1.3 Основні теоретичні положення

Захисне заземлення – умисне електричне з’єднання із землею або її еквівалентом металевих не струмопровідних частин електроустановок, які можуть бути під напругою.

Захисне заземлення використовується у мережах напругою до 1000 В змінного струму – трифазні три провідні з ізольованою нейтраллю; однофазні двопровідні, ізольовані від землі; двопровідні мережі постійного струму з ізольованою середньою точкою обмоток джерела струму; у мережах понад 1000 В змінного і постійного струму з будь-яким режимом нейтралі.

Заземлення обов’язкове у всіх електроустановках при напрузі 380 В і вище змінного струму, 440 В і вище постійного струму, а у приміщеннях з підвищеною небезпекою, особливо небезпечних і у зовнішніх установках при напрузі 42 В і вище змінного струму, 110 В і вище постійного струму; при будь-яких напругах у вибухонебезпечних приміщеннях.

Залежно від місця розташування заземлювачів відносно защемлюваного обладнання розрізняють два типи заземлюючих пристроїв : виносне і контурне.

При виносному заземлюючому пристрою заземлювач винесений за межі майданчика, на якому розташовано заземлюване обладнання.

При контурному заземлюючому пристрою електроди заземлювача розташовують по контуру (периметру) майданчика, на якому є заземлюване обладнання, а також всередині цього майданчика.

У відкритих електроустановках корпуси приєднують безпосередньо до заземлювача проводами. У спорудах прокладають магістраль заземлення, до якої приєднують заземлюючі проводи. Магістраль заземлення з’єднують із заземлювачем не менше як у двох місцях.

Як заземлювачі насамперед треба використовувати звичайні заземлювачі у вигляді прокладених під землею металевих комунікацій (за винятком трубопроводів для горючих і вибухонебезпечних речовин, труб теплотрас), металевих конструкцій будівель, з’єднаних із землею, свинцевих оболонок кабелів, обсадних труб артезіанських колодязів, свердловин, шурфів тощо.

Як звичайні заземлювачі підстанцій і розподільних пристроїв рекомендується використовувати заземлювачі опор повітряних ліній електропередачі, з’єднаних із заземлюючим пристроєм підстанції або розподільним пристроєм за допомогою грозозахисних линв ліній.

Якщо опір звичайних заземлювачів Rз задовольняє потрібним нормам, то влаштовувати штучні заземлювачі не треба.

Коли звичайних заземлювачів нема, або використання їх не дає потрібних результатів, використовують штучні заземлювачі: стрижні із кутникової сталі розміром 50*50,60*60, 75*75 мм із товщиною стінки не меншою як 4 мм, із товщиною стінки не меншою як 4 мм, завдовжки 2,5..3 м; сталеві труби діаметром 50...60 мм, завдовжки 2,5...3 м із товщиною стінки не меншою як 3,5 мм; пруткова сталь діаметром не меншим як 10 мм, завдовжки до 10 м і більше.

Заземлювачі забивають вряд або по контуру на таку глибину, при якій від верхнього кінця заземлювача до поверхні землі залишається 0,5...0,8 м. відстань між вертикальними заземлювачами повинна бути не меншою як 2,5...3 м.

Для з’єднання вертикальних заземлювачів між собою використовують сталеві стрічки завтовшки не менше як 4 мм і перерізом не меншим як 48 мм², або сталевий провід діаметром не меншим як 6 мм. Стрічки (горизонтальні заземлювачі) з’єднують з вертикальними заземлювачами зварюванням.

Магістралі заземлення всередині будівель з електроустановками напругою до 1000 В виконують сталевою стрічкою перерізом не меншим як 100 мм² або сталлю круглого перерізу тієї самої провідності. Відгалуження від магістралі до електроустановок виконують сталевою стрічкою перерізом не меншим ніж 24 мм² або сталевим прутком діаметром не меншим ніж 5 мм.

Нормовані опори заземлюючих пристроїв наведено у табл. 1.1.

