Земля! Рабочее заземление: прошлое и настоящее. А. П. Наугольных (№4, 2011)

Земля!

Рабочее заземление:  его прошлое и настоящее

 

«Чего не понимают, тем не владеют»

В. Гете

А.П. Наугольных, ведущий инженер

Института безопасности ПНИПУ

 

Встречаясь со слушателями на курсах по повышению квалификации, порой замечаешь недопонимание ими назначения рабочего заземления. Даже слушатели, относящиеся к электротехническому персоналу, зачастую не могут привести конкретные примеры реализации рабочего заземления.

Идентификация применения рабочего заземления затрудняется самим названием этого заземления – рабочее. Так, при отключении рабочего заземления потребители электрической энергии все равно продолжают работать, в то время как при отключении защитного заземления защита отключенных приемников исчезает.

Для более глубокого понимания назначения рабочего заземления необходимо привести толкования этого термина, приводимые в нормативной и учебной литературе.

При определении термина рабочего заземления в ПУЭ 7-го издания сказано: «Рабочее (функциональное) заземление - заземление точки или точек токоведущих частей электроустановки, выполняемое для обеспечения работы электроустановки (не в целях электробезопасности; п. 1.7.30. Сравните с ПУЭ предыдущего, 6-го издания: «Рабочее заземление — заземление точки или точек токоведущих частей электроустановки, выполняемое для обеспечения работы электроустановки)»»

Дальше в ПУЭ 7- го издания - «….При выполнении отдельного (независимого) заземлителя для рабочего заземления по условиям работы информационного или другого чувствительного к воздействию помех оборудования должны быть приняты специальные меры защиты от поражения электрическим током, исключающие одновременное прикосновение к частям, которые могут оказаться под опасной разностью потенциалов при повреждении изоляции…(п. 1.7.55)».

И дальше – «Основная система уравнивания потенциалов в электроустановках до 1 кВ должна соединять между собой следующие проводящие части: …8) заземляющий проводник функционального (рабочего) заземления, если такое имеется и отсутствуют ограничения на присоединение сети рабочего заземления к заземляющему устройству защитного заземления…».

Сравнивая выдержки из ПУЭ 7-го издания, отмечаем противоречия в определении рабочего заземления:

1. как правильно именовать - рабочее (функциональное) заземление или функциональное (рабочее) заземление? Что это небрежность составителей Правил, или что-то другое?
2. информационное или другое чувствительное к воздействию помех оборудование для своего рабочего заземления потребовало выполнение отдельного (независимого) заземлителя, но в тех же Правилах говорится : «заземляющий проводник функционального (рабочего) заземления, если такое имеется и отсутствуют ограничения на присоединение сети рабочего заземления к заземляющему устройству защитного заземления».

Последнее подтверждается при рассмотрении приводимой в ПУЭ системе уравнивания потенциалов в здании.

Из рисунка, приведенного в ПУЭ, хорошо видно, что проводник (6) рабочего (функционального) заземления, проводник (7) уравнивания потенциалов в системе рабочего (функционального) заземления и контур (магистраль) (5) рабочего заземления в помещении информационного вычислительного оборудования присоединены к главной заземляющей шине (ГЗШ), являющейся, по определению, частью заземляющего устройства электроустановки до 1 кВ.

Указанные противоречия приводят к необходимости более детального рассмотрения назначения рабочего заземления.

В одном из первых учебников по электробезопасности Кузнецова А.И. «Техника безопасности в электрических установках.» (ГЭИ. – М. 1952.) говорится: «Рабочим заземлением называется присоединение к заземляющему устройству какой-либо точки электрической цепи, необходимое для обеспечения надлежащей работы установки в нормальных или аварийных условиях. Например, заземление нейтрали трансформатора или генератора, заземление фазового провода в системе ДПЗ (два провода - земля) и т.п. Стремление снизить опасность замыкания на землю, стабилизировать и уменьшить в этом аварийном случае напряжение фазовых проводов относительно земли привели … к решению заземлить нулевую точку».

