СЕТИ С ГЛУХОЗАЗЕМЛЕННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

ЗАЩИТНОЕ ЗАНУЛЕНИЕ

Зануление – это преднамеренное электрическое соединение откры- тых проводящих частей электроустановок с глухозаземленной ней- тральной точкой генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, с глухозаземленным выводом источника однофазного тока, с за- земленной точкой источника в сетях постоянного тока, выполняемое в целях электробезопасности.

Для соединения открытых проводящих частей потребителя элек- троэнергии с глухозаземленной нейтральной точкой источника исполь- зуется нулевой защитный проводник.

Нулевым защитным проводником (PE – проводник в системе TN  –

S) называется проводник, соединяющий зануляемые части (открытые проводящие части) с глухозаземленной нейтральной точкой источника питания трехфазного тока или с заземленным выводом источника пита- ния однофазного тока, или с заземленной средней точкой источника пи- тания в сетях постоянного тока.

Нулевой защитный проводник следует отличать от нулевого рабо- чего и PEN – проводников.

Нулевой рабочий проводник (N – проводник в системе TN – S) – проводник в электроустановках напряжением до 1 кВ, предназначенный для питания электроприемников соединенный с глухозаземленной ней- тральной точкой генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, с глухозаземленным выводом источника однофазного тока, с глу- хозаземленной точкой источника в сетях постоянного тока.

Совмещенный (PEN – проводник в системе TN – C) нулевой за- щитный и нулевой рабочий проводник – проводник в электроустанов- ках напряжением до 1 кВ, совмещающий функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводника.

Зануление необходимо для обеспечения защиты от поражения электрическим током при косвенном прикосновении за счет снижения напряжения корпуса относительно земли и быстрого отключения элек- троустановки от сети.

Область применения зануления:

➢ электроустановки напряжением до 1 кВ в трехфазных сетях пере-

менного тока с заземленной нейтралью (система TN – S; обычно это сети 220/127, 380/220, 660/380 В);

➢ электроустановки напряжением до 1 кВ в однофазных сетях пере- менного тока с заземленным выводом;

➢ электроустановки напряжением до 1 кВ в сетях постоянного тока с заземленной средней точкой источника.

Принцип действия зануления. При замыкании фазного провода на зануленный корпус электропотребителя (рис. 4.12) образуется цепь тока однофазного короткого замыкания (то есть замыкания между фазным и нулевым защитным проводниками). Ток однофазного короткого замы- кания вызывает срабатывание максимальной токовой защиты, в резуль- тате чего происходит отключение поврежденной электроустановки от питающей сети. Кроме того, до срабатывания максимальной токовой защиты происходит снижение напряжения поврежденного корпуса от- носительно земли, что связано с защитным действием повторного за- земления нулевого защитного проводника и перераспределением на- пряжений в сети при протекании тока короткого замыкания.

Рис. 12 – Принципиальная схема зануления в системе TN–S:

r0 – сопротивление заземления нейтрали обмотки источника тока;

RП – сопротивление повторного заземления нулевого защитного проводника; Iк – ток КЗ; Iн – часть тока КЗ, протекающего через нулевой защитный про- водник; Iз – часть тока КЗ, протекающего через землю.

Следовательно, зануление обеспечивает защиту от поражения элек- трическим током при замыкании на корпус за счет ограничения времени

прохождения тока через тело человека и за счет снижения напряжения прикосновения.

В качестве максимальной токовой защиты, обеспечивающей бы- строе отключение электроустановки в аварийном режиме могут исполь- зоваться плавкие предохранители и автоматические выключатели, уста- навливаемые для защиты от токов короткого замыкания, магнитные пускатели со встроенной тепловой защитой, контакторы в сочетании с тепловыми реле, осуществляющие защиту от перегрузки, автоматы с комбинированными расцепителями, осуществляющие защиту одновре- менно от токов короткого замыкания и перегрузки и др.

Назначение отдельных элементов схемы зануления. Из рис. 13 вид- но, что для схемы зануления необходимы нулевой защитный провод- ник, глухое заземление нейтрали источника тока и повторное заземле- ние нулевого защитного проводника.

