2. Алгоритм расчёта защитного заземления.

Расчет заземления электроустановок напряжением до 1 кВ, а также свыше 1 до 35 кВ включительно выполняют обычно методом коэффициентов использования по допустимому сопротивлению заземлителя растеканию тока. При этом допускается, что заземлитель размещен в однородной земле.

Цель расчета: Определение количества и длины вертикальных заземлителей , длины горизонтальных соединительных элементов и схемы размещения в земле, при которых сопротивление заземляющего устройства растеканию тока или напряжение прикосновения при замыкании фазы на заземленные части электроустановок не превышают допустимых значений.

Порядок расчета.

1. Определяют расчетный тока замыкания по формуле:

I₃ = U_л ∙ (35 l_к+l_в) / 350, А, (4)

2. Определяют и рассчитывают необходимое сопротивление заземляющего устройства R_з в соответствии с табл. 1. В случае, если R_з больше допустимого значения, то в дальнейших расчетах R_з принимают равным допустимому значению.

Таблица 1

Сопротивления защитных заземлителей в электрических установках

Характеристика установок	Допустимое сопротивление заземлителей Rз, Ом
Установки напряжением выше 1000 В. Защитное заземление в установках с большими токами замыкания на землю (IЗ > 500 А)	RЗ ≤ 0,5
Заземляющее устройство одновременно используется для установок напряжением до и выше 1000 В ( Iз < 500 А)	RЗ = 125 / IЗ ≤ 4
Заземляющее устройство используется только для установок выше 1000 В и током замыкания на землю IЗ < 500 A	RЗ = 250 / IЗ ≤ 10
Электроустановки напряжением 380 / 220 В	RЗ ≤ 4

3. Определяют расчетное удельное сопротивление грунта ρ_р:

ρ_р = ρ_изм ∙ Y , Ом ∙ м (5)

где ρ_изм – удельное электрическое сопротивление грунта, полученное измерением или из справочной литературы (табл.2.3.2);Y - коэффициента сезонности, значение которого зависит от климатической зоны; (для четвертой климатической зоны со средними низшими температурами в январе от 0 до – 5 ⁰С и высшими в июле от +23 до +26 ⁰С Y= 1,3).

При высоком удельном сопротивлении земли применяют способы искусственного снижения ρ_изм в целях уменьшения размеров и количества используемых электродов и площади территории, занимаемой заземлителем. Существенного результата достигают химической обработкой области вокруг заземлителей с помощью электролитов, либо путем укладки заземлителей в котлованы с насыпным углем, коксом, глиной.

Таблица 2

Приближенные значения удельного электрического сопротивления

различных грунтов, Ом∙м

Вид земли и воды	ρизм, Ом∙м	Вид земли и воды	ρизм, Ом∙м
Кокс, коксовая мелочь	2–5	Пахотная земля, смешанный грунт	20–80
Торф	10–30	Почва	10–300
Садовая земля	20–60	Супесь водонасыщенная (текучая)	20–60
Чернозем	10–50	Супесь влажная (пластинчатая)	100–200
Каменный уголь	100–150	Супесь слабовлажная (твердая)	200–400
Известняк пористый	150–200	Песок при глубине залегания вод менее 5 м	300–700
Глины пластиночные	3–80	Песок при глубине залегания вод 6–10 м	500–1500
Глины полутвердые	40–80	Суглинок полутвердый (слабовлажный)	5–150
Суглинок пластичный (влажный)	5–40	Гравий, щебень	4000–7000

4. При использовании искусственных заземлителей вначале выбирают материал, тип и размеры заземлителей.

В качестве заземлителей применяют стальные трубы с толщиной стенок 35 – 50 мм, длиной 2 – 3 м; угловую сталь толщиной не менее 4 мм; прутковую сталь диаметром не менее 10 мм, длиной до 10 м. Заземлители размещают в земле вертикально на глубине 0,5 – 0,8 м и соединяют при помощи сварки горизонтальной металлической полосой шириной 20-40 мм.

             

а) б)

Рис. 5. Схематическое изображение заземлителей: а – стержневой (трубчатый);

б – уголковый.

