Электробезопасность. Ч. ІІ. Заземление электроустановок

ФГБОУ ВПО СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  
 
 
 
 
 
 
Е. Е. ПРИВАЛОВ 
 
 
ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ  
 
 
 
 
 
 
У Ч Е Б Н О Е   П О С О Б И Е 
 
В 3-Х ЧАСТЯХ 
 
 
ЧАСТЬ ІІ  
 
ЗАЗЕМЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ставрополь  
2013 

УДК 631.31  
ББК 31.29н

П75 

Рецензенты:  

кандидат технических наук, доцент В. Н. Шемякин; 

кандидат технических наук, доцент И. К. Шарипов
(электроэнергетический факультет СтГАУ) 

Привалов, Е. Е.  

П75  
Электробезопасность. В 3-х ч. Ч. ІІ. Заземление электроустановок : 

учебное пособие / Е. Е. Привалов. – Ставрополь, 2013. – 140 с. 

Даны основные определения, классификация электроустановок в отноше
нии мер электробезопасности, приведены определения искусственного и естественного заземлителей, рассмотрено явление стекания тока в землю через одиночные и групповые заземлители. Указано назначение, состав, принцип действия, достоинства, недостатки, области применения и направления совершенствования систем заземления TN, IT, TT электроустановок напряжением до и выше
1 кВ. Даны контрольные вопросы для самопроверки знаний и ответы на экзаменационные вопросы второй модульной части. 

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специально
стям 110800.62 «Агроинженерия» и 140400.62 «Электроэнергетика и электротехника», а также электротехнического персонала, лаборантов, мастеров производственного обучения, аспирантов и преподавателей.  

УДК 631.31  
ББК 31.29н

© ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный

аграрный университет, 2013

ВВЕДЕНИЕ  
 
Дисциплина «Электробезопасность» является базовой частью при 
подготовке бакалавров электротехнического профиля и формирует у студентов современное электрофизическое мировоззрение и обеспечивает 
фундаментальную основу для последующего изучения профильных дисциплин электроэнергетического факультета. Во второй части курса профессионального цикла рассмотрены рабочие и защитные заземлители 
электроустановок промышленного и сельскохозяйственного назначения.  
Целями второй части модульного учебного пособия являются формирование знаний о: 
• методах научного познания основ электробезопасности с системами 
заземления TN, IT и TT;  
• опасности воздействия электрического тока и поля на организм человека, электромагнитных явлениях в системах электроснабжения и 
заземлениях TN, IT и TT электроустановок напряжением до и выше 
1000В и величинах, характеризующих эти явления; 
• способах безопасного выполнения работ в электроустановках напряжением до и выше 1000В;  
• развитии познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей в ходе выполнения практических работ; 
• способности к самостоятельному приобретению новых знаний по 
электробезопасности; 
• воспитании убежденности в необходимости разумного использования достижений науки и технологий для дальнейшего развития безопасной эксплуатации электроэнергетики и электротехники; 
• применении полученных знаний и умений для решения практических задач с электрооборудованием в быту и в личной жизни, для 
обеспечения безопасности при работе на производстве с электроустановками и системами электроснабжения. 
Задачами пособия являются ознакомление студентов с организационными и техническими мероприятиями, способами и средствами для реализации электрозащитных мероприятий, выборе способов и средств защиты от электрического тока и электромагнитного поля электроустановок 
различного назначения в сельском хозяйстве и электроэнергетике.  
В результате изучения материала модуля студент должен знать: способы защиты человека и сельскохозяйственных животных от поражения 
электрическим током и полем; требования мер техники безопасности, организационные и технические мероприятия, обеспечивающие безопасность работы в действующих электроустановках.  
 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ  
 
В действующих Правилах устройства электроустановок (седьмое издание) в главе 1.7 «Заземление и защитные меры электробезопасности» 
даны основные термины и определения, рассмотрим их.  
Открытые (наружные) электроустановки (ЭУ) - электроустановки, не 
защищенные сооружением (зданием) от атмосферных воздействий, а крытые только навесами, сетчатыми ограждениями и т. п., рассматриваются 
как наружные.  
Закрытые (внутренние) ЭУ – электроустановки, размещенные внутри здания, защищающего их от атмосферных воздействий. Электропомещения - помещения или отгороженные части помещения, в которых есть 
электрооборудование, доступное только для персонала ЭУ. 
Электропомещения – помещения или отгороженные сетками части 
помещения, в которых расположено электрооборудование, доступное 
только для обслуживающего персонала , например, лаборантов кафедры.  

Заземлением называют преднамеренное соединение части ЭУ с зем
лей. Различают рабочее и защитное заземления. Рабочее (функциональное) заземление необходимо для нормальной работы ЭУ (не в целях электробезопасности). Защитное заземление выполняют только для электробезопасности персонала ЭУ.  

В электроустановках напряжением до 1кВ выполняют защитное за
нуление – преднамеренное соединение открытых проводящих частей с 
глухо заземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях 
трехфазного тока (глухозаземленным выводом источника однофазного тока; заземленной точкой источника в сетях постоянного тока) в целях электробезопасности.  

