителям или стекающие с них в землю. Это значит, что в ряде случаев можно ограничиться использованием естественных заземлителей и отказаться от искусственных, что снижает затраты материалов и труда при монтаже и облегчает эксплуатацию заземляющих устройств.
Использование железобетонных фундаментов зданий в качестве заземлителей в настоящее время считается возможным лишь в грунтах влажностью не менее 3 % (из-за высокого электрического сопротивления бетона при меньшей влажности) и только при воздействии на фундаменты неагрессивных или слабоагрессивных грунтовых вод при отсутствии гидроизоляции или при защите поверхности фундаментов битумным (либо битумно-латексным) покрытием в соответствии с требованием СНиП II-28-73.
Нельзя использовать в заземляющих устройствах находящиеся в средне– или сильноагрессивных средах железобетонные конструкции (это может усилить коррозию конструкций) железобетонные конструкции (плиты, балки, фермы, колонны) с напрягаемой арматурой, а также металлические и железобетонные конструкции зданий, относимых к первой категории по молниезащите, для защиты этих зданий от прямых ударов молний.
С учетом приведенных ограничений использование конструкций зданий в качестве заземляющих устройств дало на ряде объектов возможность полностью отказаться от выполнения искусственных заземлителей в грунте, резко сократить протяженность заземляющих проводников внутри зданий и получить существенный экономический эффект.
Все элементы металлических и железобетонных конструкций (фундаментов, колонн, ферм, стропильных, подстропильных и подкрановых балок) в заземляющих устройствах соединяют так, чтобы имелась непрерывная электрическая цепь по металлу. В железобетонных колоннах, кроме того, предусматривают закладные детали на каждом этаже здания для подсоединения заземляемого электрического и технологического оборудования. Имеющиеся в зданиях сварные, а также болтовые или заклепочные соединения металлических колонн, ферм и балок достаточны для непрерывности электрической цепи. В местах, где отдельные элементы металлоконструкций не имеют таких соединений, предусматривают приварку гибких перемычек сечением не менее 100 мм.
Сборные железобетонные фундаменты рекомендуется использовать в качестве заземлителей, если есть возможность соединения арматуры отдельных блоков между собой.
Вертикальную арматуру свай в свайных фундаментах соединяют с арматурой ростверка или фундаментных блоков электродуговой сваркой. Пространственные металлические каркасы колонн и стаканов фундаментов, а также арматурные сетки их подошв сваривают точечной сваркой на контактных машинах.
Закладные детали (изделия) рекомендованы в виде отрезков из угловой стали 63х63х5 длиной 60 мм, привариваемых к арматуре и выступающих на поверхность бетона; металлические перемычки – в виде стержней диаметром не менее 42 мм, привариваемых к закладным деталям.
Разработана методика расчета сопротивления фундаментов, используемых в качестве заземлителей и выравнивающих проводников.
В случае если на здании сооружается молниеприемная сетка, ее соединяют перемычками в непрерывную электрическую сеть с колоннами, используемыми в качестве токоотводов, и фундаментами, используемыми в качестве заземлителей. К сетке присоединяют все выступающие над кровлей металлические устройства (вентиляционные шахты и др.).
Металлические перемычки нужно устанавливать при использовании в качестве естественных заземлителей труб водопровода на водомерах и задвижках. Если при ремонте, необходимо снять перемычку, заранее должна быть установлена другая. Присоединять заземляющие проводники от электрооборудования к линии водопровода нужно за водомером. Использовать трубопровод канализации не разрешается, так как канализационные трубы не имеют надежного электрического контакта в стыках.
Естественными заземлителями на подстанциях могут быть железобетонные стойки, изготовленные из электротехнического бетона.
В качестве естественных заземлителей на линиях электропередачи используются железобетонные подножники и сваи в наиболее распространенных грунтах с удельным сопротивлением до 300 Ом·м, т. е. глинах, супесях. Наблюдения и исследования показали, что не только в таких, но и в песчаных и скальных грунтах наблюдается постояннoe увлажнение бетона за счет капиллярного подсоса влаги из прилегающих слоев земли, вследствие чего железобетонные фундаменты через несколько месяцев после их установки становятся естественными заземлителями с мало меняющимися в течение года значениями сопротивлений. Это дало основание рекомендовать их использование в грунтах с сопротивлением до 1000 Ом·м, что дает экономию металла и затрат.
Кроме описанных естественных заземлителей, ими могут служить и другие, например металлические трубопроводы для негорючих жидкостей, обсадные трубы артезианских колодцев. Во всех случаях применения естественных заземлителей протекающие при коротком замыкании токи не должны превышать допустимых для каждого элемента заземлителя в течение всей эксплуатации электроустановки.
Искусственные заземлители
Чаще всего искусственным заземлителем является стальной проводник, заложенный в грунт горизонтально или вертикально (наклонно), или группа таких проводников, соединенных между собой. В последнем случае заземлитель называется сложным, а если электроды образуют контур, то такой сложный заземлитель называется заземляющим контуром.
Название "горизонтальные" и "вертикальные" заземлители весьма условно. Строгое соблюдение горизонтальности в первом случае не обязательно, важно, чтобы электроды находились в грунте на нужной глубине, не подвергаясь повреждениям при работе машин. Поскольку поверхность земли в оврагах, на уклонах и в ряде других мест может оказаться не горизонтальной, то и протяженные (лучевые) заземлители будут следовать кривизне поверхности. Для вертикальных электродов также необязательно строгое соблюдение вертикальности.
Горизонтальные заземлители прокладывают на глубине 0,5 м, на пахотной земле – не менее 1 м. Они рациональны в тех случаях, когда электропроводность верхнего слоя грунта обеспечивает нужную проводимость. Монтаж таких заземлителей механизирован и выполняется с минимальной затратой ручного труда, однако верхние слои почвы часто имеют большее электрическое сопротивление, чем глубинные. Кроме того, близко к поверхности земли растекание тока не идет равномерно во все стороны, как на глубине. Следовательно, сопротивление горизонтальных электродов обычно больше, чем сопротивление вертикальных электродов такой же массы. Поэтому наибольшее распространение в качестве заземлителей получили именно вертикальные электроды. Глубинные вертикальные электроды наиболее экономичны, достигают хорошо проводящих слоев грунта.
Заземляющие электроды, смонтированные в грунте, перемычки между ними и выводы от заземлителей на поверхность должны иметь следующие минимальные размеры:
круглая сталь – диаметр не менее 10 мм;
круглая оцинкованная сталь – диаметр не менее 6 мм;