3.3.2. Calculation of protective earthing

Task 1. Calculate a protective earthing for substation 6/0.4 kV in homogeneous soil.

4. Вказати, які вибрані марки з'єднувальних проводів живлення, чому саме такі вибрані; вказати, яка застосована ізоляція: робоча, подвійна, посилена, чому саме така; як прокладені проводи: в джгутах, в трубах, в стінах, пустотах, під підлогою і т.д.; як вони прибортовані, якими хомутами і що це дає з точки зору безпеки при експлуатації об'єкта, що проектується.

5. Показати, чи застосовані в схемі сучасні елементи і деталі, операційні підсилювачі; чи застосовані малі напруги (менші за 42 В), як найважливіша міра електробезпеки, і в яких ланцюгах; які переваги це дає з точки зору безпеки або експлуатації об'єкта, що проектується.

6. Розглянути, як вирішені питання попереджувальної сигналізації і її наглядності, запобіжного блокування, маркіровки кінців проводів, що підключаються, чи додержані правила монтажу, що виключають перетирання, замикання.

Вирішити питання з вибором матеріалів за діелектричною міцністю, термостійкістю, вологостійкістю, корозійною і механічною стійкостями.

Розглянути питання ергономіки, технічної естетики, нанесення написів, що пояснюють, нагадують, застерігають, забороняють на кришках об'єктів, що проектуються.

Для проектів, в яких проектуються стенди, потрібно приділити особливу увагу стосовно ергономіки.

У даному підрозділі також необхідно провести розрахунок або захисного заземлення, або освітлення. Обґрунтувати необхідність цього розрахунку. Нижче приведені приклади розрахунків типових задач.

3.3.2. Розрахунок захисного заземлення

Задача 1. Розрахувати захисне заземлення підстанції 6/0,4 кВ в однорідному грунті.

Initial data. Transformer decreasing substation has two transformers 6/0,4 kV with earthed neutrals on side 0,4 kV and is accommodated in separate one-floor apartment, by dimensions 12 х 20 m.

Not far from station a metallic technological construction was found, partially loaded into soil, which can be used as natural earthing rod having a resistance R_E = 20 Ohm to current spreading out.

Solution: A shorting current will be defined for known length of cable lines with voltage 6 kV and L_кл= 65 km, and air L_пл= 60 km.

As vertical single earthing rods will use the bars by length L_ст = 5,5 m and diameter d = 18 mm.

The top ends of the bars are connected by means of welding by steel stripe, laid horizontally on depth Н_пол = 0,8 m, total length L_пол = 60,5 m and section 4x40 mm.

Calculated specific soil resistance for vertical earthing rods (bars) by length 5,5 m L_{ρроз.ст.} = 130 Ohm×m, and for horizontal stripe - flaps L_{ρроз.ст.} = Р_роз ·180 Ohm·m. For determination of the resistance of current spreading out from earthing rod will define in advance a shorting current Lз on earth on side 6 kV by following formula:

where U is a transformer voltage on the side of high voltage, kV;

L_кл., L_пл. are the lengths of cable and air lines accordingly, km.

Resistance to current spreading out from artificial earthing rod, which will be used as general for electric installations in networks 6 kV and 0,4 kV, will be determined according to ПУЭ-86 requirements.

Вхідні дані. Трансформаторна понижувальна підстанція має два трансформатори 6/0,4 кВ із заземленими нейтралями на стороні 0,4 кВ і розміщена в окремо одноповерховому приміщенні, розмірами 12 х 20 м.

Поблизу станції знаходиться частково завантажена в грунт металева технологічна конструкція, яка може бути використана як природний заземлювач, що має опір розтікання струму R_E = 20 Ом.

Рішення: Струм замикання визначимо по відомій протяжності кабельних ліній 6 кВ L_кл= 65 км і повітряних ліній L_пл= 60 км.

Як вертикальні одиночні заземлювачі використаємо стержні довжиною, L_ст = 5,5 м, діаметром d = 18 мм.

Верхні кінці стержнів з'єднуються за допомогою зварювання стальною смугою, прокладеною горизонтально на глибині Н_пол = 0,8 м, загальною довжиною L_пол = 60,5 м перетином 4x40 мм.

Розраховані питомі опори грунту для вертикальних заземлювачів (стержнів) довжиною 5,5 м L_{ρроз.ст.} = 130 Ом·м, а для горизонтальної смуги - L_{ρроз.ст.} = 180 Ом·м. Для визначення опору розтікання струму від заземлювача заздалегідь визначимо струм замикання L_з на землю на стороні 6 кВ за наступною формулою:

де U - напруга трансформатора з боку високого напруги, кВ;

L_кл., L_пл. - протяжність кабельних і повітряних ліній відповідно, км.

Опір розтіканню струму від штучного заземлювача, який буде використовуватися як загальний для електроустановок в мережі 6 кВ і 0,4 кВ, визначаємо відповідно до вимог ПУЭ - 86.

For earthing rod in homogeneous earth maximum acceptable earthing rod resistance R₃ may be computed on most admissible voltage of touch by formula

where U_доп - most admissible touch voltage with taking into account a voltage fall at base support, on which a man stands, equal to 125 V.

Necessary resistance R_н of artificial protective earthing of substation with taking into account an artificial R_з and natural R_е will be defined by formula

.

Calculating artificial earthing, we must select a contour, disposed on perimeter of substation. Vertical bar earthing rods are hammered into soil on distance a = 5,5 m one from another.

From previous disposition of the earthing rods it is evident that at length of horizontal connecting stripe L_пол =60,5 m can be hammered about 11 vertical earthing rods.

Let’s calculate resistance to spreading out of electric current from single vertical R_cm and horizontal R_пол earthing rod by formulae:

При розрахунку заземлювача в однорідній землі по напруженню дотику, маючи в своєму розпорядженні найбільше допустиме значення, визначимо найбільший допустимий розрахунковий опір заземлювача R₃ по формулі

Ом

де U_доп. - найбільше допустиме значення напруги дотику з урахуванням падіння напруги в опорі основи, на якій стоїть людина, приймаємо 125 В.

Необхідний опір штучного захисного заземлення R_шз підстанції з урахуванням штучного R_ш і природним R_пр, що є визначимо по формулі

.

Розраховуючи штучне заземлення, вибираємо контурне, розташоване по периметру підстанції. Вертикальні стержневі заземлювачі забиваємо в грунт на відстані а = 5,5 м один від одного.

З попереднього розташування заземлювачів видно, що при довжині горизонтальної з'єднувальної смуги L_пол =60,5 м можна забити 11 вертикальних заземлювачів.

Розрахуємо опір розтіканню електричного струму від одиночного вертикального R_cm і горизонтального R_пол заземлювача по формулах:

Let’s define a coefficient of use of single bar earthing rod h_ст and coefficient h_пол of stripe usage (using tab. 10.2 in [6]) for relation a/L = 5,5/5,5 = 1 and n =11 pieces.

The coefficient is equal to: h_ст =0,55, h_пол =0,35.

Resistance R_кз to spreading out of electric current from artificial contour earthing rod R_кз may be defined by formula:

. Ом

Calculated resistance R_кз = 3,37 Ohm is less than necessary resistance of artificial protective earthing R_н= 3,69 Ohm, thus the contour satisfies our conditions. Contour consists of 11 vertical steel bars by length 5,5 m, diameter 18 mm, hammered in soil on distance 5,5 m one from another, connected between oneself and with natural metallic construction by steel stripe 4x40 mm, by length 60,5 m.