Рассмотрим назначение этих элементов применительно к наиболее распространенным электрическим сетям – трехфазным переменного то- ка.

Назначение нулевого защитного проводника в схеме зануления: обеспечить необходимое для отключения установки значение тока од- нофазного короткого замыкания путем создания для этого тока цепи с малым сопротивлением.

 

 

Рис. 13 – К вопросу о необходимости нулевого защитного проводника в трехфазной сети до 1 кВ с заземленной нейтралью

Пусть мы имеем схему без нулевого защитного проводника, роль которого выполняет земля. Будет ли работать такая схема?

При замыкании фазы на корпус по цепи, образовавшейся через землю, будет проходить ток:

 

U

I З  =     ,

r + r

(15)

o      k

где U – фазное напряжение сети, В; r 0 , r к – сопротивления заземления нейтрали и корпуса, Ом.

Сопротивления обмоток источника тока (например, трансформато- ра, питающего данную сеть) и проводов сети малы по сравнению с r0 и rк, поэтому их в расчет не принимаем.

В результате протекания тока через сопротивление rк в землю на корпусе возникает напряжение относительно земли U к равное падению напряжения на сопротивлении r к:

 

U k = IЗ r k

= Ur k  ,

r o + r k

(16)

 

Ток Iз может оказаться недостаточным, чтобы вызвать срабатыва- ние максимальной токовой защиты, т. е. установка может не отклю- читься.

Чтобы устранить эту опасность, надо обеспечить быстрое автома- тическое отключение установки, т. е. увеличить ток, проходящий через защиту, что достигается уменьшением сопротивления цепи этого тока путем введения в схему нулевого защитного проводника соответствую- щей проводимости.

Следовательно, из сказанного вытекает еще один вывод: в трехфаз- ной сети напряжением до 1 кВ с заземленной нейтралью без нулевого защитного проводника невозможно обеспечить безопасность при кос- венном прикосновении, поэтому такая сеть применяться не должна.

Назначение заземления нейтрали обмоток источника тока. Рас- смотрим четырехпроводную сеть, изолированную от земли, т. е. с изо- лированной нейтралью обмоток источника тока и без повторного зазем- ления нулевого защитного проводника (рис. 14). Будет ли работать сис- тема зануления в такой сети?

 

а)

 

 

б)

Рис. 14 – Случай замыкания фазы на землю в трехфазной четырехпроводной сети с изолированной (а) и заземленной (б) нейтралью

 

Нетрудно видеть что в этой сети зануление обеспечит отключение пoвpeждeннoй установки так же надежно, как и в сети с заземленной нейтралью. С этой точки зрения режим нейтрали не имеет значения. Однако при замыкании фазы на землю (рис. 14а), что может иметь ме- сто в результате обрыва и падения на землю провода, а также при замы- кании фазного провода на неизолированный от земли корпус и т.п., зем- ля приобретает потенциал фазы и между зануленным оборудованием, имеющим нулевой потенциал, и землей возникает напряжение U к, близкое по значению к фазному напряжению сети U. Оно будет сущест- вовать до отключения всей сети вручную или до ликвидации замыкания на землю, так как максимальная токовая защита при этом повреждении не сработает. Указанная ситуация очень опасна.

В сети с заземленной нейтралью при таком повреждении будет практически безопасная ситуация. В этом случае фазное напряжение U разделится пропорционально сопротивлениям замыкания фазы на зем- лю rзм и заземления нейтрали r0 (рис. 14б), благодаря чему Uк умень- шится и будет равно падению напряжения на сопротивлении заземления нейтрали:

 

U k = IЗМ r o

= Ur o             ,

rЗМ + r o

(17)

 

где Iзм – ток замыкания на землю, А.

Как правило, сопротивление растеканию тока в месте замыкания на землю rзм, которое оказывает грунт току при случайном замыкании фа- зы на землю, во много раз больше сопротивления специально выпол- ненного заземления нейтрали rзм. Поэтому U к оказывается незначи- тельным.

Например, при U = 220 В, r 0 = 4 Ом и r зм = 100 Ом:

 

U = 220 ´ 4 = 8, 5 B.

k    4 +100

 

(18)

 

Таким образом, заземление нейтрали обмоток источника тока, пи- тающего сеть напряжением до 1 кВ, предназначено для снижения на- пряжения зануленных корпусов (а, следовательно, нулевого защитного проводника) относительно земли до безопасного значения при замыка- нии фазы на землю.

