Проектирование защитного заземления

Защитное заземление - преднамеренное электрическое соединение с землей металлических нетокопроводящих частей, которые могут оказаться под напряжением. Главное назначение заземления – понизить потенциал на корпусе электрооборудования до безопасной величины.

Заземляющее устройство состоит из заземлителя и соединительной полосы. Различают заземлители искусственные, предназначенные исключительно для целей заземления, и естественные (находящиеся в земле металлические конструкции и коммуникации другого назначения).

В зависимости от места размещения различают выносные и контурные заземляющие устройства.

Выносное заземляющее устройство применяют при невозможности размещения заземлителя на защищаемой территории; при высоком сопротивлении земли на этой территории; наличии на сравнительно небольшом удалении мест с повышенной проводимостью, при рассредоточенном размещении заземляемого оборудования; в местах, где возможно пропитка земли нефтью, маслами и т.п.

Контурное заземляющее устройство применяют в случае, когда необходимо выровнять потенциал на защищаемой территории и тем самым уменьшить напряжение прикосновения и шага до допустимых значений.

Цель расчетазащитного заземления заключается в определении основных параметров заземления (число, размеры и размещение одиночных заземлителей и заземляющих проводников), при которых напряжения прикосновения и шага в период замыкания фазы не превышают до допустимых значений.

При расчете защитного заземления необходимо определить тип и слойность грунта, сезонные изменения сопротивления растекания грунту (промерзание, высыхание и т.п.), типа электрода заземлителя (форма, размеры), из которого предполагается соорудить проектируемый групповой заземлитель, размещение электродов (расстояние, конфигурация), возможность использования естественных заземлителей и др.

Расчетный ток замыкания на землю I_Зи предельная величина сопротивления заземления r_З определяются в зависимости от напряжения, режима нейтрали, мощности электроустановки.

Расчетный ток замыкания на землюI_З – наибольший возможный в данной электроустановке ток замыкания на землю. В сетях напряжением до 1000 В ток однофазного замыкания на землю не превышает 10 А.

Сопротивление заземления r_З нормируется в зависимости от напряжения электроустановки (таблица 1).

Таблица 1 Нормировочные значения сопротивление заземления r_З

Напряжение электроустановки, В	Ток IЗ,, А	Сопротивление заземления rЗ, Ом	Условия применения
до 1000		4	Суммарная мощность источников-трансформаторов, генераторов, подключенных к сети Р 100кВА
		10	Р100кВА
Выше 1000	500	0,5	Распредустройства и сети с заземленной нейтралью напряжением U110кВ
Выше 1000	500	rЗ 250/IЗ , но не более 10 Ом	Сети с изолированной нейтралью напряжением U=3, 6, 10, 20, 35 кВ
Одновременное использование электроустановок с U1кВ и U1кВ		rЗ 150/IЗ, ,но не более 4 (10 Ом)	-

Расчетное удельное сопротивление грунта определяется с учетом климатического коэффициента  (таблица 2):

, (1)

где ₁ принимается при большой влажности;₂ – при средней влажности грунта; ₃ – при сухом грунте.

Таблица 2 – Значения расчетных климатических коэффициентов сопротивления грунта

№ п/п	Грунт	Глубина заложения, м	1	2	3
1	Песок	0-2	2,4	1,56	1,2
2	Глина	0-2	2,4	1,36	1,2
3	Торф	0,2	1,4	1,1	1
4	Суглинок	0,8-3,8	2	1,5	1,4
5	Садовая земля до глубины 0.6 м, ниже - глина	0-3	-	1,32	1,2
6	Известняк	0-2	2,5	1,51	1,2

Сопротивление естественных заземлителей R_E рассчитывается (формулы для расчета сведены в таблицу 4) или принимается равным заданному значению (по данным измерения).

Сопротивление искусственного заземлителя определяется при условии, что искусственные и естественные заземлители соединены параллельно и общее их сопротивление не должно превышать норму r_З, то есть

, (2)

Сопротивление одного вертикального заземлителя R_В определяется с учетом расчетного удельного сопротивления грунта _расч. по формулам табл.4 .

Ориентировочное количество пвертикаль­ных электродов можно определить с неко­торым избытком следующим образом. Пред­варительно находят произведение коэффи­циента использования вертикальных элек­тродов η_в на их количествоп по формуле:

η_вп = R_B/R_И (3)

а затем по табл. 3 определяют количество вертикальных элек­тродов п. Не указанные в таблице значе­ния пнаходят методом интерполяции. По­лученные значения округляют в меньшую сторону до целых чисел.

