Зануление

В четырехпроводных сетях 660, 380 и 220 вольт, в соответствии с требованиями ПУЭ применяется заземление нейтралей трансформаторов и генераторов.

Рассмотрим вначале трехпроводную сеть 660, 380 или 220В с заземленной нейтралью. Такая сеть изображена рис.13. Если человек прикоснется к проводнику этой сети, то образуется цепь, по которой ток замыкается через тело человека, обувь, пол, землю, заземление нейтрали (см. стрелки). Из рисунка видно, что в цепи тока действует фазное напряжение Uф. Такая же цепь образуется, если человек прикоснется к корпусу оборудования с поврежденной изоляцией. Однако выполнить заземление корпуса оборудования в такой сети таким же образом, как и при изолированной нейтрали, нельзя. Допустим, что такое заземление все же выполнено (рис.14) и на установке произошло замыкание на корпус, двигателя. Ток замыкания будет тогда проходить через два заземлителя – электроприемника rз и нейтрали rо.

Прикосновение человека к проводнику с заземленной нейтралью

Рис. 13. Прикосновение человека к проводнику с заземленной нейтралью

Фазное напряжение сети Uф распределится между заземлителями rз и rо пропорционально их величинам, т.е. чем больше сопротивление заземлителя, тем больше будет падение напряжения в нем. Сопротивления заземлителей rз и rо могут иметь разную величину. Если, например, сопротивление rо=1,5 Ом, rз=4 Ом и Uф=220 В, то на сопротивлении rз будет 220*4/(1,5+4)=160 В, на сопротивлении rо — 220*1,5/(1,5+4)=60 В.

Таким образом, между корпусом поврежденного электродвигателя и землей возникает достаточно опасное напряжение. Человек, прикоснувшийся к корпусу, может быть поражен электрическим током. Если будет обратное соотношение сопротивлений, т.е. rо будет больше чем rз, опасное напряжение может возникнуть между землей и корпусами оборудования, установленного возле трансформатора, если они имеют общее заземления с его нейтралью.

Заземление электроприемника без соединения с заземленной нейтралью трансформатора

Рис. 14. Заземление электроприемника без соединения с заземленной нейтралью трансформатора

Безопасность могла бы быть обеспечена, если бы в результате замыкании на корпус произошло отключение (и при том достаточно быстрое) аварийного участка. Но отключение при такой системе во многих случаях получить невозможно. Так, например, при rо=1,5 Ом, а rз=4 Ом ток замыкания равен: 220/(1,5+4)=40 А.

При таком токе надежное и относительно быстрое отключение может произойти при плавкой вставке предохранителя с номинальным током не более 15 ампер. Это соответствует, например, предохранителям в цепи короткозамкнутого двигателя мощностью не выше 3 кВ.

По указанной причине в установках с заземленной нейтралью напряжением 660, 380 и 220 В применяется система защиты иного вида: все металлические корпуса и конструкции связываются электрически с заземленной нейтралью трансформатора через нулевой провод или специальный защитный проводник (при защите трехфазного двигателя — четвертый, как показано на рис.15, при защите однофазного электроприемника — третий). Благодаря этому всякое замыкание на корпус превращается в короткое замыкание — аварийный участок отключается предохранителем или автоматом. Такая система называется занулением.

Зануление электроприемника

Рис. 15. Зануление электроприемника

Таким образом, обеспечение безопасности при этой системе достигается путем соединения всех корпусов электроприемников с заземленной нейтралью трансформатора (или генератора) и благодаря этому отключению участка сети, в котором произошло замыкание на корпус.

Так же как не всякое заземление обеспечивает безопасность, так и не всякое зануление пригодно для обеспечения безопасности. Очевидно, зануление должно быть выполнено так, чтобы ток короткого замыкания в аварийном участке имел величину, достаточную для расплавления плавкой вставки ближайшего предохранителя или отключения ближайшего автоматического выключателя. Для этого сопротивление цепи короткого замыкания должно быть достаточно малым.