Таблиця 1.1 - Допустимі опори заземлюючого пристрою в

електроустановках до і понад 1000 В

Найбільші допустимі значення Rз, Ом	Характеристика електроустановок
Rз≤0,5	Для електроустановок напругою понад 1000 В розрахунковим струмом замикання на землю Із>500 А
Rз=250/Із≤10	Для електроустановок напругою понад 1000 В і розрахунковим струмом замикання на землю Із<500 А
Rз=125/Із≤10	За умови, що заземлюючий пристрій є загальним для електроустановок напругою до і понад 1000 В і розрахунковому струмі Із<500 А
Rз≤ 2	В електроустановках напругою 660/380 В
Rз≤4	В електроустановках напругою 380/220 В
Rз≤8	В електроустановках напругою 220/127 В

Для електроустановок напругою до 1000 В значення Rз подано за умови, що питомий опір ґрунту . При питомому опорі ґрунту понад дозволяється збільшувати вищезазначені величини у але не більше ніж у 10 разів.

Розрахункові струми замикання на землю приймають за даними енергосистеми або розрахунковим способом.

Заземлення методом коефіцієнтів використання розраховують так.

1) Відповідно до ПУЕ встановлюють потрібний опір заземлення Rз.

2) Визначають вимірюванням, розрахунком або на підставі даних аналогічних заземлюючих пристроїв можливий опір розтіканню звичайних заземлювачів Rе.

3) Якщо Rе<Rз, то влаштування звичайного заземлення нетреба.

Якщо Rе>Rз, то треба встановлювати звичайне заземлення.

Опір, Ом, розтіканню звичайного заземлення

(1.1)

Далі розрахунок ведуть за Rи.

4) Визначають питомий опір ґрунту ρ із табл. 1.2. При проведенні розрахунків ці значення треба множити на коефіцієнт сезонності, який залежить від кліматичних зон і виду заземлювача ( табл. 1.3).

Таблиця 1.2 - Наближені значення питомих опорів грунтів

і води ,

Назва ґрунту	Питомий опір,
Пісок	700
Супісок	300
Суглинок	100
Глина	40
Садова земля	40
Глина (шар 7-10 м) або гравій	70
Закінчення таблиці 1.2
Назва ґрунту	Питомий опір,
Мергель, вапняк, пісок із каменями	1000...2000
Скеля, камені	2000...4000
Чорнозем	20
Торф	20
Річкова вода (на рівнинах)	10...100
Морська вода	0,2...1

Таблиця 1.3 - Ознаки кліматичних зон і значення

коефіцієнта kс

Дані які характеризують кліматичні зони і тип використовуваних заземлюючих електродів	Кліматичні зони України
	ІІІ	IV
Кліматичні ознаки зон :
середня багаторічна найнижча температура (січень)	Від мінус 10 до 0 °С	Від 0 до плюс 5°С
Середня багаторічна найвижча температура (липень)	Від плюс 22 до плюс 24 °С	Від плюс 24 до плюс 26 °С
Середньорічна кількість опадів, мм	близько 500	близько 300...500
Тривалість замерзання вод, дн	100	0
Значення коефіцієнта kс при використанні стрижневих електродів завдовжки 2...3 м і глибині закладання їх вершини 0,5...0,8 м	1,4...1,6	1,2...1,4
Закінчення таблиці 1.3
Дані які характеризують кліматичні зони і тип використовуваних заземлюючих електродів	Кліматичні зони України
	ІІІ	IV
Значення коефіцієнта при використанні довгих електродів і глибині закладання їх вершин 0,8 м	2,0...2,5	1,5...2,0
Значення kс при довжині стрижнів 5 м і глибині закладання вершини 0,7...0,8 м	1,15	1,1

Розрахунковий питомий опір ґрунту для стрижневих заземлювачів (вертикальних заземлювачів) ; для довгого заземлювача (горизонтальних стрічок) .

