Практическая работа № 7 расчет заземляющего устройства

Цель работы: 1. Изучить классификацию и область применения заземляющего устройства.

2. Изучить методику расчета заземляющего устройства.

3. Произвести расчет выносного заземляющего устройства со схемой заложения в ряд.

1. Общие сведения

Защитное заземление – это преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентами металлических нетоковедущих частей электроустановки, которые могут оказаться под напряжением.

Заземление предназначено для защиты от поражения электрическим током при прикосновении к нетоковедущим металлическим частям электроустановки, оказавшимся под напряжением, и применяется в установках напряжением до 1кВ с изолированной нейтралью и напряжением выше 1кВ при любом режиме нейтрали.

Сущность защиты с помощью заземления заключается в создании такого соединения металлических нетоковедущих частей с землей, которое обладало бы достаточно малым сопротивлением, чтобы сила тока, проходящего через человека, не достигала опасного значения.

Для обеспечения безопасности обслуживающего персонала при работе с электроустановками применяется заземление открытых проводящих частей (металличес­ких нетоковедущих) электрического оборудования.

Стекание тока в землю происходит через проводник, на­ходящийся в непосредственном контакте с землёй. Такой контакт может быть случайным или преднамеренным. В послед­нем случае проводник, находящийся в контакте с землей, называется заземлителем или электродом. Если несколько электродов соединены между собой параллельно, то это называется групповым заземлителем.

В соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) заземлению подлежат металлические части электротехни­ческих устройств, нормально не находящиеся под напряжением, но которые могут оказаться под напряжением в случае повреж­дения изоляции: корпуса электрических машин, аппаратов и трансформаторов, каркасы пультов уп­равления, арматура, металлические оболочки и броня кабелей, трубы электропроводки и др.

Электроустановки при номинальных значениях напряжения менее 50 В переменного и 120 В постоян­ного тока заземления не требуют во всех случаях, кроме случаев, предусмотренных соответствующими главами ПУЭ, например, электроустановки в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и др.

Типы заземляющих устройств. В зависимости от места размещения заземлителя относительно заземляющего оборудования различают два вида заземляющих устройств: выносные и контурные.

Выносное заземляющее устройство характеризуется тем, что заземлитель его вынесен за пределы площадки, на которой расположено заземляемое оборудование.

Недостаток выносного заземления - отдаленность заземлителя от защищаемого оборудования. Заземляющие устройства данного типа применяются только при малых токах замыкания на землю, в частности в установках до 1000 В. Достоинством выносного заземляющего устройства является возможность выбора места размещения электродов заземлителя с наименьшим электрическим сопротивлением грунта.

Контурное заземляющее устройство характеризуется тем, что его одиночные заземлители размещаются по контуру (периметру) площадки, на которой находится заземленное оборудование, или распределяется по всей площадке по возможности равномерно.

Безопасность при контурном заземлителе обеспечивается выравниванием потенциала на защищаемой территории путем соответствующего размещения одиночных заземлителей.

Внутри помещений выравнивание потенциалов происходит естественным путем через металлические конструкции, трубопроводы, кабели и подобные им проводящие предметы, связанные с разветвленной сетью заземления.

Заземлители бывают искусственными и естественными.

В качестве искусст­венных заземлителей могут быть использованы:

• вертикально забитые в землю стальные трубы с толщиной стенок ≥ 3,5 мм;

• угловая сталь толщиной ≥ 4 мм;

• металлические стержни для вертикальных заземлителей диаметром >16 мм;

• горизонталь­но проложенные в землю стальные полосы сечением ≥ 100 мм² с толщиной стенки ≥ 4 мм;

• круглая сталь для горизонтальных заземлителей диаметром >10 мм.

ПУЭ рекомендует использовать в качестве естественных заземлителей:

1. металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящиеся в соприкосновении с землей, в том числе железобетонные фундаменты зданий и сооружений, имеющие защитные гидроизоляционные покрытия в неагрессивных, слабоагрессивных и среднеагрессивных средах;

2. металлические трубы водопровода, проложенные в земле;

3. обсадные трубы буровых скважин;

4. металлические шпунты гидротехнических сооружений, водоводы, закладные части затворов и т. п.;

5. рельсовые пути магистральных не электрифицированных железных дорог и подъездные пути при наличии преднамеренного устройства перемычек между рельсами;

6. другие находящиеся в земле металлические конструкции и сооружения;

7. металлические оболочки бронированных кабелей, проложенных в земле. Оболочки кабелей могут служить единственными заземлителями при количестве кабелей не менее двух.

Алюминиевые оболочки кабелей использовать в качестве заземлителей не допускается.