Это сопротивление имеет, таким образом, решающее значение в обеспечении отключения, т. е. в выполнении занулением своего назначения — отключения аварийного участка. Сопротивление цепи замыкания в сети с занулением условно называют сопротивлением цепи фаза нуль. В действительности (рис. 15) цепь замыкания состоит из питающего трансформатора, фазного провода и нулевого провода (или специального провода, прокладываемого для соединения корпусов оборудования с нейтралью трансформатора).

Может возникнуть вопрос, почему сказано «питающего трансформатора», а не «обмотки питающего трансформатора» (так иногда ошибочно пишут). Дело в том, что сопротивление цепи замыкания входит трансформатор в целом со своей магнитной системой, а не только обмотка, что увеличивает его сопротивление. Сопротивление, которое оказывает трансформатор току замыкания, а значит и величина на этого тока зависят от схемы соединений его обмоток. Наибольшее сопротивление при однофазном замыкании имеют трехфазные трансформаторы со схемой соединения обмоток звезда — звезда с нулем, во много раз меньшее трансформаторы со схемами соединений обмоток треугольник — звезда или звезда — зигзаг. Эти последние, поэтому, и следует преимущественно применять, так как при этом ток замыкания будет выше, отключение надежнее и время отключения меньше.

Если сопротивление цепи замыкания велико, отключение произойдет с большой затяжкой по времени или вовсе не произойдет, ток замыкания будет длительно проходить по цепи замыкания, напряжение по отношению к земле будет сохраняться на поврежденном корпусе и на других корпусах, если они электрически с ним связаны сетью зануления, трубопроводами, оболочками кабелей и т. п. Это напряжение равно по величине произведению тока замыкания I3 на сопротивление нулевого провода или защитного проводника rн (рис. 15), т. е. произведению Iз*rн. Оно может оказаться значительным по величине и, следовательно, опасным, особенно в местах, где отсутствует выравнивание потенциалов. Для обеспечения отключения ПУЭ предъявляют два довольно жестких и подчас нелегко выполнимых требования к системе зануления.

Первое требование. Чтобы обеспечить надежное отключение необходимо, чтобы ток замыкания Iз отвечал условию
— Iз > к* Iн,

где Iн — номинальный ток плавкой вставки или ток уставки расцепителя автомата;
к — коэффициент кратности замыкания по отношению к току плавкой вставки или току уставки расцепителя автомата (чем больше кратность тока, тем меньше время отключения), равный:

  •  не менее 3 при защите плавкими вставками или автоматами, имеющими расцепители с обратнозависимой от тока характеристикой (тепловыми);
  • не менее величины уставки тока мгновенного срабатывания, умноженной на коэффициент, учитывающий разброс по заводским данным, и коэффициент запаса 1,1 при автоматах, имеющих только электромагнитный расцепитель; при отсутствии заводских данных коэффициент к принимается равным 1,4 для автоматов до 100 А и 1,25 — для прочих;
  • во взрывоопасных установках: не менее 4 при защите предохранителями, не менее 6 при защите автоматами с обратнозависимой от тока характеристикой и аналогично предыдущему — при автоматах, имеющих только электромагнитный расцепитель.

Из сказанного можно сделать следующий вывод: в системе зануления ток замыкания желательно иметь по возможности большим, а номинальные токи плавких вставок и токи срабатывания автоматов по возможности меньшими.

Второе требование касается выбора проводов в системе зануления.

Неправильное заземление электроприемника

Рис. 16. Неправильное заземление электроприемника

Ранее (рис. 14) мы убедились, что в сети с заземленной нейтралью простое заземление корпуса электроприемника без соединения с нейтралью может служить причиной поражения. По тем же причина м нельзя применять и схему, показанную на рис. 16, где у одного из электроприемников Б выполнено толь ко заземление без соединения с нейтралью. Такое заземление имеет тот же недостаток, как и схема на рис. 14.

Не надо, однако, понимать это так, что если выполнено соединение корпусов электроприемников с нейтралью то те же электроприемники нельзя, якобы, одновременно заземлять. Такой вывод был бы неверным. На рис.17 видно, что соединение корпуса с нейтралью и заземление того же электроприемника нисколько не нарушит действия зануления и не приводят к нарушению безопасности. Наоборот, условия безопасности в такой схеме даже улучшаются, так как в случае замыкания на корпус дополнительное заземление уменьшает напряжение по отношению к земле на аварийном корпусе. Такое дополнительное заземление называется повторным заземлением нулевого провода, но требуется оно не во всех случаях.

