Глава XVII
ЗАЩИТНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ
§ 73. Общие положения
Заземляющие устройства на подстанциях подразделяются на рабочее и защитное заземление.
Рабочее заземление служит для защиты оборудования подстанции в нормальных и аварийных условиях и выполняется в виде непосредственного заземления либо через пробивные предохранители и разрядники. Кроме того, рабочему заземлению можно отнести также заземление технологического характера, например соединение отрицательных шин тяговых подстанций с трамвайными рельсами.
Защитное заземление предназначено для защиты обслуживающего персонала от появления опасного напряжения на частях оборудования, нормально не находящихся под напряжением. В настоящем параграфе рассматриваются только вопросы защитного заземления.
Опасность поражения персонала тяговых подстанций электрическим током может быть обусловлена непосредственным прикосновением к токоведущим частям или прикосновением к металлическим конструкциям, оказавшимся под напряжением в результате повреждения электрической изоляции. В первом случае защита персонала осуществляется ограждением токоведущих частей или поднятием их на недоступную для прикосновения высоту, во втором — заземлением всех металлических конструкций, к которым возможно прикосновение.
Согласно требованиям ПУЭ заземлению подлежат все металлические корпуса электрооборудования, металлические конструкции, на которых устанавливается оборудование, металлические сплошные и сетчатые ограждения, трубы электропроводок, металлические оболочки кабелей и т. п.
Поражение электрическим током может наступить в результате прохождения тока через тело человека либо воздействия электрической дуги в виде ожога и ослепления.
Значение проходящего через организм тока, который вызывает смерть, зависит от физического и физиологического состояния человека, а также от пути прохождения тока и его продолжительности.
Опытами установлено, что постоянный ток на организм действует слабее, чем переменный ток промышленной частоты. С повышением частоты переменного тока вредное действие его на организм уменьшается.
Следует отметить, что при поражении электрическим током в ряде случаев может произойти так называемая «мнимая смерть», когда потеря признаков жизни вызвана только функциональным расстройством органов человека. При своевременном применении искусственного дыхания деятельность сердца и легких восстанавливается.
Рис. 73-1. Распределение потенциала земли вокруг единичного трубчатого заземлителя
Заземляющие устройства электроустановок выполняются в виде естественных и искусственных заземлителей. К естественным заземлителям относятся зарытые в землю металлические конструкции, металлические трубопроводы, не несущие воспламеняющихся жидкостей и газов, а также металлические брони и оболочки силовых кабелей (исключение составляют оболочки алюминиевых кабелей, так как они имеют защитное покрытие).
Искусственные заземляющие устройства состоят из заземлителей и соединяющих проводников. В качестве заземлителей могут употребляться стержневые заземлители в виде труб или угловой стали и прутковые заземлители, а также полосы, которые применяются в качестве самостоятельных заземлителей или в сочетании со стержневыми заземлителями.
Рассмотрим сопротивление заземления на примере трубчатого заземлителя. Представим, что произошел пробой одной из токоведущих фаз на корпус аппарата, который заземлен через проводник на единичный трубчатый заземлитель (рис. 73-1). Если при этом измерить разность потенциалов между трубчатым заземлителем и поверхностью земли в точках о, а, b (по одному из радиусов), то распределение потенциалов будет иметь форму кривой О, А, В. Наибольшая разность потенциалов на поверхности земли на единицу длины — вблизи заземлителя. Это объясняется характером растекания тока, плотность которого в земле по мере приближения к электроду увеличивается, следовательно, возрастает и градиент потенциала.
Рис. 73-2. Напряжение прикосновения и напряжение шага при контурном заземлении:
а — примеры напряжения прикосновения и напряжения шага; б — диаметры потенциалов земли при контурном заземлении; в — экранирование трубчатых заземлителей
Сопротивление, которое оказывает земля току, называется сопротивлением растеканию. Сопротивление растеканию единичного заземлителя определяется зоной земли радиусом около 20 м, так как за пределами этой зоны сопротивление земли можно практически считать равным нулю.
Однако в практике расчета заземлителей сопротивление растеканию относят не к земле, а к заземлителю, и называют эту
величину сопротивлением заземлителя, или сопротивлением заземляющего устройства:
где 125 и 250 — напряжения между заземляющими устройствами и удаленной точкой земли;
R3— наибольшее из значений сопротивления заземлителя при учете сезонных его колебаний;
I — ток замыкания на землю.
3. Установки до 1000 в могут быть с глухим заземлением нейтрали и с изолированной нейтралью. В обоих случаях сопротивление должно быть не более 4 Ом, однако если мощность трансформаторов электроустановки не превышает 100 кВА, сопротивление заземляющего устройства может быть до 10 Ом.
Для заземления электроустановок с различным напряжением применяется одно общее заземляющее устройство с наименьшим сопротивлением.
Для тяговых подстанций расчет заземления следует производить по условию пункта 2 а и 3, при этом учитывается также требование о максимально возможном сопротивлении искусственных заземляющих устройств (см. § 74).
Удельное сопротивление грунта. Сопротивление заземляющих устройств зависит прежде всего от физических свойств грунта, которые характеризуются его удельным сопротивлением:
(73-5)
Удельное сопротивление грунта зависит от содержания в нем влаги и солей, а также от его температуры. Температура и влажность грунта особенно сильно сказываются в его верхних слоях. Поэтому сопротивление таких заземлителей, как полосы и кабели, весьма сильно возрастает при промерзании грунта в зимнее время и при его чрезмерном высыхании в засушливое лето.
С целью получения надежных расчетных величин рекомендуется производить измерение сопротивления грунта в теплое время года (май — октябрь), а для учета зимних условий и высыхания почвы летом вводить соответствующие коэффициенты согласно данным табл. 73-1.
Таблица 73-1
Коэффициенты пересчета измеренного удельного сопротивления грунта
Коэффициент k1 применяется в том случае, если измерение производилось в таких условиях, когда сопротивление соответствует минимальному значению; k2 — средним условиям и k3 — условиям измерений при сухом грунте.
Для заземлителей, лежащих ниже глубины промерзания, или при измерении сопротивления заземлителя, произведенном в условиях промерзания грунта, введение коэффициентов пересчета не требуется.
Если действительное сопротивление грунта неизвестно, то пользуются приближенными значениями удельного сопротивления, приведенными в табл. 73-2.
Таблица 73-2
Приближенные значения удельного сопротивления грунтов
В расчетах к приближенным значениям удельных сопротивлений грунта, определенных по табл. 73-2, необходимо ввести сезонный повышающий коэффициент Кс в зависимости от климатических зон СССР (табл. 73-3).
Таблица 73-3
Значения сезонного коэффициента Кс
Если удельное сопротивление земли в наиболее неблагоприятное время года превышает 2-104 Ом-см, то согласно ПУЭ должны быть устроены глубинные заземлители (если на большей глубине удельные сопротивления снижаются) или применена искусственная обработка земли с целью снижения удельного сопротивления земли.
Обработка земли вокруг трубы солью на одну треть ее высоты при затрате на каждую трубу 30-40 кг может уменьшить сопротивление растеканию: при суглинке —в 1,5-2 раза, при супеси — в 2,5-4 раза и песке —в 4,5-8 раза.