Эффективность защитного заземления в сети IT

Прикосновения человека к токонесущим частям может быть прямым и косвенным. Прямое прикосновение имеет место при касании фазного провода частями тела человека непосредственно или через неизолированный инструмент. Косвенное прикосновение имеет место при коротком замыкании на корпус оборудования и касании человеком такого корпуса.

Эффективность защитного заземления зависит от типа сети. Наиболее эффективна защита от прямого и косвенного прикосновения в сетях IT, в которых защитное заземление является основным средством обеспечения электробезопасности. Если, например, сопротивление заземления 100 Ом, а сопротивление тела человека 1 кОм, то при коротком замыкании на корпус и касании корпуса через тело человека потечет только 9% тока короткого замыкания. Величина этого тока определяется активным R и реактивным X сопротивлениями утечки фазной изоляции сети на землю, рис.1.

Рис.1. Косвенное прикосновение в сети с изолированной нейтралью

Так как потенциал земли равен нулю, а потенциалы фазных проводов Uф, то при нормальном состоянии электросети через сопротивления изоляции на землю протекают токи:

I_а = U/R; I_р = U/ x = UωC = 2π f∙ CU;

где I_a и I_р – активный ток сопротивления утечки R и реактивный ток конденсатора С;

х = 1/ωC – емкостное сопротивление конденсатора,

ω = 2π f – круговая частота напряжения сети.

При аварийном режиме, когда одна из фаз заземляется через незначительное сопротивление заземлителя Rзаз, потенциал этой фазы становится нулевым, а потенциал нейтрали трансформатора возрастает до значения напряжения поврежденной фазы, то-есть U_ф. В результате потенциалы двух исправных фаз возрастают в раз, до значений линейного напряжения. Поэтому токи через сопротивления изоляции также возрастают в раз, рис. 2.

Рис. 2. Векторная диаграмма токов и напряжений в сети IT при нормальном и аварийном режимах

При нормальной работе сети фазные токи и напряжения совпадают с векторами ОА, ОВ и ОС. В аварийном режиме, при замыкании фазы А на землю, линейные напряжения АВ, ВС и АС сохраняются неизменными, но фазные токи неповрежденных фаз В и С возрастают в раз, так как точка О перемещается вверх и совпадает с точкой А. При этом фазные токи неповрежденных фаз совпадают с векторами АВ и АС, а фазный ток поврежденной фазы А совпадает с вектором АВ1, то-есть возрастает в 3 раза:

I_кз = 3I_ф

Пусть, например, U_ф = 220В, Z_ф = 500 кОм, R_ч = 1 кОм, R_заз = 100 Ом. Тогда ток утечки на землю поврежденной фазы I_кз = 3*220/500 = 1,32 мА, а ток через тело человека:

I_ч = I_кз*R_заз/(R_заз +R_ч) =0,12 мА

Несмотря на относительную безопасность фазного замыкания на корпус, оно должно быть устранено в кратчайшие сроки, так как значительно повышает опасность прямого прикосновения к неповрежденным фазам, напряжение которых относительно земли возрастает до значения линейного напряжения. Последнее может вызвать пробой ослабленной изоляции исправных фаз и превратить однофазное КЗ в двухфазное или трехфазное.

Обнаружить КЗ на землю в сети IT можно с помощью вольтметра, измеряющего напряжение между землей и каждой фазой – отсутствие или заметное снижение напряжения на одной из фаз при увеличении напряжения на двух оставшихся указывает на поврежденную фазу.