Конструктивное выполнение заземлителей
Заземлению подлежат металлические нетоковедущие части, которые в аварийной ситуации могут оказаться под напряжением. Они гальванически соединяются между собой, а также с заземляющим устройством. Для заземления цехового оборудования используется общецеховое заземляющее устройство. Для заземления оборудования, работающего на открытых площадях, устраивают специальное местное заземление. В любом случае при сооружении заземляющего устройства необходимо выполнять проектный расчет.
По расположению заземлителей относительно заземленных корпусов заземления делят на выносные (рис.2а)и контурные (рис.2б). В первом случае заземлители располагаются на некотором удалении от заземляемого оборудования, во втором - по контуру вокруг заземленного оборудования на небольшом (несколько метров) расстоянии друг от друга.
Рис.2 Схемы защитного заземления
1 – заземлители (заземляющие электроды); 2 – электроустановки; 3 – заземляющие проводники (внутренний контур); 4 – внешний контур заземления; 5 – электропомещение или площадка с размещением электрооборудования; 6 – заземлители; a – расстояние между соседними электродами.
В качестве одиночных искусственных заземлителей в заземляющем устройстве применяются: трубы, уголки, полосовое железо, стержни, которые заглубляются в грунт или могут лежать на поверхности земли. При заземлении стационарных токоприемников чаще используются трубчатые, уголковые или стержневые заземлители, заглубленные в грунт.
|
|
|
Для устройства заземлителей могут использоваться и естественные заземлители, в качестве которых могут применяться горизонтальные металлические подземные трубы, вертикальные стойки или сваи, фундаменты и другие аналогичные сооружения.
Требования к сопротивлению заземлителя
Сопротивления заземления, согласно ПУЭ, нормируются в зависимости от напряжения электроустановки. В электроустановках напряжением до 1000 В сопротивление заземления должно быть не более 4 Ом. Если же суммарная мощность источников (трансформаторов, генераторов), подключенных к сети, не превышает 100 кВА, сопротивление должно быть не больше 10 Ом. В электроустановках напряжением выше 1000 В с малым током замыкания (менее 500 А) допускается сопротивление заземления не более 10 Ом, а с большим (более 500 А) - не выше 0,5 Ом. В подземных выработках шахт общее сопротивление сети заземлителя, измеренное у любых заземлителей, не должно превышать 2 Ом.
Порядок расчета
Задача расчета – определить конфигурацию заземлителя, число, длину и другие параметры, образующих его элементов, а также составить план заземлителя.
|
|
|
Исходные данные включают характеристику электрооборудования (тип, виды электрооборудования, рабочие напряжения, электрическая мощность и режим нейтрали источника питания и т.п.), размещение оборудования в цехе или на участке (размеры цеха или участка, их план и т.п.), сведения о естественных заземлителях (их количество, гальваническая целостность, размеры, глубина заложения, взаимное расположение и т.п.).
Расчет выполняется в следующей последовательности.
1. Определить максимально допустимое (нормативное) значение сопротивления заземлителя Rн по ПУЭ. При этом учитывается характеристика электрооборудования, тип, рабочее напряжение, мощность, режим нейтрали источника питания и другие параметры.
2. Определить расчетное удельное сопротивление грунта ρ в котором будут размещаться электроды заземлителя. Сопротивление грунта может изменяться в широких пределах в зависимости от типа грунта и времени года. Величина ρ находится по формуле
, Ом·м, (1)
где ρтабл - удельное сопротивление грунта, выбираемое по табл.1, а 
климатический коэффициент, принимаемый по табл.2.
