4. Заземляющие устройства электроустановок

Если какая-либо точка сети оказывается в контакте с грун­том то у места замыкания возникает «поле растекания тока» (рис. 31) Если это поле образовано растеканием тока промыш­ленной частоты, его можно рассматривать как электростатиче­ское поле и напряженность любой точки почвы в поле растекания тока составит

где — плотность тока в а/мм²;

- удельное сопротивление грунта растеканию тока в ом·см.

Под удельным сопротивле­нием грунта растеканию тока понимают электрическое соп­ротивление между противопо­ложными сторонами кубика грунта со стороной, равной

Рис. 31. Поле растекания тока в земле через полушаровой заземлитель.

Рис. 32. Упрощенная схема-модель проводника «земля»

1 см, т. е. единица измерения выражается величиной ом·см²/см = ом·см.

Приближенные значения удельного сопротивления раз­личных грунтов в зависимости от влажности приведены в табл. 34.

В точках поля, где плотность тока γ близка нулю, напряжен­ность ε также близка нулю.

Плотность тока может быть определена по формуле

где I_з - ток замыкания на землю в а;

х — расстояние от точки входа тока в грунт до рассмат­риваемой точки земли;

— поверхность полусферы на расстоянии х от точки входа тока в грунт (см. рис. 31).

Таблица 34

Грунт	Удельное сопротивление в ом·см
	при влажности 10 —20% по весу	пределы изменения
Песок	7·101	4·101- 10·101
Супесок	3·101	1,5·101 – 4·101
Суглинок	1·101	0,4·101 - 1,5·101
Глина	0,4·101	0,08·101 - 0,7·101
Чернозем	2·101	0,096·101 - 5,8·101

Упрощенная модель проводника «земля» представлена на рис. 32. Из приведенной модели следует, что чем дальше нахо­дится точка грунта от точки входа тока в грунт (х), тем больше сечение проводника «земля» и меньше сопротивление, оказывае­мое прохождению тока по этому проводнику. Подсчитано, что при х = 20 м поверхность полусферы становится настолько зна­чительной, что плотность тока при этом значении х можно счи­тать близкой нулю, следовательно, и потенциал этой точки так­же равен нулю. Все прочие точки, расположенные ближе 20 м от места замыкания на землю, получат некоторое напряжение от­носительно земли.

Характер распределения потенциала вблизи места замыка­ния на землю представлен на рис. 31. Из схемы, приведенной на этом рисунке, определяют и величину так называемых шаговых напряжений, под которые попадает человек, приближающийся к месту замыкания тока на землю.

Если пренебречь точками, расположенными в непосредствен­ной близости от заземлителя другой формы (не полусферы), то полученные зависимости в отношении поля растекания и харак­тера распределения потенциала в зоне растекания тока могут быть использованы для изучения и характеристики поля расте­кания других заземлителей. Формулы для расчета сопротивле­ния заземлителей различных конструкций растеканию тока в грунт, выведенные в результате изучения изложенных зависи­мостей, приведены в табл. 35.

Таблица 35

Схема	Тип заземлителя	Формула с применением:		Примечание
		натуральных логарифмов	десятичных логарифмов
	Труба, стержень у по­верхности земли
	Труба, стержень на глу­бине h
	Протяженный заземлитель (полоса, труба) на глубине h, диаметр или ширина b.
	Кольцевой заземлитель (полоса, труба) на глуби­не h
	Круглая пластина на поверхности земли (диа­метр d)		-	-

По приведенным в таблице формулам можно рассчитать в зависимости от удельного сопротивления грунта растеканию тока, вида, размеров и глубины заложения сопротивление оди­ночных заземлителей.

Значения удельного сопротивления грунта растеканию тока следует принимать по данным табл. 34 с учетом повышающего коэффициента К_п. Значения повышающего коэффициента по климатическим зонам для стержневых (комбинированных) и протяженных заземлителей приведены в табл. 36. Под комбини­рованным заземлителем подразумевается заземлитель, состоя­щий из вертикальных электродов (труба, уголок и пр.), соеди­ненных между собой протяженным горизонтальным элементом (полоса, уголок, труба).

Таблица 36

Тип заземлителя	Значения повышающего коэффициента Кп для климатических зон
	I	II	III	IV
Протяженные электроды на глубине 0,8 м Комбинированные (вертикальные электроды длиной 2,5 — 3 м при зало­жении соединительной полосы шири­ной 0,5—0,8 м)	4,5-7 1,8—2	3,5-4,5 1,6-1,8	2,5-4 1,4-1,6	1,5—2 1,2-1,4

Характеристика климатических зон приведена в табл. 37.

