17.8. Порядок розрахунку

17.8.1. На заданій мінімальній площі з розмірами (а х в) м² конструктивно виконується заземлювальна сітка відповідно до рекомендацій (п. 17.3.1 і 17.3.3).

Поздовжні магістралі заземлювальної сітки розташовуються уздовж рядів обладнання відповідно до плану підстанції, поперечні - із змінним кроком чарунки. Оскільки при виконанні завдань план підстанції не надається, тому сторона а умовно поділяється на ціле число чарунок із шагом а = 6 м. Остача від ділення а/6 виявляє частину території, не охоплену ЗП.

17.8.2. Опір заземлювальної сітки обчислюється за формулою Лорана:

, (17.6)

де ρ₁ - питомий опір верхнього шару ґрунту, в який занурені горизонтальні заземлювачі,

ρ₂ - питомий опір нижніх шарів.

При більш загальному підході:

ρ₂ - середнє із нижчих значень питомих опорів ґрунту, виміряних на майданчику в сухий період року при великій відстані між вимірювальними електродами;

ρ₁ - найвище значення питомого опору ґрунту, виміряне в тих же умовах при малих відстанях між вимірювальними електродами.

а) Для багатошарових ґрунтів необхідно використовувати методику приведення до двошарової моделі.

б) Для однорідного ґрунту з заданим ρ приймаємо ρ₁=к_с^.ρ, а ρ₂=ρ;

D_э – еквівалентний діаметр кола, що має площу, рівну площі, займаній заземлювачем:

D_э = ; (17.7)

де L – загальна довжина горизонтальних електродів (поздовжніх і поперечних), м.

17.8.3. Якщо R_с > R_норм, відповідно до рекомендацій (п. 17.3.2) споруджуємо вертикальні заземлювачі.

Опір розтіканню одного вертикального заземлювача визначається за відповідною формулою (табл. 17.6)

Таблиця 17.6

Розрахункові формули для опору розтікання штучних заземлювачів.

Заземлю-вач	Розташування	Опір розтікання	Умови	Примітки
Півкуля: діаметр D
Кругла пластина на поверхні землі: діаметр D
Труба: діаметр d довжина L			l>>d/2
Довгий електрод: довжина l діаметр d			l>>d	Для полос шириною b, d=b/2
Кільце-вий електрод: діаметр кільця D діаметр електро-да d			l>>d	Для полос шириною b, d=b/2
Куля в землі: діаметр D глибина заляган-ня t			t>>D/2
Кругла пластина в землі: діаметр D глибина заляган-ня t			t>>D/2
Труба в землі: діаметр D глибина заляган-ня t Довжина L			L>>d t>>L/4
Довгий електрод Діаметр електрода d Глибина заляган-ня t Довжина L			l>>d t<<l/4	Для полос шириною b, d=b/2
			l>>d t>>l/4
Кільце-вий електрод Діаметр кільця D Діаметр електрода d Глибина заляган-ня t			D>>d t<<D/2	Для полос шириною b, d=b/2
			D>>d t>>D/2

а) Розрахунковий питомий опір багатошарової структури ґрунту визначається на основі усереднювання провідності за формулою:

ρ_ср = , (17.8)

де ρ_i, h_i – питомі опори і товщини окремих шарів, що входять в еквівалентний діаметр.

б) Для однорідного ґрунту з урахуванням зміни ρ в межах робочого шару:

, (17.9)

буде:

, (17.10)

де Н – область землі, що ефективно бере участь у відведенні струму із заземлювача.

Для вертикальних електродів:

Н = 1,4l_в; (17.11)

h₁ = h_сз , (17.12)

де l_в- довжина вертикального електрода.

Тоді:

. (17.13)

17.8.4. Результативний опір n вертикальних електродів, розміщених по периметру заземлювальної сітки, визначається так:

, (17.14)

де r_в – опір розтіканню одного вертикального заземлювача;

n – число вертикальних заземлювачів;

ή_в - коефіцієнт використання.

