ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ

Л.М.Веденеева, А.Г.Болотова, В.А.Власов
L.Vedeneeva, A.Bolotova, V.Vlasov
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Perm National Research Polytechnic University
E-mail: bg@pstu.ru
Оценка влияния повторных заземлений на уровень безопасности в
электрических системах TN
Assessing the impact of re-grounding for safety in electrical systems TN
Исследование влияния повторного заземления на уровень электробезопасности в электроустановках,
обеспечиваемого методами защитного зануления. Получены оценки уровня безопасности на основе результатов лабораторных исследований.
Influence of the re-ground connection at the electrical safety in electrical installations with a help of protective
neutral earthing is estimated. influence of the re-ground connection. The results of laboratory studies are presented
Ключевые слова: электробезопасность, заземление, нулевой проводник, защитный проводник, повторное
заземление, система TN , напряжение прикосновения
Keywords: electrical safety, grounding, neutral conductor, a protective conductor, re-grounding, system TN,
contact voltage
Защитные меры и средства защиты от поражения электрическим током должны создаваться с учётом допустимых для человека значений тока
при данной длительности и пути его прохождения через тело или соответствующих этим токам напряжений прикосновения.
Для электроснабжения жилых, общественных и промышленных зданий и наружных установок напряжением до 1 кВ применяются, как правило, трехфазные электрические сети с глухозаземлённой нейтралью источника питания систем TN-C, TN-C-S, TN-S (в общем случае системы TN) .
Эти сети отличаются режимом работы нулевого рабочего (N) и нулевого
защитного (РЕ) проводников, которые могут быть разделены или объединены во всей или в части сети. Во всех этих сетях нейтраль источника питания глухо заземлена, а у потребителей есть повторные заземления. Нулевой рабочий N-проводник используется для питания приемников электроэнергии и соединения с заземленной нейтралью электроустановки (по нему
протекают рабочие токи), а нулевой защитный РЕ-проводник — для соединения открытых проводящих частей электроустановки, доступных прикосновению, нормально не находящихся под напряжением, но которые могут оказаться под напряжением при повреждении основной изоляции, с
глухозаземленной нейтралью источника питания (защитное зануление).
Ток в нем появляется только в аварийном режиме. Если проводник в
электроустановках до 1 кВ, совмещает функции нулевого защитного (РЕ) и
нулевого рабочего (N) проводников, то он называется совмещенным РЕNпроводником.
Повторное заземление предназначено для понижения значения
напряжения относительно земли на защитном РЕ- или совмещённом PENпроводнике и присоединенных к нему открытых проводящих частях.
В сетях с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1кВ (в системах TN) защитное заземление открытых проводящих частей неэффективно, так как ток глухого замыкания на землю зависит от сопротивления
заземления. Можно обеспечить безопасность, уменьшив длительность режима замыкания на корпус. Поэтому в системах TN-C, TN-C- S, TN-S для
защиты от поражения электрическим током при косвенном прикосновении
должно быть выполнено автоматическое отключение питания, обеспечивающее защиту как от сверхтоков (защитное зануление) так и от токов
утечки (УЗО – Д).
Повторное заземление на вводе в электроустановки зданий в системах ТN следует выполнять всегда для понижения потенциала, который
может быть вынесен по РЕ- или РEN-проводнику на корпуса электроприемников неповрежденных цепей при однофазных замыканиях в электрической сети здания, а в системе ТN-С, кроме того, потенциала, возникающего
при «смещении нейтрали» в результате обрыва РЕN-проводника питающей линии и потенциала, определяемого рабочим током, протекающим по
РEN-проводнику в нормальном режиме при несимметричной нагрузке.
При применении защитного автоматического отключения питания
является обязательным выполнение в электроустановке основной системы
уравнивания потенциалов. При этом повторное заземление обеспечивается
за счет использования естественных заземлителей (фундаментов и коммуникаций здания и др.), присоединенных к основной системе уравнивания
потенциалов (главной заземляющей шине). Выполнение искусственного
заземлителя дополнительно к основной системе уравнивания потенциалов,
позволяет понизить значения вынесенных потенциалов в электроустановке
независимо от состояния неэлектрических инженерных систем или необходимости их отключения для выполнения ремонтных работ [1].
Однако, зачастую в практике при проектировании мер защиты от поражения электрическим током в электроустановках не учитывают естественные заземлители и выполняют повторные заземления только при помощи искусственных заземлителей, причём по нормам, установленным
правилами устройства электроустановок (ПУЭ) для сетей с изолированной
нейтралью напряжением до 1000 В, т.е. как правило сопротивление заземляющего устройства принимается равным 4 Омам или менее.
Поэтому в данной работе рассмотрим, является ли обоснованным занижение сопротивлений повторных заземлений защитного РЕ- или совмещённого PEN-проводника и как это отражается на уровне обеспечения
электробезопасности электроустановки здания при применении защитного
зануления.
Сопротивление заземляющих устройств, к которым присоединены
нейтрали трансформаторов или генераторов, в любое время года должно
быть не более 2, 4 и 8 Ом соответственно при линейных напряжениях 660,
380 и 220 В источника трехфазного тока.
