Системи заземлення: види, опис, встановлення
Основна причина необхідності заземлення в електричних мережах - це безпека. Коли всі металеві частини електрообладнання заземлені, тоді, навіть у випадку з порушеною ізоляцією, на його корпусі не будуть створюватися небезпечні напруги, їм перешкодять надійні системи заземлення.
- Завдання для заземних систем
- Опис систем заземлення
- Метод пересування
- Різниця між заземленням і зануленням
- Захисні дроти TN
- Нейтральна лінія TN-S
- Система TN-C-S
- Захисна схема TT
- Ізолююча система IT
- Конструкції захисних систем
- Заземлення
- Електродний протитоковий захист
- Трубний контур токозахисту
- Пластинчасте заземлення
- Підключення заземлення через водопровід
- Розрахунок опору заземного контуру
- Фактори, що впливають на опір землі
- Будівництво захисних електросистем житлового будинку
- Електричний удар
- Оцінка ризику удару блискавки для житлових будинків
Завдання для заземних систем
Головні завдання систем безпеки, що працюють на принципі заземлення:
- Безпека для життя людини, з метою захисту від ураження електричним струмом. Передбачає альтернативний шлях проходження аварійного струму, щоб він не завдав пошкодження користувачеві.
- Захисту будівель, машин і устаткування в умовах збою електромережі, щоб відкриті струмопровідні частини устаткування не досягли смертельного потенціалу.
- Захист від перенапруги через удар блискавки, який може призвести до небезпечних високих напружень в електричній розподільчій системі або від ненавмисного контакту людини з лініями високої напруги.
- Стабілізація напруги. Існує багато джерел електроенергії. Кожен трансформатор можна розглядати як окреме джерело. У них повинна бути загальна доступна точка скидання негативної енергії. Земля є єдиною такою струмопровідною поверхнею для всіх джерел енергії, тому вона була прийнята в якості універсального стандарту для скидання струму і напруги. Якби не було такої спільної точки, то надзвичайно важко було б забезпечити безпеку в енергосистемі в цілому.
Вимоги до системи заземлення:
- Вона повинна мати альтернативний шлях для протікання небезпечного струму.
- Відсутність небезпечного потенціалу на відкритих струмопровідних частинах обладнання.
- Повинна мати низький імпеданс, достатній для забезпечення необхідного струму через запобіжний пристрій, щоб він відключив харчування (< 0,4 сек).
- Повинна мати хорошу корозійну стійкість.
- Повинна бути здатною розсіювати великий струм короткого замикання.
Опис систем заземлення
Процес з'єднання металевих частин електричних апаратів та обладнання з масою землі металевим пристроєм, що має незначний опір, називається заземленням. При заземленні струмоведучі частини приладів безпосередньо з'єднані із землею. Заземлення забезпечує зворотний шлях для струму витоку і, отже, захищає обладнання енергосистеми від пошкоджень.
Коли несправність виникає в обладнанні, у всіх трьох його фазах утворюється дисбаланс струму. Заземлення розряджає струм пошкодження на землю і, отже, відновлює робочий баланс системи. У цих захисних систем є кілька переваг, таких як усунення перенапруження через розрядку її на землю. Заземлення забезпечує безпеку обладнання і підвищує надійність обслуговування.
Метод пересування
Занулення означає підключення несучої частини обладнання до землі. Коли несправність виникає в системі, створюється небезпечний потенціал на зовнішній поверхні обладнання, і будь-яка людина або тварина, випадково доторкнувшись до поверхні, можуть отримати удар струмом. Занулення скидає небезпечні струми на землю і, отже, нейтралізує струмовий удар.
Воно також захищає обладнання від блискавичних ударів і забезпечує шлях розряду від розрядників та інших гаслячих пристроїв. Це досягається шляхом з'єднання частин установки із землею заземним провідником або електродом у тісному контакті з грунтом, розміщеним на деякій відстані нижче рівня грунту.
Різниця між заземленням і зануленням
Однією з основних відмінностей між заземленням і зануленням є те, що при заземленні несуча струмопровідна частина з'єднана з землею, тоді як при зануленні поверхня приладів з'єднуються з землею. Інші відмінності між ними пояснюються нижче у вигляді порівняльної таблиці.