Таблица 3 – Коэффициент использования_В вертикальных электродов без учета влияния полосы связи

a/l*	При размещении в ряд			При размещении по контуру
	ηвп	п	ηв	ηвп	п	ηв
1	1,70 2,34 2,92 3,50 3,90 5,90 8,10 9,60	2 3 4 5 6 10 15 20	0,85 0,78 0,73 0,70 0,65 0,59 0,54 0,48	2,76 3,66 5,50 9,40 16,40 23,40 36,00 -	4 6 10 20 40 60 100 -	0,69 0,61 0,55 0,47 0,41 0,39 0,36 -
2	1,82 2,61 3,32 4,05 4,62 7,40 10,50 13,40	2 3 4 5 6 10 15 20	0,91 0,87 0,83 0,81 0,77 0,74 0,70 0,67	3,12 4,38 6,80 12,60 23,20 33,00 52,00 -	4 6 10 20 40 60 100 -	0,78 0,73 0,68 0,63 0,58 0,55 0,52 -
3	1,88 2,73 3,56 4,35 5,10 8,10 11,70 15,20	2 3 4 5 6 10 15 20	0,94 0,91 0,89 0,87 0,85 0,81 0,78 0,76	3,40 4,80 7,60 14,20 26,40 38,40 62,00 -	4 6 10 20 40 60 100 -	0,85 0,80 0,76 0,71 0,66 0,64 0,62 -

*Примечание. Вертикальные электроды располагают в ряд или по контуру. Расстояниеамежду сосед­ними вертикальными электродами (если по­зволяют размеры отведенной под заземлитель площадки) рекомендуется брать не менее 2,5 м. Для заземлителей, располо­женных в ряд, отношение ак длине lвер­тикального электрода предпочтительно вы­бирать равным 2-3, а при расположении электродов по контуру – равным 3.

Сопротивление соединительных полос определяют по одной из формул из табл. 4 с учетом коэффициента использования полосы _г (значения приведены в таблице 5). При этом длину горизонтального проводника находим по формулам:

• при расположении электродов в ряд L_г = 1,05(n-1)a

• при расположении электродов по контуру L_г = 1,05na. (4)

Результирующее сопротивление, Ом, искусственного группового заземлителя определяется по формуле:

R`_и =R_вR_г/(R_вη_г+R_гη_вn), (5)

Где η_гиη_в – коэффициенты использования горизонтального и вертикального электродов, значения которых указаны в табл. 3 и 5.

Полученное значение сопротивления R´_ине должно превышать значение R_и, полученное по формуле 2. В то же время сопротивление R´_и не должно быть значительно меньше предельно допустимого во избежание неоправданно больших затрат на сооружение заземляющего устройства.

Если результаты расчета не удовлетворяют установленным ограничениям, то изменяют параметры заземлителя, и расчет повторяют заново.

Таблица 4 – Формулы для вычисления сопротивления одиночных заземлителей растеканию тока в грунте

Тип заземлителя	Схема	Формула	Дополнительные условия
Трубчатый или стержневой у поверхности грунта			ld
То же в земле	d H0 H l	Н = Н0 + ½ l
Протяженный круглого сечения (труба, кабель) на поверхности грунта			ld
Протяженный круглого сечения в грунте
П l ротяженный полосовой на поверхности грунта
Протяженный- полоса в грунте	0H l b

Таблица 5 – Коэффициент использования _г горизонтального полосового электрода (полосы связи), соединяющего вертикальные электроды группового заземлителя

Отношение расстояний между электродами к их длине	Число вертикальных электродов
	2		4		6		10		20		50		60
вертикальные электроды размещены в ряд
1	0,85		0,77		0,72		0,62		0,42		0,21		0,2
2	0,94		0,80		0,84		0,75		0,56		0,36		0,27
3	0,96		0,92		0,88		0,82		0,68		0,49		0,36
вертикальные электроды размещены по контуру
1	-	0,45		0,4		0,34		0,27		0,21		0,2
2	-	0,55		0,48		0,40		0,32		0,28		0,27
3	-	0,77		0,64		0,56		0,45		0,37		0,36

Пример

Условие задачи. Рассчитать систему защиты заземлением от поражения электрических током на машиностроительном заводе. Заземлению подлежит оборудование с суммарной мощностью 150 кВ·А. Грунт - сухая глина.

