Требования к сопротивлению заземлителя

Сопротивления заземления, согласно ПУЭ, нормируются в зависимости от напряжения электроустановки. В электроустановках напряжением до 1000 В сопротивление заземления должно быть не более 4 Ом. Если же суммарная мощность источников (трансформаторов, генераторов), подключенных к сети, не превышает 100 кВА, сопротивление должно быть не больше 10 Ом. В электроустановках напряжением выше 1000 В с малым током замыкания (менее 500 А) допускается сопротивление заземления не более 10 Ом, а с большим (более 500 А) - не выше 0,5 Ом. В подземных выработках шахт общее сопротивление сети заземлителя, измеренное у любых заземлителей, не должно превышать 2 Ом.

Порядок расчета

Задача расчета – определить конфигурацию заземлителя, число, длину и другие параметры, образующих его элементов, а также составить план заземлителя.

Исходные данные включают характеристику электрооборудования (тип, виды электрооборудования, рабочие напряжения, электрическая мощность и режим нейтрали источника питания и т.п.), размещение оборудования в цехе или на участке (размеры цеха или участка, их план и т.п.), сведения о естественных заземлителях (их количество, гальваническая целостность, размеры, глубина заложения, взаимное расположение и т.п.).

Расчет выполняется в следующей последовательности.

1. Определить максимально допустимое (нормативное) значение сопротивления заземлителя R_н по ПУЭ. При этом учитывается характеристика электрооборудования, тип, рабочее напряжение, мощность, режим нейтрали источника питания и другие параметры.

2. Определить расчетное удельное сопротивление грунта ρ в котором будут размещаться электроды заземлителя. Сопротивление грунта может изменяться в широких пределах в зависимости от типа грунта и времени года. Величина ρ находится по формуле

, Ом·м, (1)

где ρ_табл - удельное сопротивление грунта, выбираемое по табл.1, а климатический коэффициент, принимаемый по табл.2.

Таблица 1

Значения удельных сопротивлений грунтов ρ_табл

Рис.3 Способы размещения электродов группового заземлителя

(вид в плане)

а – вертикальные электроды размещены в ряд; б – вертикальные электроды размещены по контуру; в – горизонтальные электроды уложены параллельно друг другу на одинаковой глубине.

1 – вертикальный электрод; L - длина заземлителя; d – диаметр заземлителя; t_o – величина заглубления конца заземлителя от поверхности земли; t - расстояние от поверхности земли до середины заземлителя.

Обычно в качестве вертикальных электродов используют стальные прутки диаметром 10-15 мм и длиной до 10м, некондиционные стальные трубы диаметром 30-50мм, а также угловую сталь размером от 40x40 до 60x60 мм² и длиной 2-3м, соединенные полосковой сталью сечением не менее 48 мм².

7. Определяем сопротивление растеканию тока одного электрода R_э. Соответствующие расчетные формулы в зависимости от типа, размеров и расположения электрода приводятся в специальной справочной литературе. Для выбранного электрода расчет R_э выполняется по формуле:

, (5)

где ρ - удельное сопротивление грунта, полученное в п.2, L - длина электрода (L >> d), d – диаметр электрода, . Для уголка с шириной b принимается эквивалентный d = 0,95b.

Поскольку электроды находятся на достаточно близком расстоянии друг от друга, они оказывают взаимовлияние на растекание тока в грунте. Поэтому реальное сопротивление одного электрода оценивается величиной ,

где - коэффициент использования вертикального электрода группового заземлителя (табл. 3).

Таблица 3

Коэффициент использования вертикальных электродов группового заземлителя (труб, уголков и т.п.) без учета влияния полосы связи

8. Определяется предварительное количество n вертикальных электродов в искусственном заземлителе по формуле

, (6)

где L_гор - длина горизонтального соединяющего электрода, обеспечивающего гальваническую связь всех вертикальных электродов в искусственном заземлителе; - расстояние между соседними электродами, которое согласно табл.3 может приниматься равным одной, двум или трем длинам вертикальных электродов . Значение L_гор принимается с использованием плана устройства искусственного заземлителя.