Таблица 37

Показатели	Климатические зоны СССР
	I	II	III	IV
Средняя многолетняя низ­шая температура (январь) в 0С Средняя многолетняя выс­шая температура (июль) в 0С Среднее количество осад­ков в см Продолжительность замер­зания воды в днях	От —15 до —20 От +16 до +18 ~40 190-170	От —15 до —10 От +18 до +22 ~50 ~150	От— 10 до 0 От +22 до +24 ~50 ~100	От 0 до +5 От +24 до +26 30-50 0

Расчет комбинированных заземлителей более сложен, чем одиночных.

После определения допустимого сопротивления заземляю­щего устройства, выбора профиля вертикального электрода и его размеров, выбора расстояния между электродами, порядка их размещения в плане (в цепочку или по контуру и пр.), а так­же выбора типа соединительной полосы и заглубления; зазем­ляющего устройства расчёт можно вести в предлагаемой после­довательности.

Сначала определяют сопротивление растеканию тока оди­ночного вертикального электрода по формулам, приведенным в табл. 35. Если вместо трубы принят вертикальный электрод из угловой стали, эквивалентный диаметр определяют из выраже­ния d_э = 0,95 b, где b ширина полки уголка. При расчете зазем­лителей, расположенных в грунтах высокой проводимости, рас­теканием тока с соединительной полосы можно пренебречь. За­тем определяют необходимое количество электродов. При электродах одинаковых длины и сечения на основании закона проводимости проводников при параллельном соединении необ­ходимое количество электродов /г для обеспечения допустимого

Рис. 33. Линии тока в комбинированном заземлителе при малом расстоянии между электродами

сопротивления заземляющего устройства растеканию тока мож­но определить по формуле

где R_т.р — сопротивление растеканию тока одного вертикаль­ного электрода в ом;

R_d — допустимое сопротивление заземляющего устройст­ва в ом;

η₁ — коэффициент использования или коэффициент экра­нирования между электродами.

Растекание тока с электрода происходит преимущественно за счет зон земли, расположенных вблизи электрода. Если два электрода расположены по отношению один к другому в зоне растекания тока (см. рис. 31, 32), то вследствие наложения электрических полей соседних электродов плотность тока вблизи каждого из них становится неравномерной, что как бы приводит к уменьшению действующего сечения земли — увеличению со­противления (рис. 33).

Коэффициентом использования заземлителя (экранирова­ния) называется отношение суммы сопротивления отдельных электродов, стоящих по отношению один к другому в зоне нуле­вого потенциала, к сопротивлению многоэлектродного заземлителя с таким же количеством электродов при размещении каждого из этих электродов в поле растекания соседнего электрода. Значения коэффициентов использования вертикальных электро­дов комбинированного заземлителя без учета полосы связи при­ведены в табл. 38.

Таблица 38

Количество электродов n	Значение коэффициента использования т), при отношении расстояния между электродами к их длине
При размещении электродов в ряд
2	0,84 - 0,87	0,90 - 0,92	0,93 - 0,95
3	0,76 - 0,80	0,85 - 0,88	0,90 - 0,92
5	0,67 - 0,72	0,79 - 0,83	0,85 - 0,88
10	0,56 - 0,62	0,72 - 0,77	0,79 - 0,83
15	0,51- 0,56	0,66 - 0,73	0,75 - 0,80
20	0,47 - 0,50	0,65 - 0,70	0,74 - 0,79
При размещении электродов по контуру
4	0,66 - 0,72	0,76 - 0,80	0,84 - 0,86
6	0,58 - 0,65	0,71 - 0,75	0,78 - 0,82
10	0,52 - 0,58	0,66 - 0,71	0,74 - 0,78
20	0,44 - 0,50	0,61 - 0,66	0,68 - 0,73
40	0,38 - 0,44	0,55 - 0,61	0,64 - 0,69
60	0,36 – 0,42	0,52 - 0,58	0,62 - 0,67
100	0,33 - 0,39	0,49 - 0,55	0,59 - 0,65

В грунтах с большим удельным сопротивлением растеканию тока расчет по приведенной методике приводит к большому пе­рерасходу материала и других ресурсов, необходимых для уст­ройства заземления. В этом случае заземляющее устройство следует рассчитывать с учетом растекания тока не только с вер­тикальных электродов, но и с полосы связи в зависимости от ее длины, что определяется расстояниями между отдельными элек­тродами и их количеством.

