Формулы для вычисления сопротивления единичных заземлителей

Тип заземлителя	Схема	Формула	Условия применения
1. Полушаровой у поверхности земли.		R = ρ/(πd)	—
2. Шаровой в земле.			2·t >> d
3. Трубчатый или стержневой у поверхности земли			L>>d Для уголка с шириной b d=0,95·b
4. То же в земле		или приближенно	L>>d, t≥0,5м Для уголка с шириной b d=0,95·b
5. Протяженный на поверхности земли (труба, стержень, кабель)			L >>d Для колонны: d = 0,5·b b – ширина колонны
6. Протяженный в земле (труба, стержень, кабель)			L >> d, L >> 4t Для колонны d = 0,5·b
7. Кольцевой круглого сечения на поверхности земли.			Для полосы шириной b: d = 0,5·b D >> d
8. Кольцевой круглого сечения в земле.		или приближенно	D >> d D >> 2t Для полосы шириной b: d = 0,5·b
9. Круглая пластина на поверхности земли.			2t >> D
10. То же в земле		Приближенно (погрешность 30%):
11. Пластинчатый в земле (пластина поставлена на ребро).
Примечание: В формулах ρ - удельное сопротивление грунта, Ом·м.

Таблица 6.7

Коэффициенты использования η_r вертикальных электродов группового заземления (труб, уголков и т. п.) без учета влияния полосы связи

Число заземлитслей n	Отношение расстояний между электродами к их длине
электроды размещены в ряд (рис. 6.4, а)	Электроды размещены по контуру (рис. 6.4, б)
	0,85	0,91	0,94	-	-	-
	0,73	0,83	0,89	0,69	0,78	0,85
	0,65	0,77	0,85	0,61	0,73	0,80
	0,59	0,74	0,81	0,56	0,68	0,76
	0,48	0,67	0,76	0,47	0,63	0,71
	-	-		0,41	0,58	0,66
	-	-	-	0,39	0,55	0,64
	-	-	-	0,36	0,52	0,62

Таблица 6.8

Коэффициенты использования η_г горизонтального полосового электрода, соединяющего вертикальные электроды (трубы, уголки и т. п.) группового заземлителя

Отношение расстояний между вертикальными электродами к их длине	Число вертикальных электродов
Вертикальные электроды размсщсны в ряд (рис. 6.4, а)
	0,85	0,77	0,72	0,62	0,42	-	-	-
	0,94	0,80	0,84	0,75	0,56	-	-	-
	0,96	0,92	0,88	0,82	0,68	-	-	-
Вертикальные электроды размещены по контуру (рис. 6.4. б)
	-	0,45	0,40	0,34	0,27	0,22	0,20	0,19
	-	0,55	0,48	0,40	0,32	0,29	0,27	0,23
	-	0,70	0,64	0,56	0,45	0,39	0,36	0,33

Таблица 6.9

Коэффициенты использования η_гл параллельно уложенных горизонтальных полосовых электродов группового заземлителя (ширина полосы b=20÷40 мм; глубина заложения t_○=0,3-0,8 м) (рис.6.4,в)

Длина каждой полосы, м	Число параллельных полос	Расстояние между параллельными полосами, м
	2,5
		0,63	0,75	0,83	0,92	0,96
	0,37	0,49	0,60	0,73	0,79
	0,25	0,37	0,49	0,64	0,72
	0,16	0,27	0,39	0,57	0,64
		0,35	0,45	0,55	0,66	0,73
	0,23	0,31	0,43	0,57	0,66
	0,14	0,23	0,33	0,47	0,57
		0,60	0,69	0,78	0,88	0,93
	0,33	0,40	0,48	0,58	0,65
	0,20	0,27	0,35	0,46	0,53
	0,12	0,19	0,25	0,36	0,44

 

	Рис. 6.4. 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.

 

 

9) Определяется сопротивление R₂ = R_r растеканию тока горизонтального электрода по соответствующей формуле табл. 6.6 (в формулу подставляется вместо р значение ρ_расч).

10) Определяется сопротивление растеканию тока искусственных заземлителеи:

(6.5)

где η_г - коэффициент использования горизонтального электрода с учетом вертикальных электродов, определяется по табл. 6.8.

η_в - коэффициент использования вертикальных электродов (по табл. 6.7)

n - число вертикальных электродов.

Полученное сопротивление искусственных электродов не должно превышать требуемое сопротивление R'_и < R_итр, (6.6)

Если это условие не удовлетворяется, то необходимо выбрать другие параметры тземлителей или изменить их количество и провести перерасчет.

11) При отсутствии естественных заземлителеи R_c пункты 3 и 7 опускаются и условие (6.6) принимает вид R'_и < R_доп = R_н

12) Сопротивление заземления состоит из суммы сопротивления заземлителеи растеканию тока и сопротивления заземляющих проводников:

R_э = R_э¹ + R_пp (6.8)

Сопротивление проводников R_пр учитывается при большой протяженности проводников (несколько десятков метров).