Повторное заземление нулевого защитного проводника практиче- ски не влияет на время отключения электроустановки от сети. Однако, при эксплуатации зануления могут возникнуть такие ситуации, когда повторное заземление нулевого защитного проводника необходимо, на- пример, при обрыве нулевого защитного проводника.

Назначение повторного заземления нулевого защитного  проводни-

ка

 

Рис. 15 – Замыкание на корпус в системе TN–S

 

При замыкании фазы на корпус в сети, не имеющей повторного за- земления нулевого защитного проводника (рис. 15), участок нулевого защитного проводника, находящийся за местом замыкания, и все при- соединенные к нему корпуса окажутся под напряжением относительно земли Uк, равным:

 

U k = I k Z PE  ,

(19)

 

где I к – ток КЗ, проходящий по петле фаза-нуль, А; z PEN  – полное сопро- тивление участка нулевого защитного проводника, обтекаемого током I к, Ом (т. е. участка АВ).

Напряжение U к будет существовать в течение аварийного периода, т. е. с момента замыкания фазы на корпус до автоматического отключе- ния поврежденной установки от сети.

Если для упрощения пренебречь сопротивлением обмоток источ- ника тока и индуктивным сопротивлением петли фаза-нуль, а также считать, что фазный и нулевой защитный проводники обладают лишь активными сопротивлениями R L 1 и R PE, то (4.3) примет вид:

 

U = I R

= URPE .

(20)

1

k    k  PE

R L + RPE

Если нулевой защитный проводник будет иметь повторное зазем- ление с сопротивлением rП (на рис. 15 это заземление показано пункти- ром), то U к снизится до значения, определяемого формулой:

 

k        k  П

U ` = I r

= UAB × rП ,

rП + r o

(21)

 

где Iз – ток, стекающий в землю через сопротивление rп, А; UАВ – паде- ние напряжения в нулевом защитном проводнике на участке АВ; r 0 – сопротивление заземления нейтрали источника тока, Ом.

Итак, повторное заземление нулевого защитного проводника  сни-

жает напряжение на зануленных корпусах в период замыкания фазы на корпус.

При случайном обрыве нулевого защитного проводника и замыка- нии фазы на корпус за местом обрыва (при отсутствии повторного за- земления) напряжение относительно земли участка нулевого защитного проводника за местом обрыва и всех присоединенных к нему корпусов, в том числе корпусов исправных установок, окажется близким по зна- чению фазному напряжению сети (рис. 16а). Это напряжение будет су- ществовать длительно, поскольку поврежденная установка автоматиче- ски не отключится, и ее будет трудно обнаружить среди исправных ус- тановок, чтобы отключить вручную.

Рис. 16 – Замыкание на корпус при обрыве нулевого защитного проводника:

а – в сети без повторного заземления нулевого защитного проводника, б – в сети с повторным заземлением нулевого защитного проводника.

 

Если же нулевой защитный проводник будет иметь повторное за- земление, то при обрыве его сохранится цепь тока Iз, А, через землю (рис 16б), благодаря чему напряжение зануленных корпусов, находя- щихся за местом обрыва, снизится до значений, определяемых форму- лой:

 

U k = IЗrП  =

UrП  ,

rП + r o

(22)

 

При этом корпуса установок, присоединенных к нулевому защит- ному проводнику до места обрыва, приобретут напряжение относитель- но земли:

 

U o = IЗr o

=  Ur o                                  ,

rП + r o

(23)

где r0 – сопротивление заземления нейтрали источника тока, Ом.

Итак, повторное заземление нулевого защитного проводника зна- чительно уменьшает опасность поражения током, возникающую в ре- зультате обрыва нулевого защитного проводника и замыкания фазы на корпус за местом обрыва, но не может устранить ее полностью, т. е. не может обеспечить тех условий безопасности, которые существовали до обрыва.

