Определение понятия.
Ток замыкания на землю (earth fault current) — это электрический ток, протекающий в землю, открытые и сторонние проводящие части и защитный проводник при повреждении изоляции части, находящейся под напряжением (согласно ГОСТ 30331.1-2013 [1]). В некоторой нормативной документации термин «ток замыкания на землю» имеет другое название «ток повреждения на землю».
В условиях повреждения возможно замыкание какой-то токоведущей части электроустановки здания на стороннюю проводящую часть здания. Из токоведущей части в стороннюю проводящую часть будет протекать электрический ток, который также является током замыкания на землю.
В своей книге [2] Харечко Ю.В. пишет о том, как возникает ток замыкания на землю:
« В аварийном режиме электроустановки здания из-за повреждения изоляции какой-то токоведущей части резко уменьшается сопротивление между этой токоведущей частью, с одной стороны, и открытой проводящей частью электрооборудования класса I и присоединенным к ней защитным проводником, сторонними проводящими частями, а также землей, с другой стороны. В результате этого резко увеличивается величина электрического тока, протекающего из токоведущей части в открытую проводящую часть электрооборудования класса I и присоединенный к ней защитный проводник, в сторонние проводящие части, в землю, а также в проводящие части, соединенные защитными проводниками с заземляющим устройством электроустановки здания и с заземленной токоведущей частью источника питания. »
[2]
Подобный электрический ток, протекающий в условиях единичного или множественных повреждений, в международной нормативной документации называют током повреждения на землю, а в национальной нормативной документации – током замыкания на землю.
Путь протекания.
О том по каким путям протекает ток замыкания на землю, наиболее полно, на мой взгляд, написал Ю.В. Харечко в своей книге [2]. Приведу основные цитаты:
« Путь, по которому может протекать ток замыкания на землю в системе распределения электроэнергии, зависит от типа заземления системы. Рассмотрим наиболее распространенную систему распределения электроэнергии, которая представляет собой электроустановку здания, подключенную к низковольтной распределительной электрической сети, состоящей из понижающей трансформаторной подстанции (ПС) и воздушной (ВЛ) или кабельной (КЛ) линии электропередачи. »
[2]
« Если произошло повреждение основной изоляции какой-либо опасной токоведущей части электрооборудования класса I и возникло ее замыкание на открытую проводящую часть, то в электроустановке здания, соответствующей типу заземления системы TT (рис. 1), ток замыкания на землю из токоведущей части протекает в открытую проводящую часть. Далее из открытой проводящей части по защитному проводнику, главной заземляющей шине, заземляющим проводникам и заземлителю электрический ток протекает в локальную землю. Через землю ток замыкания на землю протекает к заземлителю заземляющего устройства источника питания, которым является трансформатор, установленный в трансформаторной подстанции 10/0,4 кВ. К этому заземляющему устройству присоединена токоведущая часть источника питания, а именно – нейтраль понижающего трансформатора. »
[2]
« В электроустановке здания, соответствующей типу заземления системы IT, ток замыкания на землю из токоведущей части протекает в открытую проводящую часть. Далее из открытой проводящей части по защитному проводнику, главной заземляющей шине, заземляющим проводникам и заземлителю электрический ток протекает в локальную землю. Поскольку в системе IT нейтраль трансформатора, установленного в ПС, обычно изолирована от земли, ток замыкания на землю через землю и полные сопротивления фазных проводников относительно земли протекает в находящиеся под напряжением фазные проводники. »
[2]
На рисунке 1 показан путь протекания тока замыкания на землю в системе TT. На рисунке обозначено: 1 — заземляющее устройство источника питания; 2 — заземляющее устройство электроустановки здания; ПС — трансформаторная подстанция; ВЛ (КЛ) — воздушная (кабельная) линия электропередачи; Iз — ток замыкания на землю
Применительно к системам TT и IT можно говорить о «классическом» пути протекания «классического» тока замыкания на землю, а именно – из токоведущей части в землю.
Далее Харечко Ю.В. детализирует путь протекания тока замыкания на землю для случая, если электроустановка здания соответствует типам заземления системы TN [2]:
« Если электроустановка здания соответствует типам заземления системы TN-S, TN-C или TN-C-S (рис. 2), ток замыкания на землю из токоведущей части протекает в открытую проводящую часть электрооборудования класса I и присоединенные к ней защитные проводники электроустановки здания. Далее преобладающая доля тока замыкания на землю по PEN-проводникам низковольтной распределительной электрической сети протекает к заземленной нейтрали трансформатора. Одновременно незначительная доля тока замыкания на землю протекает в земле параллельно PEN-проводнику линии электропередачи между заземляющими устройствами электроустановки здания и источника питания. Указанный путь протекания тока замыкания на землю следует рассматривать в качестве характерного пути его протекания в системе TN-C-S. В системах TN-S и TN-C токи замыкания на землю протекают по аналогичным путям, которые различаются лишь видом защитных проводников, применяемых в электроустановках зданий и линиях электропередачи, соответствующих типам заземления системы TN-S и TN-C. »
[2]
Харечко Ю.В. подводит итог [2]:
« Таким образом, основные пути, по которым протекают токи замыкания на землю в системах TN, резко отличаются от «классических» путей их протекания в системах TT и IT. Однако эти искусственные проводящие пути созданы специально с целью многократного увеличения токов замыкания на землю в системах TN, по сравнению с аналогичным током в системе TT и тем более в системе IT. »
[2]
На рис. 2 показан путь протекания тока замыкания на землю в системе TN-C-S. Обозначения такие же как и на рисунке 1.