Сопротивления одиночного вертикального стержневого заземлителя, заглубленного ниже уровня земли на t₀ ,м определяется по формуле:

, Ом (6)

где: ρ_р – расчетное удельное сопротивление грунта, Ом м;

l – длина стержня, м;

d – диаметр стержня, м;

t – расстояние от поверхности земли до середины заземлителя, м;

t₀ – глубина забивки заземлителя, м.

5. Определяют приближенное число заземлителей:

, шт (7)

где R_з – допустимое сопротивление защитного заземления

(по табл. 1), Ом.

6. По приближенному числу заземлителей – n и по отношению расстояния между заземлителями а к длине вертикального заземлителя l, определяют коэффициент использования заземлителей η_из (табл. 3); а/ l принимают равным 1; 2; З.

7. Предварительное определение количества заземлителей:

, шт. (8)

8. Сопротивление полосы (без учета коэффициента использования полосы), соединяющей одиночные вертикальные стержни заземлителя определяется по формуле:

, Ом (9)

где: b – ширина полосы, равная 20– 40 мм; l₁ – длина полосы, соединяющей заземлители по контуру равна периметру Р, м (рис. 6).

Если предварительное количество заземлитетей n_з ≤ 20, то заземлители располагаются в ряд. В этом случае длина соединительной полосы определяется по формуле:

(10)

где a – расстояние между заземлителями ;

а = (1÷3) · l; l – длина вертикального заземлителя.

0,8 t

b

Рис. 6 – Схема заложения полосы.

9. Сопротивление соединительной полосы с учетом коэффициента использования (табл. 4):

, Ом (11)

10. Уточняется необходимое сопротивление вертикальных стержневых заземлителей с учетом сопротивления полосы:

, Ом (12)

11. Уточненное количество заземлителей с учетом коэффициента использования заземлителей, определяется по формуле:

, шт (13)

12. Выполняется схема защитного заземления в соответствии с результатами и исходными данными расчета (Рис. 4 а, б).

13. Определить полное сопротивление заземляющего устройства (заземлителей и соеденительных полос) по формуле:

(14)

где - коэффициент использования соединительной полосы, определяется по таблице 4; - коэффициент использования заземлителей. При вертикальных заземлителях принимается из таблицы 3, при горизонтальных полосовых заземлителях – из таблицы 4.

Если полученное значение полного сопротивления защитного заземления значительно меньше (в два и более раз) допустимого сопротивления необходимо уменьшить количество заземлителей, или изменить их размеры, или выбрать грунт с большим удельным сопротивлением.

Заземляющее устройство представляет собой конструкцию куда входят: металлический проводник, находящийся в контакте с землей; заземляющие проводники соединяющие части электроустановки с заземлителями; металлические полосы, связывающие сами заземлители.

Различают два типа заземляющих устройств:

- выносное (сосредоточенное)

- контурное (распределенное)

Выносное заземляющее устройство характеризуется тем, что заземлитель выносится за пределы производственной площадки на которой размещено заземляющее оборудование, или сосредоточен на некоторой части этой площади.

Применяется лишь при малых значениях тока замыкания на землю, в частности установках U=1000 В.

Контурное заземляющее устройство характеризуется тем, что одиночные заземлители размещаются равномерно по периметру на котором находится заземляющее оборудование, или распределены по всей площадке по возможности равномерно.

Если выносное заземление защищает только за счет своего малого сопротивления, так как используется большое количество одиночных заземлителей, то при контурном заземлители поля растекания тока от заземлителей накладываются друг на друга и любая точка поверхности грунта внутри тока имеет значительный потенциал.

При этом разность потенциалов между точками внутри контура будет снижена и в этом случае, ток проходящий через человека при его прикосновении к корпусу эл.установки будет меньше, чем при выносном заземлении.

Защитное зануление.

Назначение зануления: устранение опасности поражения эл.током при прикосновении к корпусу электроустановки или других нетоковедущим частям, оказавшимся под напряжением, при замыкании фазы на корпус или землю.

Принципиальная электрическая схема зануления:

Схема зануления предусматривает глухое заземление нейтрали или вывода источника однофазного тока, нулевой защитный проводник и повторное заземление нулевого защитного проводника.