Таблица 1
Значения удельных сопротивлений грунтов ρтабл
|
|
|
| № п/п | Грунт, вода | Удельное сопротивление, Ом·м | № пп | Грунт, вода | Удельное сопротивление, Ом·м |
| 1 | Торф | 20 | 9 | Гравий, щебень | 2000 |
| 2 | Чернозем | 30 | 10 | Каменистый грунт | 4000 |
| 3 | Садовая земля | 50 | 11 | Скалистый грунт | 104 ÷ 107 |
| 4 | Глина | 60 | 12 | Вода морская | 0,2 – 1 |
| 5 | Суглинок | 100 | 13 | Вода речная | 10 – 100 |
| 6 | Лесс | 250 | 14 | Вода прудовая | 40 – 50 |
| 7 | Супесок | 300 | 15 | Вода грунтовая | 20 – 70 |
| 8 | Песок | 500 |
Таблица 2
Значения климатических коэффициентов 
и признаки зон
| Тип заземлителя | Климатические зоны | |||
| I | II | III | IV | |
| Вертикальные стержни длиной 2…3м при глубине заложения 0,5…0,8м | 1,8…2,0 | 1,6…1,8 | 1,4…1,6 | 1,2…1,4 |
| Горизонтальные полосовые заземлители при глубине заложения 0,8м | 4,5…7,0 | 3,5…4,5 | 2,0…3,5 | 1,5…2,0 |
| Признаки климатических зон | ||||
| Средняя температура января, ºС | -20…-15 | -14…-10 | -10…0 | 0…5 |
| Средняя температура июля, ºС | 16…18 | 18…22 | 22…24 | 24…28 |
3. Определить возможность использования для устройства заземлителя существующих естественных заземлителей, в качестве которых могут быть проложенные в грунте трубопроводы, металлические сваи, железобетонные конструкции и другие аналогичные сооружения. При наличии и использовании естественных заземлителей определяют их сопротивление Re путем практических замеров или расчетом. Для некоторых возможных естественных заземлителей их сопротивление находится по следующим формулам:
|
|
|
· горизонтально проложенный в земле на глубине t металлический трубопровод, имеющий наружный диаметр d и длину L:
Rтр = 
(2)
· вертикально установленная в земле железобетонная стойка или свая диаметром d, заглубленная в грунт на длину L
Rc = 
, (3)
· железобетонный фундамент производственного здания:
Rф = 
(4)
где S - площадь, ограниченная периметром здания, м2.
Для естественных заземлителей другого вида соответствующие формулы приводятся в справочной литературе.
4. Определить необходимость и требуемое сопротивление искусственного заземлителя Rи. Предполагается, что искусственный и естественный заземлители Rе будут включены параллельно и при этом их общее сопротивление не должно превышать допустимое Rн.
,
где Re – сопротивление естественного заземлителя, определенное в п. 3.
5. Определить предварительную конфигурацию заземлителя (расположение их электродов в ряд, по контуру или иным способом) с учетом возможности устройства искусственного заземлителя на отведенной территории, участке.
Наиболее простые и распространенные конфигурации искусственных заземлителей приведены на рис.3.
Рис.3 Способы размещения электродов группового заземлителя
(вид в плане)
а – вертикальные электроды размещены в ряд; б – вертикальные электроды размещены по контуру; в – горизонтальные электроды уложены параллельно друг другу на одинаковой глубине.
|
|
 |
Рис. 4 Схема расположения вертикального электрода в грунте
1 – вертикальный электрод; L - длина заземлителя; d – диаметр заземлителя; to – величина заглубления конца заземлителя от поверхности земли; t - расстояние от поверхности земли до середины заземлителя.
Обычно в качестве вертикальных электродов используют стальные прутки диаметром 10-15 мм и длиной до 10м, некондиционные стальные трубы диаметром 30-50мм, а также угловую сталь размером от 40x40 до 60x60 мм2 и длиной 2-3м, соединенные полосковой сталью сечением не менее 48 мм2.
7. Определяем сопротивление растеканию тока одного электрода Rэ. Соответствующие расчетные формулы в зависимости от типа, размеров и расположения электрода приводятся в специальной справочной литературе. Для выбранного электрода расчет Rэ выполняется по формуле:
, (5)
где ρ - удельное сопротивление грунта, полученное в п.2, L - длина электрода (L >> d), d – диаметр электрода, 
. Для уголка с шириной b принимается эквивалентный d = 0,95b.
Поскольку электроды находятся на достаточно близком расстоянии друг от друга, они оказывают взаимовлияние на растекание тока в грунте. Поэтому реальное сопротивление одного электрода оценивается величиной 
,
где 
- коэффициент использования вертикального электрода группового заземлителя (табл. 3).