В учебнике Долина П.А. «Основы техники безопасности в электроустановках» отмечается: «Рабочее заземление – преднамеренное соединение с землей отдельных точек электрической цепи, например нейтральных точек обмоток генераторов, силовых и измерительных трансформаторов, дугогасящих аппаратов, реакторов поперечной компенсации в дальних линиях электропередачи, а также фазы при использовании земли в качестве фазного или обратного провода. Рабочее заземление предназначено для обеспечения надлежащей работы электроустановки в нормальных или аварийных условиях и осуществляется непосредственно (т.е. путем соединения проводником заземляемых частей с заземлителем) или через специальные аппараты – пробивные предохранители, разрядники, резисторы и т.п.»

Рассмотрим внимательно наиболее частое применение рабочего заземления в качестве глухого заземления нейтрали.

 

 

Анализ работы трехфазной сети с глухозаземленной нейтралью сопротивление изоляция сети показывает (см. Рис. 1), что роль рабочего заземления сводится к обеспечению безопасности человека, что формально противоречит новому определению (не в целях электробезопасности) рабочего заземления в ПУЭ-7:

1. При замыкании на землю одной из фаз сети, и при касании человека другой фазы этой же сети, напряжение прикосновения равно фазовому нарряжению, а не линейному, как это было бы при замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью.
2. Замыкание на землю проводит к однофазному короткому замыканию и отключению, т.е. к уменьшению времени воздействия на человека опасного для него напряжения прикосновения.
3. С момента возникновения замыкания на корпус и до автоматического отключения поврежденной установки от сети, проявляется защитное свойство этого заземления, такое же, как при защитном заземлении.

Приведем еще несколько важных выводов, вытекающих из анализа и имеющих существенное значение для дальнейшего.

Первое. При замыкании одной из фаз сети на землю и прикосновении человека к другой фазе (см. Рис.2) напряжение относительно земли нулевой точки источника питания (трансформатора) Uо в течение времени срабатывания защиты становится отличным от нуля. Появившееся напряжение через рабочее заземление попадает на токоведущие части электроустановки. Напряжение замкнутой фазы разделится пропорционально сопротивлениям замыкания фазы на землю Rзам и заземления нейтрали Rо. Как правило, Rзам > Rо, (Rзам ≈100 Ом, Rо ≈4 Ом) поэтому Uо оказывается равным Uо≈8 В, при Uф=220 В. (Rч – сопротивление тела человека, Uч – напряжение прикосновения, Iч – ток, протекающий  через тело человека)

Второе. При пробое открытых проводящих частей электроустановки в течение времени срабатывания защиты на токоведущие части электроустановок поступает напряжение пробитой фазы.

Так, при замыкании фазы, например L3, на корпус (см. Рис. 3) участок нулевого защитного проводника, находящийся за местом замыкания, и все присоединенные к нему корпуса окажутся под напряжением относительно земли, равным напряжению замкнутой фазы U₁=Uф. На участке нулевого защитного проводника, лежащем от места замыкания ближе к источнику тока, это напряжение будет линейно меняться от Uф до нуля.

При замыкании на корпус в сети с повторным заземлением защитного проводника (см. Рис. 4) нулевой проводник получает напряжения от значения U₁ = Uф Rо /(Rп+Rо) до значения U₂ = Uф Rп/(Rп+Rо). Здесь, Rп – сопротивление повторного заземления нулевого проводника. Заметим, что в сети напряжением 380 В сопротивление повторного заземления нулевого проводника не должно превышать 30 Ом.

 

 

При замыкании на корпус и обрыве нулевого защитного проводника в сети с повторным заземлением защитного проводника (см.Рис. 5) нулевой проводник до места обрыва получает напряжения U₁ = Uф Rо /(Rп+Rо), а после обрыва U₂ = Uф Rп/(Rп+Rо).

 

 

 

Таким образом появление в новой уточненной терминологии рабочего заземления слов функциональное и не в целях электробезопасности, скорее всего, вызвано применением в электроустановках новой полупроводниковой техники, обладающей высокой чувствительностью к изменениям напряжения по сравнению с существовавшими ранее образцами.