Нулевой защитный проводник в схеме предназначен для обеспечения необходимого для отключения эл.установки тока, короткого однофазного замыкания на корпус, путем создания тока цепи с малым сопротивлением.

Функции замыкания нейтрали.

Заземленные нейтрали источника тока имеет цели снижения напряжения зануленных корпусов и нулевого защитного проводника относительно земли до безопасного значения.

Назначение повторного заземления имеет целью:

Снижение напряжения зануленных корпусов эл.установок относительно земли в период замыкания фазы на корпус. (как в случае неисправной работы и обрыва)

Принцип действия зануления заключается в превращении замыкания фазного проводника на проводе в однофазное короткое замыкание. Для того, чтобы вызвать большой ток, способный обеспечить быстрое срабатывание защиты и отключение её питания. В аварийный период , т.е с момента возникновения замыкания на корпус и до автоматического отключения аварийной установки, заземление электроустановок через нулевой защитный проводник снижает напряжение между корпусом и землей.

Область применения:

Трехфазные четырехпроводные сети U ~1000 В с глухо заземленной нейтралью, а так же с глухо заземленным выводом источника однофазного тока. Зануление ЭУ следует выполнять в тех же случаях, что и заземление защитное. Выполнение зануления сводится к заземлению нейтрали и повторному заземлению, а так же соединения нейтрали с зануляемой частью оборудования.

Требования к нулевым защитным проводникам.

Нейтраль трансформатора U<100 В присоединена к заземлителю определенного сечения, который обычно нужно рассчитать. Существуют нормативные значения заземления.

Расчет защитного зануления:

1. Заключается в определении площади сечения защитного нулевого проводника.

2. Определяем ток каждого замыкания, который сравнивается с номинальным током, который дан в паспорте на плавкую вставку предохранителя Jкз>Jном.

3. Определяем соответствие зануления требования ПУЭ.

Дополнительно рассчитываем значение нейтрали.

Защитное отключение.

Это быстро действующая защита, обеспечивающая автоматическое отключение при возникновении в ней опасности поражения эл.током. Устройство защитного отключения реагирует либо на замыкание фазы на прикосновение человека.

Характеристики: время срабатывания устройств защитного отключения 0,05-0,2 сек.

Схема УЗО реагирует на изменение напряжения корпуса относительно земли.

РН – реле напряжения,

ОК – отключающая катушка.

При пробое одной из фаз на корпус эл.установки срабатывает РН, настроенное на определенную установленную величину, и тогда катушка отключает установку от сети.

Существуют УЗО, срабатывающие на токи.

Прибор защитного отключения представляет собой совокупность отдельных элементов, которые реагируют на изменение какого либо характера, которые дают сигнал на автоматическое отключение.

Автоматический выключатель – устройство, для отключения и включения цепей, находящихся под напряжением и при к.з.

Типы УЗО:

1. УЗО, реагирующее на напряжение корпуса, относительно земли.

2. УЗО, реагирующее на оперативный постоянный ток.

Область применения защитного отключения: ЭУ до 1000 В с изолированной или заземленной нейтралью.

Основные требования УЗО:

1. высокая чувствительность

2. малое время срабатывания

3. способность осуществлять самоконтроль исправности

4. высокая надежность этих устройств

параметры на которые реагируют УЗО:

1. потенциал корпуса, В

2. ток замыкания на землю, мА

3. напряжение нулевой последовательности, В

4. оперативный постоянный ток, мА

5. ток нулевой последовательности, мА

Эл.разделение сетей, использование малого напряжения.

Эл.разделение реализуется включением в схему сети разделительного трансформатора: от первичной сети с изолированной или плохо заземленной нейтралью, гальванически отделяется изолированный от земли участок электроприемника.

Такие трансформаторы разделяют эл.цепи со вторичным напряжением не выше 380 В, применяются на открытых площадках. Так же используются трансформаторы 42 – 24 В.

Выравнивание потенциалов: устранение опасностей поражения эл.током в случае прикосновения человека к корпусу, без заземления и зануления.

Принцип действия состоит в снижении напряжения.

Прикосновение – выравнивание потенциалов основания, на котором стоит человек и заземление или зануление путем подъема потенциала до уровня близкого к уровню потенциала заземленного или зануленного оборудования.