Сопротивление заземления не должно превышать допустимого значения

R_э < R_н = R_доп, (6.9)

В противном случае требуется изменить параметры заземлителеи и провести перерасчет.

В заключение расчета приводится схема размещения заземлителеи, например, как это показано на рис. 6.5.

 

	Рис. 6.5. Пример схемы размещения заземлителеи при контурном заземлении.

 

 

Примеры расчета

Дано: Рассчитать сопротивление защитного заземления для электропитающей установки мощностью 35 кВт, распределяющего энергию напряжением 380/220 В. Электропитающая установка размещена на первом этаже производственного здания, имеющего металлические конструкции, имеющего хороший контакт с землей. Желательно, чтобы заземляющее устройство включало в себя естественные заземлители, сопротивление растеканию тока, которых R_c = 20 Ом.

Здание имеет периметр 70 м. Грунт - суглинок. Производственное здание размещено во второй климатической зоне.

Решение: 1) Требуемое сопротивление защитного заземления в соответствии с таблицей 6.3 не должно превышать R_з= R_н = 4 Ом.

2) Определяем расчетное удельное сопротивление грунта в соответствии с данными таблицы 6.4 и 6.5 ρ_pacч = ρ·k = 100·1,45 = 145 Ом·м

3) Принимаем сопротивление естественных заземлителеи равным R_c= 20 Ом.

4) Определяем предварительно конфигурацию заземлителя (в ряд, прямоугольник, и т. п. в соответствии с рис. 6.4) с учетом возможности размещения его на отведенной территории участка. Выбирем контурное размещение заземлителей. Контурный заземлитель размещается по периметру здания, длина которого L = 70 м.

5) В качестве искусственных вертикальных заземлителей выбираем стальные стержни длиной L=2,5 м, диаметром d=12 мм, верхние концы которых соединяются стальной полосой сечением 20x4 мм², уложенной в грунт (суглинок), при глубине заложения t_o=0,5 м.

6) Определяем сопротивление растеканию тока с одного заземлителя R, по соответствующей формуле, приведенной в табл. 6.6.

7) Определяем требуемое сопротивление искусственного заземляющего устройства

8) Определим предварительно необходимое количество вертикальных заземлителей п, приняв расстояние между ними α = 2L =2·2,5 = 5 м

n = L_г/α = 70/5= 14 штук.

9) Определяем сопротивление растеканию тока с горизонтального заземлителя по формуле, приведенной в табл. 6.6:

10) Коэффициент использования вертикальных и горизонтальных электродов определяем по табл. 6.7 и 6.8, соответственно с учетом интерполяции η_в = 0,66 и η_г = 0,36

11) Сопротивление растеканию группового искусственного заземлителя определяем по формуле:

Это сопротивление несколько меньше заданного (50 м), что повышает безопасность.

12) Общее сопротивление (действительное) заземляющего устройства

что меньше требуемого по ГОСТ 12.1.030-81*.

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках. М.: Энергия., 1979.

2. Долин П. А. Справочник по технике безопасности. М.: Энергоатомиздат, 1984.

3. Лесен ко Г. Г. Инженерно-технические средства безопасности труда. Киев-Техника, 1983.

4. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). М: Энергоатомиздат, 1998.

5. ГОСТ 12.1.030-81 ССБТ* "Электробезопасность. Защитное заземление, зануление".

ЗАЩИТНОЕ ЗАНУЛЕНИЕ

 

Основные понятия. Определение

Защитное зануление - преднамеренное электрическое соединение с нулевым проводом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением, в случае пробоя электрической изоляции.

Принцип действия зануления - это превращение замыкания на корпус токоведущих частей на корпус электроустановки в однофазное короткое замыкание (т. е. между фазным и нулевым защитным проводниками) с целью вызвать большой ток, способный обеспечить срабатывание защиты, и тем самым отключить поврежденную электроустановку от питающей сети (рис. 7.1).

Область применения - трехфазные четырехпроводные сети до 1000 В с заземленной нейтралью. Зануление применяется в однофазных сетях переменного тока с заземленным нулевым проводом.

 

	Рис. 7.1. К принципу действия защитного зануления

 

В случае аварии ток короткого замыкания проходит по "петле": фазный провод "2" - металлический корпус электроустановки - провод зануления - нулевой провод - нейтральная точка трансформатора "0" - вторичная обмотка трансформатора -фазный провод 2.

Ток короткого замыкания определяется по формуле

I_кз = U_ф/(Z_т/3 + Z_ф + Z_н.з + jx_n) (7.1)

где Z_r, Z_ф, Z_н.з - комплексы полных сопротивлений трансформатора, фазного и нулевого защитного проводника, соответственно, Ом,

jx_n - индуктивное сопротивление проводников петли фазы - нуль, Ом. Полное сопротивление петли фазы-нуль не более 1 Ом, тогда I_кз будет порядка 400 А и при таких токах токовая защита срабатывает мгновенно, так как срабатывают автоматы тока и отключают поврежденный участок.