Таблица 3
Коэффициент использования вертикальных электродов группового заземлителя (труб, уголков и т.п.) без учета влияния полосы связи
| Число заземли-телей n | Отношение расстояния между электродами к их длине, а/L | |||||
| 1 | 2 | 3 | 1 | 2 | 3 | |
| Электроды размещены в ряд (рис. 3а) | Электроды размещены по контуру (рис.3б) | |||||
| 2 | 0,85 | 0,91 | 0,94 | - | - | - |
| 4 | 0,73 | 0,83 | 0,89 | 0,69 | 0,78 | 0,85 |
| 6 | 0,65 | 0,77 | 0,85 | 0,61 | 0,73 | 0,80 |
| 10 | 0,59 | 0,74 | 0,81 | 0,56 | 0,68 | 0,76 |
| 20 | 0,48 | 0,67 | 0,76 | 0,47 | 0,63 | 0,71 |
| 40 | - | - | 0,41 | 0,58 | 0,66 | |
| 60 | - | - | 0,39 | 0,55 | 0,64 | |
| 100 | - | - | 0,36 | 0,52 | 0,62 | |
8. Определяется предварительное количество n вертикальных электродов в искусственном заземлителе по формуле
, (6)
где Lгор - длина горизонтального соединяющего электрода, обеспечивающего гальваническую связь всех вертикальных электродов в искусственном заземлителе; 
- расстояние между соседними электродами, которое согласно табл.3 может приниматься равным одной, двум или трем длинам вертикальных электродов 
. Значение Lгор принимается с использованием плана устройства искусственного заземлителя.
9. Разместив вертикальные электроды на плане определяем общее электрическое сопротивление вертикальных электродов по формуле (электроды считаются включенными параллельно)
, (7)
|
В настоящем пособии предусматривается использование распространенной заглубленной полосы, схема которой приведена на рис. 5.
 |
Рис. 5 Схема расположения горизонтального электрода в грунте
1 – горизонтальный электрод; d – диаметр электрода; t – величина заглубления середины электрода от поверхности земли; L - длина электрода.
Сопротивление полосы рассчитывается по формуле
, (8)
, для колонны или полосы 
(b - ширина полосы)
Длина соединительной полосы L определяется по принятому плану размещения вертикальных электродов. Если n электродов размещены в ряд, то значение L=1,05·(n-1)·a, где а – принятое по табл.3 расстояние между соседними вертикальными электродами. При расположении электродов по контуру L=1,05·n·a. Коэффициент 1,05 отражает запас на возможное увеличение длины полосы.
С учетом условий растекания тока в грунте расчетное сопротивление полосы корректируется коэффициентом использования горизонтальной полосы 
, определяемым по табл. 4. Коэффициент так же, как и коэффициент , отражает условия растекания тока в грунте. Реальное сопротивление горизонтальной полосы оценивается величиной
. (9)
Общее сопротивление горизонтальной полосы 
.
Таблица 4
Коэффициенты использования горизонтального полосового электрода, соединяющего вертикальные электроды (трубы, уголки и т.п.) группового заземлителя
| Отношение a/L | Число вертикальных электродов, n | ||||||||||
| 2 | 4 | 6 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 100 | |
| Вертикальные электроды размещены в ряд (рис. 3а) | |||||||||||
| 1 | 0,85 | 0,77 | 0,72 | 0,62 | 0,42 | 0,31 | - | - | - | - | - |
| 2 | 0,94 | 0,80 | 0,84 | 0,75 | 0,56 | 0,46 | - | - | - | - | - |
| 3 | 0,96 | 0,92 | 0,88 | 0,82 | 0,68 | 0,58 | - | - | - | - | - |
| Вертикальные электроды размещены по контуру (рис. 3б) | |||||||||||
| 1 | - | 0,45 | 0,40 | 0,34 | 0,27 | 0,24 | 0,22 | 0,21 | 0,20 | 0,2 | 0,19 |
| 2 | - | 0,55 | 0,48 | 0,40 | 0,32 | 0,30 | 0,29 | 0,28 | 0,27 | 0,26 | 0,23 |
| 3 | - | 0,70 | 0,64 | 0,56 | 0,45 | 0,41 | 0,39 | 0,37 | 0,36 | 0,35 | 0,33 |
11. Рассчитывается общее сопротивление искусственного заземлителя Rио, состоящего из вертикальных электродов с общим сопротивлением 
и горизонтальной соединительной полосы с общим сопротивлением 
. Полагая их соединенными параллельно, общее сопротивление Rио находится по формуле
. (10)
Последнее выражение при подстановке выражений (7) и (9) после очевидных преобразований принимает вид
. (11)
При значительной протяженности присоединительных проводников, прокладываемых к искусственному заземлителю (свыше нескольких десятков метров) полученную величину Rио увеличивают на величину сопротивления последовательно присоединенных проводников.
