Искусственных заземлителей в электроустановках

Бухаров И.И.

Волошин В.С.

Методическое указание

К расчету на ПК

Искусственных заземлителей в электроустановках

Напряжением до 1000 В

Мариуполь, ПГТУ, 2010.

Приазовский государственный технический университет

Кафедра Охраны труда и окружающей среды им.Н.С. Немцова

Бухаров И.И.

Волошин В.С.

Методическое указание

К расчету на ПК

Искусственных заземлителей в электроустановках

Напряжением до 1000 В

Мариуполь, ПГТУ, 2010.

Составил	Бухаров И.И., доц., к.т.н. Волошин В.С., проф.
Рецензент	Бухаров И.И., доц., к.т.н.
Ответственный за выпуск	Бухаров И.И., доц., к.т.н.

 

Утверждено на заседании кафедры «ОТ и ОС»

 

Протокол № 7 от «11» 02.2010г.

 

Рекомендовано методической комиссией

энергетического факультета

 

Протокол № 2 от «15» 02.2010 г.

Устройство заземления

Защитному заземлению (занулению) подлежат токопроводящие, нормально не находящиеся под напряжением части электроустановок и оборудования, могущие оказаться под напряжением вследствие повреждения изоляции или замыкании на корпус либо на землю.

Защитное заземление (зануление) необходимо выполнять:

­− при U ≥ 380 В переменного тока и U ≥ 440 В постоянного тока во всех электроустановках;

− при U > 42 В до 380 В переменного тока и U > 110 В до 440 В постоянного тока в помещениях с повышенной опасностью и особо опасных по поражению электрическим током, а также в наружных установках;

− не зависимо от величины напряжения и рода тока во взрывоопасных зонах и электросварочное оборудование.

Защитное заземление применяют в электроустановках напряжением до 1000 В и свыше с изолированной нейтралью источников тока, а также в электроустановках U ≥ 110 кВ с заземленной нейтралью трансформатора или генератора тока.

Искусственные заземлители по расположению к заземленному оборудованию подразделяют на выносные и контурные.

Выносные заземлители располагают на некотором удалении от заземляемого оборудования. Поэтому заземленные корпуса находятся вне поля растекания тока, и человек, касаясь корпуса, оказывается под напряжением корпуса относительно земли U_пр = U_к-з, так как ₁ = 1, величине тока через человека

I_h = I_з (1.1)

Выносное заземление защищает только за счет малого сопротивления заземлителя (R_з).

При контурном заземление заземлители располагаются по контуру вокруг заземленного оборудования на небольшом расстоянии друг от друга. Поля растекания тока с заземлителей накладываются, и любая точка поверхности грунта внутри контура имеет значительный потенциал. Поэтому разность напряжений на корпусе и поверхности грунта значительно снижена и коэффициент напряжения прикосновения ₁ намного меньше единицы

( ₁ ≈ 0,2 – 03). В данном случае величина тока, протекающего через человека, снижается не только за счет малого сопротивления заземлителя R_з, но и за счет уменьшения коэффициента напряжения прикосновения ₁

I_h = I_з · ₁ (1.2)

Поэтому выносное заземление рекомендуется применять только в исключительных случаях: когда нельзя по техническим причинам устроить контурное заземление или удельное электрическое сопротивление грунта велико ( > 500 – 1000 Ом·м).

 

Минимальные размеры элементов заземлителей регламентированы исходя из их механической прочности и приведены в таблице 1.1

 

Таблица 1.1

Таблица 1.2

Максимально допустимое сопротивление для установок

Напряжением до 1000 В

 

Электроустановка	Наибольшее допустимое сопротивление, Ом	Примечание
1. С изолированной нейтралью	Rg ≤ 4	При суммарной мощности генераторов и трансформаторов выше 100 кВ ∙ А
2. С изолированной нейтралью	Rg ≤ 10	При суммарной мощности генераторов и трансформаторов 100 кВ ∙ А и менее
3. С изолированной нейтралью	Rg ≤	Если заземляющее устройство одновременно используется и для установок U > 1000 В

 

В случае использования заземлителя для электроустановок разного напряжения его необходимое сопротивление определяют отдельно для каждого напряжения и за расчетное принимается наименьшее из полученных значений.