5) Визначають опір, Ом, розтіканню одного вертикального заземлювача – стрижневого круглого перерізу (трубчастого або кутників) у землі формула 1.2 ( рис. 1.1)

(1.2)

при цьому l>d, to>0.5 м;

для кутника з шириною полиці b одержують d=0,95 b.

t₁ – висота від земляного покриву до центра заземлювача; t₀ – глибина закладання заземлювача на глибину промерзання грунту; l – довжина заземлювача; d – діаметр заземлювача;

Рисунок 1.1 - Розташування вертикального заземлювача у землі

Усі розміри подано у метрах, а питомий опір грунту в омах, помножених на метр (Ом м).

Опір, Ом, розтіканню вертикального заземлювача можна визначити за спрощеними формулами :

для кутника 50*50*5 мм, Rв=0,348ρ_розр.вkc;

для кутника 60*60*6 мм, Rв=0,298ρ_розр.вkc;

для кутника 75*75*8 мм, Rв=0,292ρ_розр.вkc;

для труби діаметром 60 мм l=2 2,5 м, Rв=0,302ρ_розр.вkc;.

6) Встановивши характер розташування заземлювачів (у ряд або контуром), визначають кількість вертикальних заземлювачів

де ηв – коефіцієнт використання вертикальних заземлювачів і відстань між ними ( табл. 1.4, 1.5).

Можна вважати, що кількість вертикальних заземлювачів для визначення ηв дорівнює Rв/Rи.

7) При влаштуванні простих заземлювачів у вигляді короткого ряду вертикальних стрижнів розрахунок на цьому можна закінчити і не визначати провідність з’єднувальної стрічки, тому що довжина її відносно невелика (у цьому випадку фактично опір заземлюючого пристрою буде дещо завищений).

Таблиця 1.4 - Коефіцієнти використання ηв вертикальних

електродів із труб, кутників або стрижнів,

розташованих вряд без врахування впливу стрічки зв’язку

Відношення відстані між електродами до їх довжини a/l	Кількість електродів nв	ηв
1	2 3 5 10	0,84...0,87 0,76...0,80 0,67...0,72 0,56...0,62
	15 20	0,51...0,56 0,47...0,50
2	2 3 5 10 15 20	0,90...0,92 0,85...0,88 0,79...0,83 0,72...0,77 0,66...0,73 0,65...0,70
3	2 3 5 10 15 20	0,93...0,95 0,90...0,92 0,85...0,88 0,79...0,83 0,76...0,80 0,74...0,79

Таблиця 1.5 - Коефіцієнти використання ηв вертикальних

електродів із труб, кутників, стрижнів , розташованих по контуру без урахування впливу стрічки зв’язку

Відношення відстані між електродами до їх довжини а/l	Кількість електродів nв	ηв
1	4 6 10 20 40 60 100	0,66...0,72 0,58...0,65 0,52...0,58 0,44...0,50 0,38...0,44 0,36...0,42 0,33...0,39
2	4 6 10 20 40 60 100	0,786...0,80 0,71...0,75 0,66...0,71 0,61...0,66 0,55...0,61 0,52...0,58 0,49...0,55
3	4 6 10 20 40 60 100	0,84...0,86 0,78...0,82 0,74...0,78 0,68...0,73 0,64...0,69 0,62...0,67 0,59...0,65

При влаштуванні заземлювачів по контуру із низки вертикальних заземлювачів доцільно враховувати і опір розтіканню стрічок (горизонтальний заземлювач). Для цього на площі встановлення заземлення розплановують, як буде розташовано вертикальні заземлювачі nв, і визначають довжину, у м, з’єднувальної стрічки lг =1,05nв а, де а-відстань між вертикальними заземлювачами (звичайно відношення відстані між вертикальними заземлювачами до їх довжини дорівнює а/l=1; 2; 3).