Не допускается использовать в качестве заземлителей трубопроводы горючих жидкостей, горючих или взрывоопасных газов и смесей и трубопроводов канализации и центрального отопления. Указанные ограничения не исключают необходимости присоединения таких трубопроводов к заземляющему устройству с целью уравнивания потенциалов в соответствии с ПУЭ. Прокладка в земле алюминиевых неизолированных проводников не допускается.

У мест ввода заземляющих проводников в здания должен быть предусмотрен опознавательный знак .

Присоединение заземляющих проводников к заземлителям должно быть сварным, к корпусам аппаратов, манипуляторов сварным или с помощью надежных болтовых соединений, не менее чем двумя проводниками в разных местах (для естественных заземлителей).

Каждый заземляемый элемент электроустановки должен быть присоединен к заземлителю или заземляющей магистрали при помощи отдельного ответвления.

Ток, проходящий через заземлитель в землю, преодолева­ет сопротивление, называемое сопротивлением заземлителя растеканию тока или просто сопротивлением заземлителя.

Сопротивление заземлителя состоит из трёх частей: сопротивления самого заземлителя, переходного сопротивления между заземлителем и грунтом, сопротивления грунта. Две первые части по сравнению с третьей весьма малы, поэтому под сопротивлением заземлителя растеканию тока понимают сопротивление грунта растеканию тока.

Согласно ПУЭ сопротивления заземляющих устройств нормируются.

Для заземления электрооборудования в сети с изолированной нейтралью напряжением до 1 кВ сопротивление заземляющего устройства должно быть не более 4 Ом. При мощности источника тока до 100 кВА заземляющие устройства могут иметь сопротивление не более 10 Ом.

В электроустановках с глухозаземленной нейтралью нейтраль генератора или трансформатора трехфазного переменного тока, средняя точка источника постоянного тока, один из выводов источника однофазного тока должны быть присоединены к заземлителю при помощи заземляющего проводника.

Сопротивление заземляющего устройства, к которому присоединены нейтрали генератора или трансформатора или выводы источника однофазного тока, в любое время года должно быть не более 2, 4 и 8 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В.

Для сетей с заземленной нейтралью напряжением до 1 кВ общее сопротивление растеканию заземлителей (в том числе и естественных) всех повторных заземлений нулевого рабочего провода в любое время года должно быть не более 5, 10, 20 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380, 220 В источника трехфазного тока. Эти сопротивления должны контролироваться с определённой периодичностью согласно требованиям ПУЭ.

Поскольку плотность тока в земле на расстоянии больше 20 м от заземлителя весьма мала, можно считать, что сопротивление стекающему с заземлителя току оказывает лишь соответствующий объем земли, например, при одиночном полушаровом заземлителе это полусфера радиусом 20 м. При разных формах и размерах заземлителей сопротивление этого объёма грунта различно. Поэтому расчет сопротивления растеканию тока заземлителей производят по различным формулам в зависимости от условия расположения в грунте, формы и размеров заземлителей. Взаимное расположение предполагает, прежде всего, расстояние между заземлителями, если оно менее 20 м. При этом возникает взаимное влияние полей растекания токов в земле от близко расположенных заземлителей заземляющего устройства. Такое взаимное влияние учитывается коэффициентом использования η при определении сопротивления ЗУ.

Так, для наиболее часто применяемых электродов сопротивление растеканию определяется следующими формулами:

– для вертикального стержневого, верхний конец которого заглублен в землю (рис.1,а),

, Ом,

где l и d – длина и диаметр стержня, м;  – удельное объемное сопротивление грунта, Ом·м; t – заглубление электрода, т.е. расстояние от поверхности земли до середи­ны электрода, м: , м, t_о – глубина заложения верхнего конца заземлителя в грунте , м;

– для вертикального стержневого, верхний конец которого расположен на поверхности земли,

, Ом;

– для горизонтального полосового, уложенного на некоторой глубине параллельно поверхности земли (рис. 1,б),

, Ом,

где l и b – длина и ширина полосы, м; t – заглубление полосы, м.

Из уравнений видно, что сопротивление заземлителя растеканию тока прямо пропорционально удельному объёмному сопротивлению грунта ρ, т.е. сопротивлению куба грунта с ребром длиной 1 м. Удельное объёмное сопротивление имеет размерность Ом·м.

Значение удельного объёмного сопротивления грунта земли колеблется от десятков Ом·м до десятков тысяч Ом·м, так как оно зависит от многих факторов (влажности грунта, температуры, рода грунта, степени его уплотнённости, а также от времени года).

Рис. 17.1. Типы одиночных заземлителей (электродов)

а – стержневой вертикальный, заглублённый; б – полосовой горизонтальный