Порівняльна таблиця
Основи для порівняння | Заземлення | Пересунути |
Визначення | Струмопровідна частина з'єднана з землею | Корпус обладнання підключено до землі |
Місцезнаходження | Між нейтраллю обладнання і землею | Між корпусом обладнання та землею, який поміщений під земну поверхню |
Нульовий потенціал | Не має | Є |
Захист | Захистити енергосистему | Захистити людину від ураження електричним струмом |
Шлях | Вказує шлях повернення до поточного заземлення | Розряджає електричну енергію на землю |
Типи | Три (суцільний опір) | П'ять (труба, плита, заземлення електрода, заземлення і занулення) |
Колір дроту | Чорний | Зелений |
Використання | Для балансування навантаження | Для запобігання ураженню електричним струмом |
Приклади | Нейтраль генератора і силового трансформатора підключена до землі | Корпус трансформатора, генератора, двигуна тощо підключено до землі |
Захисні дроти TN
Ці типи систем заземлення мають одну або декілька безпосередньо заземлених точок від джерела енергії. Відкриті провідні частини установки підключаються до цих точок за допомогою захисних проводів.
У світовій практиці використовується двобуквений код.
Літери, які використовуються:
- T (французьке слово Terre означає «земля») - пряме з'єднання точки із землею.
- I - жодна точка не підключена до землі через високий імпеданс.
- N - пряме підключення до нейтраллі джерела, яке, в свою чергу, підключено до землі.
Ґрунтуючись на поєднанні цих трьох букв, існують види систем заземлення: TN, TN-S, TN-C, TN-CS . Що це означає?
У системі заземлення типу TN одна з точок джерела (генератор або трансформатор) підключається до землі. Ця точка зазвичай є точкою зірки у трифазній системі. Корпус підключеного електричного пристрою підключається до землі через цю точку заземлення з боку джерела.
На малюнку вище: PE - Акронім для Protective Earth - це провідник, який з'єднує відкриті металеві частини електричної установки споживача із землею. N називається нейтральним. Це провідник, що з'єднує зірку в трифазній системі із землею. За цими позначеннями на схемі, відразу зрозуміло, яка система заземлення відноситься до системи TN.
Нейтральна лінія TN-S
Це система, що має окремі нейтральні і захисні провідники по всій схемі електроустановок.
Захисний провідник (PE) являє собою металеве покриття кабелю, що живить установки або окремий провідник.
Всі відкриті провідні частини з установкою підключені до цього захисного провідника через основну клему установки.
Система TN-C-S
Це типи систем заземлення система, в яких нейтральні і захисні функції об'єднані в один провідник системи.
У системі заземлення нейтралей TN-CS, також відомої як Protective Multiple Earthing, провідник PEN називається об'єднаним провідником нейтральної і заземленої частин.
Провідник PEN системи живлення заземлений в декількох точках, а заземляючий електрод розташований на місці установки споживача або поруч з ним.
Всі відкриті провідні частини з установкою з'єднані провідником PEN за допомогою головної заземної клеми і нейтральної клеми і пов'язані один з одним.
Захисна схема TT
Це система захисного заземлення, що має одну точку джерела енергії.
Всі відкриті провідні частини з установкою, які з'єднані з заземленим електродом, електрично не залежать від джерела землі.
Ізолююча система IT
Система захисного заземлення, яка не має прямого з'єднання між струмоведучими частинами і землею.
Всі відкриті провідні частини з установкою, які з'єднані з заземленим електродом.
Джерело або підключено до землі через свідомо введений імпеданс системи, або ізольований від землі.
Конструкції захисних систем
Сполучення між електроприборами і пристроями із заземляючою пластиною або електродом через товстий дріт з низьким опором для забезпечення безпеки називається заземленням або зануленням.
Система заземлення або занулення в електричній мережі працює як захід безпеки для захисту життя людей, а також обладнання. Основна мета - забезпечити альтернативний шлях для проходження небезпечних потоків, щоб можна було уникнути нещасні випадки через ураження електричним струмом і пошкодження обладнання.