В установках U до 1000 В с глухозаземленной нейтралью источника тока регламентируется как сопротивление всего заземляющего устройства (естественные заземлители + повторные заземлители нулевого провода + заземлитель нейтрали источника), так и сопротивление искусственных заземлителей нейтрали источника тока. Сопротивление заземляющих устройств, к которым присоединены нейтрали трансформаторов 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 источника трехфазного тока или 380, 220 и 127 В источника однофазного тока. При этом сопротивление искусственных заземлителей, к которым присоединены нейтрали трансформаторов или выводы источника однофазного тока, в любое время года должно быть не более 15, 30 и 60 Ом соответственно при линейных напряжениях 660. 380 и 220 В трехфазного тока или 380, 220 и 127 В источника однофазного тока.

 

 

Исходное уравнение

 

R_з = , (2.1)

где R₀ – допустимое сопротивление заземляющего устройства, Ом;

R₃ – сопротивление растеканию тока всего заземляющего устройства, Ом;

R₁ – сопротивление растеканию тока с одного стержневого заземлителя, Ом.

 

, (2.2)

Р – удельное электрическое сопротивление грунта, Ом ·м (табл. П.1.1);

Z₁ – коэффициент сезонности;

L – длина стержневого заземлителя, м;

G – наружный размер стержневого заземлителя, м (круглый диаметр, если угловая сталь с шириной полки Ф, то G = 0,95 Ф);

H₂ – расстояние верхней части стержневого заземлителя от поверхности земли, м;

R₂ – сопротивление растеканию тока с полосы, соединяющей стержневые заземлители, Ом.

 

(2.3)

 

Z₂ – коэффициент сезонности;

S – расстояние между стержневыми заземлителями (S ≥ L), м;

X – количество стержневых заземлителей;

Т – ширина соединительной полосы, м;

У₁ – коэффициент экранирования стержневых заземлителей

 

У₁ = (2.4)

У₂ – коэффициент экранирования соединительной полосы стержневыми заземлителями.

 

У₂ = (2.5)

А, С, В, М – коэффициенты, зависящие от расстояния между стержнями заземлителя. Их значения введены в память машины;

У_п = ХS – длина соединительной полосы, м.

Методика расчета

Для расчета вертикального контурного заземлителя на ПК необходимо подготовить форму табл. 3.1 и записать в нее значения исходных параметров.

 

 

Таблица 3.1

Исходные параметры

Номер п/п	Наименование параметра	Условное обозначение	Размерность	Численное значение
	Допустимое сопротивление заземлителя	R0	Ом	3,630
	Уд. сопротивление грунта	P0	Ом∙м	300,000
	Коэффициент сезонности для двухслойного грунта	Z	–	1,500
	Коэффициент изменения уд. сопротивления грунта	F	–	2,000
	Толщина слоя сезонных изменений в грунте	H1	М	1,800
	Расстояние от поверхности земли до горизонтальной полосы	H2	М	0,800
	Диаметр вертикального электрода	Д	М	0,012
	Ширина соединительной полосы	Т	М	0,010

Величины параметров R₀ и Д определить по табл. 1.1 – 1.2.

Удельное сопротивление грунта (Р₀) и коэффициент его изменения (F) в зависимости от глубины расположения определяют по табл. П.1.1.

Коэффициент сезонности для двухслойного грунта (Z) и толщина слоя сезонных изменений (Н₁) зависят от климатической зоны расположения предприятия (табл. П. 1.2).

Горизонтальное соединительные полосы располагают от поверхности земли на глубине Н₂ = 0,5 – 1,0 м.

В качестве соединительных полос применяют проводники из круглого или прямоугольного металла. Исходя из условий механической прочности диаметр проводников из оцинкованной проволоки должен быть не менее 6 мм, из пруткового металла – не менее 10 мм, а прямоугольного – сечение не менее 48 мм² при толщине не менее 4 мм (табл. 1.1). При круглом металле ширина соединительной полосы равна его диаметру. На основании таблицы 3.1 заполняют форму табл. 3.2 и вводят в ПК.

 

 

Таблица 3.2

Программа «KONTUR»

Фамилия И.О. студента……………….. Группа…………………..

