заземлителям ниже: импульсное электросопротивление каждого заземлителя не должно превышать 20 Ом, а при защите дымовых труб, водонапорных башен, пожарных вышек – 50 Ом.

Контрольные вопросы и задания

1.Укажите, в чем заключается опасное действие молнии на здания, сооружения, промышленные коммуникации.

2.Укажите, какие категории молниезащиты зданий существуют согласно «Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций».

3.Укажите, какие типы молниеотводов существуют согласно «Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций».

4.Что такое зона защиты молниеотвода?

5.Какие конструктивные элементы зданий и сооружений могут рассматриваться как естественные молниеприемники?

6.Укажите, в чем заключается методика расчета молниезащиты.

Задание №1

Расчет сопротивления растеканию тока заземляющего устройства

В табл. 1.1 приведены исходные данные для расчета заземлителей в однослойной земле.

Таблица 1.1

Исходные данные для расчета заземлителя в однослойной земле

46

Последовательность расчета заземлителей в однослойной земле следующая:

1. Определить норму величины сопротивления Rн заземления. Чтобы напряжение на заземленном корпусе оборудования было

минимальным, ограничивают сопротивление заземления. В установках 380/220 В оно должна быть не более 4 Ом, в установках 220/127 В не более 8 Ом. Если мощность источника питания не превышает 100 кВ А, сопротивление заземления может быть в пределах 10 Ом.

2. Определить значение удельного сопротивления грунта ρ в месте устройства заземления (табл. 1.2).

3. Определить сопротивление одиночного заземлителя по формуле

где t – расстояние от середины заземлителя до поверхности грунта, м; l,d – длина и диаметр заземлителя, м (если в качестве заземлителя принята прокатная сталь углового профиля, расчет ведут по той же формуле с заменой ширины уголка вУ на эквивалентный диаметр dэ=0,95ву, м).

4. Определить расчетное удельное сопротивление грунта

ρрасч ,

где – коэффициент сезонности, учитывающий возможности повышения сопротивления грунта в течение года.

Значения принимаем по табл. 1.3, 1.4 в зависимости от климатической зоны, где будет размещено заземляющее устройство, и влажности земли.

47

Таблица 1.3

Признаки климатических зон для определения коэффициентов сезонности

Примечание. Земля считается повышенной влажности, если измерению ее сопротивления предшествовало выпадение количества осадков свыше нормы; нормальной влажности, если измерению предшествовало выпадение близкого к норме количества осадков; малой влажности, если количество осадков ниже нормы.

48

5.Определить ориентировочное число одиночных заземлителей

взаземляющем устройстве.

n1= Rо.з ,

Rн в

где в – коэффициент использования вертикальных заземлителей.

Для ориентировочного расчета в принимаем равным 1.

Коэффициент использования заземлителей учитывает явление взаимного экранирования электрических полей отдельных электродов, которое приводит к уменьшению действующего сечения земли около каждого электрода и увеличению сопротивления растеканию тока группового заземлителя в целом. Значение коэффициента использования зависит от формы, размеров и размещения электродов, составляющих групповой заземлитель, а также от их числа n, расстояния а между отдельными заземлителями и от отношения расстояния между отдельными заземлителями к их длине (для повышения коэффициента использования заземлителей это отношение принимают не менее 1). С увеличением расстояния а уменьшается взаимодействие полей единичных заземлителей, в результате чего в возрастает; при а=4 м проводимость заземлителей

используется полностью и в =1. С увеличением числа заземляющих

электродов (при неизменном а) повышается взаимодействие полей и, следовательно, снижается в .

6. По табл. 1.5 определить действительные значения коэффициента использования для вертикальных заземлителей, исходя из принятой схемы размещения вертикальных заземлителей.

49

7. Определить необходимое число вертикальных заземлителей.

n1= Rо.з .

Rн в

8. Определить длину полосы, соединяющей одиночные заземлители.

L 1,05an – для заземлителей, расположенных по контуру;

L1,05a(n 1) – для заземлителей, расположенных в ряд.