При применении системы TN рекомендуется выполнять повторное заземление PE – и PEN – проводников на вводе в электроустановки зда- ний, а также в других доступных местах. Для повторного заземления нулевых защитных проводников следует в первую очередь использовать естественные заземлители. В этом случае сопротивление растеканию тока заземлителя повторного заземления не нормируется. Внутри боль- ших и многоэтажных зданиий аналогичную функцию выполняет урав- нивание потенциалов посредством присоединения нулевого защитного проводника к главной заземляющей шине.

Повторному заземлению подвергаются нулевые рабочие провода воздушных линий, которые одновременно используются как нулевые защитные проводники (PEN – проводники). При этом в соответствии с главой 1.7 ПУЭ для воздушных линий электропередач общее сопротив- ление растеканию заземлителей (в том числе, естественных) всех по- вторных заземлителей PEN – проводника каждой ВЛ в любое время го- да должно быть не более 5, 10 и 20 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380, 220 В источника трехфазного тока или 320, 220, 127 В источника однофазного тока. При этом сопротивление растека- нию заземлителя каждого из повторных заземлений должно быть не бо- лее 15, 30, 60 Ом соответственно при тех же напряжениях.

При удельном сопротивлении грунта более 100 Ом м допускается увеличивать указанные нормы в 0,01×r раз, но не более десятикратного. Повторные заземления выполняются на концах линий или ответв- лений длиной более 200 м. При этом в первую очередь следует исполь- зовать естественные заземлители, например, подземные части опор, а также заземляющие устройства, предназначенные для грозовых перена-

пряжений.

Надежность зануления определяется в основном надежностью ну- левого защитного проводника. В связи с этим требуется тщательная прокладка нулевого защитного проводника, чтобы исключить возмож- ность его обрыва. Кроме того, в нулевом защитном проводнике запре- щается ставить выключатели, предохранители и другие приборы, спо- собные нарушить его целостность.

При соединении нулевых защитных проводников между собой должен обеспечиваться надежный контакт. Присоединение нулевых за- щитных проводников к частям электроустановок, подлежащих зануле- нию, осуществляется сваркой или болтовым соединением, причем, зна- чение сопротивления между зануляющим болтом и каждой доступной прикосновению металлической нетоковедущей частью электроустанов- ки, которая может оказаться под напряжением, не должно превышать 0,1 Ом. Присоединение должно быть доступно для осмотра.

Нулевые защитные провода и открыто проложенные нулевые за- щитные проводники должны иметь отличительную окраску: по зелено- му фону желтые полосы.

В процессе эксплуатации зануления сопротивление петли «фаза- нуль» может меняться, следовательно, необходимо периодически кон- тролировать значение этого сопротивления. Измерения сопротивления петли «фаза-нуль» проводят как после окончания монтажных работ, то есть при приемо-сдаточных испытаниях, так и в процессе эксплуатации в сроки, установленные в нормативно технической документации, а также при проведении капитальных ремонтов и реконструкций сети.

Расчет зануления имеет целью определить условия, при которых оно надежно выполняет возложенные на него задачи  быстро отключает поврежденную установку от сети и в то же время обеспечивает безопас- ность прикосновения человека к зануленному корпусу в аварийный пе- риод. В соответствии с этим зануление рассчитывают на отключающую способность.

К расчету зануления на отключающую способность.

Значение тока короткого замыкания I к зависит от фазного напря- жения сети U и сопротивлений цепи, в том числе от полных сопротив- лений трансформатора z т, фазного проводника z L 1, нулевого защитного проводника z PE, внешнего индуктивного сопротивления петли (контура) фазный проводник – нулевой защитный проводник (петли фаза – нуль) x П, а также от активных сопротивлений заземлений нейтрали обмоток источника тока (трансформатора) r0 и повторного заземления нулевого защитного проводника r П.

Поскольку r 0 и r П, как правило, велики по сравнению с другими со- противлениями цепи, можно не принимать во внимание параллельную ветвь, образованную ими. Тогда выражение для тока короткого замыка- ния I к в комплексной форме будет иметь вид:

I  =

- k   ZT

-

U           ,

+ Z  + Z + jX П

L         PE

(24)

3 -  1 -

 

 

где U фазное напряжение сети, В; z т – комплекс полного сопротивления обмоток трехфазного источника тока (трансформатора), Ом; z L 1 – ком- плекс полного сопротивления фазного провода. Ом; z PE  – комплекс пол- ного сопротивления нулевого защитного проводника, Ом.