Заземление выполняют, используя заземляющее устройство (ЗУ), 

которое состоит из заземлителя и заземляющих проводников. Заземлитель – совокупность металлических проводников (электродов), надежно 
соединенных между собой и находящихся в соприкосновении с землей в 
специальном месте. Заземляющие проводники соединяют заземленные 
части ЭУ с заземлителем. Защиту ЭУ с помощью ЗУ выполняют, если напряжение на ней превышает 50В переменного или 120В постоянного тока. 
В ряде случаев, оговоренных в ПУЭ, такая защита применяется и при более низких напряжениях. Одним из элементов защиты при косвенном 
прикосновении в ЭУ напряжением до 1кВ является уравнивание и выравнивание потенциалов, где уравнивание – электрическое соединение токопроводящих частей (корпусов), а выравнивание – снижение потенциалов 
на поверхности земли до безопасной для людей величины. 
  

ГЛАВА 1. ЗАЩИТА ЗАЗЕМЛИТЕЛЯМИ ОТ ПОРАЖЕНИЯ 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ  
 
Правила устройства электроустановок рассматривают заземлитель 
как проводящую часть или совокупность соединенных между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду, например, воду в любом агрегатном состоянии.  

Заземлители могут быть искусственными и естественными, где ис
кусственный заземлитель выполняют только для целей заземления электроустановки, а естественный заземлитель это сторонняя проводящая 
часть, находящаяся в электрическом контакте с землей и используемая 
для заземления электроустановки, например, металлическая арматура сооружения (здания).  
 

1. ОДИНОЧНЫЕ ЗАЗЕМЛИТЕЛИ  

Искусственные заземлители по способу выполнения могут быть 

одиночными и групповыми, где заземляющий проводник соединяет заземляемую часть (точку) с заземлителем электроустановки.  

Рассмотрим основные термины и определения для искусственных 

одиночных и групповых заземлителей.  

Зона нулевого потенциала - часть земли вне зоны влияния заземли
теля, электрический потенциал которой равен нулю. 

Зона растекания - зона земли между заземлителем и зоной нулевого 

потенциала. Термин «земля» это земля в зоне растекания тока. 

Замыкание на землю - случайный электрический контакт между то
коведущими частями действующей электроустановки и землей. 
Напряжение на заземляющем устройстве - напряжение, возникающее при стекании тока с заземлителя в землю между точкой ввода тока в 
заземлитель и зоной нулевого потенциала. 
Сопротивление заземляющего устройства – отношение напряжения 
на заземляющем устройстве к току, стекающему с искусственного и естественного заземлителей в землю. 
По условию безопасности персонала электроустановок заземление 
должно обладать очень малым сопротивлением, выполнить которое можно двумя путями. Первый путь – увеличение геометрических размеров 
одиночного заземлителя (электрода), второй – применение параллельно 
соединенных электродов (группового заземлителя).  
Рассмотрим первый путь и явление стекания электрического тока в 
землю через заземлитель.  
 

1.1. Стекание тока в землю через одиночный заземлитель  
 
Стекание электрического тока в землю происходит через проводник 

случайно (преднамеренно) контактирующего с землей. Причинами стекания тока с проводника в землю являются: 

• 
замыкание токоведущей части электроустановки на заземлен
ный корпус оборудования; 

• 
падение провода линии электропередачи на землю; 

• 
использование земли в качестве провода электроустановки. 

Результатом стекания тока является резкое снижение потенциала 

(напряжения относительно земли) токоведущей части до значения:  

3
3
3
R
I
=
ϕ
, 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(1) 
где IЗ - ток, стекающий в землю, A; R3 - сопротивление заземлителя растеканию тока, Ом. 
Явление стекания тока в землю повышает безопасность, поэтому его 
используют как меру косвенной защиты людей от поражения током при 
работе в электроустановках. Одновременно возникает и отрицательное 
явление – возникновение опасных для человека потенциалов на заземлителе и на поверхности земли вокруг заземляющего устройства. Разности 
потенциалов в цепи электрического тока заземлителя и вокруг заземляющего устройства могут быть очень большими и представлять серьезную 
опасность для людей (животных) в нормальных и аварийных режимах работы электроустановок различного напряжения. 
Значения потенциалов на заземлителях электроустановок и их разностей в зонах растекания тока зависят от многих факторов: значения тока, стекающего в землю; конфигурации, размеров, числа и взаимного расположения электродов; удельного сопротивления грунта вокруг заземлителя и сопротивления заземляющего устройства.  
 
1.2. Распределение потенциалов по поверхности земли  
 
Стекание электрического тока с заземляющего устройства электроустановки в землю приводит к возникновению на заземлителе и вокруг 
него опасных для человека (животного) потенциалов. Рассмотрим случаи 
стекания тока в землю через шаровой (полушаровой), стержневой и дисковый заземлители. Считаем, что земля вокруг заземляющего устройства 
однородна (обладает в любой точке одинаковым удельным сопротивлением). Оценка распределения потенциалов на примере шарового заземлителя позволяет упростить математические выкладки и наглядно их продемонстрировать. 