Вгрупповом заземлителе наряду с взаимоэкранированием вертикальных электродов имеет место экранирование между горизонтальными и вертикальными составляющими. Это экранирование учитывается коэффициентом использования полосы

г . Численные значения г приведены в табл. 1.6.

Таблица 1.6

Коэффициент использования соединительной полосы г

заземлителей из угловой стали или труб

9. Определить сопротивление стальной полосы, соединяющей вертикальные заземлители.

где 1 расч – расчетное удельное сопротивление грунта, Ом м; В – ши-

рина полосы, м.

10. Определить расчетное удельное сопротивление грунта.

1 расч 1.

По табл. 1.4 определить значения коэффициента сезонности 1 для горизонтального заземлителя г .

50

11.Определить общее сопротивление заземляющего устройства

сучетом соединительной полосы.

12.Правильно рассчитанное заземляющее устройство должно отвечать условию R Rн.

13.Результаты расчетов отразить в табл.1.7

Таблица 1.7

Результаты расчетов

Задание №2

Расчет заземлителя в двухслойной земле

Расчет заземлителей в многослойной земле более трудоемок, но зато дает более точные результаты. Его целесообразно применять при сложных конструкциях групповых заземлителей, что обычно имеет место в электроустановках с эффективно заземленной нейтралью, в установках напряжением 100 кВ и выше.

При расчете заземлителей в многослойной земле обычно принимают двухслойную модель земли с удельными сопротивлениями верхнего ρ1 и нижнего ρ2 слоев соответственно и толщиной верхнего слоя h1. Расчет производится способом, основанным на учете потенциалов (способом наведенных потенциалов).

Исходные данные для расчета заземлителя в двухслойной земле приведены в табл. 2.1.

51

Таблица 2.1

Исходные данные для расчета заземлителя в двухслойной земле

При расчете сложного заземлителя в двухслойной земле способом наведенных потенциалов значение сопротивления растеканию вычисляют в следующей последовательности:

1. По предварительной схеме заземлителя определяют площадь территории, занимаемой заземлителем (площадь заземлителя), S, м2; суммарную длину горизонтальных электродов L, м; количество n вертикальных электродов и их суммарную длину, м.

Lв=nl,

где l – длина заземлителя, м.

2. Составляют расчетную модель заземлителя, представляющую собой горизонтальную квадратную сетку из взаимно пересекающихся полос с вертикальными электродами. Расчетная модель имеет одинаковые с принятой схемой заземлителя площадь S; суммарную длину горизонтальных, количество и длины вертикальных электродов L, n, l, Lв; глубину заложения в землю t0, м. Она погружена в однородную землю с расчетным эквивалентным удельным сопротивлением ρэ, Ом м.

52

3.Определяют длину одной стороны модели, равную S , м.

4.Определяют количество ячеек m по одной стороне модели.

уточняют значение L, м:

L2(m 1)S .

5.Определяют длину стороны ячейки в модели b, м:

bS /m.

6.Определяют количество вертикальных электродов n или a; предварительно намечают размещение этих электродов в схеме модели. Если они расположены по периметру заземлителя, в этом случае n или а вычисляют по формуле

na 4S .

7.Определяют суммарную длину Lв вертикальных электродов (см. формулу в п.1).

8.Определяют относительную глубину погружения в землю вертикальных электродов tотн :

tотн (l t0)/S .

9. Определяют относительную длину lотн, м, верхней части вертикального заземлителя:

lотн (h1 t0)/l.

10.Определяют эквивалентное удельное сопротивление земли

э, Ом.м, для сложного заземлителя:

э 2( 1/ 2)k ,

где 1 и 2 – удельные сопротивления верхнего и нижнего слоев

земли соответственно, Ом м; k – показатель степени.

При 0,1 1/ 2 1

k 0,32(1 0,26ln h1). l

При 1 1/ 2 10

k 0,43(lотн 0,272ln а 2), l

где h1 – толщина верхнего слоя земли, м.

11. Вычисляют расчетное сопротивление R, Ом, по формуле Оллендорфа–Лорана:

53

А0,385 0,25tотн при 0,1 tотн 0,5.