Харечко Ю.В. в своей книге [2] поясняет как протекает ток замыкания на землю аварийного электрооборудования классов 0, II и III:
« Токи замыкания на землю аварийного электрооборудования классов 0, II и III протекают по менее определенным проводящим путям, чем у электрооборудования класса I, например, через проводящую оболочку электрооборудования в землю или сторонние проводящие части. Причем частью этого проводящего пути может быть тело человека, который держит в руках переносное электрооборудование или находится в электрическом контакте с доступными проводящими частями передвижного или стационарного электрооборудования классов 0, II и III. Ток замыкания на землю может протекать через полы, стены и другие элементы здания, если они имеют незначительное сопротивление или по каким-то причинам (например, из-за повышенной влажности) их сопротивление резко уменьшилось, а также по иным заранее неизвестным проводящим путям. »
[2]
Величина.
В своей книге [2] и статье [4] Харечко Ю.В. подробно пишет о величине токов замыкания на землю в зависимости от типа заземления системы. Приведу основные цитаты:
« Величина тока замыкания на землю зависит от типа заземления системы, которому соответствует электроустановка здания. Наименьшие токи замыкания на землю (обычно до 1 А) имеют место в системах IT, в которых токоведущие части источников питания изолированы от земли или какие-то их токоведущие части соединены с землей через большие сопротивления. »
[2]
« Существенно бóльшие токи замыкания на землю (до нескольких десятков ампер) возникают в системах TT. Ток замыкания на землю здесь приблизительно равен частному от деления номинального фазного напряжения на сумму полных сопротивлений заземляющих устройств источника питания и электроустановки здания. »
[2,4]
« Очень большие токи замыкания на землю (до нескольких тысяч ампер), могут быть в электроустановках зданий, соответствующих типам заземления системы TN-C, TN-S и TN-C-S. Токи замыкания на землю в системах TN сопоставимы с токами однофазного короткого замыкания, поскольку фазный проводник замыкается на защитный проводник, PEN-проводник или комбинацию этих проводников, соединенных с заземленной токоведущей частью источника питания. »
[2,4]
Расчетная оценка тока замыкания на землю.
О том как правильно производить расчетную оценку токов замыкания на землю писал Харечко Ю.В. в своей книге [2]. Привожу основные цитаты:
« Для оценки токов замыкания на землю рассмотрим схемы замещения систем TT (рис. 3) и TN-C-S (рис. 4), которые соответственно представлены на рис. 1 и 2. В схемах замещения не показаны полные сопротивления источника питания и земли, поскольку они незначительно влияют на оценку токов замыкания на землю. Поскольку далее рассматриваются короткие замыкания на землю, в схемах замещения отсутствуют переходные сопротивления между фазными и защитными проводниками электроустановок зданий. »
[2]
На рисунке 3 приняты следующие обозначения:
- ZL ЛЭП – полное сопротивление фазного проводника линии электропередачи от низковольтного распределительного устройства ПС до вводных зажимов электроустановки здания;
- ZL ЭЗ – полное сопротивление фазных проводников распределительных и конечных электрических цепей от вводных зажимов электроустановки здания до места замыкания на землю;
- ZPE ЭЗ – полное сопротивление защитных проводников распределительных и конечных электрических цепей от главной заземляющей шины заземляющего устройства электроустановки здания до места замыкания на землю;
- ZЗУ ИП – полное сопротивление заземляющего устройства источника питания;
- ZЗУ ЭЗ – полное сопротивление заземляющего устройства электроустановки здания;
- IEF — ток замыкания на землю.