Расчет заземляющего устройства с учетом влияния соедини­тельной полосы связи можно осуществить следующим образом:

сначала определить сопротивление растеканию тока одиноч­ного вертикального электрода по изложенной методике;

определить необходимое количество вертикальных электродов с использованием той же формулы, но так как она не учитывает растекание тока с полосы связи, вместо величины допускаемого по условиям безопасности сопротивления заземляющего устрой­ства R_d следует подставить несколько большую по значению ве­личину (в два-три раза), которую обычно называют сопротивлением вертикальных электродов без учета полосы связи (со­противление очага электродов) ;

определить сопротивление полосы связи по формуле для протяженного заземлителя (табл. 35); при этом длина полосы связи составляет при размещении электродов цепоч­кой в ряд и при размещении по контуру, где а — расстоя­ние между вертикальными электродами, n — количество элект­родов;

определить сопротивление заземляющего устройства с уче­том влияния полосы связи по закону параллельного соединения проводников по формуле

ом

где R_п — сопротивление растеканию тока полосы связи в ом;

η₂ — коэффициент использования или экранирования меж­ду полосой связи и вертикальными электродами (табл.39).

Таблица 39

Отношение расстояния между тру­бами (угол­ками) к их длине	Значение коэффициента использования η2 при числе труб (уголков)
	4	6	8	10	20	30	50	70
При размещении электродов в ряд
1 2 3	0,77 0,89 0,92	0,72 0,84 0,88	0,67 0,79 0,85	0,62 0,75 0,82	0,42 0,56 0,68	0,31 0,46 0,58	0,21 0,36 0,49	0,19 0,32 0,42
При размещении электродов по контуру
1 2 3	0,45 0,55 0,70	0,40 0,48 0,64	0,36 0,43 0,60	0,34 0,40 0,56	0,27 0,32 0,45	0,24 0,30 0,41	0,21 0,28 0,37	0,20 0,26 0,35

Так как задача решается методом подбора (значение R₀, a следовательно, и n принимают ориентировочно), то в результа­те решения полученное сопротивление может быть больше или значительно меньше допускаемого по условиям безопасности. В этом случае следует соответственно увеличить или уменьшить количество электродов и повторить расчет.

Пример. Подобрать конструкцию комбинированного заземляющего уст­ройства и определить его сопротивление растеканию тока замыкания на зем­лю для следующих условий: вертикальные электроды из стальных труб диа­метром 63 мм, длиной 2 м, а полоса связи стальная шириной 40 мм, заглубление полосы связи 800 мм. Грунт—глина, р=6000 ом-см. Климатический район расположения объекта — II. Мощность трансформатора с изолирован­ной нейтралью 180 ква.

По табл. 19 для установок напряжением до 1000 в с изолированной ней­тралью допустимое сопротивление заземляющего устройства должно быть не более R_d = 4 ом. Для II климатической зоны для комбинированных заземлителей повышающий коэффициент К_п = 1,6 (см. табл. 36). Следователь­но, расчетное удельное сопротивление грунта растеканию тока составит: 1,6·6000 = 9600 ом·см.

Определим сопротивление вертикального трубчатого электрода растека­нию тока (см. табл. 35)

ом

Сопротивление очага вертикальных заземлителей, учитывая влияние по­лосы связи

ом

Определяем примерное количество необходимых вертикальных элек­тродов

, принимаем 5.

По табл. 38 при пяти электродах при (принимаемом) расстоянии между ними, равном , коэффициент использования составит η₁ =0,8. Тогда

ом

Длина полосы связи при пяти трубах, соединенных в ряд, и расстоянии между ними, равном 2l, будет равна

см. Тогда сопротивление полосы связи составит

ом

По табл. 39 коэффициент использования полосы связи η₂=0,86. Вычис­лим сопротивление растеканию тока заземляющего устройства

ом, т.е. больше 4 ом.

Учитывая, что полученное сопротивление примерно на 25% превышает допу­стимое и что при увеличении количества труб коэффициенты использования уменьшаются по величине (а вычисляемые сопротивления увеличиваются), принимаем n=8 электродов. Тогда η₁ = 0,77, η₂ = 0,79;

ом;

см;

ом.

ом < 4 ом.