12.Определяют потенциал заземляющего устройства, В, по

формуле

Iз R,

где Iз – ток замыкания на землю, А.

13. Правильно рассчитанное заземляющее устройство должно отвечать условию н .

Задание №3

Определение основных показателей защитного зануления

Основные потребители электроэнергии на предприятиях (станки, оборудование) запитаны от трехфазной линии переменного тока с заземленной нейтралью. Напряжение между фазами называется линейным U1. Потребители однофазного тока включаются в цепь фаза-нейтраль, которая называется фазовым напряжением Uф и по величине составляет около 2/3 линейного напряжения (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Распределение напряжений в сети трёхфазной линии

В процессе эксплуатации электрооборудования возможно появление неисправности в виде пробоя изоляции одной из фаз на корпус, что может вызвать появление опасного напряжения на нетоковедущих металлических частях, прикосновение к которым может повлечь поражение электрическим током.

Если оборудование подключено к сети с заземленной нейтралью при напряжении до 1000 В, то согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) оно должно быть занулено, так как

54

заземление корпуса не может обеспечить в полной мере защиту от поражения электрическим током.

При возникновении пробоя и появлении опасного напряжения на корпусе оборудования необходимо отключить поврежденную фазу. Это достигается включением в цепь тока замыкания автоматического выключателя или плавкого предохранителя (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Принцип работы защитного зануления: Rф,Rн – сопротивление фазного и нулевого проводов; ZТ – сопротивление питающего трансформатора; А, B, C – фазы; Jкз – ток короткого замыкания; PEN – нулевой провод

Работа зануления заключается в превращении замыкания фазы на корпус в однофазное короткое замыкание, в результате которого срабатывает защита (автомат, плавкая вставка), которая отключает поврежденный участок цепи.

Величина тока короткого замыкания определяется выражением

Uф

Iкз Rm Rф Rн , 3

где Rm – сопротивление одной фазы источника тока, Ом; Rф, Rн –

3

сопротивления фазного и нулевого проводов от источника до потребителя соответственно, Ом.

Для большинства сетей Rф + Rн составляет 0,5 – 2 Ом. Величина сопротивления зависит от расчетной мощности.

55

В электроустановках различной мощности величина тока, необходимого для отключения (срабатывания автоматического выключателя или выбивания плавкого предохранителя), зависит от тока короткого замыкания Iкз:

– для плавких предохранителей In Iкз ;

3

– для автоматических выключателей Iа Iкз .

1,3

При Iкз, равном 12 А, устанавливают предохранители с током

2.Включить тумблер Тр2.

3.Включить потребитель П1 тумблером Т1. Плавно вращая ручку Рн, установить последовательно три значения измерительного напряжения. Снять соответствующие показания вольтметра Uизм и

амперметра Iизм. Замеры занести в табл. 3.1.

Рис. 3.3. Схема лабораторной установки

4. Подсчитать ток короткого замыкания. Значение Rm берется из

3

табл. 3.1, мощность трансформатора задается преподавателем.

5. Определить токовые показатели плавких предохранителей для измеренных вариантов. Результаты занести в табл. 3.1.

56

Таблица 3.1

Токовые характеристики защитного зануления

Таблица 3.2

Исходные данные для определения токовых характеристик защитного зануления

6.Выключить тумблер Т1 потребителя П1 и включить тумблер Т2 потребителя П2.

7.Аналогично п. 3 выполнить замеры и занести в табл. 3.1.

8.Подсчитать ток короткого замыкания и определить токовые характеристики автоматических выключателей. Результаты записать в табл. 3.1.

9.Отключить установку.

10.Сделать выводы.

Задание № 4

Расчет зануления

Расчет сводится к проверке условия обеспечения отключающей способности зануления:

Jкз 3Jнпл.вст,

где Jкз – ток короткого замыкания, А; Jнпл.вст – номинальный ток плавкой вставки, А.

