9.10 Зануление

Можно дать следующее определение з а н у л е н и я: это преднамеренное соединение открытых проводящих частей (ОПЧ) с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора (с нулевым проводником РЕ илиPEN), выполненное в целях обеспечения электробезопасности (на рис. 9.13 – соединение точек Д и М).

На рис. 9.13 Тр – вторичная обмотка силового трансформатора; U_ф– фазное напряжение сети;Х1 – глухозаземленная нейтраль трансформатора Тр;R_о– рабочее заземление нейтрали трансформатора (для данной сети напряжением 220/380 В R_о= 4 Ом);L1, L2, L3 (А,В,С) – фазные провода сети;N– нулевой рабочий проводник;РЕ– нулевой защитный проводник;R_n– повторное заземление нулевого провода (при линейном напряжении сетиU_л= 380 ВR_n≤ 10 Ом); Э – электроустановка (электроприемник, электропотребитель), питающаяся от трех фаз сети; Пр – плавкие предохранители;R_h– сопротивление тела человека (при напряжениях 220 ÷ 380 ВR_h= 1000 Ом);I_h– ток, протекающий через тело человека при замыкании третьей фазыL3 на корпус (ОПЧ) электроустановки «Э», показан точками;I_з– ток замыкания на землю (через повторное заземление нулевого проводаR_n), показан штрих-пунктиром;I_кз– ток короткого замыкания (протекающий в так называемой петле «фаза – нуль»), показан пунктиром; (•)Б – точка возможного обрыва нулевого провода.

Р и с. 9.13. Зануление и повторное заземление нулевого провода в трехфазной пятипроводной сети с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1 кВ (система TN-S)

Н а з н а ч е н и е з а н у л е н и я – обеспечение безопасности работающих при замыкании на ОПЧ (защита от косвенного прикосновения).

О б л а с т ь п р и м е н е н и я з а н у л е н и я – сети напряжением до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью (система TNи ее модификации).

Применение защитного заземления в таких сетях не эффективно с точки зрения экономических показателей. Если ОПЧ соединяют с отдельным защитным заземляющим устройством R_з, не связанным с рабочим заземлением нейтрали трансформатора R_о, то для обеспечения безопасности персонала необходимо, чтобы значение сопротивления R_з было бы как минимум на порядок меньше R_о (в данной сети значение R_з должно быть не более 0,4 Ом). Если заземляющее устройство одно и совмещает функции защитного и рабочего заземления, то для обеспечения безопасности персонала необходимо, чтобы сечение нулевого проводника (РЕ или PEN) было бы как минимум на порядок больше сечения фазного провода (L1,L2,L3). По этой причине ПУЭ допускают применение защитного заземления в сетях с глухозаземленной нейтралью (система ТТ) только в тех случаях, когда условия электробезопасности с помощью зануления в такой сети (в системе TN-C) не могут быть обеспечены. При этом ПУЭ в дополнение к защитному заземлению требуют обязательного применения устройств защитного отключения (УЗО) для защиты при косвенном прикосновении.

П р и н ц и п д е й с т в и я з а н у л е н и я заключается в превращении замыкания на ОПЧ (корпус) в однофазное короткое замыкание (т.е. замыкание между фазным и нулевым проводниками) с целью вызвать большой ток, способный обеспечить срабатывание защиты (отключающей аппаратуры) и тем самым автоматически отключить поврежденную электроустановку от сети. Такой защитой являются плавкие предохранители (на рис. 91.13 – Пр) и автоматические выключатели. Другими словами можно сказать, что защита персонала от поражения электротоком при применении зануления обеспечивается совокупным сочетанием допустимых значений напряжения прикосновения U_hg(или соответствующих им допустимых значений тока через тело человекаI_hg) и времени воздействияt, которое определяется временем срабатывания отключающей аппаратуры. Эти значения для производственных электроустановок переменного тока частотой 50 Гц приведены в табл. 9.1.

Таблица 9.1

t, c	0,01-0,08	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	свыше 1,0
Ihg, mA	650	400	190	160	140	125	105	90	75	65	50	6
Uhg, В	650	400	190	160	140	125	105	90	75	65	50	36

На рис. 9.14 приведена схема, эквивалентная схеме на рис. 9.13 по путям прохождения токов I_кзиI_hбез учета повторного заземления нулевого проводаR_n(при отсутствии на схемеR_n).

На рис. 9.14 Z_Т /3 – модуль полного сопротивления обмотки трансформатора;Z_ф– сопротивление фазного провода, которое имеет активную и индуктивную составляющие (в случае применения медных проводовZ_ф = R_ф);R_пр– сопротивление предохранителя;R_к– сопротивление ОПЧ (корпуса);R_зн– сопротивление зануления;Z_н– сопротивление нулевого провода (в случае применения медных проводовZ_н = R_н).

Р и с. 9.14. Эквивалентная схема зануления при отсутствии повторного заземления нулевого провода R_n

На практике происходит следующее:

R_пр << Z_Т /3 иR_пр << Z_ф, поэтому пренебрегаем значениемR_пр;

R_к << Z_ниR_зн << Z_н, поэтому пренебрегаем значениямиR_киR_зн;

R_o << R_h, поэтому пренебрегаем значениемR_o .

