Исследование защитного зануления

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 

 
 
 
В.В. Тупов 
 
 
ИССЛЕДОВАНИЕ 
ЗАЩИТНОГО ЗАНУЛЕНИЯ 
 
Методические указания  
к выполнению лабораторных работ по дисциплине  
«Безопасность жизнедеятельности» 
 
 

 
 
 
 
 
 

Москва 
2014 

УДК 621.3.027.4–621.316.99 
ББК  31.2 
          Т85 

Факультет «Энергетическое машиностроение» 
Кафедра «Экология и промышленная безопасность» 
 
Рекомендовано Учебно-методической комиссией 
факультета «Энергетическое машиностроение» 
МГТУ им. Н.Э. Баумана 
 
Рецензент 
канд. филос. наук, доцент Е. А. Гаврилина 
     
Тупов В.В. 
Исследование защитного зануления : метод. указания к 
выполнению лабораторных работ по дисциплине «Безопасность 
жизнедеятельности» / В. В. Тупов. М. : Изд-во МГТУ 
им. Н. Э. Баумана, 2014. 19, [5] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-3954-6 

Исследовано функционирование защитного зануления элек-
тропотребителей, питающихся от трехфазных пятипроводных сетей 
с заземленной нейтралью напряжением до 1кВ. Рассмотрено 
назначение РЕ-проводника сети, заземления нейтрали источника 
тока, повторного заземления РЕ-проводника и их влияние на 
условия безопасности при косвенном прикосновении к занулен-
ным частям электрооборудования, случайно оказавшимся под 
напряжением в результате замыкания на них фазы сети. Для сту-
дентов всех специальностей, изучающих дисциплину «Безопас-
ность жизнедеятельности». 
 
                                                                                                        
                                                                         УДК 621.3.027.4–621.316.99 
ББК 31.2 
 
 
 

 
 
     © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 
                                                           © Оформление. Издательство МГТУ 
ISBN 978-5-7038-3954-6                     им. Н.Э. Баумана, 2014 

Т85 

Цель лабораторной работы — исследовать защитное дей-
ствие системы зануления нормально не находящихся под напря-
жением токопроводящих частей электропотребителей, питающих-
ся от трехфазной пятипроводной сети с заземленной нейтралью 
напряжением до 1 кВ. 
После выполнения лабораторной работы студенты смогут: 
 экспериментальным путем убедиться, что зануление эффек-
тивно реализует защитные функции в сетях с заземленной нейтра-
лью; 
 проверить на опыте действие защитного зануления в случае 
пробоя фазы сети на корпус зануленного оборудования; 
 выявить факторы, определяющие надежность функциониро-
вания защитного зануления; 
 убедиться в необходимости нулевого защитного проводника 
и его повторного заземления в системе зануления; 
 определить экспериментально время срабатывания автома-
тического выключателя и напряжение на зануленных корпусах 
оборудования в зависимости от повторного сопротивления и со-
противления защитного проводника сети; 
 исследовать влияние повторного заземления нулевого за-
щитного проводника на время срабатывания автоматического вы-
ключателя и напряжение на зануленных корпусах электрообору-
дования; 
 выполнить необходимые измерения параметров системы за-
щитного зануления, провести анализ полученных результатов и 
сформулировать выводы по работе. 
 
 
 
 
 
 

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 

Защитное зануление в электроустановках напряжением до  
1 кВ — преднамеренное соединение открытых проводящих частей 
с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в 
сетях трехфазного тока, с глухозаземленным выводом источника 
однофазного тока, заземленной точкой источника в сетях постоян-
ного тока, выполняемое в целях электробезопасности [1]. 
В сетях трехфазного тока напряжением до 1 кВ нулевой за-
щитный проводник (РЕ-проводник) предназначен для соединения 
зануляемых частей с глухозаземленной нейтралью генератора или 
трансформатора (рис. 1). 
 

Рис. 1. Принципиальная схема защитного зануления в трехфазной сети 
напряжением до 1 кВ: 
1 — корпус электропотребителя; 2 — аппараты защиты (плавкие предохранители, 
автоматические выключатели и т. п.) от короткого замыкания (КЗ); R0 — сопро-
тивление заземления нейтрали источника тока; Rп — сопротивление повторного 
заземления РЕ-проводника; Iк — ток КЗ; Iн — часть тока КЗ, протекающего по  
РЕ-проводнику; Iз — часть тока КЗ, протекающего через землю 
 
РЕ и N-проводник совместно с фазными проводниками обра-
зуют пятипроводную сеть с глухозаземленной нейтралью, пред-
ставленную на рис. 1. Существуют также четырехпроводные 
трехфазные сети, в которых нулевой защитный и нулевой рабочий 
проводники объединены в один PEN-проводник. 
Назначение защитного зануления — устранение опасности по-
ражения током при замыкании фазного провода на токопроводя-
щие части, нормально не находящиеся под напряжением, в том 