Число вертикальних заземлювачів:

, (17.15)

де Р – периметр заземлювальної сітки;

а₁ – крок (відстань) між вертикальними електродами.

Периметр заземлювальної сітки, який визначається як

Р ≤ 2 (а+в). (17.16)

Крок (відстань) між вертикальними електродами приймається таким

а₁/l_в≥1. (17.17)

Значення коефіцієнта використання вертикальних електродів ή_в = f (n, а₁/l_в) приймаємо по табл. 17.7.

Таблиця 17.7

Значення коефіцієнтів використання вертикальних електродів, розміщених в ряд (без врахування впливу смуги зв'язку)

Число електродів	Значення ηв при а1/lв, рівному
	1	2	3
2 3 5 10 15 20	0,84 - 0,87 0,76 - 0,8 0,67 - 0,72 0,56 - 0,62 0,51 - 0,56 0,47 - 0,5	0,90 = -0,92 0,85 - 0,88 0,79 - 0,83 0,72 - 0,77 0,66- 0,73 0,65 - 0,7	0,93 - 0,95 0,9 - 0,92 0,85 - 0,88 0,79 - 0,83 0,76 - 0,80 0,74 - 0,79

17.8.5. Опір заземлювального контуру підстанції, що складається з сітки та вертикальних електродів по периметру:

, (17.18)

де ή_к – коефіцієнт використання системи сітка та вертикальних електродів ή_к=0,9.

17.8.6. Визначаємо опір розтіканню природних заземлювачів.

Виконаємо розрахунок деяких природних заземлювачів, які застосовуються відповідно до рекомендацій п. 17.3.4.

а) Опір розтіканню системи "трос-опоры" R_т-оп однієї ПЛ.

Опір R_т-оп при числі опор з тросом більше 15 розраховується за формулою:

, (17.19)

де R_т – опір троса в одному прольоті (при двох тросах приймається )

R_oп – опір розтіканню заземлювача однієї опори.

З достатньою точністю (± 10 %) можна розрахувати R_т-оп за спрощеною формулою:

. (17.20)

Значення опору 1 м троса r_т наведені в табл. 17.8.

Таблиця 17.8

Значення опору розтікання сталевих тросів r_т.

Перетин троса, мм2	35	50	70
Опір 1 м троса, Ом	0,005	0,003	0,002

При числі опор менше 15 опір системи трос - опори, Ом:

, (17.21)

де n – число опор із тросами.

б) Опір оболонок кабелів:

R_каб = 0,01 ρ , (17.22)

де ρ – питомий опір ґрунту, що приймається рівним питомому опору підстилаючого шару електричної структури ґрунту на майданчику підстанції, Ом;

– опір розтіканню оболонок кабелю в ґрунті з питомим опором ρ = 100 Ом/м (наведено в табл. 17.9).

Таблиця 17.9

Значення опору металевих оболонок кабелів у ґрунті з ρ= 100 Ом/м

Число кабелів, шт.	1	2	3
, Ом	2,0	1,5	1,2

Примітка. Прокладені в одній траншеї декілька кабелів при розрахунку беруться за один.

в) Опір неізольованого металевого трубопроводу визначається за формулою, Ом:

, (17.23)

де l_т – довжина трубопроводу, м (при розрахунку приймається l_т ≤ 200 м);

d – зовнішній діаметр трубопроводу, м;

t – глибина закладання трубопроводу в ґрунті, яка дорівнює відстані від поверхні ґрунту до осі труби, м;

ρ – питомий опір ґрунту, що приймається рівним питомому опору підстилаючого шару електричної структури ґрунту на майданчику підстанції, Ом/м.

г) Опір розтіканню трубопроводів (при довжині до 2 км) можна визначити за формулою, Ом:

, (17.24)

де ρ - питомий опір ґрунту, Ом.м

l_т – довжина трубопроводу, м;

r₀ – зовнішній радіус трубопроводу, м;

t – глибина закладання трубопроводу в ґрунті, яка дорівнює від поверхні ґрунту до осі трубопроводу, м.