Металеві частини обладнання заземлені або підключені до землі, і якщо з будь-якої причини ізоляція обладнання не спрацьовує, то високі напруги, які можуть бути присутніми у зовнішньому покритті обладнання, будуть мати шлях скидання на землю. Якщо обладнання не заземлене, це небезпечне напруження може бути передано будь-кому, хто його торкнеться, що призведе до ураження електричним струмом. Ланцюг замикається, і запобіжник негайно спрацьовує, якщо струмоведучий дріт стосується заземленого корпусу.
Існує кілька способів виконання системи заземлення електроустановок, таких як заземлення дроту або смуги, пластини або штока, заземлення зануленням або через водопровід. Найбільш поширеними методами є занулення і пристрій пластини.
Заземлення
Заземляючий 1916 виготовляється шляхом з'єднання кількості стрижнів через мідні дроти. Це зменшує загальний опір схеми. Ці системи електричних заземлень допомагають обмежити потенціал землі. Заземний 1916 в основному використовується в місці, де повинен бути випробуваний великий струм пошкодження.
При проектуванні заземного мату беруться до уваги такі вимоги:
- У разі несправності напруга не повинна бути небезпечною для людини при торканні струмопровідної поверхні обладнання електричної системи.
- Постійний струм короткого замикання, який може протікати в заземляючий 1916, повинен бути досить великим для роботи захисного реле.
- Опір ґрунту низький, щоб струм витоку протікав через нього.
- Конструкція заземного мату повинна бути такою, щоб ступінчасте напруження було менше допустимого значення, яке залежатиме від питомого опору ґрунту, необхідного для ізоляції несправної установки від людини і тварин.
Електродний протитоковий захист
При такій системі заземлення будівлі будь-який провід, стрижень, труба або пучок провідників поміщається горизонтально або вертикально в грунт поруч із захисним об'єктом. У розподільних системах заземний електрод може складатися з стрижня довжиною близько 1 метра і розташовуватися у вертикальному положенні в землі. При виготовленні підстанцій використовується заземляючий 1916, а не окремі стрижні.
Трубний контур токозахисту
Це найбільш поширена і краща система заземлення електроустановок порівняно з іншими системами, що підходять для тих же умов землі і вологи. У цьому способі оцинкована сталь і перфорована труба з розрахунковою довжиною і діаметром розташовані вертикально на постійно вологому ґрунті, як показано нижче. Розмір труби залежить від поточного струму і типу ґрунту.
Як правило, розмір труби для системи заземлення будинку має діаметр 40 мм і 2,5 метра в довжину для звичайного ґрунту або більшої довжини в разі сухого і кам'янистого ґрунту. Глибина, при якій труба повинна бути зарита, залежить від вологості ґрунту. Зазвичай труба розташовується вглиб на 3,75 метра. Дно труби оточене невеликими шматками коксу або деревного вугілля на відстані близько 15 см.
Альтернативні рівні вугілля і солі використовуються для збільшення ефективної площі землі і, відповідно, для зменшення опору. Інша труба діаметром 19 мм і мінімальною довжиною 1,25 метра з'єднана у верхній частині труби GI через редуктор. Влітку зменшується вологість ґрунту, що призводить до збільшення опору землі.
Таким чином, виконуються роботи з цементної бетонованої основи, щоб підтримувати доступність води влітку і мати землю з необхідними захисними параметрами. Через воронку, поєднану з трубою діаметром 19 мм, можна додати 3 або 4 відра води. Провід заземлення або GI, або смуга проводу GI з достатнім поперечним перерізом для безпечного видалення струму переноситься в трубу GI діаметром 12 мм на глибині близько 60 см від землі.
Пластинчасте заземлення
У цьому пристрої системи заземлення заземляюча пластина з міді розміром 60 см 1908 60 см 3 м і оцинкованого заліза розміром 60 см 60 См 6 мм занурюється в землю з вертикальною поверхнею на глибині не менше 3 м від рівня землі
Захисна плита вставляється у допоміжні шари деревного вугілля і солі з мінімальною товщиною 15 см. Провід заземлення (GI або мідний дріт) щільно кріпиться болтами до заземляючої пластини.