 

R0	P0	Z	F	H1	H2	Д	Т
3,630	300,000	1,500	2,000	1,800	0,800	0,012	0,010

 

Результаты расчета ПК выдает в форме табл. 3.1 и 3.3.

В программе предусмотрен расчет 32 вариантов заземлителей при коэффициентах К₀ = 1; 1,5; 2,0 и 2,5 отношения расстояния (S) между вертикальными электродами к их длине (L₁).

При каждом (К₀) расчет производится для восьми длин вертикальных электродов от L₁ =1,0 м до L₁ = 8,0 м через ∆ L = 1,0 м.

Для каждого значения L₁ при К₀ рассчитывается необходимое количество вертикальных электродов и длина соединительной полосы, при которых сопротивление заземлителя не будет превышать допустимой величины.

После получения результатов расчета их необходимо проанализировать и выбрать оптимальный вариант заземлителя.

Заземляющее устройство должно удовлетворять следующим основным условиям:

а) количество вертикальных электродов в контуре не менее 3 шт;

б) наименьший расход металла;

в) техническая возможность заглубления вертикальных электродов соответствующей длины;

г) возможность размещения заземлителя на территории объекта.

 

 

Таблица 3.3

Результаты расчета

Наименование параметра
Номер варианта	Коэф- фициент	Сопротивление, Ом	Кол-во вертикал. электродов, Х	Длина, м
Электрода, R1	Соедин. полосы, R2	Контура, R3	Верт. электрод. HM1	Соедин. полосы, HM2	Всех верт. электрод. HM3	Σ верт.+ гориз. HM4
	1,000	212,601	6,487	6,487	175,000	1,000	175,000	175,000	350,000
	1,000	96,324	3,604	3,604	65,000	2,000	130,000	130,000	260,000
	1,000	63,820	3,574	3,574	39,000	3,000	117,000	117,000	234,000
	1,000	48,285	3,609	3,609	27,000	4,000	108,000	108,000	216,000
	1,000	39,088	3,558	3,558	21,000	5,000	105,000	105,000	210,000
	1,000	32,969	3,540	3,540	17,000	6,000	102,000	102,000	204,000
	1,000	28,587	3,572	3,572	14,000	7,000	98,000	98,000	196,000
	1,000	25,284	3,562	3,562	12,000	8,000	96,000	96,000	192,000
	1,500	212,601	3,618	3,618	124,000	1,000	186,000	124,000	310,000
	1,500	96,324	3,614	3,614	48,000	2,000	144,000	96,000	240,000
	1,5000	63,820	3,625	3,625	29,000	3,000	130,500	87,000	217,500
	1,500	48,285	3,571	3,571	21,000	4,000	126,000	84,000	210,000
	1,500	39,086	3,607	3,607	16,000	5,000	120,000	80,000	200,000
	1,500	32,969	3,601	3,601	13,000	6,000	117,000	78,000	195,000
	1,500	28,587	3,575	3,575	11,000	7,000	115,000	77,000	192,500
	1,500	25,284	3,417	3,417	10,000	8,000	120,000	80,000	200,000
	2,000	212,601	3,609	3,609	99,000	1,000	198,000	99,000	297,000
	2,000	96,324	3,556	3,556	40,000	2,000	160,000	80,000	240,000
	2,000	63,820	3,624	3,624	24,000	3,000	144,000	72,000	216,000
	2,000	48,285	3,490	3,490	18,000	4,000	144,000	72,000	216,000

Продолжение таблицы 3.3

	2,000	39,088	3,483	3,483	14,000	5,000	140,000	70,000	210,000
	2,000	32,969	3,586	3,586	11,000	6,000	132,000	66,000	198,000
	2,000	28,581	7,881	3,367	10,000	7,000	140,000	70,000	210,000
	2,000	25,284	8,519	3,577	8,000	8,000	128,000	64,000	192,000
	2,500	212,601	5,589	3,622	83,000	1,000	207,500	83,000	290,500
	2,500	96,324	6,654	3,575	34,000	2,000	170,000	68,000	238,000
	2,500	63,820	7,112	3,575	21,000	3,000	157,500	63,000	220,500
	2,500	48,285	7,421	3,594	15,000	4,000	150,000	60,000	210,000
	2,500	39,088	7,421	3,510	12,000	5,000	150,000	60,000	210,000
	2,500	32,969	7,421	3,448	10,000	6,000	150,000	60,000	210,000
	2,500	28,587	7,881	3,597	8,000	7,000	140,000	56,000	96,000
	2,500	25,284	7,881	3,554	7,000	8,000	140,000	56,000	96,000

