Величина напряжений, под которые попадает человек при однофазных замыканиях на электрооборудовании определяет величину тока, проходящего через организм человека и, следовательно, является наряду со временем воздействия критерием электробезопасности. Очевидно, что обоснованно подойти к выбору необходимого времени срабатывания защитных аппаратов можно только на базе оценки величины напряжений прикосновения в схемах с защитным занулением.
Рис. 4-12. Распределение напряжений на корпусе при отсутствии повторных заземлений.
Величина напряжений на элементах электрооборудования, на которых произошло однофазное замыкание, определяется в основном величиной тока замыкания и проводимостью магистрали зануления (нулевого провода). Действительно, при отсутствии в схеме повторных заземлений, фазное напряжение делится в режиме замыкания пропорционально сопротивлениям фазного и нулевого провода (рис. 4-12). При соблюдении принятых ограничений на минимальную проводимость нулевого провода (не менее 50% проводимости фазного) максимальное падение напряжения (В) на нулевом проводе составит:
Рис. 4-13. Напряжение на корпусе при обрыве нулевого провода.
Очевидно, что это и будет максимально возможное напряжение прикосновения, так как зануление применяется только в электроустановках с фазным напряжением 127 и 220. Следовательно, принимая 
, необходимо, чтобы время срабатывания защитных аппаратов не превышало 0,3 с (см. гл. 1).
Однако на практике возможно существенное уменьшение величины напряжений прикосновения посредством повторных заземлений нулевого провода. Известно, что основное назначение повторных заземлений — снижение напряжения на корпусах при обрыве нулевого провода (рис. 4-13). В этом случае при соблюдении принятой нормы сопротивления повторного заземления напряжение на корпусе, связанном с одним повторным заземлением, не будет превышать
где 
— сопротивление повторного заземления нулевого провода.
Таким образом, напряжение на корпусе в этом случае не отличается от напряжения при исправном занулении, однако длительность его воздействия резко возрастает, так как аппарат защитного отключения может вообще не сработать. Соответственно резко возрастает и опасность поражения человека, поэтому следует признать, что единичное повторное заземление нулевого провода не обеспечивает безопасность в случае обрыва нулевого провода. Увеличение количества повторных заземлений снижает их суммарное сопротивление, однако добиться эквивалентных условий безопасности для всего электрооборудования при этом невозможно. Действительно, уменьшая суммарное сопротивление повторных заземлений, можно добиться резкого снижения напряжения прикосновения на оборудовании, размещенном за местом обрыва нулевого провода по отношению к нейтрали (рис. 4-13). При этом возрастает напряжение на заземлении нейтрали и соответственно напряжение на корпусах электрооборудования, связанных с нулевым проводом до места обрыва. Например, при наличии пяти повторных заземлений, напряжение на корпусах за местом обрыва нулевого провода не может превысить 4 В, однако напряжение на корпусах до места обрыва возрастет до 148 В. Невозможно добиться безопасных напряжений прикосновения и за счет одновременного уменьшения сопротивлений заземления нейтрали и повторных заземлений.
Оптимальное сопротивление повторных заземлений не должно быть меньше сопротивления, нормированного для заземления нейтрали. При этом при обрыве нулевого провода напряжение на корпусах до места обрыва и за местом обрыва составит приблизительно 110 В и напряжение неповрежденных фаз незначительно превысит номинальное.
Рис. 4-14. Схема контроля целости нулевого провода и защитного отключения.
Рис. 4-15. Схема контроля целости нулевого провода.
Обрыв нулевого провода (магистрали зануления) — сравнительно редкий случай в практике эксплуатации электроустановок. Тем не менее опасность поражения людей и невозможность обеспечить безопасность при этом посредством повторных заземлений вынуждают искать иные средства защиты. К числу таких средств можно отнести устройство непрерывного контроля целости нулевого провода (рис 4-14) [Л. 33]. Схема функционирует на переменном оперативном токе, получаемом от трансформатора Т. Обмотки защитных реле РЗ включаются на вторичное напряжение посредством дополнительного нулевого провода. Контакты реле РЗ замкнуты и включены в цепь питания катушки магнитного пускателя МП. При обрыве нулевого провода, обмотки реле или обмотки трансформатора отключаются те потребители, у которых обмотки реле окажутся без питания. Таким образом, осуществляется защитное отключение при обрыве нулевого провода с самоконтролем.