Мідний пластин і мідний дріт зазвичай не використовуються в захисних схемах через їх вищу вартість.
Підключення заземлення через водопровід
У цьому типі GI або мідний провід з'єднуються з водопровідною мережею за допомогою сталевого зв'язуючого дроту, який закріплюється на мідному свинці, як показано нижче.
Водопровід складається з металу і розташований нижче поверхні землі, тобто безпосередньо з'єднаний із землею. Потік струму через GI або мідний провід безпосередньо заземляється через водопровід.
Розрахунок опору заземного контуру
Опір одиночної смуги стрижня, заритого в землю, становить:
R = 100xρ / 2 × 3,14 × L (loge (2 x L x L / W x t)), где:
- стійкість ґрунту,
L - довжина смуги або провідника (см),
w - ширина смуги або діаметра провідника (см),
t - глибина поховання (см).
Приклад: Розрахуйте опір заземної смуги. Провід діаметром 36 мм довжиною 262 метри на глибині 500 мм в грунті, опір землі становить 65 Ом.
R - опір заземного стрижня в Вт.
r - Опір ґрунту (Омметр) = 65 Ом.
Вимірювач l - довжина стрижня (см) = 262 м = 26200 см.
d - внутрішній діаметр стрижня (см) = 36 мм = 3,6 см.
h - глибина прихованої смуги/стрижня (см) = 500 мм = 50 см.
Опір заземної смуги/провідника (R) = /2 ст.13,14 x L (loge (2 x L x L/Wt))
Опір заземної смуги/провідника (R) = 65/2 ст.1 3,14 x 26200 x ln (2 x 26200 x 26200/3,6 ^ 50)
Опір заземної смуги/провідника (R) = 1,7 Ом.
Для обчислення кількості заземного стрижня можна застосовувати правило великого пальця.
Приблизний опір електродів Rod/Pipe можна розрахувати, використовуючи опір стрижневих/трубних електродів:
R = K x /L, де:
- опір землі в Омметрі,
L - довжина електрода у вимірювачі,
d - діаметр електрода у вимірювачі,
K = 0,75, якщо 25 < L/d < 100.
K = 1, якщо 100 < L/d < 600.
K = 1,2 o/L, якщо 600 < L/d < 300.
Кількість електродів, якщо знайти формулу R (d) = (1,5/N) x R, де:
R (d) - потрібний опір.
R - опір одиночного електроду
N - кількість електродів, встановлених паралельно на відстані від 3 до 4 метрів.
Приклад: розрахувати опір заземної труби і кількість електродів для отримання опору 1 Ом, резистивність ґрунту від = 40, довжина = 2,5 метра, діаметр труби = 38 мм.
L/d = 2,5/0,038 = 65,78, так що K = 0,75.
Опір електродів труби R = K x /L = 0,75 ст.165,78 = 12 ^
Один електрод - опір - 12 Ом.
Для отримання опору 1 Ом загальна кількість потрібних електродів = (1,5 ст.1 12 )/1 = 18
Фактори, що впливають на опір землі
Код NEC вимагає мінімальної довжини заземного електрода довжиною 2,5 метра для контакту з грунтом. Але є деякі фактори, які впливають на опір землі захисної системи:
- Довжина/глибина заземного електрода. Збільшення довжини вдвічі знижує опір поверхні до 40%.
- Діаметр заземного електрода. Подвоєне збільшення діаметра заземлювача знижує опір ґрунту тільки на 10%.
- Кількість заземляючих електродів. Для підвищення ефективності встановлюються додаткові електроди на глибину основних заземляючих електродів.
Будівництво захисних електросистем житлового будинку
В даний час земляні конструкції є кращим методом заземлення, особливо для електричних мереж. Електрика завжди йде шляхом найменшого опору і відводить максимальний струм від ланцюга в заземні ями, призначені для зменшення опору, в ідеалі до 1 Ом.
Для досягнення цієї мети:
- Площа 1,5 м х 1,5 м викопується на глибину до 3 м. Яма наполовину заповнюється сумішшю деревного вугільного порошку, піску і солі.
- GI-пластину 500 мм х 500 мм х 10 мм поміщається в середину.