Тогда схема на рис. 9.14 преобразуется, как показано на рис. 9.15.

Р и с. 9.15. Преобразованная эквивалентная схема зануления при отсутствии повторного заземления нулевого провода R_n

Из рис. 9.13 и 9.15 видно, что при перегорании предохранителя «Пр», с открытых проводящих частей (ОПЧ), которые оказались под напряжением, это напряжение снимается и через тело человека перестает протекать ток I_h.

Надежное срабатывание отключающей аппаратуры (плавких предохранителей, автоматических выключателей) произойдет, если выполняется следующее условие:

I_кз ≥ k ·I_ном, (9.11)

где k– коэффициент кратности номинального токаI_номплавкого предохранителя «Пр» (указан на предохранителе) или уставки тока срабатывания автоматического выключателя.

Для плавких предохранителей kдолжен быть не менее 3. Для автоматических выключателей, имеющих только электромагнитный расцепитель (отсечку),kдолжен быть не менее 1,25 ÷ 1,4.

Значение тока короткого замыкания можно определить по следующей формуле (см. рис. 9.15):

. (9.12)

На практике величины сопротивлений Z_Т /3,Z_ф,Z_нсоставляют десятые доли Ом (Z_фиZ_нмогут иметь значения и сотых долей Ом).

При значительном удалении потребителя («Э» на рис. 9.13) от источника питания («Тр» на рис. 9.13) на I_кзначинает влиять индуктивность петли фаза – нуль. Для простоты пренебрегаем этой индуктивностью.

Увеличить I_кз (с целью выполнения условияI_кз ≥ k ·I_ном) можно, уменьшаяZ_фиZ_н, в частности их активные составляющиеR_фиR_н.

Активное сопротивление любого проводника определяется по формуле

, (9.13)

где - удельное сопротивление материала проводника;l- длина проводника;

S- сечение проводника.

Увеличивая Sи варьируя материалом проводника, можно уменьшитьR_фиR_н, соответственно уменьшаютсяZ_фиZ_ни увеличиваетсяI_кз.

С момента замыкания фазы на ОПЧ (корпус) до момента срабатывания защиты («Пр») проходит определенное время, в течение которого (при отсутствии повторного заземления нулевого провода R_n– рис. 9.15) человек, прикоснувшийся к ОПЧ, будет находиться под напряжением:

. (9.14)

Это напряжение может превышать допустимые значения U_hg, приведенные в табл. 9.1, т.е. не будет выполняться условие

U_h ≤ U_hg. (9.15)

Для выполнения этого условия существуют два пути.

Первый путь - увеличивать быстродействие защиты, тем самым увеличивая U_hg(применить быстродействующие автоматические выключатели, при применении плавких предохранителей – увеличитьI_кз).

Второй путь - снижать напряжение прикосновения U_h до допустимых значений за счет применения повторного заземления нулевого провода R_n (см. рис. 9.13).

Эквивалентная схема см. рис. 9.13) по путям прохождения токов I_кз,I_h,I_зприведена на рис. 9.16. При этом учтены все соотношения при преобразовании схемы (см. рис. 9.14) в схему (см. рис. 9.15), а также то, чтоZ_н << R_n, аR_oиR_nсравнимы по величине (напримерR_o = 4 Ом,R_n= 10 Ом).

При повторном заземлении нулевого провода напряжение прикосновения U_hnбудет равно (рис. 9.16)

. (9.16)

Р и с. 9.16. Эквивалентная схема зануления при наличии повторного заземления нулевого провода R_n

Следовательно, напряжение прикосновения при применении повторного заземления нулевого провода U_hnвсегда будет меньше напряжения прикосновения при отсутствии егоU_h:

U_hn < U_h. (9.17)

Например, при R_o =4 Ом иR_n= 10 ОмU_hn = 0,7U_h.

В случае обрыва нулевого провода (например в точке «Б» (см.рис. 9.13 и 9.16) отключающая аппаратура не сработает, так как не возникнет режим короткого замыкания и ток в фазном проводе не достигнет величины, необходимой для ее срабатывания. В этом случае повторное заземление нулевого провода уменьшает опасность поражения электротоком за местом обрыва, но не может устранить ее полностью.

Таким образом, назначение повторного заземления нулевого провода – снижениенапряжения относительно земли зануленных ОПЧ в период замыкания фазы на них как при исправной схеме зануления, так и в случае обрыва нулевого провода (РЕилиPEN).

«Правила устройства электроустановок» (ПУЭ) требуют обязательного применения защиты при косвенном прикосновении, если напряжение в электроустановке превышает 50В переменного тока и 120В постоянного тока (так называемое с в е р х н и з к о е н а п р я ж е н и е (СНН)).

Таким образом, если данная электроустановка подпадает под область применения зануления (приведенную выше) и напряжение в ней превышает СНН, то ее необходимо занулять (кроме случаев применения других способов защиты, оговоренных ПУЭ).

В помещениях с повышенной опасностью поражения электротоком, особо опасных и в наружных электроустановках зануление может потребоваться и при напряжениях ниже СНН при наличии требований соответствующих глав ПУЭ.