Автор схемы считает, что она позволяет осуществить защитное отключение также и при замыканиях на корпус. Для этого вторичное напряжение трансформатора Т должно выбираться таким образом, чтобы сумма оперативного тока и тока однофазного к. з. была меньше тока возврата реле. Однако такая настройка реле сомнительна, поскольку при однофазных замыканиях на корпус диапазон изменения тока замыкания очень широкий. Кроме того, изменяются и напряжения неповрежденных фаз и, следовательно, оперативное напряжение. Селективности в работе защитного отключения по указанной схеме добиться также невозможно (как схема защиты от однофазных замыканий она идентична схемам на токе замыкания, см. гл. 5). Если же использовать схему только для контроля целости нулевого провода, целесообразно несколько изменить ее построение, включая обмотки реле между корпусом и землей (рис. 4-15). Такая схема позволяет отказаться от дополнительного провода. Кроме того, нецелесообразно включать обмотку оперативного напряжения в нейтраль трансформатора, так как при этом существенно увеличивается активное сопротивление в нейтрали.
В условиях нормальной работы системы зануления повторные заземления также играют существенную роль в снижении напряжений прикосновения. Если повторные заземления отсутствуют, весь ток однофазного к. з. проходит к нейтрали трансформатора по нулевому проводу. При наличии хотя бы одного повторного заземления для тока замыкания на участке от нейтрали трансформатора до повторного заземления добавляется электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных сопротивлений заземления нейтрали и повторного заземления. Если величина сопротивления этой цепи (с учетом внешнего индуктивного сопротивления) значительно превышает сопротивление магистрали зануления, изменение токораспределения будет незначительным и не окажет влияния на изменение напряжений прикосновения. Однако в ряде случаев через повторные заземления проходит существенная часть тока замыкания. Этот ток создает на сопротивлении заземления нейтрали падение напряжения U0, на величину которого уменьшается напряжение прикосновения (рис. 4-16,а).
Степень снижения напряжений прикосновения в этом случае зависит от соотношения сопротивлений заземления нейтрали и повторных заземлений, а также от величины проходящего через них тока. Кроме того, напряжения прикосновения дополнительно снижаются из-за малых расстояний от электрооборудования до повторных заземлений. Как видно из рис. 4-16,б, с приближением электрооборудования к заземлителям величина напряжения прикосновения уменьшается, что учитывается введением расчетного коэффициента прикосновения α.
Напряжение на корпусе поврежденного электрооборудования с учетом повторных заземлений составит:
(4-58) где Uн — падение напряжения на участке нулевого провода от повторного заземления до поврежденного электрооборудования; Uп.з —падение напряжения на сопротивления повторного заземления; а — коэффициент прикосновения; φκ — потенциал на корпусах зануленного электрооборудования; φз — потенциал земли в точке прикосновения.
Рис. 4-16. Распределение напряжений прикосновения при повторном заземлении нулевого провода.
Выражение (4-58) хорошо иллюстрируется рис. 4-16, б. Составляющая Uн в условиях производственного помещения — небольшая величина, поскольку расстояние от поврежденного оборудования до повторных заземлений значительно меньше расстояния до нейтрали источника. Поэтому напряжение распределяется пропорционально сопротивлению заземления нейтрали и повторного заземления нулевого провода и при их равенстве (R0=Rп.з=4 Ом) уменьшается вдвое по сравнению со случаем зануления без повторных заземлений, т. е не будет превышать 73 В по формуле (4-57). Это в свою очередь позволяет снизить требования к времени срабатывания защитных аппаратов и принять его равным 1 с.
Рис. 4-17. Схема токораспределения между параллельными участками магистралей зануления.
Однако следует иметь в виду, что для принятия такого решения необходимо изменить существующие нормы повторных заземлений нулевого провода, уменьшая величину их сопротивления до 4 Ом и предусматривая небольшие расстояния до основных групп нагрузок.
В производственных помещениях напряжения прикосновения еще более уменьшаются за счет выравнивания потенциалов, обусловленного металлоконструкциями цеха, связанными с повторными заземлениями. Это уменьшение напряжения прикосновения учитывается в выражении (4-58) коэффициентом прикосновения, который как показывают измерения (табл. 4-6), может достигать значений порядка сотых и десятых долей единицы.
На предприятиях со значительными подземными коммуникациями и большой насыщенностью электрооборудованием зона нулевого потенциала может быть вообще вынесена за пределы производственных помещений. Это характерно для производственных помещений, в которых полы представляют железобетонные перекрытия. Известно, что железобетонные плиты состоят из стального арматурного каркаса, покрытого бетоном. Арматурные каркасы изготовляются из металлической сетки и свариваются контактной точечной сваркой. Между собой и с железобетонными опорами здания каркасы плит связываются металлическими стяжками из круглой стали сечением 10 мм2. При такой конструкции пола создаются идеальные условия для выравнивания потенциалов и коэффициент прикосновения составляет примерно одну сотую, т. е. напряжения прикосновения не превышают 1—2,5 В (табл. 4-6).
Для расчета напряжений прикосновения по формуле (4-58) необходимо знать величину тока, проходящего через повторное заземление.
Задача расчета токораспределения через параллельные участки магистралей зануления возникает и в некоторых других схемах (при параллельной работе трансформаторов, при совмещении нескольких магистралей питания и т. п.). Проведение подобных расчетов осложняется необходимостью учета внешних индуктивных сопротивлений, которые при значительных расстояниях между проводниками могут достигать существенных величин. Рассмотрим методику таких расчетов на примере схемы, представленной на рис. 4-17.
На схеме фазный провод представлен сопротивлением R, а проводники, связывающие корпуса электрооборудования с нейтралью источника, сопротивлениями R1, R2, R3, R4 и R5. Внутренним сопротивлением источника питания условно пренебрегаем с целью упрощения дальнейшего изложения. Часть приведенных связей может располагаться в земле (повторные заземления нулевого провода и т.д.). Для такой системы проводников невозможно установить плоскость симметрии, поэтому задача определения индуктивностей отдельных ветвей схемы неопределенна. Однако решение возможно, если для составления уравнений по 2-му закону Кирхгофа учитывать магнитные потоки контуров, образованные двумя соседними ветвями (положительные направления потоков показаны на схеме стрелками).
Поток, пронизывающий 1-й контур, Ф1, будет определяться выражением
Аналогично определяется поток, пронизывающий 2-й контур;
Полученная система уравнений позволяет определить токи в ветвях схемы.
Для оценки полученных выводов проводилась экспериментальная проверка величины напряжений прикосновения методом осциллографирования токов и напряжений при создании искусственного однофазного к. з. Напряжения прикосновения определялись как разность потенциалов между корпусами электрооборудования и поверхностью пола на различном расстоянии от места однофазного замыкания на корпус. Контакт с полом создавался медной пластиной площадью 20X50 мм, нагруженной массой 80 кг [Л. 34]. Некоторые результаты измерений приведены в табл. 4-6.
Таблица 4-6
Результаты измерения параметров электробезопасности в схемах зануления
Анализируя данные таблицы 4-6, можно сделать следующие заключения:
- на предприятии, где проводились измерения, номинальные данные защитных аппаратов не соответствуют, как правило, требованиям ПУЭ в отношении краткости к току однофазного к. з.;
- время срабатывания защитных аппаратов удовлетворяет требованиям безопасности;
- величина напряжений прикосновения ограничена высокими значениями коэффициента прикосновения. Измерения, проведенные на втором этаже производственного здания с железобетонными перекрытиями, дали минимальные значения напряжений прикосновения.
Измерения проводились в производственных подразделениях давно сложившегося предприятиях, в которых насыщенность металлом очень высокая. В практике эксплуатации зануления возможны более неблагоприятные случаи, когда напряжение прикосновения будет выше. Несмотря на это, снижение напряжений прикосновения посредством повторных заземлений нулевого провода является важным фактором повышения эффективности защиты занулением. Можно считать, что зануление осуществляет защиту человека при однофазных замыканиях на корпус путем снижения напряжений прикосновения и ограничения длительности их воздействия. Если обеспечить величину напряжений прикосновения и время их воздействия, отвечающими критериям электробезопасности, зануление будет вполне эффективной мерой защиты, отличающейся простотой устройства и высокой надежностью.