8) Визначають опір розтіканню у Ом, горизонтального заземлювача. Для стрижневого круглого перерізу (рис. 1.2) :

t₁ – глибина закладання заземлювача; d – діаметр заземлювача; l – довжина заземлювача;

Рисунок 1.2 – Положення горизонтального заземлювача в землі

. (1.3)

Тут l>d; l>4tІ. Для стрічки завширшки b одержують d=0.5b. дійсний опір, Ом, розтіканню горизонтального заземлювача з урахуванням коефіцієнта використання , де ηг- коефіцієнт використовування горизонтального заземлювача визначається за табл. 1.6, 1.7.

Таблиця 1.6 - Коефіцієнти використання ηг горизонталь-

ного стрічкового електрода ( труби, кутники, тощо) при розташуванні вертикальних електродів у ряд

Відношення відстані між електродами до довжини а/l	ηг при кількості електродів у ряді
	4	5	8	10	20	30	50	65
1	0,77	0,74	0,67	0,62	0,42	0,31	0,21	0,20
2	0,89	0,86	0,79	0,75	0,56	0,46	0,36	0,34
3	0,92	0,90	0,85	0,82	0,68	0,58	0,49	0,47

Таблиця 1.7 - Коефіцієнт використання ηг горизонтально-

го стрічкового електроду (труби, кутники, стрічки тощо) при розташуванні вертикального електроду по контуру

Відношення відстані між електродами до довжини а/l	ηг при кількості електродів у ряді
	4	5		8	10		20	30		50	70	100
1	0,45		0,40	0,36		0,34	0,27		0,24	0,21	0,20	0,19
2	0,55		0,48	0,43		0,40	0,32		0,30	0,28	0,34	0.24
3	0,65		0,64	0,60		0,56	0,45		0,41	0,37	0,47	0.33

9) Уточнюється опір, Ом, розтіканню заземлювачів з урахуванням опору горизонтального заземлювача

.

10) Визначають уточнену кількість вертикальних заземлювачів. Тут .

Приклад 1.1

Визначити потрібну кількість кутників розміром 50*50*5 мм завдовжки 3 м для влаштування заземлення трансформаторної підстанції. Заземлювач горизонтальний – сталева стрічка 40*4 мм. Відстань між кутниками 4,5 кутники забито по контуру підстанції. Глибина закладання горизонтального заземлювача 0,7 м, ґрунт – пісок з питомим опором ρ_гр=300Ом м. Кліматична зона ІІ. Нормований опір заземлюючого пристрою Rзн=4 Ом.

Розв’язок

1) Згідно з ПУЕ допустимий опір заземлюючого пристрою з урахуванням питомого опору ґрунту ρ_гр дорівнює

Ом

2) Опір розтіканню вертикального заземлювача

= Ом.

Тут d=0,95b; b-ширина полиці кутника; t/=to+0,5l=0,7+0,53=2,2м; ρ_розр.в=_ρгр kc=300 1,7=510 (значення коефіцієнта сезонності для вертикальних електродів kc=1,7 визначено для кліматичної зони ІІ).

3) Кількість вертикальних заземлювачів nв=Rв/(ηвRи)=139,6/(0,6 12)=19,38, де ηв - коефіцієнт використання вертикальних заземлювачів з урахуванням інтерполяції за табл. 5 дорівнює 0,6.

Вважають, що кількість труб при цьому 139,6/12=12. Для встановлення беруть 20 кутників.

4) Довжина горизонтального заземлювача (стрічки) lг=1,05 nв а=1,05 4,5 20=94.5 м.

5) Опір розтіканню горизонтального заземлювача

де ρ_розр.г=ρ_гр k=300 4=1200 Ом м (значення коефіцієнта сезонності для горизонтальної стрічки kc=4 для кліматичної зони ІІ).

6) Дійсний опір розтіканню горизонтального заземлювача з урахуванням коефіцієнта використання ; ηг=0,295 ( див. табл. 1.7).

7) Опір розтіканню заземлювачів з урахуванням опору горизонтальному розтіканню заземлювача

8) Уточнена кількість вертикальних заземлювачів

Встановлюємо 17 вертикальних заземлювачів (кутників).