На рис. 7.2 показана схема устройства защитного зануления.

 

1 - производственное помещение; 2 - электроустановки; 3 - внутренний контур (магистраль зануления) из стали; 4 - гибкие медные проводники; 5 - силовой щит (распредели­тельный щит 6 - силовой кабель.

	Рис. 7.2. Схема устройства защитного зануления

 

Расчет защитного зануления

Расчет производится на отключающую способность защитного зануления.

При замыкании фазы на зануленный корпус электроустановка автоматически отключается, если значение тока однофазного короткого замыкания удовлетворяет условию:

I_кзо >kI_ном, (7.2)

где I_ном - номинальный ток плавкой вставки предохранителя или ток срабатывания автоматического выключателя А;

k - коэффициент кратности тока, определяется по табл. 7.1.

Таблица 7.1

Значение коэффициента k

Тип защиты электроустановки	k
1. Автоматический выключатель, имеющий только электромагнитный расцепитсль, то есть который срабатывает без выдержки времени	1,25-1,4
2. Плавкий предохранитель	>3
3. Плавкий предохранитель (во взрывоопасных помещениях)	>4
4. Автоматический выключатель с обратно зависимой от тока характеристикой (как предохранитель).	>3
5. Автоматический выключатель с обратно зависимой от тока характеристикой (во взрывоопасных помещениях).	>6

 

Номинальный ток плавкой вставки I_ном = I^н_пл.вст (табл. 7.2) должен соответствовать условию

I^н_пл.вст < I_ном = I_{ном тр}, (7.3)

где I - номинальный ток трансформатора, определяемый по формуле

, (7.4)

где P_hoм - номинальная мощность трансформатора, кВА,

U_ф - фазное напряжение, В

Таблица 7.2

Значение I^н_пл.вст стандартных предохранителей для сетей напряжением 220 и 380 В

Тип предохранителя	Номинальный ток плавкой вставки I^нпл.вст, А
1.	НПИ15	6; 10; 15
2.	НПН 60М	20;25;35;45;60
3.	ПН2-100	30; 40; 50; 60; 80; 100
4.	ПН2-250	80; 100; 120; 150; 200; 250
5.	ПН-2-400	200;250; 300; 350; 400
6.	ПН-2-600	300; 400; 500; 60а
7.	ПН-2-1000	500; 600; 750; 800; 1000

 

Значение тока короткого замыкания I_кз зависит от U_ф и сопротивления цепи и определяется по формуле (7.1) и (7.2).

Расчетная формула вытекает из выражений (1) и (2) и имеет вид:

(7.5)

где R_ф + R_н.п. - активные сопротивления фазного и нулевого защитного проводников соответственно, Ом;

Х_ф и Х_н.п. - внутренние индуктивные сопротивления фазного и нулевого проводников, соответственно, Ом;

Х_п - внешнее индуктивное сопротивление петли фаза-нуль, Ом.

Сечение нулевого защитного проводника и его материал принимаются заранее из условия:

Z_н.п. < 2∙Z_ф (7.6)

Это условие установлено ПУЭ в предположении, что будет выполняться условие:

I_кз > k∙I_ном (7.7)

В качестве нулевых защитных проводников ПУЭ рекомендуют применять голые или изолированные проводники, металлические конструкции зданий, сооружений, трубы электропроводок, трубопроводы.

Таким образом, расчет зануления на отключающую способность является поверочным расчетом достаточности проводимости петли фаза-нуль.

Значения Z_т, Ом, зависят от мощности трансформатора, напряжения принимаются по табл. 7.3 или табл. 7.4.

Таблица 7.3

Приближенные расчетные полные сопротивления Z_т, Ом, масляных трансформаторов

Мощность трансформатора, кВА	Номинальное напряжение обмоток высшего напряжения, кВ	Zт, Ом при схеме соединения обмоток
У/Ун	Д/Ун и У/Zh
	6-10	3,110	0,906
	6-10	1,949	0,562
	6-10	11,237	0,360
	20-35	1,136	0,407
	6-10	0,799	0,226
	20-35	0,764	0,327
	6-10	0,487	0,141
	20-35	0,478	0,203
	6-10	0,312	0,090
	20-35	0,305	0,130
	6-10	0,195	0,056
	20-35	0,191	-
	6-10	0,129	0,042
	20-35	0,121	-
	6-10	0,081	0,027
	20-35	0,077	0,032
	6-10	0,054	0,017
	20-35	0,051	0,020
Примечание. Данные таблицы относятся к трансформаторам с обмотками низшего напряжения 400/230 В. При низшем напряжении 230/127 В значения сопротивлений, приведенные в таблице, необходимо уменьшить в 3 раза.

Таблица 7.4