« В системе TT ток замыкания на землю, генерируемый источником питания, протекает в замкнутом контуре, образованном полными сопротивлениями фазных проводников ВЛ или КЛ, фазных и защитных проводников электрических цепей электроустановки здания, а также полными сопротивлениями заземляющих устройств источника питания и электроустановки здания. Сумма полных сопротивлений заземляющих устройств источника питания ZЗУ ИП и электроустановки здания ZЗУ ЭЗ обычно многократно превышает сумму полных сопротивлений фазных и защитных проводников линии электропередачи и электроустановки здания. Поэтому ток замыкания на землю в системе TT можно приближенно определить по формуле:
IEF ≈ Uo / (ZЗУ ИП + ZЗУ ЭЗ) ,
где Uo – номинальное напряжение переменного или постоянного тока линейного проводника относительно земли, В. »
[2]
Если, например, номинальное напряжение электроустановки здания 230/400 В, полное сопротивление заземляющего устройства нейтрали трансформатора, установленного в ПС, равно 4 Ом, а полное сопротивление заземляющего устройства электроустановки здания – 10 Ом, то максимальное значение тока замыкания на землю будет приблизительно равно:
IEF ≈ 230 В / (4 + 10) Ом ≈ 16,4 А,
где 230 В – номинальное фазное напряжение.
« Если какая-то токоведущая часть источника питания в системе IT заземлена через сопротивление, ток замыкания на землю протекает по аналогичному проводящему пути. Его значение можно рассчитать по указанной выше формуле. Если в системе IT все токоведущие части изолированы от земли, ток замыкания на землю из земли протекает в фазные проводники через их емкостные сопротивления относительно земли. »
[2]
К обозначениям описанным для рисунка 3, на рисунке 4 добавлено следующее:
- ZPEN ЛЭП – полное сопротивление PEN-проводника линии электропередачи от низковольтного распределительного устройства ПС до вводных зажимов электроустановки здания.
Для системы TN-C-S Харечко Ю.В. поясняет отдельно [2]:
« В системе TN-C-S преобладающая часть тока замыкания на землю протекает в замкнутом контуре, образованном полными сопротивлениями фазных проводников ВЛ или КЛ, фазных и защитных проводников электрических цепей электроустановки здания, а также полным сопротивлением PEN-проводника линии электропередачи. Сумма полных сопротивлений заземляющих устройств источника питания и электроустановки здания многократно превышает полное сопротивление PEN-проводника линии электропередачи. Поэтому частью тока замыкания на землю, который протекает через эти два сопротивления, включенные параллельно сопротивлению PEN-проводника, можно пренебречь. »
[2]
« Поскольку сечения и протяженности нейтральных и защитных проводников распределительных и конечных электрических цепей от вводных зажимов электроустановки здания до места замыкания на землю, как правило, равны, равны и полные сопротивления этих проводников. Поэтому максимальное значение тока замыкания на землю в системе TN-C-S равно току однофазного короткого замыкания между фазным и нейтральным проводниками в электрических системах переменного тока или току однополюсного короткого замыкания между полюсным и средним проводниками в электрических системах постоянного тока. »
[2]
Если электроустановка здания расположена близко к ПС и подключена к ней линией электропередачи, имеющей проводники большого сечения, или трансформаторная подстанция встроена в здание, при расчете токов короткого замыкания на землю следует учитывать сопротивление трансформатора.
Мера защиты.
О том, как защититься от токов замыкания на землю писал Харечко Ю.В. в своей книге [2]:
« Для защиты от поражения электрическим током в электроустановках зданий применяют специальную меру защиты – автоматическое отключение питания, ориентированную на распознавание токов замыкания на землю и отключение электрических цепей, в которых произошли замыкания на землю. В зависимости от типа заземления системы, которому соответствует электроустановка здания, отключение электрических цепей с аварийным электрооборудованием класса I выполняют с помощью различных защитных устройств. »
[2]
- « В системах TN-S, TN-C и TN-C-S, характеризующихся очень большими токами замыкания на землю, автоматическое отключение обычно обеспечивают посредством устройств защиты от сверхтока – автоматических выключателей и плавких предохранителей;
- В системах TT, имеющих небольшие токи замыкания на землю, автоматическое отключение в большинстве случаев осуществляют с помощью устройств дифференциального тока (УДТ);
- В системах IT обычно используют устройства контроля изоляции, которые индицируют появление первого замыкания на землю. »
Электрический ток, протекающий через тело человека или животного в землю или проводящие части, электрически соединенные с землей, при его прикосновении к находящейся под напряжением токоведущей части или открытой проводящей части, является током замыкания на землю. Обнаружение и отключение подобного тока возможно с помощью устройства дифференциального тока. Практически все защитные устройства, которые отключают токи замыкания на землю, прямо или косвенно защищают людей и животных от поражения электрическим током в условиях повреждений.
Использованная литература
- ГОСТ 30331.1-2013
- Харечко Ю.В. Краткий терминологический словарь по низковольтным электроустановкам. Часть 3// Приложение к журналу «Библиотека инженера по охране труда». – 2013. – № 4. – 160 c.;
- Харечко В.Н., Харечко Ю.В. О токе замыкания на землю, токе утечки и дифференциальном токе// Главный энергетик. – 2007. – № 7.
- Харечко Ю.В. Ток замыкания на землю// Электрика. – 2013. – № 8.