В качестве вертикальных стержней предполагается применить стержни длиной l=2,5 м и диаметром сечения d=18 мм, в качестве соединительной полосы – стальной кабель диаметром 20 мм. Имеются естественные заземлители с сопротивлением растеканию R_E= 8 Ом. Глубина заложения контура заземления H₀=0,3м. Ток замыкания на землю принять равным 10 А, значение сопротивления грунта _ИЗМ = 75 Омм.

Решение.

1. Так как к заземляющему устройству присоединяются корпуса оборудования с суммарной мощностью Р>100кВ·А, его сопротивление должно удовлетворять условию r₃<4 Ом (табл.1).

2. Определяем расчетное удельное сопротивление грунта по формуле (1), где ₃ =1,2 – климатический коэффициент при сухом грунте (принимается по данным табл.2), т.е.

= 751,2=90 Ом м.

3. Определяем сопротивление искусственного заземлителя с учетом выполнения условия r₃<4 Ом по формуле (2):

.

4. Определяем сопротивление одиночного вертикального заземлителя по типовой формуле (табл.4)

= 90/(2∙π∙2,5) ∙ln((4∙2,5)/0,018) = 36,2 Ом

5. По формуле (3) определяем η_вп =36,2/8 = 4,52

Выбираем расположение вертикальных заземлителей в ряд сη_вп= 4,62 по табл. 3, при этом п =6; η_в =0,77; a/l = 2. Отсюдаa = 5 м.

6. По формуле (4) L_г = 1,05(6-1)∙5 = 26,25 м

7. Рассчитаем сопротивление горизонтального заземлителя по формуле из табл. 4, подставив полученную длину горизонтального заземлителя в п. 6:

= 90/(2π26,25)∙ = 6,37 Ом.

При этом подставляем η_г= 0,84 по табл. 5.

8. По формуле (5) определяем:

R`_и =36,2∙6,37/(36,2∙0,8 + 6,37∙0,77∙ 6)= 3,85 Ом

8. Сравниваем R`_и и R_и получаем, что 3,85<8, поэтому условие выполняется, заземление рассчитано.

Задание:

Рассчитать систему защиты заземлением от поражения электрических током на механосборочном участке. Заземляющее устройство – выносное. Ток замыкания на землю принять равным 10 А. Материал заземлителя – сталь.

Исходные данные для решения задач (см. табл. 6):

1. суммарная мощность подключенного к сети оборудования - Р, кВ·А;

2. характеристика грунта: типгрунта – определяется номером соответствующего пункта из таблицы 2; влажность грунта – соответствует одному из следующих условий: а - большая влажность; б - средняя влажность; в - сухой грунт;

удельное сопротивление (измерялось при сухом грунте) - _ИЗМ, Омм.

3. в качестве вертикальных стержней предполагается применить стержни длиной - l м и диаметром сечения - d, мм,

4. в качестве соединительной полосы применять:

   • стальную шину шириной -b, мм;

   • кабель, диаметром -d_П, мм;

5. имеются естественные заземлители с сопротивлением растеканию – R_E, Ом.

6. глубина заложения контура заземления - H₀, м.

Варианты	10	50		1 в 250		2,5 22		- 20		16		0,5
	9	200		3 в 35		3,0 20		- 24		17		0,2
	8	550		2 б 65		2,0 26		- 26		5,0		0,5
	7	500		3 а 55		1,8 24		20 -		5,6		0,5
	6	400		6 б 50		2,0 20		20 -		5,5		0,5
	5	300		5 б 65		2,0 26		- 20		10,0		1,0
	4	250		4 а 200		2,5 24		- 24		9,1		0,7
	3	50		3 в 45		1,8 28		- 26		17,4		0,6
	2	150		2 б 70		2,5 20		25 -		5,2		0,5
	1	150		2 в 75		2,5 20		24 -		6		0,6
Исходные данные			Р, кВ∙А		Грунт: тип влажность ρизм, Ом∙м		Стержни: l, м d, мм		Соединительная полоса: кабель, dп, мм шина, bп. мм		RЕ, Ом		Н0, м
п/п			1		2		3		4		5		6