1.2.1. Шаровой заземлитель в земле на большой глубине  

Рассмотрим потенциалы вокруг заземлителя, и как меняется величи
на потенциала при удалении или приближении к заземляющему устройству. Найдем уравнение потенциальной кривой. Погрузим шаровой заземлитель радиусом r (м) в однородную землю на большую глубину, чтобы 
исключить влияние поверхности земли на расчеты. Через изолированный 
проводник и шар в землю стекает ток I3 (А).  

 
Рисунок 1 – Шаровой заземлитель, погруженный в землю на большую глубину  
 

Учитывая, что идеальная земля вокруг заземлителя однородна, ток в 

ней растекается от поверхности шара равномерно и симметрично во все 
стороны, а плотность тока будет уменьшаться по мере удаления от заземлителя. На расстоянии x (м) от центра шара плотность тока (А/м2)  

.
4
2
3
x

I
J

π

=
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(2) 

В объеме земли вокруг шарового заземлителя возникает электриче
ское поле растекания тока. На практике уже на расстоянии 20м от заземлителя электроустановки сечение слоя земли такое большое, что плотность тока J = 0. У шарового заземлителя малого радиуса поле растекания 
ограничено объемом сферы радиусом r = 20м. Поле растекания тока в 
проводящей однородной среде можно рассматривать как стационарное 
постоянное (переменное с частотой 50Гц) электрическое поле. Напряженность поля E (В/м) связана с плотностью тока (закон Ома в дифференциальной форме) соотношением  

.
ρ
Ε
=
J
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(3) 

В этом случае линии напряженности электрического поля совпадают 

линиями плотности тока и с условными радиусами заземлителя. Напряженность электрического поля  

dx
dU
E =
,  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(4) 

где dU – падение напряжения в элементарном слое земли толщиной dx. 
Определим потенциал любой точки слоя dx, например, точки C, который 
равен  

∫

∞
=

x
dU
ϕ
,  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(5) 

где  

.
4
2 dx
x
I
dx
J
Edx
dU
З
π

ρ
ρ
=
=
=
 
  
 
 
(6) 

Решив определенный интеграл, получим уравнение потенциальной 

кривой заземлителя  

.
4

3
x
I
π
ρ
ϕ =
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(7) 

Минимальный потенциал имеет точка, отстоящая от заземлителя на 

расстояние x = ∞, а на практике область нулевого потенциала начинается 

на расстоянии 20м от заземлителя. В этом случае потенциал всех точек на 
поверхности земли вокруг заземлителя равен нулю. 

Максимальный потенциал шарового заземлителя будет при расстоя
нии x = r (поверхность заземлителя). Потенциал шарового заземлителя  

r
I
π
ρ
ϕ
4

3
=
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(8) 

 
 
1.2.2. Шаровой заземлитель вблизи поверхности земли  
 
На практике заземлители электроустановок погружают в землю на 

небольшую глубину, и поверхность оказывает влияние на электрическое 
поле, искажая линии растекания тока от шарового заземлителя. 

Для потенциалов всех точек на поверхности земли около заземлите
ля, например, точки D (рисунок 2): 

Рисунок 2 – Шаровой заземлитель вблизи поверхности земли и его 

зеркальное изображение над землей  

2
2
t
x
n
m
+
=
=
, 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(9) 
 
а уравнение потенциальной кривой для точек на поверхности земли вокруг заземлителя  
 

m
I
1
2

3
⋅
=
π
ρ
ϕ
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
        (10) 

 
или подставив (9) получим  
 

2
2
3
1
2
t
x

I

+
⋅
=
π
ρ
ϕ
.  
 
 
 
 
 
 
 
        (11) 

Максимальный потенциал заземлителя φ3 будет при расстоянии у = 0 и, 
следовательно, на поверхности шара (x = r):  

⎟⎟
⎠

⎞
⎜⎜
⎝

⎛

+
+
=
2
2
3
3
4

1
1
4
t
r
r
I
π
ρ
ϕ
.  
 
 
 
 
 
 
        (12) 

На практике 4r2» r , тогда  

⎟⎠
⎞
⎜⎝
⎛ +
=
t
r
r
I
2
1
4

3
3
π
ρ
ϕ
. 
 
 
 
 
 
 
 
 
       (13) 

Таким образом, нулевой потенциал имеет в земле точка, отстоящая 

от заземлителя электроустановки на расстоянии примерно 20м. Потенциал 
всех точек на поверхности земли в этом месте и дальше от электрода заземлителя равен нулю. Максимальный потенциал образуется непосредственно на поверхности заземлителя заглубленном в землю, а также на поверхности земли в месте стекания тока с заземляющего устройства электроустановки. 

1.2.3. Шаровой заземлитель на поверхности земли  

Рассмотрим шаровой заземлитель расположенный на поверхности 

земли, где центр шара находится на уровне земли (рисунок 3).Такой заземлитель называют полушаровым заземлителем.