57

Подбор плавких вставок предохранителей производится по величине пускового тока электродвигателя с учетом режима работы

Jнпл.вст Jпусэл.дв / ,

где Jпусэл.дв – пусковой ток электродвигателя, А; – коэффициент режима работ (для асинхронных двигателей =1,6–2,5; для двигателей с частыми включениями, например для кранов, =1,6–1,8; для двигателей, приводящих в действие механизмы с редкими пусками, например транспортеров, вентиляторов, =2–2,5).

где Uф – фазное напряжение, В; Zт – сопротивление питающего трансформатора, Ом; Rф, Rн – активные сопротивления нулевого и фазного проводников, Ом.

Расчётные полные сопротивления Zт, Ом, силовых масляных трансформаторов приведены в табл. 4.1.

58

Параметры закрытых обдуваемых двигателей единой серии 4А приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Параметры закрытых обдуваемых двигателей единой серии 4А

Допустимая токовая нагрузка на провода приведена в табл. 4.3.

59

Окончание табл. 4.3

Значения номинального тока плавкой вставки для разных типов предохранительных серий ПН-2 приведены в табл. 4.4.

Предохранители плавкие серии ПН2 предназначены для защиты электрооборудования промышленных установок и электрических сетей трехфазного переменного тока с номинальным напряжением до 380 В частотой 50 и 60 Гц от токов перегрузки и короткого замыкания. Предохранители допускают работу в трехфазных сетях переменного тока напряжением до 500 В

частотой 50 и 60 Гц и до 220 В постоянного тока. Структура условного обозначения ПН2-Х-ХХХ3:

ПН2 – серия;

Х– номинальный ток предохранителя, А: 100; 250; 400;

Х– способ монтажа:

1 – на основаниях комплектного устройства с передним присоединением; 3 – на собственном основании с передним присоединением; 7 – на проводниках комплектного устройства;

Х – наличие указателя срабатывания и свободных контактов: 0 – без указателя и свободных контактов; 1 – с указателем срабатывания без свободных контактов;

2 – с указателем срабатывания и замыкающими свободными контактами;

60

3 – с указателем срабатывания и размыкающими свободными контактами; Х3 – климатическое исполнение (У, УХЛ, Т) и категория размеще-

ния по ГОСТ 15150– 69.

Значения номинального тока расцепителей автоматических выключателей по ГОСТ Р 51326.1–99 приведены в табл. 4.5.

Исходные данные для расчета защитного зануления приведены в табл. 4.6.

61

Последовательность расчета следующая:

1. Рассчитать номинальный ток электродвигателя

где Р – номинальная мощность двигателя, кВт; Uф – номинальное напряжение, В; соs =0,91 – коэффициент мощности, показывающий, какая часть тока используется на получение активной мощности и какая на намагничивание.

2. Для расчета активных сопротивлений Rн и Rф проводов необходимо предварительно задаться сечением, длиной и материалом нулевого и фазного проводов. Активное сопротивление фазного провода, Ом:

Rф 1,2 ф lф ,

Sф

где ρф – удельное сопротивление материала фазного провода (для меди 0,18; для алюминия 0,028 Ом мм2/м); lф – длина фазного провода, м; Sф – сечение фазного провода, мм2.

Активное сопротивление нулевого защитного провода, Ом:

Rн 1,2 н lн ,

Sн

где ρн – удельное сопротивление материала нулевого провода (для меди 0,18; для алюминия 0,028 Ом мм2/м); lн – длина нулевого защитного провода, м; Sн – сечение нулевого провода, мм2.

Определить сечение фазного и нулевого проводов по табл. 4.3. Сечение нулевого провода и его материал выбираются из условия, чтобы его проводимость была равной проводимости фазного провода.

62

3.Определить основные технические характеристики электродвигателя по табл. 4.2.

4.Определить пусковой ток электродвигателя и номинальный ток плавкой вставки по формуле Jнпл.вст Jпусэл.дв / .

5.Определить сопротивление фаза-нуль по формуле

Zп (Rф Rн)2 .

6. Проверить, обеспечено ли условие надежного срабатывания

защиты Jкз 3Jнпл.вст .

7. Выбрать предохранитель по табл. 4.4 и автоматический выключатель по табл. 4.5.