Область применения: применяется как дополнительный метод в сетях до 1000 В с изолированной или глухо заземленной нейтралью.

Электростатическое электричество на производстве. Защита от него. Молниезащита зданий и сооружений.

Электростатические заряды на производстве и их заряды.

В некоторых отраслях промышленности (текстильной, бумажной, нефтеперерабатывающей) наблюдаются явления электризации тел, то, что получило название статическое электричество (ГОСТ 12.1.018 – 79 «Статическое электричество. Искробезопасность.»).

Статическое электричество – совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией свободного эл.заряда на поверхности и в объеме диэлектрических веществ и материалов на изолированных проводниках.

Электризация материалов препятствует нормальному ходу технологических процессов, создает дополнительную пожароопасность вследствие искрообразования.

Электростатическая искробезопасность – состояние технического объекта, при котором исключается возможность взрывов и пожаров статического электричества.

При соприкосновении двух разнородных тел из-за неуравновешенности сил происходит перераспределение электродов с образованием двойного электрического слоя с противоположными знаками заряда. При последующем разъединении этих тел, каждая из них сохраняет свой заряд, а с увеличением расстояния только возрастает.

Примеры на производстве: все технические процессы, связанные с трением, размельчением твердых частиц, пересыпанием сыпучих материалов, переливание нефтепродуктов. В металлических частях оборудования возникает напряжение (при движении транспортеров и на роликах транспортера). Аналогично происходит на аппаратах сматывания. При относительной влажности более 85% зарядов практически не возникает. Высокий уровень электростатики наблюдается при переливании масел (на различных автозаправках, базах хранения нефтепродуктов).

Меры подавления:

1. Заземление металлических частей.

2. Увеличение поверхностной и объемной проводимости диэлектриков.

3. Предотвращение накопления значительных электрических зарядов, путем установления специальных нейтрализаторов.

Заземление не металлического оборудования при R<= 10^-7Ом, влажность <= 60%.

Подавление проводится путем введения специальных присадок.

При переливании масел, нефтепродуктов избегают падения и разбрызгивания струи, сливной шланг опускают до самого дна цистерны. Металлический наконечник шлангов необходимо заменить медными проводниками. Для снижения электропроводности не металлических частей оборудования применяют графит и сажу.

Нейтрализация осуществляется путем ионизации воздуха, разделяющего заряженные тела.

на практике применяют:

1. Индукционный нейтрализатор – состоит из несущих металлических или не токопроводящих частей, на которые они укреплены, нейтрализаторы располагаются вблизи индукционного тела (движущихся лент, конвееров на расстоянии 5-10 мм). Электрическое поле у эл.стержней создается зарядами наэлектризованного материала. Вблизи острия образуется эл.поле высокого напряжения, под действием которого происходит ударная ионизация с образованием положительных и отрицательных ионов. При этом ионы противоположные заряду наэлектризованного тела. Для защиты обслуживающего персонала от случайного прикосновения, их снабжают кожухами.

2. высоковольтные нейтрализаторы работают по принципу короткого разряда. Создается этот заряд иглообразными электродами. Положительные ионы, которые образуются вблизи иглообразного электрода, направляются на отрицательно заряженный диэлектрик, нейтрализуя его заряд.

3. Радиоизотопные нейтрализаторы применяются в химической промышленности на взрывоопасных процессах, особенно на производстве пленки, бумаги и ткани. В радиоизотопном нейтрализаторе используют активный препарат с использованием Pu и металлический контейнер. В металлическом контейнере укреплены держатели активного материала, их можно вручную поворачивать на 180⁰, чтобы они могли излучать внутрь.

Молние защита.

Это заряд между облаками или облаком и землей.

В России 100 часов гроз в год. В пустынях не более 10 часов в год.

Помимо прямого удара молнии в здание, проявления могут быть в виде электростатической индукции, воспламенения. Опасности попадания молнии подвергаются различные промышленные объекты. Для приемы эл.разряда молнии и отвода её применяют молниеотводы.

Молниеотвод состоит из несущей части – опоры (иногда это само здание), молниеприемника, токоотвода и заземлителя. Молниеотвод бывает стержневой и тросовый.