При расчете зануления допустимо применять приближенную фор- мулу для вычисления действительного значения (модуля) тока коротко- го замыкания I к, в которой модули сопротивлений трансформатора и петли фаза – нуль z т и z П складываются арифметически:

 

I  = U .

k       Z

T + Z

3   П

(25)

 

Некоторая неточность (около 5%) этой формулы ужесточает требо- вания безопасности и поэтому считается допустимой.

Полное сопротивление петли фаза – нуль в действительной форме равно:

 

(R L + RPE ) + ( X L + X PE + X П )

2

2

1

1

ZП      =                                                                                  (26)

 

Расчет зануления на отключающую способность является повероч- ным расчетом правильности выбора проводимости нулевого защитного проводника, а точнее, достаточности проводимости петли фаза – нуль.

Значение z т зависит от мощности трансформатора, напряжения и схемы соединения его обмоток, а также от конструктивного исполнения трансформатора. При расчетах зануления значение z т берется из таблиц. Значения R L 1 и R PE  для проводников из цветных металлов (медь, алюминий) определяют по известным данным сечению s, длине l, и  ма-

териалу проводников. При этом искомое сопротивление:

 

R = r l  ,

S

(27)

 

где r – удельное сопротивление проводника, равное для меди

1,8×10–8 Ом м, а для алюминия 2,8×10–8 Ом м.

Если нулевой защитный проводник стальной, то его активное со- противление R PE определяется с помощью таблиц, в которых приведены

значения сопротивлений 1 км различных стальных проводников при разной плотности тока частотой 50 Гц.

Для этого необходимо задаться профилем и сечением проводника, а также знать его длину и ожидаемое значение тока I к, который будет проходить по этому проводнику в аварийный период. Сечением про- водника задаются из расчета, чтобы плотность тока в нем была в преде- лах примерно 0,5–2,0 А/мм2.

Значения x L 1 и x PE  медных и алюминиевых проводников сравни- тельно малы, поэтому ими можно пренебречь. Для стальных проводни- ков внутренние индуктивные сопротивления оказываются достаточно большими, и их определяют с помощью таблиц. При этом также необ- ходимо знать профиль и сечение проводника, его длину и ожидаемое значение тока I к.

Значение x П может быть определено по известной из теоретических основ электротехники формуле для индуктивного сопротивления двух- проводной линии с проводами круглого сечения одинакового диаметра:

 

X = w L = w m r m o l ln 2D  ,

(28)

П                                  p       d

где w – угловая скорость, рад/с, L – индуктивность линии, Гн; m – отно- сительная магнитная проницаемость среды; m0=4p×10–7 – магнитная по- стоянная, Гн/м; l – длина линии, м; D – расстояние между проводами линии, м.

При малых значениях D, соизмеримых с диаметром проводов d, т.е. когда фазный и нулевой проводники расположены в непосредственной близости один от другого, сопротивление Xп незначительно (не более 0,1 Ом на км) и им можно пренебречь.

При этом в соответствии с ПУЭ должны выполняться следующие требования.

В системе TN время автоматического отключения питания не должно превышать значений, указанных в табл. 1.

Таблица 1

Наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения питания

Номинальное фазное напря- жение U , В	Время отключения, с
127	0,8
220	0,4
380	0,2
Более 380	0,1

Приведенные в таблице 1 значения времени отключения питания считаются достаточными для обеспечения электробезопасности, в том числе и в групповых цепях, питающих передвижные и переносные электроприемники и ручной электроинструмент класса I.

В цепях, питающих распределительные, групповые, этажные и другие щиты и щитки, время отключения не должно превышать 5 с.

Допускаются значения времени отключения более указанных в таблице 1, но не более 5 с в цепях, питающих только стационарные электроприемники от распределительных щитков или щитов при вы- полнении одного из следующих условий:

1) полное сопротивление защитного проводника между главной за- земляющей шиной и распределительным щитом или щитком не превы- шает значения, Ом

 

Z

50 ц  ,

U

(29)

где Zц – полное сопротивление цепи «фаза – нуль», Ом;U – номинальное фазное напряжение сети, В; 50 – падение напряжения на участке защит- ного проводника между главной заземляющей шиной и распредели- тельным щитом или щитком, В.