9. Разместив вертикальные электроды на плане определяем общее электрическое сопротивление вертикальных электродов по формуле (электроды считаются включенными параллельно)

, (7)

В настоящем пособии предусматривается использование распространенной заглубленной полосы, схема которой приведена на рис. 5.

Рис. 5 Схема расположения горизонтального электрода в грунте

1 – горизонтальный электрод; d – диаметр электрода; t – величина заглубления середины электрода от поверхности земли; L - длина электрода.

Сопротивление полосы рассчитывается по формуле

, (8)

, для колонны или полосы (b - ширина полосы)

Длина соединительной полосы L определяется по принятому плану размещения вертикальных электродов. Если n электродов размещены в ряд, то значение L=1,05·(n-1)·a, где а – принятое по табл.3 расстояние между соседними вертикальными электродами. При расположении электродов по контуру L=1,05·n·a. Коэффициент 1,05 отражает запас на возможное увеличение длины полосы.

С учетом условий растекания тока в грунте расчетное сопротивление полосы корректируется коэффициентом использования горизонтальной полосы , определяемым по табл. 4. Коэффициент так же, как и коэффициент , отражает условия растекания тока в грунте. Реальное сопротивление горизонтальной полосы оценивается величиной

. (9)

Общее сопротивление горизонтальной полосы .

Таблица 4

Коэффициенты использования горизонтального полосового электрода, соединяющего вертикальные электроды (трубы, уголки и т.п.) группового заземлителя

11. Рассчитывается общее сопротивление искусственного заземлителя R_ио, состоящего из вертикальных электродов с общим сопротивлением и горизонтальной соединительной полосы с общим сопротивлением . Полагая их соединенными параллельно, общее сопротивление R_ио находится по формуле

.(10)

Последнее выражение при подстановке выражений (7) и (9) после очевидных преобразований принимает вид

. (11)

При значительной протяженности присоединительных проводников, прокладываемых к искусственному заземлителю (свыше нескольких десятков метров) полученную величину R_ио увеличивают на величину сопротивления последовательно присоединенных проводников.

Окончательно, полученное общее сопротивление заземлителя, состоящего из естественного заземлителя с R_e и искусственного заземлителя с R_ио не должно превышать допустимого значения R_н, т.е. должно обеспечиваться соотношение

. (12)

В противном случае необходимо внести изменения в конструкцию и/или параметры заземлителя, обеспечивающие снижение его сопротивления, и расчет повторить.

Расчет защитного заземления допускает множество вариантов решения, выбираемых с учетом конкретных особенностей объекта, его расположения, имеющихся материалов, параметров и т.д.

В заключение расчета приводится схема размещения заземлителя.

Пример расчета

Требуется заземлить оборудование подстанции в Подмосковье. Грунт – глина. Вблизи заземляемого помещения находится трубопровод длиной 30м с диаметром 0,1м, заглубленный на 0,2м. Размер помещения в плане 15х4м². В качестве искусственных заземлителей предполагается использовать вертикальные электроды длиной 2.5м, диаметром 0.015м заглубленные на 0.8м, а для их соединения - стальную полосу сечением 40x4мм².

1. Определяем требуемое допустимое сопротивление заземления в соответствии с ПУЭ: R_н = 4 Ом.

2. Определяем расчетное удельное сопротивление грунта ρ, в котором будут размещаться электроды заземлителя. Значение удельного сопротивления глины ρ_табл = 60 Ом ·м. Заземляемое помещение находится во II климатической зоне. Для устройства заземлителя предполагается использование вертикальных заглубленных электродов длиной 2.5м. Следовательно удельное сопротивление грунта Ом·м.

3. Определяем возможность использования для устройства заземлителя существующих естественных заземлителей. В качестве такового используем находящийся вблизи трубопровод с указанными параметрами. Рассчитаем сопротивление трубопровода по формуле (2).

R_тр = 5,63 Ом

Таким образом сопротивление естественного заземлителя R_e = 5,63Ом, что больше допустимого значения R_н = 4 Ом и означает необходимость устройства дополнительного искусственного заземлителя.

