Краткие теоретические сведения Общие термины
Защитным заземлением называется преднамеренное электрическое соединение с землей металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением с целью обеспечения электробезопасности.
Заземлителем называется проводник (электрод) или совокупность соединенных между собой проводников (электродов), находящихся в соприкосновении с землей.
Заземляющий проводник—проводник, соединяющий заземляемые части с землей.
Схему устройства заземления электроустановки можно найти в Приложении 1.
Если какя-либо точка сети оказывается в контакте с груном, то у места замыкания возникает "поле растекания тока". Если это поле образовано растеканием тока промышленной частоты (в данной практической работе мы рассматриваем именно такой случай), его можно рассматривать как электростатическое поле и напряженность любой точки почвы в поле растекания составит:
где:
—плотность
тока в а/мм2
—удельное
сопротивление грунта растеканию тока
в ом.см
Под удельным сопротивлением грунта растеканию тока понимают электрическое сопротивление между противоположными сторонами кубика грунта со стороной, равной 1 см, т.е. еденица измерения выражается величиной равной ом.см.
Приближенные
значения удельного сопротивления
различных грунтов
в зависимости от влажности приведены
в таблице 1
Таблица 1—Приближенные значения удельного сопротивления грунтов в зависимости от влажности
Грунт |
Удельное сопротивление в ом.см |
|
При влажности 10-20% |
Пределы изменения |
|
Песок |
7*102 |
7*102-10*102 |
Супесь |
3*102 |
1,5*102-4*102 |
Суглинок |
1*102 |
0,4*102-1,5*102 |
Глина |
0,4*102 |
0,08*102-0,7*102 |
Чернозем |
2*102 |
0,096*102-5,8*102 |
Расчет защитного заземления
Расчет защитного заземления производится методом коэффициентов использовния электродов при однородной структуре грунта для расчета базовых заземляющих устройств.
До начала расчета необходимо определить нормативное значение сопротивления (Rнорм) электроустановок, для которых ведется расчет. Это значение можно определить по ГОСТ 12.1.030-81, или по таблице 2 приведенной ниже.
Таблица 2—Величина наибольшего допускаемого сопротивления заземляющих устройств при использовании систем защитного заезмления
Характеристика установки (Установки на напряжение до 1000 в) |
Наибольшее допускаемое сопротивление заземляющих устройств, ом |
а) при мощности генераторов и трансформаторов 100 кв.а и менее |
10 |
б) при большей мощности |
4 |
Определям расчетное сопротивление земли:
(1)
где:
—коэффициент
сезонного влияния (Кп),
который учитывает возможные колебания
сопротивления грунта при смене влажности
(таблица 3)
Таблица 3—Значения повышающего коэффициента различных заземлителей
Тип заземлителя |
Значения повышающего коэффициента Кп для климатических зон |
|||
I |
II |
III |
IV |
|
Протяженные электроды на глубине 0,8 м |
4,5—7 |
3,5—4,5 |
2,5—4 |
1,5—2 |
Комбинированные (вертикальные электроды длиной 2,5-3м при заложении соединительной полосы шириной 0,5-0,8 м) |
1,8—2 |
1,6—1,8 |
1,4—1,6 |
1,2—1,4 |
Примечание: Территория Украины находится во II—III климатических зонах
