Исследование сопротивления заземляющего устройства

 

Цель работы:

1. Исследование заземления электроустановок.

2. Ознакомление с приборами контроля сопротивления заземляющего устройства и нормативными требованиями к величине сопротивления заземляющего устройства.

 

Защитное заземление - преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением вследствие повреждения изоляции. Защитное заземление является простым, эффективным и широко распространенным способом защиты человека от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим поверхностям, оказавшимся под напряжением. Обеспечиваемся это снижением напряжения между оборудованием, оказавшимся под напряжением, и землей до безопасной величины.

В соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.030-81 (Электробезопасность. Защитное заземление, зануление) защитное заземление электроустановок выполняется:

- при номинальном напряжении 380 В и выше переменного тока и 440 В и выше постоянного тока - во всех случаях;

- при номинальном напряжении от 42 В до 380 В переменного тока и от 110 В до 440 В постоянного тока при работах в условиях с повышенной опасностью и особо опасных по ГОСТ 12.1.013-78.

К частям, подлежащим заземлению, согласно правилам устройства электроустановок (ПУЭ) относятся:

1. Корпуса электрических машин, трансформаторов, аппаратов, светильников и т. п.

2. Приводы электрических аппаратов.

3. Вторичные обмотки измерительных трансформаторов.

4. Каркасы распределительных щитков, щитов управления, щитков и шкафов.

5. Металлические конструкции распределительных устройств, металлические кабельные конструкции, металлические корпуса кабельных муфт, металлические оболочки проводов, стальные трубы электропроводки и другие металлические конструкции, связанные с установкой электрооборудования.

6. Металлические корпуса передвижных и переносных электроприемников.

Заземляющим устройством называется совокупность конструктивно объединенных заземлителя - проводников (электродов), соединенных между собой и находящихся в непосредственном соприкосновении с землей, и заземляющих проводников, соединяющих заземляемые части электроустановки с заземлителем.

Различаются заземлители с искусственные, предназначенные исключительно для целей заземления, и естественные - находящиеся в земле металлические предметы иного назначения.

Естественными заземлителями могут быть проложенные в земле водопроводные и другие металлические трубопроводы, за исключением трубопроводов горючих или взрывчатых газов и смесей; металлические, железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящиеся в непосредственном соприкосновении с землей, свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле, и т. д.

Для искусственных заземлителей применяются обычно вертикальные и горизонтальные электроды.

В качестве вертикальных электродов используются стальные трубы с толщиной стенки не менее 3,5 мм (обычно это трубы диаметром 50-60 мм) и уголковая сталь с толщиной полосок не менее 4 мм (обычно это уголковая сталь размером от 40x40 до 60x60 мм) длиной 2.5-3.0 м. Широко применяется также прутковая сталь диаметром не менее 10 мм, длиной до 10м, а иногда и более.

Для связи вертикальных электродов и в качестве самостоятельного горизонтального электрода (соединительной полосы) применяется полосовая сталь сечением не менее 4x12 мм и сталь круглого сечения диаметром не менее 6 мм.

В качестве заземляющих проводников, предназначенных для соединения заземляемых частей с заземлителями, применяются, как правило, полосовая сталь и сталь круглого сечения. В производственных помещениях с электроустановками напряжением выше 1000 В магистрали заземления (то есть заземляющие проводники с двумя и более ответвлениями) из стальной полосы должны иметь сечение не менее 120 мм², а напряжением до 1000 В - не менее 100 мм². Допускается применение стали круглого сечения той же проводимости. Во всех случаях не требуется применения медных проводников сечением более 25 мм², алюминиевых - более 35 мм² и стальных - более 120 мм².

Соединения заземляющих проводников между собой должны обеспечивать надежный контакт и выполняться сваркой. Присоединение заземляющих проводников к заземляемым конструкциям должно быть выполнено сваркой, а присоединение к корпусам аппаратов, машин и т. п. - сваркой или надежным болтовыми соединениями. Присоединение заземляющих проводников к металлическим оболочкам кабелей и проводов следует выполнять пайкой. Каждый заземляемый элемент установки должен быть присоединен к заземлителю или заземляющей магистрали при помощи отдельного ответвления. Последовательное включение в заземляющий проводник нескольких заземляемых частей установки запрещается.