Окончательно, полученное общее сопротивление заземлителя, состоящего из естественного заземлителя с Re и искусственного заземлителя с Rио не должно превышать допустимого значения Rн, т.е. должно обеспечиваться соотношение
. (12)
В противном случае необходимо внести изменения в конструкцию и/или параметры заземлителя, обеспечивающие снижение его сопротивления, и расчет повторить.
Расчет защитного заземления допускает множество вариантов решения, выбираемых с учетом конкретных особенностей объекта, его расположения, имеющихся материалов, параметров и т.д.
В заключение расчета приводится схема размещения заземлителя.
Пример расчета
Требуется заземлить оборудование подстанции в Подмосковье. Грунт – глина. Вблизи заземляемого помещения находится трубопровод длиной 30м с диаметром 0,1м, заглубленный на 0,2м. Размер помещения в плане 15х4м2. В качестве искусственных заземлителей предполагается использовать вертикальные электроды длиной 2.5м, диаметром 0.015м заглубленные на 0.8м, а для их соединения - стальную полосу сечением 40x4мм2.
1. Определяем требуемое допустимое сопротивление заземления в соответствии с ПУЭ: Rн = 4 Ом.
2. Определяем расчетное удельное сопротивление грунта ρ, в котором будут размещаться электроды заземлителя. Значение удельного сопротивления глины ρтабл = 60 Ом ·м. Заземляемое помещение находится во II климатической зоне. Для устройства заземлителя предполагается использование вертикальных заглубленных электродов длиной 2.5м. Следовательно удельное сопротивление грунта 
Ом·м.
3. Определяем возможность использования для устройства заземлителя существующих естественных заземлителей. В качестве такового используем находящийся вблизи трубопровод с указанными параметрами. Рассчитаем сопротивление трубопровода по формуле (2).
Rтр = 
5,63 Ом
Таким образом сопротивление естественного заземлителя Re = 5,63Ом, что больше допустимого значения Rн = 4 Ом и означает необходимость устройства дополнительного искусственного заземлителя.
4. Определяется требуемое сопротивление искусственного заземлителя Rи.
13,82 Ом
5. Определяем предварительную конфигурацию заземлителя. Принимаем расположение вертикальных заземлителей в ряд, как приведено на рис.3а.
6. Выбираем тип и размеры одиночного заземлителя. В качестве такового примем вертикальные электроды длиной 2,5м, диаметром 15мм, заглубленные на 0,8м.
7. Определяем предварительное количество вертикальных электродов в искусственном заземлителе n по формуле (6) 
6 шт. Lгор = 15м - длина горизонтального соединяющего электрода, обеспечивающего гальваническую связь всех вертикальных электродов в искусственном заземлителе, принятая по конструктивным соображениям с учетом плана расположения подстанции и места расположения заземлителей в ряд. При a=L расстояние между соседними электродами равняется 2,5м.
8. Определим сопротивление одного вертикального электрода по выражению (5)
38,62 Ом.
Реальное сопротивление одного электрода оценивается величиной 
Ом, где 
- коэффициент использования вертикального электрода группового заземлителя (табл. 3), соответствующий предполагаемому числу электродов 6 и отношению расстояния между вертикальными электродами к их длине равной 1.
9. Разместив вертикальные электроды на плане (в ряд) определяем общее электрическое сопротивление вертикальных электродов по формуле (7)
9,90 Ом.
10. Определяем электрическое сопротивление горизонтальной соединительной полосы Rг, сечением 20x4мм обеспечивающей гальваническое соединение всех вертикальных электродов. Длина соединительной полосы L определяется согласно принятому плану размещения вертикальных электродов. Для 6 электродов, размещеныx в ряд, L=1,05·(6-1)·2,5 = 13,13м
11,15 Ом.