числе на корпус электропотребителей. Принцип действия защит-
ного зануления — превращение замыкания на корпус в однофазное 
короткое замыкание (между фазным и РЕ-проводниками) с целью 
вызвать большой ток, обеспечивающий срабатывание защиты и 
отключение поврежденного электропотребителя от сети. Автома-
тическое отключение произойдет, если ток короткого замыкания Iк 
удовлетворяет условию 

 
к
ном,
I
kI

 
(1) 

где k — коэффициент кратности номинального тока Iном плавкой 
вставки или уставки тока срабатывания автоматического выклю-
чателя. 
Значение  k зависит от типа защиты. При автоматических вы-
ключателях с электромагнитным расцепителем без выдержки вре-
мени отключения 
1,25 1,4.
k 

 Если защита осуществляется плав-
кими предохранителями или автоматическими выключателями с 
обратной токовременной характеристикой, то принимают 
3
k 
 в 
целях ускорения отключения поврежденной установки. Кроме то-
го, поскольку зануленные части через РЕ-проводник заземлены, то 
в аварийный период до автоматического отключения проявляется 
защитное действие этого заземления — снижение их напряжения 
относительно земли. 
Для эффективного функционирования защитного зануления 
требуется наличие в сети РЕ-проводника, заземления нейтрали 
источника тока и повторного заземления РЕ-проводника. 
Наличие РЕ-проводника, обладающего малым сопротивлением, 
позволяет обеспечить необходимое для отключения электропотре-
бителя значение тока Iк, удовлетворяющее условию (1). 
Заземление нейтрали источника тока и повторное заземление 
РЕ-проводника практически не влияют на отключающие свойства 
системы зануления. Их назначение — снижение напряжения зану-
ленных корпусов электропотребителей относительно земли в пе-
риод существования аварийной ситуации. 
Без заземления нейтрали источника тока и повторного зазем-
ления РЕ-проводника в случае замыкания фазного провода на зем-
лю (например, при его обрыве) земля приобретает потенциал фа-
зы, и между зануленными корпусами и землей возникает напряже-
ние, близкое по значению к фазному. Эта опасная ситуация может 
существовать до отключения сети вручную, так как максимальная 

токовая защита при этом повреждении не срабатывает [2]. Поэто-
му рассматриваемая сеть без указанных заземлений не должна 
применяться. 
Защитное действие повторного заземления РЕ-проводника 
проявляется также при замыкании фазного провода на зануленный 
корпус электропотребителя до момента его отключения от сети. 
Рассмотрим вначале эту ситуацию в трехфазной пятипроводной 
сети с заземленной нейтралью при отсутствии повторного заземления 
РЕ-проводника (рис. 2). Для упрощения расчетных формул 
пренебрегаем сопротивлением и емкостью проводов сети относительно 
земли, сопротивлением обмоток источника тока и индуктивным 
сопротивлением петли фаза–нуль, а также примем распределенные 
по длине фазного и РЕ-проводника сопротивления Rф и 
RPE сосредоточенными и активными. 

Рис. 2. Замыкание фазы на корпус в сети без повторного заземления РЕ-проводника (
показан также вариант с повторным заземлением, изображенным 
пунктиром) 

На схеме рис. 2 показано переходное сопротивление Rпер в месте 
присоединения зануляющего проводника к корпусу электропо-
требителя 2 и не приведены проводники, подводящие рабочее 
напряжение к потребителям 1 и 3. 
Ток короткого замыкания (КЗ), проходящий по петле фаза–
нуль, 

 
ф
к
пер
ф
,

РЕ

U
I
R
R
R



 
(2) 

где 
1
2;
PE
PE
PE
R
R
R


 
1
PE
R
 и 
2
PE
R
 — сопротивления РЕ-
проводника на участках от точки 0 до точки а и от точки а до точки «
b» соответственно (в лабораторном стенде 
1
2
PE
PE
R
R

). 
Значения напряжения РЕ-проводника в точках «а», «b», «с» и 
корпусов электропотребителей 1, 2 и 3 относительно земли определяются 
по формулам: 

 
к1
к
1;
a
PE
U
U
I R


 
(3) 

 
к2
к
пер;
b
U
U
I R


 
(4) 

 
к3
;
с
b
U
U
U


 
(5) 

 
к
.
b
PE
U
I R

 
(6) 

Напряжение нейтральной точки 0 источника питания сети 

 
0
0.
U 
 
(7) 

На рис. 2 показана эпюра распределения напряжения относительно 
земли вдоль РЕ-проводника. Это напряжение будет существовать 
с момента замыкания фазы на корпус электроустановки 2 
до автоматического отключения ее от сети и представлять определенную 
опасность поражения током. 
При наличии повторного заземления РЕ-проводника (на рис. 2 
оно показано пунктиром) напряжение относительно земли на зануленных 
корпусах несколько 
снизится. При тех же приведенных 
выше допущениях и 