Задание №5

Расчет молниезащиты зданий и сооружений

Исходные данные для расчета молниезащиты приведены в табл.

5.1.

Методика расчета молниезащиты:

1.В соответствии с нормативными документами раздела 8 «Молниезащита зданий и сооружений» определить, относится ли производство к взрывоопасным или пожароопасным.

2.Определить среднегодовую продолжительность гроз.

По карте СО–15334.21.122–2003 известно, что для:

–северных районов России средняя продолжительность гроз в год составляет 10–20 ч;

–средней полосы России – 20–40 ч;

–южных районов России – 40–60 ч.

3. Рассчитать ожидаемое годовое число поражений молнией прямоугольных зданий и сооружений, расположенных в заданном районе и не оборудованных устройством молниезащиты.

63

N=(S+6h)(L+6h)n 10-6,

где S, L – ширина и длина зданий, м (для зданий и сооружений сложной конфигурации в плане при расчете N в качестве S и L принимают ширину и длину наименьшего описанного прямоугольника); h – наибольшая высота здания или сооружения; n – среднегодовое число ударов молний в 1 км2 земной поверхности в месте расположения зданий или сооружений, принимается в соответствии с табл. 5.2.

4.На основании СО 153–34.21.122–2003 устанановить категорию устройства молниезащиты здания: I, II, III.

5.Исходя из габаритов здания, конструкции кровли здания определить тип молниеприемника: металлическая сетка, одиночный стержневой молниеотвод, тросовый молниеотвод.

6.Определить допустимую величину сопротивления заземляющего устройства в зависимости от категории молниезащиты здания.

7.Определить импульсное сопротивление заземляющего устройства для молниеотвода.

Связь между импульсным сопротивлением Ru стекания больших токов c заземлителя и сопротивлением R стекания тока промышленной частоты определяется зависимостью

Ru R,

где – коэффициент импульса, зависящий от величины тока молнии, удельного сопротивления грунта и конструкции заземлителя.

Значения при различных удельных сопротивлениях грунта для вертикальных заземлителей приведены в табл. 5.3.

64

Правильно рассчитанное импульсное сопротивление заземляющего устройства должно отвечать условию Ru Ruн.

Задание №6

Определение параметров тока в проводнике

Расчет сводится к определению основных параметров электрической сети.

Порядок определения основных параметров электрической сети:

1.Используя ампервольтомметр, провести измерения фазного напряжения в электрической сети.

2.Определить линейное напряжение.

3.Определить силу тока на рассматриваемом участке электрической цепи.

4.По результатам измерений величины тока, протекающего через проводник, используя закон Джоуля – Ленца, определить количество теплоты, Q, Дж, выделяющееся в проводнике для интервалов времени, t, с: 1 мин, 30 мин, 60 мин.

Q I2 R t,

где I – сила тока, А; R – сопротивление проводника (удельное сопротивление см. табл. 6.1), Ом.

5.Измерить диаметр оболочки проводника. Определить площадь поверхности нагрева проводника F, м2.

6.Определить температуру поверхности проводника T, С, используя закон Фурье, по формуле

I2 R

T k F Tос ,

где Тос – температура окружающей среды, С (см. протокол измерений производственного микроклимата); k – коэффициент теплопередачи материала, Вт/(м2 °С) [ккал/(м2 ч С)].

7. Коэффициент теплопередачи может быть определен по формуле

k D/ ,

65

где D – толщина слоя изоляции, м; λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м С), (табл. 6.2).

Таблица 6.1

Значения удельного электрического сопротивления для различных материалов

Таблица 6.2

Значения коэффициента теплопроводности для различных материалов

Задание №7

Определение параметров электромагнитного поля электрических проводников

В целях охраны здоровья населения «Санитарные нормы и правила защиты населения от воздействия электрического поля, создаваемого воздушными линиями электропередачи переменного тока промышленной частоты», СанПиН 2.2.4.1191–03 «Электромагнитные поля в производственных условиях», ГН 2.1.8/2.2.4.2262–07 «Предельно допустимые уровни магнитных полей частотой 50 Гц в помещениях жилых, общественных зданий и

66

на селитебных территориях» требуют, чтобы в помещениях жилых зданий напряженность электрического поля не превышала 0,5 кВ/м. К этому должны быть также отнесены детские, лечебные, лечебнооздоровительные учреждения, профилактории, дома престарелых, дома отдыха и другие подобные учреждения. При этом в жилой зоне, на территориях таких учреждений, в местах отдыха напряженность электрического поля не должна превышать 1 кВ/м.