С учетом условий растекания тока в грунте расчетное сопротивление полосы корректируется коэффициентом использования горизонтальной полосы = 0.72 , определяемым по табл. 4 и реальное сопротивление горизонтальной полосы оценивается величиной 
Ом. Общее сопротивление горизонтальной полосы =15,49 Ом. 11.Рассчитывается общее сопротивление искусственного заземлителя Rио, состоящего из вертикальных электродов с общим сопротивлением = 9,90 Ом и горизонтальной соединительной полосы с общим сопротивлением = 15,49 Ом.
Ом
12. Проверяем условие: окончательно полученное общее сопротивление заземлителя не должно превышать нормативного значения Rн=4 Ом, т.е. должно обеспечиваться соотношение
< 4 Oм.
Полученное значение общего сопротивления существенно меньше допустимого. Поэтому можно выполнить пересчет, приняв меньшее число вертикальных электродов. Эскиз схемы заземлителя может быть представлен в следующем виде.
Рис. 6. Схема размещения заземляющего устройства
1 – контру подстанции; 2 – соединительная горизонтальная полоса; 3 – заземляемое электрооборудование; 4 – естественный заземлитель (труба); 5 – вертикальные электроды искусственного заземлителя.
Контрольные вопросы
1. Назовите технические меры защиты от поражения электрическим током, применяемые в электроустановках.
2. Какое устройство именуют защитным заземлением?
3. Как устроено защитное заземление и в чем заключается принцип его действия?
4. Какие факторы учитываются при нормировании величины сопротивления защитного заземления?
5. В каких случаях не требуется устройства искусственного защитного заземления?
6. Какие конструктивные особенности устройства защитного заземления Вы знаете?
7. Каким образом и почему устройство защитного заземления зависит от сопротивления грунта?
8. Возможны ли для заземления электрооборудования различные конструктивные решения по устройству защитного заземления?
Список литературы:
1. Инженерные расчеты систем безопасности труда и промышленной экологии. Под ред. проф. А.Ф.Борисова. Нижний Новгород, 2000. С.57-66.
2. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). –М.: Энергоатомиздат, 1998.
3. ГОСТ 12.1.030 – 81 ССБТ «Электробезопасность. Защитное заземление, зануление».
Таблица 5
Варианты заданий.
Принятые сокращения: р – в ряд, к – по контуру, ф – фундамент, с – свая, т – трубопровод.
| № варианта | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 |
| Грунт (№ по табл. 1) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| Напряжение, В | 380 | 220 | 3000 | 6000 | ||||||||||||||||
| Параметры искусственного заземлителя | ||||||||||||||||||||
| Расположение | к | р | к | р | к | р | к | р | к | р | к | р | к | р | К | р | к | Р | к | р |
| Длина элемента, м | 2,0 | 2,1 | 2,2 | 2,3 | 2,4 | 2,5 | 2,6 | 2,7 | 2,8 | 2,9 | 3,0 | 2,0 | 2,1 | 2,2 | 2,3 | 2,4 | 2,5 | 2,6 | 2,0 | 2,1 |
| Диаметр, мм | 15 | 20 | 25 | 15 | 20 | 25 | 15 | 20 | 25 | 15 | 20 | 25 | 15 | 20 | 25 | 15 | 20 | 25 | 15 | 20 |
| Заглубление, м | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 |
| Ширина полосы, мм | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 |
| Естественный заземлитель | ||||||||||||||||||||
| Вид | ф | с | т | ф | с | т | ф | с | т | ф | с | т | ф | с | Т | ф | с | Т | ф | с |
| Длина,м | - | 3 | 15 | - | 4 | 20 | - | 5 | 25 | - | 3 | 30 | - | 4 | 35 | - | 5 | 40 | - | 3 |
| Заглубление,м | - | - | 0,5 | - | - | 0,6 | - | - | 0,7 | - | - | 0,8 | - | - | 0,9 | - | - | 1,0 | - | - |
| Диаметр, м | - | 0,4 | 0,4 | - | 0,5 | 0,5 | - | 0,6 | 0,6 | - | 0,7 | 0,7 | - | 0,8 | 0,8 | - | 0,9 | 0,9 | - | 1,0 |
| Площадь сечения, мм2 | 50 | - | - | 60 | - | - | 70 | - | - | 80 | - | - | 90 | - | - | 100 | - | - | 110 | - |
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 5
Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 746; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!