2) к шине PE распределительного щита или щитка присоединена дополнительная система уравнивания потенциалов, охватывающая те же сторонние проводящие части, что и основная система уравнивания потенциалов.

Расчет зануления на отключающую способность заключается в оп- ределении параметров нулевого защитного проводника (длина, сечение, материал) и максимальной токовой защиты, при которых ток однофаз- ного короткого замыкания, возникающий при замыкании фазного  про-

вода на зануленный корпус, вызвал бы срабатывание максимальной то- ковой защиты за время, указанное в таблице 1.

 

ЗАЩИТНОЕ ОТКЛЮЧЕНИЕ

Защитное автоматическое отключение питания – автоматиче- ское размыкание цепи одного или нескольких фазных проводников (и, если требуется, нулевого рабочего проводника), выполняемое в целях электробезопасности.

Для защиты от поражения электрическим током в нормальном ре- жиме должны быть применены по отдельности или в сочетании сле- дующие меры защиты от прямого прикосновения:

· основная изоляция токоведущих частей;

· ограждения и оболочки;

· установка барьеров;

· размещение вне зоны досягаемости;

· применение сверхнизкого (малого) напряжения.

Для дополнительной защиты от прямого прикосновения в электро- установках напряжением до 1 кВ, следует применять устройства защит- ного отключения (УЗО) с номинальным отключающим дифференциаль- ным током не более 30 мА.

Для защиты от поражения электрическим током в случае повреж- дения изоляции должны быть применены по отдельности или в сочета- нии следующие меры защиты при косвенном прикосновении:

· защитное заземление;

· автоматическое отключение питания;

· уравнивание потенциалов;

· выравнивание потенциалов;

· двойная или усиленная изоляция;

· сверхнизкое (малое) напряжение;

· защитное электрическое разделение цепей;

· изолирующие (непроводящие) помещения, зоны, площадки. Применение двух и более мер защиты в электроустановке не долж-

но оказывать взаимного влияния, снижающего эффективность каждой из них.

Электроустановки напряжением до 1 кВ жилых, общественных и промышленных зданий и наружных установок должны, как правило, получать питание от источника с глухозаземленной нейтралью с приме- нением системы TN. Для защиты от поражения электрическим током при косвенном прикосновении в таких электроустановках должно быть выполнено автоматическое отключение питания.

При выполнении автоматического отключения питания в электро- установках напряжением до 1 кВ все открытые проводящие части должны быть присоединены к глухозаземленной нейтрали источника питания, если применена система TN, и заземлены, если применены системы IT или ТТ. При этом характеристики защитных аппаратов и па- раметры защитных проводников должны быть согласованы, чтобы обеспечивалось нормированное время отключения поврежденной цепи защитно-коммутационным аппаратом в соответствии с номинальным фазным напряжением питающей сети.

В системе TN время автоматического отключения питания не должно превышать значений, указанных в табл. 2

Таблица 2

Наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения для системы TN

Номинальное фазное напряжение U 0 , В	Время отключения, с
127	0,8
220	0,4
380	0,2
Более 380	0,1

Приведенные значения времени отключения считаются достаточ- ными для обеспечения электробезопасности, в том числе в групповых цепях, питающих передвижные и переносные электроприемники и руч- ной электроинструмент класса 1. В цепях, питающих распределитель- ные, групповые, этажные и др. щиты и щитки, время отключения не должно превышать 5 с. Также допускается применение УЗО, реаги- рующих на дифференциальный ток.

В системе IT время автоматического отключения питания при двойном замыкании на открытые проводящие части должно соответст- вовать табл. 3

Таблица 3

Наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения для системы IT

Номинальное линейное напряжение U 0 , В	Время отключения, с
220	0,8
380	0,4
660	0,2
Более 660	0,1

При выполнении мер защиты в электроустановках напряжением до 1 кВ классы применяемого электрооборудования по способу защиты человека от поражения электрическим   током по ГОСТ 12.2.007.0

«ССБТ. Изделия электротехнические» представлены в табл. 4

Таблица 4