Величина сопротивления заземляющего устройства регламентируется условиями безопасности. Согласно ГОСТ 12.1.030-81 сопротивление защитного заземления в любое время года не должно превышать нормативных величин (см. приложение 1).

Прежде чем устанавливают какое-либо заземляющее устройство, его предварительно рассчитывают. Расчет защитного заземления имеет - целью определить основные параметры заземления - число, размеры и размещение одиночных заземлителей и заземляющих проводников, при которых напряжение прикосновения и шага в период замыкания фазы на заземленный корпус не превышают допустимый значений.

Сопротивление заземляющего устройства складывается из сопротивлений вертикальных заземлителей и соединяющей их полосы (горизонтального электрода) и определяется по формуле, Ом

 

(1)

где - сопротивление одиночного вертикального электрода, Ом;

- сопротивление соединительной полосы (горизонтального электрода), Ом;

n - количество вертикальных электродов;

h_B, h_Г- коэффициенты использования вертикальных (h_В) электродов и горизонтального (h_Г) полосового электрода (соединительной полосы) (табл. 1 и 2 приложения).

Коэффициент использования характеризует уменьшение проводимости заземлителей вследствие их взаимного влияния. Иногда h именуются коэффициентом экранирования. Значение коэффициента использования зависит от формы, размеров и размещения электродов, входящих в заземляющее устройство, а также от их числа и расстояния между соседними электродами.

Для определения сопротивления одиночного вертикального заземлителя существует ряд формул, каждая из которых отражает сопротивление электрода определенной формы (в виде шара, полушара, трубы, стержня и т. д.). Для вертикального заземлителя в форме трубы сопротивление определяется по следующей формуле, Ом

, (2)

где r - объемное удельное сопротивление грунта, Ом×м;

l - длина электрода, м;

d - диаметр электрода, м;

h - расстояние от поверхности грунта до середины электрода, равное 0,5l+t, м;

t - глубина заложения электрода, м.

Сопротивление горизонтального электрода или соединительной полосы заземлителя, Ом, определяют следующим образом

 

, (3)

 

где r - объемное удельное сопротивление грунта, Ом×м;

b - ширина полосы, м;

t - глубина заложения полосы, м;

L_n – длина соединительной полосы, м, которая определяется по формуле

 

L_n=a[(n-l)+(m-l)], (4)

 

где n - количество заземлителей в контуре;

m - число рядов заземлителей;

а - расстояние между заземлителями, м.

Заземлители находятся непосредственно в грунте, и последний оказывает влияние их сопротивление, так как сам обладает определенным сопротивлением. Электрическое сопротивление грунта характеризуется его объемным удельным сопротивлением r, то есть сопротивлением куба грунта с ребром длиной 1 м. Единицей объемного удельного сопротивления является Ом на метр, Ом×м.

Значение r земли колеблется в широких пределах от десятков до тысяч Ом×м, так как оно зависит от многих факторов, в том числе от влажности, температуры, рода грунта, степени его уплотнения и от времени года. Учитывая это, величину r, принимаемую при расчетах (r_расч) увеличивают на климатический коэффициент, Ом×м

 

r_расч= r_табл · a,, (5)

 

где r_табл – объемное удельное сопротивление грунта, Ом×м (табл. 3 приложения);

a - климатический коэффициент (табл. 4 приложения).

 

Исходные данные для расчета

Для получения более точного значения сопротивления проектируемого заземляющего устройства, необходимо определить объемное удельное сопротивление конкретного вида грунта экспериментальным путем. Для этой цели используют контрольный электрод. В качестве подобного электрода берут забитый в землю металлический стержень длиной 1 м и диаметром 3 см (верхний конец стержня располагается на глубине 0.8 м от уровня поверхности грунта).

Измерив сопротивление контрольного электрода (R_контр), можно определить r_изм, Ом

, (6)

где R_kohtp - сопротивление контрольного электрода, Ом;

l - длина контрольного электрода, м;

d - диаметр контрольного электрода, м;

h - расстояние от поверхности грунта до середины электрода, равное 0.3·l+t, м;

t - глубина заложения электрода.

В этом случае при расчете заземляющего устройства величину удельного сопротивления грунта определяют по формуле, Ом×м

 

r_расч= r_измa, (7)