Зануление электроприемника с одновременным повторным заземление

Рис. 17. Зануление электроприемника с одновременным повторным заземление

Повторные заземления обеспечивают также определенное улучшение безопасности в случае обрыв а нулевого провод а на воздушных линиях. Рассмотрим это положение несколько подробнее.

Нулевой провод вследствие неравномерности нагрузки фаз может иметь и в нормальной эксплуатации на отдельных участках некоторое напряжение по отношению к земле. Положение осложняется при обрыве нулевого провода, так как все электроприемники, находящиеся за местом обрыва, теряют непосредственную связь с нейтралью трансформатора, т. е. переходят на режим с заземлением электроприемников вместо зануления, причем заземлителями служат повторные заземления нулевого провода. О недостатках такого режима мы говорили при рассмотрении схемы рис. 14.

При обрыве нулевого провода все однофазные нагрузки оказываются включенными последовательно с общим сопротивлением всех повторных заземлений rп (рис. 18). Если нагрузка однофазных электроприемников равномерна, тогда тока в цепи повторных заземлений нет, так как сумма токов трех фаз равна нулю, при этом ток в нулевом проводе проходит только на отдельных участках, где включены однофазные нагрузки.

Обрыв нулевого провода и повторные заземления

Рис. 18. Обрыв нулевого провода и повторные заземления

Если же нагрузка однофазных электроприемников не равномерна, в особенности если одновременно произошло однофазное замыкание на корпус за местом обрыва сгорел предохранитель на одной фазе, образуется цепь (рис. 18): неравномерная нагрузка фаз — нулевой провод — повторные заземления нулевого провода — земля — нейтраль трансформатора. Поскольку части этой цепи включены последовательно, фазное напряжение распределяется пропорционально их сопротивлениям. На нулевом проводе, а также на всех зануленных частях возникает напряжение по отношению к земле, равное падению напряжения на общем сопротивлении всех повторных заземлителей, т. е. про изведению из токов неравномерной нагрузки Iн.н на общее сопротивление повторных заземлений. Отсюда следует, что при обрыве нулевого провода напряжение на нем будет тем ниже, чем ниже общее сопротивление повторных заземлений за местом обрыва.

Сопротивления в цепи замыкания достаточно велики, и как правило, отключение замыканий на корпус за местом обрыва не происходит. Все же некоторая степень защиты благодаря повторным заземлениям и другим связям оборудования с землей сохраняется; ненормальный режим тотчас обнаруживается по горению ламп и должен безотлагательно ,устраняться.

Может возникнуть вопрос, нельзя ли осуществить зануление также в сети с изолированной нейтралью и тем самым получить отключение при замыканиях на корпус.

Рассмотрим следующий пример.

Зануление в сети с изолированной нейтралью

Рис. 19. Зануление в сети с изолированной нейтралью

В установке с трансформатором (рис. 19), имеющим изолированную нейтраль, выполнено зануление электроприемников. Корпуса электрооборудования и линии их зануления всегда в той или иной степени могут иметь связи с землей. Эти связи создают также соединение нейтрали трансформатора с землей, но с величиной сопротивления, которая может оказаться много выше, чем требуется по условиям отключения. Поэтому с точки зрения безопасности такую установку следует вообще рассматривать как неудовлетворительную.

Допустим все же, что она выполнена. При замыкании одной из фаз на незаземленные части или непосредственно на землю отключения не произойдет. Приборы контроля изоляции покажут наличие «земли». Поскольку установка сохраняет свойства, характерные для установок с изолированной нейтралью 2, напряжения исправных фаз по отношению к земле могут возрасти до близких к линейном,  а напряжение нейтрали и всех зануленных частей до близкого к фазному. Человек, касаясь совершенно исправного оборудования, подвергается воздействию этого напряжения. Такое положение может создаться не только при замыкании на землю, но и при значительном ухудшении изоляции одной из фаз по сравнению с другими. Следовательно, применять зануление в сети с изолированной нейтралью нельзя.