Согласно п. 1.7.61 ПУЭ сопротивление заземлителя повторного заземления не нормируется. Нормирование значения сопротивления повторного заземлителя на вводе в электроустановку при кабельном вводе в
условиях многоэтажной городской застройки и на территории промышленных предприятий лишено смысла (нерационально), т.к. суммарное значение сопротивлений естественных заземлителей, так же как и распределение потенциалов между заземляющим устройством источника питания и
заземлителем электроустановки здания, включающим в себя естественные
и искусственные заземлители, определяется параметрами разветвленной
сети заземления с учетом всех присоединенных естественных заземлителей. Кроме того, в стесненных условиях городской и промышленной застройки выполнение точных измерений значения сопротивления, особенно
при использовании естественных заземлителей, затруднено [1].
При обеспечении режима питания электроустановок по воздушным
линиям (ВЛ) электропередач, общее сопротивление растеканию заземлителей всех повторных заземлений нулевого провода каждой воздушной линии в любое время года должно быть не более 5, 10 и 20 Ом соответственно при линейных напряжениях 380, 220, 127 В. При этом сопротивление
растеканию заземлителя каждого из повторных заземлений нулевого рабочего провода должно быть не более 15, 30 и 60 Ом соответственно при тех
же напряжениях. При электроснабжении электроустановок зданий и сооружений от ВЛ сопротивление повторного заземлителя на опорах принимается по соображениям выноса напряжения по РЕN-проводнику при его
обрыве, нормируется пунктом 1.7.103 ПУЭ и составляет 30 Ом.
Основное назначение заземления нейтрали источника питания в системах TN — ограничение в ней потенциала при замыкании одной из фаз
на землю. При этом согласно ПУЭ в четырехпроводных сетях (системах
TN-C) 0,4 кВ, во-первых, напряжение на исправных фазах не должно превышать 250 В по условию работы аппаратуры, а во-вторых, напряжение
нейтрали по отношению к земле не должно превышать допустимого значения напряжения прикосновения. Для выполнения первого условия необходимо, чтобы напряжение смещения нейтрали не превышало 60 В. По
второму условию требуемый уровень безопасности обеспечивается при
определенном сочетании тока, протекающего через тело человека, и продолжительности его воздействия. Согласно ГОСТ 12.1.038-82 (с изм от
01.07.88) напряжения прикосновения для человека и токи, протекающие
через его организм, при аварийном режиме производственных электро-
установок напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью не
должны превышать 550 В и соответственно 650 mА при предельно допустимой продолжительности его воздействия 0,01-0,008 с, и 20 В и 6 mА —
при воздействии более 1 с.
Для переменного тока частотой 50 Гц допустимый ток снижается с
увеличением времени действия на человека, т.е. при снижении быстродействия автоматической защиты. В нормативных документах время отключения аварии в сети с фазным напряжением 220 В ограничивается 0,4 с, в
распределительной сети — 5 с. Однако согласно п. 1.7.79 ПУЭ для автоматических выключателей с номинальным током до 100 А кратность тока короткого замыкания (КЗ) относительно уставки автоматического выключателя допускается принимать 1,4, а для автоматических выключателей с
номинальным током более 100 А — 1,25. При столь малом различии между током отключения и током КЗ реальное время отключения аварии составляет минуты. При этом не соблюдаются нормативы по напряжению
прикосновения, и задержка с отключением создает новые очаги аварии.
[2].
Таким образом, защитное зануление в системах TN должно осуществлять два защитных действия — быстрое автоматическое отключение
поврежденной установки от питающей сети и снижение напряжения зануленных металлических нетоковедущих частей, оказавшихся под напряжением, относительно земли до значений, безопасных для человека.
Для анализа защитных свойств зануления при замыкании фазы на
корпус электроустановки будем рассматривать трёхфазную сеть переменного тока с системой TN- S с трёхфазными электроустановками (рис.1). Результаты лабораторных исследований приведены в табл. 1.
Таблица 1. Время срабатывания защиты, ток короткого замыкания,
напряжения занулённых корпусов и нулевой точки источника питания относительно земли в зависимости от величины сопротивления повторного заземления
Переходное сопротивление между корпусом 2 и зануляющим проводником Rпер=0
Сопротивление заземления нейтрали источника питания R0 = 4 Ом
Сопротивление защитного РЕ-проводника RРЕ = 0,1 Ом
1. Сопротивление повторного заземления Rп, Ом Rп отсут4
10
100
ствует
2. Напряжение занулённого корпуса 1 U1, В
3. Напряжение занулённого корпуса 2 U2, В
4. Напряжение занулённого корпуса 3 U3, В
5. Напряжение нулевой точки источника питания U0, В
6. Ток короткого замыкания Iк, А
7. Время срабатывания автоматических выключателей tзо, mS
8. Ток, стекающий на землю через повторный
заземлитель Iз, А
78
127
125
0
29
19
17
77
10
38
36
58
55
102
100
8
1010
37
1002
37
1008
37
1003
36
0
0,03
0,03
0,03
Iк
Iз
Рис. 1. Распределение потенциалов вдоль нулевого защитного PE-проводника совмещённого PEN-проводника при различных значениях сопротивления повторного заземления: 1-3 — корпуса электропотребителей
При замыкании, например, фазного проводника L2 на зануленный
корпус 2 ток короткого замыкания проходит через следующие участки цепи: зануленный корпус 2 –защитный провод (PE) - обмотка трансформатора (генератора) фазы 2 - фазный провод L2. Величина тока определяется
фазным напряжением и полным сопротивлением цепи однофазного короткого замыкания (цепи «фаза-нуль»):
U
Iк 
,
(1)
 Zт