Определяем сопротивление заземлителя растеканию тока в грунт. Для определения сопротивления заземлителя, необходимо установить конструктивные особенности заземляющего устройства в соответсвтии с вариантами задания. Формулы для расчета сопротивления заземлителей ( R ) различных конструкций растеканию тока в грунт приведены в таблице 4
Таблица 4 — Формулы для расчета сопротивления заземлителей различных частей конструкции заземляющего устройства растеканию тока в грунт
№ п/п |
Схема |
Тип заземлителя |
Формула расчета |
Примечание |
1 |
2 |
3 |
4 |
|
1 |
|
Труба, стержень у поверхности земли |
|
|
2 |
|
Труба, стержень на глубине h |
|
|
3 |
|
Протяженный заземлитель (полоса, труба) на глубине h, диаметр или ширина b |
|
|
4 |
|
Кольцевой заземлитель (полоса, труба) на глубине h |
|
|
5 |
|
Круглая пластина на поверхности земли с диаметром d |
|
--- |
или
Примечание к Таблице 4:
где:
—
расчетное
сопротивление земли
l—длина электрода
d—диаметр электрода
h—глубина заложения электрода (или соединительной полосы)
t—расстояние от поверхности земли до середины заземлителя (электрода)
(2)
—сопротивление
заземлителя растеканию тока в грунт
Определим ориентировочное количество заземлителей n':
(3)
где:
— сопротивление заземлителя (электрода или полосы) растеканию тока в грунт в ом
—допустимое
(нормативное) значение заземляющего
устройства в ом
—коэффициент
использования заземлителя
Коэффициентом использования заземлителя (или экранирования) называется отношение суммы сопротивления отдельных электродов, стоящих по отношению один к другому в зоне нулевого потенциала, к сопротивлению многоэлектродного заземлителя с таким же количеством электродов при размещении каждого из этих электродов в поле растекания сосденего электрода. Значения коэффициентов использования вертикальных электродов комбинированного заземлителя без учета полосы связи приведены в таблице 5
Таблица 5—Значения коэффициентов использования вертикальных электродов
Количество электродов n |
Значение
коэффициента использования
|
||
|
|
|
|
При размещении электродов в ряд |
|||
2 |
0,84—0,87 |
0,90—0,92 |
0,93—0,95 |
3 |
0,76—0,80 |
0,85—0,88 |
0,90—0,92 |
5 |
0,67—0,72 |
0,79—0,83 |
0,85—0,88 |
10 |
0,56—0,62 |
0,72—0,77 |
0,79—0,83 |
15 |
0,51—0,56 |
0,66—0,73 |
0,75—0,80 |
20 |
0,47—0,50 |
0,65—0,70 |
0,74—0,79 |
При размещении электродов по контуру |
|||
4 |
0,66—0,72 |
0,76—0,80 |
0,84—0,86 |
6 |
0,58—0,65 |
0,71—0,75 |
0,78—0,82 |
10 |
0,52—0,58 |
0,66—0,71 |
0,74—0,78 |
20 |
0,44—0,50 |
0,61—0,66 |
0,68—0,73 |
40 |
0,38—0,44 |
0,55—0,61 |
0,64—0,69 |
60 |
0,36—0,42 |
0,52—0,58 |
0,62—0,67 |
100 |
0,33—0,39 |
0,49—0,55 |
0,59—0,65 |
при отношении расстояния между
электродами к их длине
В грунтах с большим удельным сопротивлением растеканию тока расчет по приведенной методике приводит к большом перерасходу материала и других ресурсов, необходимых для устройства заземления. В этом случае, заземля.щее устройство следует рассчитывать с учетом растекания тока не только с вертикальных электродов, но и с полосы связи, в зависимости от ее длины, что определяется расстояниями между отдельными электродами и их количеством.
Расчет длины полосы связи:
—при размещении электродов цепочкой в ряд:
(5)
—при размещении электродов по контуру:
(6)
где:
а—расстояние
между электродами;
—определенное
по формуле 3 количество заземлителей
(электродов).