д) Опір розтіканню кабелів (та трубопроводів l_т ≥ 2 км) можна визначити за виразом, Ом:

, (17.25)

де r – опір розтіканню 1 м погонної довжини заземлювача (r=R/l), Ом;

l – довжина заземлювача (кабелю), м;

r_р – активний опір 1 м погонної довжини заземлювача (оболонки кабелю), Ом.

Значення r_р для силових трижильних кабелів наведені у табл.17.10.

е) Опір розтіканню обсадних труб визначається за виразом, Ом:

, (17.26)

де l_тр – довжина труби, м;

d – зовнішній діаметр труби, м;

ρ_р – розрахунковий питомий опір землі, Ом/м.

Таблиця 17.10

Значення активних опорів r_р оболонок силових кабелів (t = 0,7 м)

Марка кабе-лю	Перетин, мм2	Активний опір 1 м погонної довжини броні та оболонки, rр 10-4, Ом
		Напруга, кВ
		3	6	10	20	35
СБГ СБГ СБГ	3х70 3х95 3х120	14,7 12,8 11,7	11,3 10,9 9,7	10,1 9,4 8,5	4,4 4,1 3,8	2,6 2,4 2,3

17.8.7. Встановивши можливість використання природних заземлювачів і визначивши провідність розтікання кожного з них, знайдемо провідність розтікання, яку необхідно забезпечити за допомогою штучних заземлювачів:

G_n = G_норм – G_нат, (17.27)

де G_n – провідність штучних заземлювачів, рівна ;

G_норм – нормоване значення провідності, G_норм =

G_нат – провідність природних заземлювачів, G_пр = ( + + +. . .) = .

По величині G_n визначаємо необхідне значення опору R_n штучних заземлювачів.

а) Якщо R_n > R_k (п. 17.6.5), то слід скоротити кількість вертикальних електродів до мінімально можливого, (а₁/l= 3-4), якщо при цьому зберігається нерівність R_n > R_k.

б) Якщо R_n > R_k, то слід передбачити додаткові засоби зниження опору заземлювального пристрою підстанції:

- спорудження глибинних заземлювачів, якщо на майданчику підстанції на глибині до 50 м виявлений водоносний (або інший добре провідний) шар ґрунту;

- спорудження виносного контурного заземлювального пристрою;

- обробку ґрунту в місці спорудження ЗП з метою зниження її питомого опору.

17.8.8. Розраховуємо опір розтіканню глибинних заземлювачів.

В якості глибинних заземлювачів використовуються зазвичай обсадні труби діаметром 0,1 м завдовжки до 5 м, занурені в шар доброї провідності ρ=(20 - 50) Ом.м. Зв'язок глибинних електродів з контуром ЗП виконується кабелем або дротом, опір якого можна не враховувати.

Розрахунок опору розтіканню одного глибинного заземлювача виконується за формулою для вертикального електрода (табл. 17.6):

G_гл = G_норм – G_рез, (17.28)

G_норм = G_рез ; (17.29)

G_рез = = + , (17.30)

Провідність глибинних заземлювачів визначається як

G_гл = , (17.31)

де R_гл – опір розтіканню одного глибинного заземлювача,

N – число глибинних електродів.

Наведений вираз в одиницях провідності можна записати через опори. Тоді

. (17.32)

На основі досвіду проектування з міркувань економічної доцільності приймається N≤ 6.

17.8.9. Розраховуємо виносні заземлювачі.

При розрахунку виносних заземлювачів слід розрізняти два випадки:

а) потрібно визначити опір виносного заземлювача при заданих геометричних розмірах локального заземлювача;

б) потрібно визначити геометричні параметри локального заземлювача, при яких використання виносного заземлювача забезпечує відповідність розрахункових значень електричних характеристик ЗП їх нормованим величинам.