4. Определяется требуемое сопротивление искусственного заземлителя R_и.

13,82 Ом

5. Определяем предварительную конфигурацию заземлителя. Принимаем расположение вертикальных заземлителей в ряд, как приведено на рис.3а.

6. Выбираем тип и размеры одиночного заземлителя. В качестве такового примем вертикальные электроды длиной 2,5м, диаметром 15мм, заглубленные на 0,8м.

7. Определяем предварительное количество вертикальных электродов в искусственном заземлителе n по формуле (6) 6 шт. L_гор = 15м - длина горизонтального соединяющего электрода, обеспечивающего гальваническую связь всех вертикальных электродов в искусственном заземлителе, принятая по конструктивным соображениям с учетом плана расположения подстанции и места расположения заземлителей в ряд. При a=L расстояние между соседними электродами равняется 2,5м.

8. Определим сопротивление одного вертикального электрода по выражению (5)

38,62 Ом.

Реальное сопротивление одного электрода оценивается величиной Ом, где - коэффициент использования вертикального электрода группового заземлителя (табл. 3), соответствующий предполагаемому числу электродов 6 и отношению расстояния между вертикальными электродами к их длине равной 1.

9. Разместив вертикальные электроды на плане (в ряд) определяем общее электрическое сопротивление вертикальных электродов по формуле (7)

9,90 Ом.

10. Определяем электрическое сопротивление горизонтальной соединительной полосы R_г, сечением 20x4мм обеспечивающей гальваническое соединение всех вертикальных электродов. Длина соединительной полосы L определяется согласно принятому плану размещения вертикальных электродов. Для 6 электродов, размещеныx в ряд, L=1,05·(6-1)·2,5 = 13,13м

11,15 Ом.

С учетом условий растекания тока в грунте расчетное сопротивление полосы корректируется коэффициентом использования горизонтальной полосы = 0.72 , определяемым по табл. 4 и реальное сопротивление горизонтальной полосы оценивается величиной Ом. Общее сопротивление горизонтальной полосы =15,49 Ом. 11.Рассчитывается общее сопротивление искусственного заземлителя R_ио, состоящего из вертикальных электродов с общим сопротивлением = 9,90 Ом и горизонтальной соединительной полосы с общим сопротивлением = 15,49 Ом.

Ом

12. Проверяем условие: окончательно полученное общее сопротивление заземлителя не должно превышать нормативного значения Rн=4 Ом, т.е. должно обеспечиваться соотношение

< 4 Oм.

Полученное значение общего сопротивления существенно меньше допустимого. Поэтому можно выполнить пересчет, приняв меньшее число вертикальных электродов. Эскиз схемы заземлителя может быть представлен в следующем виде.

Рис. 6. Схема размещения заземляющего устройства

1 – контру подстанции; 2 – соединительная горизонтальная полоса; 3 – заземляемое электрооборудование; 4 – естественный заземлитель (труба); 5 – вертикальные электроды искусственного заземлителя.

Контрольные вопросы

1. Назовите технические меры защиты от поражения электрическим током, применяемые в электроустановках.

2. Какое устройство именуют защитным заземлением?

3. Как устроено защитное заземление и в чем заключается принцип его действия?

4. Какие факторы учитываются при нормировании величины сопротивления защитного заземления?

5. В каких случаях не требуется устройства искусственного защитного заземления?

6. Какие конструктивные особенности устройства защитного заземления Вы знаете?

7. Каким образом и почему устройство защитного заземления зависит от сопротивления грунта?

8. Возможны ли для заземления электрооборудования различные конструктивные решения по устройству защитного заземления?

Список литературы:

1. Инженерные расчеты систем безопасности труда и промышленной экологии. Под ред. проф. А.Ф.Борисова. Нижний Новгород, 2000. С.57-66.

2. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). –М.: Энергоатомиздат, 1998.

3. ГОСТ 12.1.030 – 81 ССБТ «Электробезопасность. Защитное заземление, зануление».

Таблица 5

Варианты заданий.

Принятые сокращения: р – в ряд, к – по контуру, ф – фундамент, с – свая, т – трубопровод.

Поиск по сайту: