Коэффициенты использования вертикальных заземлителей

Отношение расстояния между заземлителями к их длине	Число заземлителей n
	2	4	6	10	20	40	60	100
Заземлители располагаются в ряд
1	0,85	0,73	0,65	0,59	0,48	-	-	-
2	0,91	0,83	0,77	0,74	0,67	-	-	-
Заземлители располагаются по контуру
1	-	0,69	0,61	0,55	0,47	0,41	0,39	0,36
2	-	0,78	0,73	0,68	0,63	0,58	0,55	0,52
3	-	0,85	0,80	0,76	0,71	0,66	0,64	0,62

6. Определяется сопротивление соединительной полосы

, (3.3)

где - длина соединительной полосы, - ширина и глубина заложения полосы, и с учетом коэффициента использования полосы (табл. 3.4) уточняется .

Таблица 3.4. Коэффициенты использования горизонтальной полосы,

Соединяющей вертикальные заземлители

Отношение расстояния между заземлителями к их длине	Число вертикальных заземлителей n1
	2	4	6	10	20	40	60	100
Вертикальные заземлители расположены в ряд
1	0,85	0,77	0,72	0,62	0,42	-	-	-
2	0,94	0,89	0,84	0,75	0,56	-	-	-
Вертикальные заземлители расположены по контуру
1	-	0,45	0,40	0,34	0,27	0,22	0,20	0,19
2	-	0,55	0,48	0,40	0,32	0,29	0,27	0,23
3	-	0,70	0,64	0,56	0,45	0,39	0,36	0,33

7. Определяют общее сопротивление заземляющего устройства и соединявшей полосы,

(3.4)

и проверяют, соответствует ли оно нормативному значению R_н.

Пример расчета. Заземлению подлежит оборудование понижающей подстанции напряжением 6/0,4 кВ. Мощность трансформатора 200 кВА, схема соединения обмоток Y/_н, т.е. на стороне высокого напряжения - глухозаземленная нейтраль, низкого - изолированная нейтраль. Грунт - суглинок, климатическая зона - II.

Для заземляющего устройства в качестве вертикальных стержней предполагается использовать угловую сталь с шириной полки 40 мм, длиной 3 м; в качестве соединительной полосы - стальную шину сечением 40 ^х 4 мм.

I. Токи замыкания на землю в подобных установках меньше 500 А, поэтому для заданной мощности трансформатора нормированное сопротивление заземляющего устройства R_н  4 Ом.

2. Удельное сопротивление грунта Ом-м (табл. 3.1). С учетом климатических коэффициентов 1,4; 4 (табл.3.2) расчетные удельные сопротивления Омм, Омм

3. Эквивалентный диаметр стержней d = 0.95 ^.b=0,95 ^. 0,04 = 0.038 м.

Сопротивление одиночного заземлителя при Н₀ = 0,5 м и H = 0.5+ 3/2 = 2 м определяем по формуле 3.1:

Ом

4. Без учета взаимного экранирования число заземлителей n = 40,5/4 = 10 шт.

5. Заземляемый объект – небольшое, отдельно стоящее здание, поэтому заземляющее устройство выбираем контурное в виде прямоугольника (рис. 3.1) с ориентировочным соотношением сторон - 2 ^х 3.

Рис. 3.1. Эскиз заземления

Исходя из реальных условий, отношение берем равным 1. Тогда (табл. 4.3) и шт. сопротивление заземлителей Ом.

6. Длина соединительной полосы м; берем равной м. Тогда сопротивление соединительной полосы (формула 3.3) равно

Ом

С учетом коэффициента использования полосы (табл.4.4) Ом.

7. Общее сопротивление заземляющего устройства находим по формуле 4.4.

Ом

Полученное расчетное сопротивление R удовлетворяет требованиям ПУЭ: R<R_н = 4 Ом. Стержневые заземлители длиной по 3 м в количестве 18 шт. расположены в контуре прямоугольном размером 12 х 15 м.

Расчет зануления

Цель расчета зануления - определить сечение защитного нулевого провода, удовлетворяющее условию срабатывания максимальной токовой защиты, при известных остальных параметрах сети и заданных параметрах автоматического выключателя или плавкой вставки. Принципиальная схема зануления представлена на рис. 3.2.

Рис 3.2 Схема зануления установки

При замыкании на зануленный корпус электроустановки ток короткого замыкания I_к проходит через следующие участки цепи: обмотки трансформатора Тр, фазный провод L₂, нулевой проводник PE, а также по параллельной ветви: заземление нейтрали R_o, участок грунта, повторное заземление R_п. Сопротивление петли "фаза-нуль" обычно не превышает 2 Ом, а сопротивление R_o+R_п , согласно ПУЭ должно быть в пределах 7 - 28 Ом в зависимости от напряжения сети. Поэтому ток I_з , протекающий через землю, много меньше тока I_н , проходящего по нулевому проводнику, и можно считать I_к = I_н, Тогда

_, (3.5)

где I_ном - номинальный ток срабатывания устройства защиты П или АВ; - коэффициент кратности номинального тока (см. п. 3.1).

Значение I_ном определяется мощностью подключенной электроустановки, и выбирается из условия несрабатывания при протекании через них рабочих токов электроустановки. Например, для электродвигателей ток I_ном плавких вставок предохранителей должен в 1,6 - 3 раза превышать номинальные токи.

Расчетный ток короткого замыкания с учетом полного сопротивления петли "фаза-нуль" Z_п :

(3.6)

где U_ф - фазное напряжение сети; Z_т - сопротивление трансформатора.

Значения Z_т в зависимости от мощности трансформатора P и схемы соединения обмоток "звезда-звезда" Y/Y_н или "треугольник-звезда" /Y_н с четвертым нулевым защитным проводником с низкой стороны трансформатора приведены в табл. 3.5.

Таблица 3.5.Расчетные сопротивления трансформаторов

при вторичном напряжении 380/220 В ^*)

Р, кВт	Zт			Р, кВт	Zт
	Y/Yн	/Yн			Y/Yн	/Yн
25	3,11	0,906		250	0,312	0,090
40	1,95	0,562		400	0,195	0,056
63	0,80	0,360		630	0,129	0,042
100	0,487	0,266		1000	0,081	0,029
160		0,141		1600	0,054	0,017

*) Для трансформаторов о вторичным напряжением 220/128 В Z_т следует уменьшить в 3 раза.

Полное сопротивление проводников петли "фаза-нуль"

(3.7)

где R_ф , R_н - активные сопротивления фазного и нулевого провода; Х_ф ,Х_н ~ внутренние сопротивления разного и нулевого проводов; Х_п - внешнее индуктивное сопротивление петли "фаза-нуль".

Для медных и алюминиевых проводников фаз по известным данным: сечению S_ф , мм², длине l , м, и удельному сопротивлению проводника , Ом ^. мм²/м (для меди = 0.018. а для алюминия = 0,028) - определяется сопротивление

R_ф = l / S_ф . (4.8)

Значение x_ф для медных и алюминиевых проводников мало, поэтому в формуле (4.7) им можно пренебречь.

Если нулевой защитный проводник выполнен из стали прямоугольного или круглого сечения, то R_н = R₁ l, R_ф = l , где R₁ и x₁ - активное и внутреннее индуктивное сопротивление I км проводника, которые указаны в табл. 3.6. Они зависят от его профиля и площади сечения S_н, а также от ожидаемой плотности тока в проводнике i_н А/мм²

Таблица 3.6. Значения R₁ и x₁ , Ом/км стальных проводников при переменном токе

( f = 50 Гц)

Размеры сечения, мм	Sн , мм2	iн = 0,5		iн = 1,0		iн = 1,5		iн = 2,0
		R1	x1	R1	x1	R1	x1	R1	x1
20x4	80	5,24	3,14	4,20	2,52	3,48	2,09	2,97	1,78
30x4	120	3,66	2,20	2,91	1,75	2,38	1,43	2,04	1,22
30x5	150	3,38	2,03	2,56	1,54	2,08	1,25	1,60	0,98
40x4	160	2,80	1,68	2,24	1,34	1,81	1,09	1,54	0,92
50x4	200	2,28	1,37	1,79	1,07	1,45	0,87	1,24	0,74
50x5	250	2,10	1,26	1,60	0,96	1,28	0,77	-	-
60x5	300	1,77	1,06	1,34	0,80	1,08	0,65	-	-

i_н = I_к / S_н . (3.9)

При выборе сечения нулевого проводника следует обеспечить i_н = 0,5-2,0 А/мм

Материал и сечение разных проводников выбирают, исходя из мощности потребителей энергии, а материал и сечение нулевого защитного проводника - должны удовлетворять условию

Z_н  2 ^. Z_ф (3.10)

где Z_н и Z_ф - полные сопротивления соответственно нулевого и разного проводника.

Внешнее индуктивное сопротивление Z_п , Ом, петли "фаза-нуль", если используется воздушная линия электропередачи и частота тока f = 50 Гц, можно определить по формуле

x_п = 0.1256 ^. l ^. ln (2 ^. D / d) (3.11)

где l - длина линии, км; D - расстояние между проводниками линии, м; d - диаметр проводников, м. Для грубых расчетов используют формулу x_п = 0.6 ^. l , что соответствует D = 1 м» Для уменьшения значения x_п нулевой защитный проводник следует прикладывать рядом с фазным. Если нулевой проводник является четвертой жилой кабеля или металлической трубой, в которой расположены разные проводники, то x_п мало по величине и им можно пренебречь, в формуле (3.7).

Если источник питания и линия электропередачи заданы, то необходимо выбрать соответствующий автоматический выключатель, используя приведенные выше рекомендации. Если задан автоматический выключатель, тогда необходимо определить сечение нулевого провода. В обоих случаях проводится расчет на срабатывание выключателя. Если в результате расчета условие (3.5) выполняется, то расчет окончен, а если не выполняется, то его повторяют, выполнив одно из мероприятий: изменяют параметры выключателя; утолщают нулевой защитный проводник; измеряют параметры фазных проводников.

Пример расчета. Электроустановка снабжается энергией от трансформатора мощностью 630 кВА. напряжением 10/0.4 кВ со схемой соединения обмоток Y/Y_н. Линия 380/220 В протяженностью 300 м состоит из трех проводников сечением 15 мм², нулевой защитный проводник – стальная полоса сечением 50 ^x 4 - проложена в 20 см от фазных проводников. Проверить обеспечивается ли отключающая способность зануления распределительного щитка, если в качестве зашиты используется автоматический выключатель с I_{ном =} 60 A.

I. Определяем по формуле (3.5) для автоматического выключателя I_к = 1,4 ^. 60 = 84 А.

2. По табл.3.5 находим сопротивление обмоток трансформатора Z_т = 0,129 Ом.

Далее рассчитываем по формуле (3.7) полное сопротивление петли "фаза- . нуль".

3. По формуле (3.8) находим при l = 300 м R_ф = 0.028 ^. 300/15 = 0,56 Ом.

4. Согласно формуле (3.9) i_н = 84/(50 ^. 4) = 0,42 A/мм². Считая i_н = 0.5, по табл.3.6 для нулевого защитного проводника находим R₁ = 2,28 Ом/км, x₁ = 1.37 Ом/км. Тогда R_н = 2,28 ^. 0,3 = 0,684 Ом; x_y = 1,73 ^. 0,3 = 0,411 Ом.

5. Условие (3.10) выполняется: Z_н = 0,8 < 2; Z_ф = 1,1.

6. Внешнее индуктивное сопротивление проводников согласно формуле (3.11) берем с запасом (d = 2 ): x_п = 0,1256 ^. 0,3 ^. ln (2 ^. 0,2/0,00564) = 0161 Ом.

7. По формуле (3.7) находим Z_п = 1,37 Ом, затем по формуле (4.6) определяем I_к = 156 А. Следовательно условие (4.5) выполняется, и отключение распределительного щитка в аварийной ситуации также обеспечивается.

Задачи

Задача 1.Спроектировать защитное заземление оборудования лаборатории (ЛАБ) или понижающей подстанции (ПП) 6/0,4 кВ, от которой питается лаборатория. Заземляющее устройство заглублено: Н_о = 0,5 - 0,8 м. Для вертикальных заземлителей длиной l_c = 2.0 - 3.5 м использовать стальные трубы диаметром не менее 25 мм или уголок с полкой не менее 25 мм. Для соединительной полосы использовать стальную шину сечением 40х4 мм. Варианты остальных исходные данных приведены в табл. 4.7.