 

 

Пример расчета

4.1 Исходные данные (выбраны произвольно)

Трансформаторная подстанция напряжением 10/0,4 кВ с изолированной нейтралью на стороне 0,4 кВ площадью 36 х 17 = 612 м² предназначена для снабжения электроэнергией механического цеха завода. Мощность трансформатора на подстанции 630 кВ∙А.

Предприятие расположено в пределах III климатической зоны.

Почва в месте расположения подстанции супесок.

Требуется рассчитать параметры заземлителя для подстанции.

Расчет

Подготовить форму табл. 3.1 и определим значения исходных параметров для их записи.

Однофазный ток замыкания на землю на стороне 10 кВ в соответствии с требованием ПУЭ не более 20 А. Допустимое сопротивление заземления на стороне 10 кВ

 

Ом (табл. 1.3)

Для оборудования на 0,4 кВ при мощности трансформатора 630 кВ∙А

R₀ = 4 Ом (табл. 1.2). Следовательно допустимое сопротивление заземлителя трансформаторной подстанции определяется созданием необходимого уровня электробезопасности на стороне 0,4 кВ.

Принимаем сопротивление заземлителя трансформаторной подстанции с учетом коэффициента запаса (К_з = 1,1) равным

 

R₀ = 4 / 1,1 = 3,63 Ом.

Удельное сопротивление супесчанного грунта Р₀ = 300 Ом∙м (табл. П.1.1). коэффициент сезонности для III климатической зоны Z = 1,5, толщина слоя сезонных изменений в грунте Н₁ = 1,8 м (табл. П.1.2).

Соединительную горизонтальную полосу заземлителя располагаем на глубине Н₂ = 0,8 м. Коэффициент F = 2,0 (табл. П.1.1).

Заземляющее устройство будет изготовлено из прутковой стали диаметром d = 0,01 м для соединительных полос и Д = 0,012 м для вертикальных электродов. Ширина соединительной полосы в данном случае

 

Т = d = 0,01 м.

На основании табл. 3.1 заполняем форму табл. 3.2 и вводим в ПК.

Анализ результатов расчета (табл. 3.3) показывает, что наиболее полно удовлетворяет требованиям (см. 3), предъявляемые к заземляющим устройствам, заземлитель варианта № 5.

Заземлитель варианта № 5 с длиной соединительной полосы НМ₂ = 105 м размещается по контуру подстанции (L_Н = 36 х 2 + 17 х 2 = 106,0 м). Расход металла на заземлитель НМ₄ = 210 пог. метров превышает минимальную величину (192 п.м.) на 8,5 %, что не превышает 10 %. Длина вертикальных электродов из прутковой стали Д = 0,012 м составляет 5,0 м, что не вызывает затруднений при их заглублении в супесчаный грунт.

Количество вертикальных электродов для варианта № 5 составляет 21 шт при расположении их друг от друга на расстоянии 5,0 м (К₀ = 1,0).

Расчетное сопротивление контура выбранного варианта (№ 5) составляет R₃ = 3.558 Ом, что удовлетворяет требованию ПУЭ R₃ ≤ R₀, так как 3,558 < 3,36.

 

Приложение 1

Таблица П.1.1

Таблица П.1.2

Оглавление

 

1. Устройство заземления………………………………………………………2

2. Исходные уравнения…………………………………………………………5

3. Методика расчета……………………………………………………………..6

4. Пример расчета……………………………………………………………….10

5. 4.1 Исходные данные…………………………………………………………10

4.2 Расчет………………………………………………………………………..10

6. Приложение……………………………………………………………………11

7. Литература……………………………………………………………………..12

 

 

Литература

Бухаров И.И.

Волошин В.С.

Методическое указание

К расчету на ПК

искусственных заземлителей в электроустановках

Напряжением до 1000 В

Мариуполь, ПГТУ, 2010.

Приазовский государственный технический университет