  Z ф.пр  Z н 
 3

где U – фазное напряжение;
Zт – сопротивление трансформатора;
Zф.пр – сопротивление фазного проводника L2;
Zн – сопротивление нулевого защитного PE – проводника.
Если принять что
Zт
 Z ф.пр  Z ф ,
3
то ток короткого замыкания Iк равен

U
,
(2)
Iк 
Z ф  Z н 
При наличии повторного заземления нулевого провода напряжение
корпуса относительно земли равно


(3)
U з  I з  Rп ,
где Rп – сопротивление повторного заземления защитного PEпроводника.
Ток замыкания на землю определяется согласно схеме, приведенной
на рис. 1, следующим образом:


Uк
,
Iз 
Rо  Rп 
(4)

где U к – падение напряжения в защитном PE-проводнике, приложенное
к последовательно соединенным сопротивлениям Rо и Rп;
Rо – сопротивление заземления нейтрали источника питания.
Из закона Ома вытекает, что


U к  I к  Zн
или с учетом (2)

 U

U
.
(5)
Uк  
  Zн 
Z


Z

Z



н 
 ф
1  ф 
Zн 

Решая совместно уравнения (3)-(5), получаем при замыкании на корпус значение напряжения корпуса относительно земли:






U

   Rп
Uз 
.
(6)


Z ф    Rо  Rп 
 
 1 
Z
н 

Аналогично определяем напряжение нейтрали относительно земли:






U
   Rо
Uо  
.
(7)

Z ф    Rо  Rп 
 
 1 
Z
н 

Повторное заземление нулевого защитного РЕ- или совмещенного
РЕN-проводника снижает напряжение на корпусе в момент короткого замыкания, особенно при обрыве РЕ (РЕN) проводника. Если повторное заземление отсутствует (Rп→∞), выражения (6) и (7) принимают вид:



U
Uз 
 U к ; U о  0.
(8)
Zф 

1 

Z

н 
При наличии повторного заземления второй множитель в выражении
(6) меньше единицы, в выражении (7) — больше нуля, т.е. потенциал корпуса меньше, чем величина Uк, а потенциал нейтрали больше нуля. Если
U
принять Zф=Zн и Rп=Ro, то потенциалы U з  U о  .
4
Без повторного заземления совмещённого провода (Rп→∞) в случае
U
замыкания на корпус его потенциал U з  U к  , а потенциал нейтрали ра2
вен нулю.
Таким образом, повторное заземление при замыкании на корпус
уменьшает его потенциал и тем самым повышает безопасность. На рис. 1
показано распределение потенциалов вдоль PE провода между повторным
заземлением (а значит, и корпусом) и заземлением нейтрали. Эти потенциалы существуют в течение времени срабатывания защиты.
Потенциалы зануленных корпусов при однофазном коротком замыкании зависят от длины участка PE провода между нейтралью источника и
местом присоединения корпуса к PE проводу, а также от величины сопротивления повторного заземления. Поскольку сопротивление PE провода
при постоянном сечении пропорционально его длине, падение напряжения
также пропорционально длине. Поэтому при отсутствии повторного заземления потенциал корпуса, на который происходит короткое замыкание, равен падению напряжения в PE проводе [см. выражение (5)], а потенциал
нейтрали равен нулю (см. рис. 1, кривая «Без Rп»).
Корпус 1, также находится под напряжением относительно земли,
равным потенциалу PE провода в точке присоединения корпуса электроустановки. Потенциал корпуса 3 равен потенциалу корпуса 2, на который
произошло замыкание, так как за местом короткого замыкания в PE проводе тока нет, а значит, и падение напряжения отсутствует.
Если защитный PE провод имеет повторное заземление (см. рис. 1,
кривые «Rп =4,10,100 Ом» и табл.1), то потенциал нейтрали не равен нулю;
он равен падению напряжения на сопротивлении заземления нейтрали, которое возникает за счёт протекания тока замыкания на землю Iз. Потенциал корпуса поврежденного потребителя равен падению напряжения на повторном заземлении U2. Разность этих потенциалов равна падению напряжения в защитном PE-проводнике Uк. Потенциалы в PE проводе распределяются по прямолинейному закону. Потенциал корпуса 1 ниже потенциала
корпусов 2 и 3. Как видно из рис. 1 потенциал нейтрали увеличивается с
уменьшением величины сопротивления повторного заземления. При нормированном значении сопротивления заземления нейтрали Ro= 4 Ома для
стандартной сети TN напряжением 380/220 В, если значение сопротивления повторного заземления Rп = 100 Ом, то напряжение нулевой точки источника питания U0 = 8 В, что значительно меньше допустимого значения,
но при этом напряжение на занулённых корпусах электроустановок 2 и 3
составляют порядка 100 В (табл.1), что значительно больше допустимого
значения. Уменьшение величины сопротивления повторного заземления до
значения Rп = 4 Ома приводит к тому, что напряжение нулевой точки источника питания U0 вырастает до значения 77 В, что превышает допустимые значения напряжения прикосновения, а напряжения на занулённых
корпусах электроустановок 2 и 3 снижаются до значений 17-19 В (табл.1).
При величине сопротивления повторного заземления Rп = 10 Ом напряжение нулевой точки источника питания U0 и напряжения на занулённых
корпусах электроустановок 2 и 3 составляют величину, допустимую при
прикосновении в течение 1 с.
Как видно из табл.1 величина сопротивления повторного заземления
практически не влияет на величину тока короткого замыкания и, следовательно, на время срабатывания защиты.
Необходимо отметить, что допустимое сопротивление заземления
источника питания в 4 Ом было установлено исходя из того, что при падении фазного провода даже на мокрую землю его сопротивление растеканию будет не менее 15 - 20 Ом. Меньшие сопротивления растеканию создают неблагоприятные условия по электробезопасности для всех электроустановок подстанции. В этой ситуации при низких сопротивлениях повторного заземления у потребителей в системах TN- C происходит фактическое "распределение аварии" по всем прочим потребителям. Чтобы исключить это, необходимо сопоставить допустимые пределы разницы сопротивлений заземляющих устройств источника питания и потребителя.
Однако в существующей технической практике и в расчетах это не принято. Нарушение целостности нулевого или защитного проводника может
быть долго не замечено, и при КЗ неожиданно наступает тяжелая аварийная ситуация с отказом защит [2]. В случае обрыва PE провода повторное
заземление являются единственной защитой, которая позволит при замыкании на корпус уменьшить потенциалы PE провода и присоединённых к
нему корпусов электропотребителей как до места обрыва PE проводника,
так и после обрыва. Очевидно, этот режим опасен. Но при отсутствии повторного заземления защитного PE провода опасность возрастает еще
больше, так как замыкание происходит на корпус, не имеющий ни зануления, ни заземления.
Библиографический список
1. Казанцева Л.В., Шатров В.В. Пояснения и комментарии к требованиям гл. 1.7 «Заземление и защитные меры безопасности» ПУЭ 7-го изд.
(Ответы на вопросы). Часть 1. – М.:УИЦ НИИПроектэлектромонтаж
(АНО), 2004. – 40 с.
2. Рузняев Е.С., Скляров Н.Е., Волков В.В. Электробезопасность.
Учебное пособие. – Пенза: Издательство Пензенского государственного
университета, 2004.