Санитарно-защитной зоной воздушных линий (ВЛ) является территория вдоль трассы ВЛ, в которой напряженность электрического поля превышает 1 кВ/м. Граница санитарно-защитной зоны определяется уровнем напряженности электрического поля, равным 1 кВ/м, и удалением от проекции на землю крайнего фазного провода в направлении, перпендикулярном к ВЛ. В том случае, когда границы этой зоны, определяемые этими требованиями, не совпадают, граница устанавливается по максимальному значению.

Границы санитарно-защитной зоны устанавливаются по обе стороны от ВЛ и определяются следующим образом:

1.Выбирается площадка для измерения. Площадка, на которой проводятся измерения, должна быть свободной от местных предметов, радиус площадки должен быть не менее 1 м. При измерениях под кронами деревьев измерительная антенна должна размещаться в 1,5–2 м от проекции кроны на землю.

2.При измерениях в многоэтажной застройке измерения необходимо проводить на всех этажах со стороны здания, обращенной к линии.

3.Осуществляются измерения ЭМП средством измерения в соответствии с порядком его использования. На каждой площадке (в каждой точке) проводится не менее трех измерений. В качестве результата принимается среднее арифметическое значение.

4.Заполняется протокол измерений, где на плане указаны точки проведения измерений.

Протокол № (регистрационный номер)

измерений напряженности электромагнитного поля

"___" _________ 20 ___ г.

1.Место проведения измерений (наименование объекта: цех, участок, отделение):_______________________________________________

2.Цель измерений (предупредительные, текущие, санитарный надзор, заявка, жалоба и т.д.):___________________________________________________

67

3.Средства измерения (наименование прибора, марка, заводской номер):__________________________________________________________

4.Нормативно-техническая документация, в соответствии с которой проводились измерения:___________________________________________

5.Ситуационный план (эскиз):

6.Результаты измерений заносятся в табл.7.1.

5. Вычислить вероятность заболевания лейкозом по формуле МР 2.1.10.0061–12 «Оценка риска для здоровья населения при воздействии переменных электромагнитных полей (до 300 ГГц) в условиях населенных мест» на последующие 5 лет:

Р(t) [ 9,12 10 7 (С t)4 1,68 10 4 (С t)3 9,2 10 3 (С t)201 (С t)

где Р(t) – вероятность заболевания лейкозом на заданный момент

времени t в расчете на 100 тыс. человек; IL – напряженность низкочастотного излучения за исследуемый период времени, Вт/м2;

IH – напряженность высокочастотного излучения за исследуемый

эмпирический коэффициент, принимаемый в соответствии табл.7.2.

Таблица 7.2

Значение коэффициента С для расчета риска за период t

68

6. Определить размеры эллипсоида, эквивалентного телу человека:

b 3G ,

2 a

где G – масса человека, кг; a – рост человека, м; ρ – средняя плотность тела человека, ρ=1,05 г/см3.

7. Определить точное значение коэффициента деполяризации эллипсоида вращения вдоль оси вращения a:

где k=a/b.

8. Определить приближенное значение коэффициента деполяризации эллипсоида вращения вдоль оси вращения a:

9.Определить круговую частоту тока:

2 f ,

где f – частота тока в цепи, Гц.

10. Определить точное значение тока, стекающего в землю через тело человека:

b2

I1 E 0 Nа1 ,

где 0 =8,85.10-12 – электрическая постоянная, Ф/м; E – напряженность электрического поля в точке проведения измерений, В/м.

11. Определить приближенное значение тока, стекающего в землю через тело человека:

12. Сделать выводы.

69