Опір виносного заземлювача R_в, Ом, визначається за виразами:

при виконанні зв'язку горизонтальними заземлювачами:

, (17.33)

при виконанні зв'язку повітряною лінією

R_в = R₀ + R_ВЛ, (17.34)

при виконанні зв'язку кабельною лінією

, (17.35)

де R₀ – опір локального заземлювача, Ом;

R_г, R_ВЛ, R_каб – поздовжній опір зв'язку, виконаного відповідно горизонтальними заземлювачами, повітряною або кабельною лінією, Ом;

ρ – питомий опір ґрунту, що приймається рівним питомому опору підстилаючого шару електричної структури ґрунту на майданчику, де споруджується локальний заземлювач, Ом/м.

Опір локального заземлювача R_о визначається відповідно до його розмірів і конфігурації.

Параметри електричної структури ґрунту приймаються за результатами передпроектних досліджень на місці спорудження локального заземлювача для того розрахункового сезону, для якого проводиться розрахунок ЗП підстанції.

Поздовжній опір зв'язку, виконаного горизонтальними заземлювачами, визначається за формулою, Ом:

, (17.36)

де l_г – довжина зв'язку, м;

Fг – площа перетину горизонтальних заземлювачів;

n_г – кількість горизонтальних заземлювачів.

Поздовжній опір зв'язку, виконаного повітряною лінією, Ом:

, (17.37)

де r_ВЛ – електричний опір 1 м проводів повітряної лінії, Ом/м (визначається по табл. 17.11);

n_пр – кількість проводів повітряної лінії, шт.;

l_л - її довжина, м.

Таблиця 17.11

Значень електричного опору 1 м проводів повітряної лінії

Марка проводів	А-35	А-50	А-70	А-90	А-120
rвл, Ом/м	0,00092	0,00065	0,00045	0,00033	0,00027

Поздовжній опір зв'язку, виконаного кабельною лінією, Ом:

R_каб = r_k l_k, (17.38)

де r_k – електричний опір 1 м кабелю, Ом/м (визначається по табл. 17.12);

l_k – довжина кабелю, м.

Таблиця 17.12

Значення електричного опору 1 м кабелів

Перетин жили, м2	Одножильні кабелі з жилами		Трижильні кабелі з жилами
	з міді	з алюмінію	з міді	з алюмінію
10 16 25 35 50 70	0,00184 0,00115 0,00074 0,00052 0,00037 0,00026	0,0031 0,00194 0,00124 0,00089 0,00062 0,00044	0,00061 0,00038 0,00024 0,00017 0,00012 0,00008	0,001 0,0007 0,0004 0,0003 0,0002 0,00014

Вибір геометричних параметрів локального заземлювача проводиться в результаті розрахунку його опору. При відомих розрахункових значеннях електричних характеристик ЗП необхідне значення опору локального заземлювача R_{0 доп} визначається за виразами, Ом:

- для досягнення нормованого опору ЗП підстанції

, (17.39)

- для досягнення нормованої напруги дотику

; (17.40)

- для досягнення нормованої напруги на ЗП

, (17.41)

де R_св – поздовжній опір зв'язку;

R_з - опір ЗП підстанції, отриманий на першому етапі розрахунку без врахування виносного заземлювача, Ом;

R_норм – нормований опір розтіканню ЗП, Ом;

U_норм – нормована напруга на ЗП підстанції, В;

U_{д доп} – нормована напруга, дотику, В.

17.8.10. У тих випадках, коли для досягнення нормованого опору розтіканню R_норм потрібна споруда N > 6 глибинних електродів або неможлива споруда виносного заземлювача, замість цих засобів застосовують обробку землі за допомогою "бентоніту". Тоді значення питомого опору сітки у формулі Лорана знижується в 3-4 рази, значення ρ₁ при цьому не міняється (див. п. 2 п. 17.6.2).