Расчет сопротивлению растеканию тока в грунт полосы связи определяется по формуле для протяженного заземлителя из таблицы 4
Определяем сопротивление заземляющего устройства с учетом влияния полосы связи по формуле:
(4)
где:
—сопротивление
растеканию тока в грунт полосы связи в
ом
—коэффициент
использования полосы связи (таблица 6)
—значения
удельного сопротивления различных
грунтов (Табл. 1)
—
сопротивление заземлителя растеканию
тока в грунт
ом
Таблица 6— коэффициенты использования полосы связи
Отношение расстояния между трубами (уголками) к их длине |
Значение
коэффициента использования
|
|||||||
4 |
6 |
8 |
10 |
20 |
30 |
50 |
70 |
|
При размещении электродов в ряд |
||||||||
1 |
0,77 |
0,72 |
0,67 |
0,62 |
0,42 |
0,31 |
0,21 |
0,19 |
2 |
0,89 |
0,84 |
0,79 |
0,75 |
0,56 |
0,46 |
0,36 |
0,32 |
3 |
0,92 |
0,88 |
0,85 |
0,82 |
0,68 |
0,58 |
0,49 |
0,42 |
При размещении электродов по контуру |
||||||||
1 |
0,45 |
0,40 |
0,36 |
0,34 |
0,27 |
0,24 |
0,21 |
0,20 |
2 |
0,55 |
0,48 |
0,43 |
0,40 |
0,32 |
0,30 |
0,28 |
0,26 |
3 |
0,70 |
0,64 |
0,60 |
0,56 |
0,45 |
0,41 |
0,37 |
0,35 |
при числе труб (уголков)
Так как задача решается методом подбора (значение , а следовательно и количество электродов принимается ориентировочно), то в результате решения, полученное сопротивление может быть больше или же значительно меньше допускаемого по условиям безопасности. В этих случаях следует увеличить или уменьшить количество электродов, соответственно. Затем расчет необходимо повторить.
Приложение 1.
Схема устройства заезмления электроустановки
Устройство заземления: 1—Электроустановка; 2—соединительная полоса; 3—вертикальный заземлитель.
Приложение 2.
Варианты задания в соответствии с шифром зачетной книжки студента
Таблица—Варианты задания в соответствии с шифром зачетной книжки студента
№ |
грунт |
Тип Эл. |
h, м |
lв,м |
|
d,м |
Клим. зона |
1 |
супесь |
труба |
0,3 |
2,0 |
5 |
0.05 |
I |
2 |
суглинок |
0,4 |
2,5 |
4 |
0.04 |
II |
|
3 |
глина |
0,5 |
3,0 |
6 |
0.03 |
III |
|
4 |
песок |
0,6 |
3,5 |
4 |
0.06 |
IV |
|
5 |
супесь |
0,7 |
2,0 |
5 |
0.05 |
I |
|
6 |
суглинок |
0,8 |
2,0 |
6 |
0.04 |
II |
|
7 |
глина |
0,3 |
2,5 |
4 |
0.03 |
III |
|
8 |
песок |
0,4 |
3,0 |
5 |
0.06 |
IV |
|
9 |
суглинок |
0,5 |
2,5 |
6 |
0.05 |
I |
|
0 |
глина |
0,6 |
2,0 |
4 |
0.04 |
II |
,м
Приложение 3
Пример расчета устройства заземления
Задача: подобрать конструкцию комбинированного заземляющего устройства и определить его сопротивление растеканию тока в грунт, при следующих условиях:
-вертикальные электроды длиной (lэ,м) 2 м и диаметром (d) 63 мм
-стальная полоса связи шириной (b) 40 мм
-глубина заложения полосы (h) 0,8 м
-грунт—глина
(р=6000 ом
см)
-Климатический район расположения объекта—II
-мощность трансформатора с изолированной нейтралью 180 ква
Решение:
По таблице (2) для установок с напряжением до 1000 в с изолированной нейтралью допустимое сопротивление заземляющего устройства должно быть не более =4 ом. Для II климатической зоны для комбинированных заземлителей (таблица 3) повышающий коэффициент К=1,6. Следовательно, расчетное удельное сопротивление грунта растеканию тока составит:
1,6 6000=9600 ом см
Определим сопротивление вертикального электрода растеканию тока (таблица 4)
Определяем примерное количество необходимых вертикальных электродов:
— по таблице 5, учитывая приблизительное количество электродов
Длина полосы связи при 11-ти трубах, соединенных в ряд, и расстоянии между ними, равном , будет равна:
Тогда сопротивление полосы связи составит:
По таблице 5 коэффициент использования полосы связи =0,82. Вычисляем сопротивление растеканию тока заземляющего устройства:
Условие выполнено.
Приложение 4
Контрольные вопросы
1. Что такое заземляющий проводник ?
2. Дайте определение заземлителя.
3. Назовите факторы повышающие вероятность включения человека в электрическую сеть.