Каковы преимущества использования общей системы заземления в распределении электроэнергии и какие меры предосторожности следует соблюдать?

Что такое общее заземление?

Общее заземление означает практику, при которой функциональное (рабочее) заземление системы, защитное заземление оборудования и заземление защиты от молнии используют одну систему заземляющих электродов. В альтернативном варианте это может означать, что заземляющие проводники от нескольких электрических устройств соединены вместе и подключены к одному или нескольким общим заземляющим электродам.

1. Преимущества общего заземления

• Упрощенная система с меньшим количеством заземляющих проводников, что облегчает обслуживание и проверку.

• Эквивалентное сопротивление заземления нескольких заземляющих электродов, соединенных параллельно, ниже, чем суммарное сопротивление отдельных независимых систем заземления. Когда в качестве общего заземляющего электрода используется стальная конструкция здания или арматура, из-за ее естественно низкого сопротивления, преимущества общего заземления становятся еще более очевидными.

• Повышенная надежность: если один заземляющий электрод выходит из строя, другие могут компенсировать его.

• Снижение количества заземляющих электродов, что уменьшает затраты на установку и материалы.

• В случае повреждения изоляции, вызывающего короткое замыкание между фазой и корпусом, течет больший ток короткого замыкания, что обеспечивает быстрое срабатывание защитных устройств. Это также снижает напряжение прикосновения, когда персонал контактирует с неисправным оборудованием.

• Снижение опасностей, связанных с перенапряжением от молнии.

Теоретически, чтобы предотвратить обратные перенапряжения, вызванные молнией, заземление защиты от молнии должно находиться на безопасном расстоянии от строительных конструкций, электрического оборудования и их систем заземления. Однако, на практике это часто невозможно. Здания обычно имеют множество входящих коммуникационных линий (электроэнергия, данные, вода и т.д.), распределенных по большой площади. Особенно, когда в качестве скрытых проводников защиты от молнии используются арматурные стержни железобетонных конструкций, становится практически невозможно электрически изолировать систему защиты от молнии от трубопроводов здания, корпусов оборудования или системы заземления электроэнергии.

В таких случаях рекомендуется общее заземление — подключение нейтрали трансформатора, всех функциональных и защитных заземлений электрического оборудования, а также системы защиты от молнии к одной и той же сети заземляющих электродов. Например, в высотных зданиях интеграция электрического заземления с системой защиты от молнии эффективно формирует клетку Фарадея, используя внутренний стальной каркас здания. Все внутреннее электрическое оборудование и проводники, соединенные с этой клеткой, таким образом, защищены от потенциальных разностей, вызванных молнией, и обратных перенапряжений.

Поэтому, когда используется металлическая конструкция здания для заземления, общее заземление для нескольких систем не только возможно, но и выгодно, при условии, что общее сопротивление заземления поддерживается ниже 1 Ом.

2. Ключевые моменты для общего заземления

Характер заземляющих токов:
Риск, связанный с повышением потенциала земли (GPR), зависит от величины, продолжительности и частоты заземляющих токов. Например, молниеотводы или молниеуловители могут пропускать очень высокие токи во время удара молнии, но эти события кратковременны и редки, поэтому GPR представляет ограниченный риск.

Однако общее сопротивление заземления должно удовлетворять самым строгим требованиям среди всех подключенных систем, идеально ≤1 Ом.

В низковольтных распределительных системах с жестко заземленной нейтралью, общий заземляющий электрод может пропускать непрерывные токи утечки от всех подключенных нагрузок, образуя циркулирующие заземляющие токи. Если сопротивление заземления увеличивается выше безопасных пределов, это может представлять опасность как для оборудования, так и для персонала.

Кроме того, с широким использованием компьютеров и чувствительного электронного оборудования, часто требуется фильтрационное заземление. Большие фильтры ЭМП/РЧИ, подключенные к земле, вносят значительные емкостные токи утечки, которые также добавляются к общему заземляющему току.

Влияние повышения потенциала земли на подключенное оборудование:
Рассмотрим пример компактной внутренней подстанции. Традиционно, нейтраль трансформатора, металлический корпус и шасси нагрузочного оборудования были подключены к общему заземлению. В то же время, молниеотводы часто получали отдельное заземление, чтобы избежать опасного повышения потенциала во время разрядки.

Однако, если нагрузочное устройство развивает изоляционную неисправность и начинает течь ток, весь ток контура неисправности проходит через общий заземляющий электрод, повышая местный потенциал земли, и, следовательно, напряжение на корпусе коммутационного оборудования. Если технический персонал открывает дверцу шкафа в таких условиях, они рискуют получить электрический удар. Такие инциденты происходили неоднократно.

В результате современная практика часто изолирует функциональное заземление (например, нейтраль трансформатора) от защитного и молниезащитного заземления в внутренних подстанциях, даже если это увеличивает сложность установки.

3. Соответствующие стандарты и нормативы (Китай)

• Согласно текущим стандартам китайской энергетической промышленности:

• Для электрических установок класса B, если распределительный трансформатор, обеспечивающий питание, не находится в здании, содержащем оборудование класса B, и его высоковольтная сторона работает в системе без заземления, с заземлением через катушку Петерсена (катушку гашения дуги) или с высоким сопротивлением, тогда рабочее заземление низковольтной системы может использовать тот же заземляющий электрод, что и защитное заземление трансформатора, при условии, что сопротивление заземления удовлетворяет R ≤ 50/I (Ом) и R ≤ 4 Ом.

• Для электрических установок класса A, работающих в эффективно заземленных системах, рабочее заземление трансформатора должно быть расположено вне защитной заземляющей решетки, то есть общее заземление не допускается.

• Если распределительный трансформатор установлен внутри здания с электрическими установками класса B, и его высоковольтная сторона использует заземление с низким сопротивлением, тогда рабочее заземление низкого напряжения может использовать защитное заземление, если:

• Сопротивление заземления соответствует R ≤ 2000/I (Ом), и

• Здание оснащено системой основного эквипотенциального соединения (MEB).

• Кроме того, для систем выше 1 кВ, классифицируемых как системы с большим короткозамкнутым током заземления, общее заземление допустимо, если обеспечивается быстрое отключение неисправности, но сопротивление заземления должно быть < 1 Ом.

• Защитное заземление распределительных трансформаторов в установках класса A может использовать тот же заземляющий электрод, что и связанное заземление молниеотвода.

4. Заключение

Практический опыт показывает, что в общественных низковольтных распределительных системах, где полное разделение систем заземления часто недостижимо, общее заземление, объединяющее рабочее, защитное и молниезащитное заземление, является более безопасным, экономически выгодным, простым в установке и легким в обслуживании.

Чтобы минимизировать потенциальные риски общего заземления, инженеры должны:

• Полностью использовать стальную конструкцию здания в качестве естественного заземляющего электрода,

• Поддерживать общее сопротивление заземления ниже 1 Ом, и

• Реализовать комплексное эквипотенциальное соединение по всему объекту.

Эти меры эффективно минимизируют опасности и обеспечивают безопасную и надежную работу современных электрических установок.