Автор статьи встретился, еще во времена появления первых микросхем, с серьезными трудностями при внедрении в условиях цеха полупроводникового дискретного устройства, предназначенного для наладки системы управления металлорежущим станком при обработке на нем производимых изделий. В процессе наладки станка нередко возникали непредсказуемые сбои информации, накапливаемой в памяти устройства (триггерах), что приводило к срыву наладки. Вместе с тем это устройство, защищенное рядом авторских свидетельств, прошло успешную проверку работоспособности и эффективности на реальном станке, но в другом месте, в лаборатории.

Причиной сбоев транзисторного цифрового устройства были помехи, природа которых стала понятна позднее – это напряжения, возникающие в сети на рабочем заземлении (по рассмотренным выше причинам).

Обратим внимание, что в книге Б. Пресс, М. Пресс. Ремонт и модернизация ПК. Библия пользователя, 3-е издание,: пер, с англ: М Издательский дом «Вильямс» 2001. - 1120. говорится: «Обычно уровень рабочего напряжения микросхем составляет 2,8; 3,3 или 5 В. Человек может не почувствовать статическое напряжение менее 30 В и может легко сгенерировать тысячи вольт, не подозревая об этом…Шарканье ногами по полу, трение одежды и другие мелкие колебания могут сгенерировать смертельное для микросхем напряжение…

Вот те минимальные требования, которые необходимо выполнить, чтобы защититься от накопления статического напряжения:

Заземляйте все, включая себя. Простого прикосновения к металлу недостаточно - электрический заряд может образоваться просто при движении во время работы. Лучший способ предотвратить электростатический заряд – не позволять заряду накапливаться. Для этого необходимо постоянное заземление. Хорошее рабочее место включает в себя не только заземленный рабочий стол, но и заземленный коврик для ног, заземленный браслет (надеваемый на запястье во время работы) и специальное заземление для ног. Все заземления должны быть выполнены с использованием исправного провода и соединяться с заземлением здания… Одежда также часто может генерировать статический заряд, поэтому лучше всего надеть проводящий рабочий халат…».

Таким образом, назначение рабочего заземления в этом случае сводится к защите содержащего микроэлектронные элементы оборудования (компьютеры, информационные устройства) от электростатических помех, возникающих в процессе эксплуатации такого оборудования.

Вывод:

1. Более верно определение рабочего заземления для силового электрооборудования, приводимое в прежнем ПУЭ 6-го издания.
2. Для обеспечения нормальной работы информационного или другого чувствительного к воздействию помех оборудования необходимо иметь заземление, которому предлагается следующее определение:

«Функциональное заземление информационного или другого чувствительного к воздействию помех оборудования - заземление точки или точек токоведущих частей электроустановки, выполняемое для обеспечения защиты электроустановки от электростатических помех».

3. Функциональное заземление информационного или другого чувствительного к воздействию помех оборудования, не присоединяемое к заземляющему устройству защитного заземления сети, требует выполнения отдельного заземлителя.

 

 

Литература:

1. Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках: Учеб. пособие для вузов.-2 изд., перераб. и доп.-М Энергоатомиздат, 1984.-448 с. ил.
2. Межотраслевые правила по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации электроустановок. ПОТ Р М-016-2001 РД 153-34.0-03.150-00        Москва «Издательство НЦ ЭНАС» 2001.
3. Наугольных А.П. Из опыта работы по обучению и аттестации персонала предприятий на группу допуска по электробезопасности в научно-образовательном центре ЦНТИ. (Энергосбережение и проблемы энергетики Западного Урала Научно-производственный журнал топливно-энергетического комплекса Пермской области 2(13)/2002, с 31-34.)
4. Наугольных А.П. Электробезопасность. «Промышленная безопасность и экология» №12 (21) декабрь 2007 с. 43-48.
5. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей. Госэнергонадзор Минэнерго России. М.; ЗАО «Энергосервис», 2003. 392 с
6. Правила устройства электроустановок (с изменениями на 20.06.2003 г.);
7. Пресс, Барри, Пресс Марси Ремонт и модернизация ПК. Библия пользователя,3-е издание,: пер, с англ: М Издательский дом «Вильямс» 2001.-1120 с ил.