Таблица 4.7. Варианты исходных данных для расчета защитного заземления

№ вар	Объект Защиты	Параметры трансформатора		Климатическая зона	Грунт	Расположение вертикальных заземлителей
		мощность, кВА	Соединение обмоток
1	2	3	4	5	6	7
1	ЛАБ	40	/н	I	суглинок	в ряд
2	ЛАБ	100	/н	III	чернозем	в ряд
3	ПП	630	Y/н	I	супесок	по контуру
4	ЛАБ	250	/н	IV	песок	в ряд
5	ПП	400	Y/н	III	суглинок	по контуру
6	ЛАБ	63	Y/н	II	глина	в ряд
7	ПП	100	/н	IV	чернозем	по контуру
8	ЛАБ	63	Y/н	I	песок	в ряд
9	ПП	160	Y/н	II	супесок	по контуру
10	ЛАБ	400	/н	III	глина	в ряд
11	ПП	1000	Y/н	II	суглинок	по контуру
12	ЛАБ	300	/н	IV	супесок	в ряд
13	ПП	630	Y/н	III	песок	по контуру
14	ЛАБ	160	/н	I	суглинок	в ряд
15	ПП	630	Y/н	IV	супесок	по контуру
16	ПП	40	/н	III	чернозем	по контуру
17	ЛАБ	250	Y/н	II	глина	в ряд
18	ПП	160	Y/н	I	песок	по контуру
19	ЛАБ	63	/н	IV	чернозем	в ряд
20	ПП	400	Y/н	II	глина	по контуру
21	ЛАБ	100	/н	III	суглинок	в ряд
22	ПП	400	Y/н	II	супесок	по контуру
23	ЛАБ	160	/н	I	глина	в ряд
24	ПП	630	Y/н	IV	песок	по контуру
25	ЛАБ	400	/н	II	суглинок	в ряд
26	ЛАБ	100	Y/н	I	чернозем	в ряд
27	ПП	630	Y/н	III	супесок	по контуру
28	ЛАБ	250	/н	I	песок	в ряд

Задача 2.. Рассчитать параметры зануления распределительного щитка лаборатории, к которому подведена линия от понижавшего трансформатора 10/0,4 кВ. Определить либо параметры нулевого защитного проводника из стали (например, вар. 1), удовлетворяющие условию срабатывания максимальной токовой защиты при заданных параметрах устройства защиты; сечение нулевого проводника выбирать в пределах, указанных в табл. 4.б. Либо подобрать параметры устройства защиты (например, вар. 2); номинальные токи уставок автоматических выключателей –20-80 А., номинальные токи плавких вставок предохранителей - в пределах 40-160 А. Варианты остальных исходных данных приведены в табл. 3.8.

Таблица 3.8. Варианты исходных данных задаче 2

№ вар	Параметры трансформатора		Длина линии, м	Параметры “фазы”			Параметры “нуля”		Параметры устройства защиты *)
	мощность, P, кВА	соединение обмоток		напряжение, Uф , В	сечение, мм2		Sн , мм2	D, м
					из Cu	из Al			тип	Iном , A
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
1	400	Y/Yн	400	380	12		-		П	80
2	630	/Yн	300	380		15	160	0,6	-
3	160	/Yн	200	220	10		120	0,3	-
4	400	Y/Yн	450	380		10	-		АВ	70
5	100	/Yн	250	220	15		-		П	40
6	1000	Y/Yн	325	380		20	150	0,4	-
7	160	Y/Yн	150	220	16		300	0,5	-
8	63	/Yн	375	220		8	-		АВ	40
9	250	Y/Yн	200	380	12		-		П	90
10	630	Y/Yн	125	220		14	200	0,2	-
11	40	/Yн	175	220	10		160	0,3	-
12	160	/Yн	300	220		5	-		АВ	75
13	630	Y/Yн	150	380	16		-		П	145
14	400	/Yн	250	220		20	250	0,6	-
15	1000	Y/Yн	375	380	17		300	0,8	-
16	250	/Yн	125	220		16	-		П	110
17	63	/Yн	350	220		10	-		АВ	65
18	630	Y/Yн	400	380	14		250	0,4	-
19	100	/Yн	125	220		12	300	0,2	-
20	630	Y/Yн	200	380	12		-		П	120
21	400	Y/Yн	275	220		8	-		АВ	50
22	250	/Yн	400	380	12		200	0,5	-
23	100	/Yн	125	220		10	120	0,3	-
24	630	Y/Yн	100	380	10				П	140
25	40	/Yн	200	220		5	80	0,2	-
26	400	/Yн	250	220		20	250	0,6	-
27	63	/Yн	375	220		8	-	АВ	40
28	400	Y/Yн	400	380	12		-	П	80

^*) Тип устройства защиты: П – предохранитель, АВ – автоматический выключатель;

I_ном - номинальный ток плавкой вставки предохранителя или номинальный ток уставки автоматического выключателя. Номинальные токи вставок АВ (автоматических выключателей следует принимать: 20; 25; 31,5; 40; 50; 63; 80 А. А для предохранителей П: 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160 А.