пер
0
R

 получена расчетная 
схема, приведенная на рис. 3, 
соответствующая схеме зану-
ления с повторным заземлением 
РЕ-проводника. 
На основе расчетной схемы 
получены формулы для 
вычисления значений тока КЗ 
Iк, тока Iн, протекающего по 
РЕ-проводнику, тока Iз, стекающего 
в землю через сопротивление Rп повторного заземления 
РЕ-проводника, напряжений Uк1, Uк2, Uк3 и U0 относительно земли: 

Рис. 3. Расчетная схема защитного за-
нуления в сети с повторным заземлением 
РЕ-проводника 

ф
к
ф
;
U
I
R
R


 
(8) 

 
к
н
;

PE

I R
I
R

 
(9) 

 
к
з
п
0
;
I R
I
R
R


 
(10) 

 
н
з
к1
1
0;
а
PE
U
U
I R
I R



 
(11) 

 
з
п
к2
;
b
U
U
I R


 
(12) 

 
к3
к2;
с
b
U
U
U
U



 
(13) 

 
з
0
0,
U
I R
 
 
(14) 

 


п
0

п
0
;
PE

PE

R
R
R
R
R
R
R





 
(15) 

где
0
4 Ом
R 
 (при 
ф
220 В)
U

 — сопротивление заземления 
нейтрали источника тока. 
При случайном обрыве РЕ-проводника между точками а и b 
(рис. 2) и замыкании фазы на корпус 2 при отсутствии повторного 
заземления напряжение относительно земли РЕ-про-водника за 
местом обрыва и присоединенных к нему корпусов 2 и 3 будет 
практически равным фазному: 

 
к2
к3
ф.
c
b
U
U
U
U
U




 
(16) 

Это весьма опасное напряжение может существовать длительно, 
пока не будет обнаружена и отключена вручную аварийная 
установка от сети. При этом напряжение участка РЕ-проводника 
от нейтральной точки 0 источника до места обрыва и напряжение 
корпуса 1 относительно земли будут практически равными нулю: 

 
0
к1
0.
а
U
U
U



 
(17) 

При наличии повторного заземления и обрыва РЕ-проводника 
будет действовать цепь тока Iз через землю (см. рис. 3). С учетом 

приведенных выше допущений и 
пер
0
R

 значения тока Iз, напряжений 
Uк1, Uк2, Uк3 и U0 относительно земли могут быть рассчитаны 
по формулам: 

 
ф
з
п
0
ф
;
U
I
R
R
R



 
(18) 

 
з
к1
0
0;
а
U
U
U
I R


 
 
(19) 

 
з
п
к2
к3
.
с
b
U
U
U
U
I R




 
(20) 

Если, например, 
п
0
R
R

 и много больше 
ф
R , то напряжения, 
рассчитанные по формулам (19) и (20), будут равны и составят 
приблизительно половину фазного напряжения, т. е. уменьшится 
опасность поражения током за местом обрыва РЕ-проводника. При 
этом, однако, не будут достигнуты условия безопасности, существовавшие 
до обрыва. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА 

На лицевой панели стенда приведена мнемоническая схема 
моделируемой системы, включающей в себя трехфазную электрическую 
сеть, ее источник питания — трансформатор, вторичные 
обмотки которого соединены по схеме «звезда», три электропо-
требителя, представленные на схеме в виде корпусов 1, 2 и 3, элементы 
защитного заземления и зануления, коммутационные 
устройства; расположены цифровые индикаторы миллисекундо-
мера, амперметра и вольтметра. 
Включение стенда с присоединением фазных проводов к источнику 
питания осуществляется установкой рукоятки переключателя 
S2 в положение «I», а выключение — установкой его рукоятки 
в положение «О». Свечение светодиодных индикаторов в фазных 
проводах указывает на наличие напряжения. Переключатель 
S1 позволяет заземлять нейтраль сети (R0 = 4 Ом) во включенном 
положении и изолировать от земли — в выключенном. При установке 
рукояток переключателей S3 и S4 во включенное положение 
осуществляется присоединение к нейтральной точке источника 
соответственно нулевого рабочего проводника (N-проводника) и 
нулевого защитного проводника (PE-проводника), что позволяет 
моделировать пятипроводную сеть. 
Распределенные сопротивления изоляции проводов сети относительно 
земли представлены на схеме сосредоточенными сопротивлениями 
,
,
,
,

B
N
A
C
R
R
R
R
 причем 
и
B
N
A
C
R
R
R
R
R




 
(емкости проводов относительно земли в данном стенде не учитываются)
. Значения этих сопротивлений можно дискретно изменять 
переключателем S18. Значения Rи и других сопротивлений, о которых 
будет сказано далее, не приводятся в тексте, так как они 
указаны на лицевой панели стенда рядом с рукоятками соответствующих 
переключателей. 
Переключатель S17 позволяет во включенном положении присоединить 
PE-проводник к повторному заземлителю, значение сопротивления 
которого Rп можно изменять переключателем S19. 
Изображенные на мнемонической схеме корпуса 1, 2 и 3 принадлежат 
соответствующим электропотребителям, поэтому последним 
присвоены те же номера.