- Встановлюють з'єднання між заземляючою пластиною для системи заземлення приватного будинку.
- Інша частина ями заповнюється сумішшю вугілля, піску, солі.
- Для підключення заземної пластини до поверхні можна використовувати дві смуги GI з поперечним перетином 30 мм х 10 мм, але кращою є 2,5-дюймова труба GI з фланцем у верхній частині.
- Крім того, верхня частина труби може бути покрита особливим пристроєм, щоб запобігти проникненню бруду і пилу і засмічення заземної труби.
Монтаж системи заземлення і переваги:
- Деревний вугільний порошок є відмінним провідником і запобігає корозії металевих деталей.
- Сіль розчиняється у воді, що значно збільшує провідність.
- Пісок дозволяє пропускати воду через всю яму.
Щоб перевірити ефективність ями, переконайтеся, що різність напружень між ямою і нейтралью мережевого харчування становить менше 2 вольт.
Опір ями має підтримуватися на рівні менше 1 Ом, відстань до 15 м від захисного провідника.
Електричний удар
Електричний удар (електрошок) виникає, коли дві частини тіла людини контактують з електричними провідниками ланцюга, який має різні потенціали і створює різницю потенціалів по всьому тілу. Тіло людини має опір, і коли воно поєднане між двома провідниками при різному потенціалі, ланцюг утворюється через тіло, і буде надходити струм. Коли людина контактує тільки з одним провідником, ланцюг не утворюється, і нічого не відбувається. Коли людина контактує з провідниками ланцюга, незалежно від того, яка в ньому є напруга, завжди є ймовірність отримання травми від електроструму.
Оцінка ризику удару блискавки для житлових будинків
Деякі будинки мають більше шансів залучити блискавку, ніж інші. Вони збільшуються залежно від висоти будівлі і близькості до інших будинків. Близькість визначається як потрійна відстань від висоти будинку.
Для того, щоб визначити, наскільки вразливим є житловий будинок для ударів блискавки, можна використовувати такі дані:
- Низький ризик. Однорівневі приватні житлові будинки в близькому оточенні інших будинків однакової висоти.
- Середній ризик. Дворівневий приватний будинок, оточений будинками з подібними висотами або оточений будинками менших висот.
- Високий ризик. Ізольовані будинки, які не оточені іншими структурами, двоповерховими будинками або будинками з меншою висотою.
Незалежно від ймовірності удару блискавки, правильне використання важливих компонентів блискавкозахисту допоможе захистити будь-який житловий будинок від таких пошкоджень. Системи блискавкозахисту і заземлення потрібні в житловому будинку, щоб удар блискавки відводився в землю. Система зазвичай включає в себе заземлений стрижень з мідним з'єднанням, який встановлений в грунті.
Під час встановлення схеми блискавкозахисту в будинку виконайте такі вимоги:
- Наземні електроди повинні мати довжину не менше половини 12 мм і на 2,5 м в довжину.
- Рекомендується використовувати мідні з'єднання.
- Якщо на ділянці системи кам'янистий ґрунт або розташовані інженерні підземні лінії, забороняється використання вертикального електрода, необхідний тільки горизонтальний провідник.
- Він повинен бути поглиблений на відстані не менше 50 см від землі і простягатися не менше ніж на 2,5 м від будинку.
- Системи заземлення приватного будинку повинні бути взаємопов'язані з використанням провідника того ж розміру.
- Сполучні елементи для всіх підземних систем металевих трубопроводів, таких як водопровідні або газові труби, повинні бути розташовані в межах 8 м від будинку.
- Якщо всі системи вже були з'єднані до установки блискавкозахисту, потрібно тільки прив'язати найближчий електрод до системи водопроводів.
Всі люди, які живуть або працюють у житлових, громадських будівлях постійно перебувають у тісному контакті з електричними системами та обладнанням і повинні бути надійно захищені від небезпечних явищ, які можуть виникнути через короткі замикання або дуже високі напруги від розряду блискавки.
Для досягнення цього захисту системи заземлення електричних мереж повинні бути спроектовані і встановлені відповідно до стандартних державних вимог. У міру розвитку електротехнічних матеріалів вимоги надійності захисних пристроїв підвищуються.