1.2 Защитное заземление

Защитное заземление представляет собой преднамеренное электрическое соединение с землей или её эквивалентом металлических нетоковедущих частей электроустановок, которые могут оказаться под напряжением (рис1.1).

Защитное заземление предназначено для устранения опасности поражения электрическим током в случае прикосновения к корпусу или другим нетоковедущим частям электроустановок, оказавшимся под напряжением вследствие замыкания фазы на корпус или по другим причинам.

Защитное действие заземления основано на снижении напряжения прикосновения между корпусом электроустановки и основанием, на котором стоит человек, за счет уменьшения потенциала корпуса и увеличения потенциала основания до значений близких к потенциалу заземленной установки.

Заземлению подлежат: корпуса электрических машин и трансформаторов; приводы и корпуса электрических аппаратов; каркасы распределительных щитов, щитов управления, щитков и шкафов; металлические оболочки и броня контрольных и силовых кабелей, металлические рукава лотки, короба, и трубы электропроводки; металлические корпуса передвижных и переносных электроприемников и другие металлические конструкции, на которых устанавливается электрооборудование.

При напряжении до 1000 В заземление следует применять в трехфазных трехпроводных с изолированной нейтралью и однофазных двухпроводных, изолированных от земли, сетях переменного тока, а также в двухпроводных с изолированной средней точкой источника тока сетях постоянного тока.

При напряжении свыше 1000 В- в сетях переменного и постоянного тока с любым режимом нейтральной или средней точки источника тока.

Согласно ПЭУ, защитное заземление следует выполнять при напряжении переменного тока 380 В и выше и постоянного тока 440 В и выше во всех электроустановках; при номинальных напряжениях переменного тока свыше 42 В и постоянного тока свыше 110 В- только в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных, а также в наружных установках; при любом напряжении переменного и постоянного токов- во взрывоопасных установках.

Электрическая связь заземленных частей электроустановки с землей осуществляется с помощью заземляющего устройства. Заземляющее устройство представляет собой совокупность собственно заземлителя ( металлического проводника или группы проводников, находящихся в непосредственном соприкосновении с грунтом) и заземляющих проводников, соединяющих заземляемые части электроустановки с заземлителем.

Заземлители бывают естественными- металлические, конструкции, находящиеся в земле для специальных целей, и искусственные, предназначенные исключительно для целей заземления. К естественным заземлителям относятся различных технологические металлоконструкции, имеющие хороший контакт с землей, арматура железобетонных конструкций зданий и сооружений, металлические трубопроводы, свинцовые оболочки кабелей, обсадные трубы и т.п. Запрещается использовать в качестве естественных заземлителей трубопроводы горючих жидкостей, горючих и взрывоопасных газов, а также трубопроводы, покрытые изоляцией для защиты от коррозии.

В качестве искусственных заземлителей чаще всего используют вертикальные и горизонтальные электроды. Для вертикальных электродов применяют стальные трубы диаметром 30÷50 мм и уголки размером 40x40 до 60x60 мм длиной до 3м, а также стальные прутки диаметром 10÷12 мм и длиной до 10м. Для связи вертикальных электродов и соединения заземлителя с корпусом обычно используют полосовую сталь сечением не менее 4x12 мм или сталь круглого сечения диаметром не менее 6мм. Вертикальные и горизонтальные электроды соединяются между собой сваркой, а с корпусом заземляемого оборудования- сваркой или с помощью болтов. Присоединение заземляющих проводников к заземлителю выполняется в двух местах.

В зависимости от расположения заземлителей относительного заземляемого оборудования заземляющие устройства бывают выносные и контурные.

При выносном заземляющем устройстве заземлитель вынесен за пределы площадки, на которой размещено заземляемое оборудование, или сосредоточен на некоторой части этой площадки. Ввиду значительного удаления заземлителя от оборудования потенциал основания, на котором находится человек, близок к нулю, а напряжение прикосновения имеет максимальное значение. Такой тип заземляющего устройства не всегда обеспечивает достаточно высокую степень защиты человека, поэтому его применяют лишь при малых значениях тока замыкания на землю и, в частности, в установках напряжением до 1000 В. Достоинством такого типа заземляющего устройства является возможность выбора места размещения электродов с наименьшим сопротивлением грунта( сырое, глинистое, в низинах и т.п).

При контурном заземляющем устройстве одиночные вертикальные электроды размещают по контуру (периметру) площадки, на которой находится заземляемое оборудование, или распределяют по всей площадке равномерно. При этом безопасность обеспечивается выравниванием потенциала на защищаемой территории и его повышением до значений, близких к потенциалу корпуса оборудования. В результате обеспечивается высокая степень защиты, поэтому контурные заземления применяют при напряжении свыше 1000 В.

1.2.1 Расчет защитного заземления

Расчет заземляющих устройств электроустановок напряжением до 1000В, а также свыше 1000В до 35 кВ включительно выполняют, как правило, методом коэффициентов использования по допустимому сопротивлению R_д заземлителя растеканию тока. При этом допускают, что заземляющее устройство размещено в однородной земле. Для установок сети с эффективно заземленной нейтралью напряжением 110кВ и выше, заземлитель рассчитывают способом наведенных потенциалов, как по допускаемому сопротивлению, так и по допускаемому напряжению прикосновения. При этом необходимо учитывать многослойное строение земли, представляя ее в расчете в виде двухслойной модели.

Цель расчета защитного заземления – определение количества электродов заземлителя и заземляющих проводников , их размеров и схема размещения в земле, при которых сопротивление заземляющего устройства растеканию тока или напряжения прикосновения при замыкание фазы на заземленные части электроустановок не превышают допустимых значений.

Согласно Правилам по охране труда при эксплуатации электроустановок, электрическое сопротивление защитного заземления R_д в любое время года должно составлять:

Для электроустановок напряжением до 1000В с изолированной нейтралью R_д ≤ 10 Ом при мощности источника тока (генератора или трансформатора) 100 кВт и менее; во всех остальных случаях R_д ≤ 4 Ом;

Для электроустановок напряжением свыше 1000В с эффективно заземленной нейтралью Rд≤ 0,5 Ом;

Для электроустановок напряжением свыше 1000В с изолированной нейтралью R_д=250/I_з , но не более 10 Ом , где I_з - сила тока замыкания на землю, А. При использование заземляющего устройства одновременно для электроустановок до 1000В R_д=125/I_з, но не более 10 Ом( или 4 Ом, если это требуется для установок до 1000В).

Расчет сопротивления одиночных искусственных и естественных заземлителей.

Формулы для расчета сопротивления одиночных искусственных заземлителей растеканию тока в однородном грунте представлена в табл. 1.8

Таблица 1.8

Формулы для расчета сопротивления одиночных заземлителей растеканию тока в однородном грунте

Тип заземлителя	Схема	Формулы	Условия применения
1. Полушаровой у поверхности грунта
2. Шаровой в грунте
3. Стержневой круглого сечения (трубчатый) или уголковый у поверхности земли			; для уголка с шириной полки d=0,95b
4. Стержневой круглого сечения (трубчатый) или уголок в земле			; ; для уголка с шириной полки d=0,95b
5. Протяженные на поверхности земли(стержень, труба, полоса, кабель и т.п.)			;для полосы шириной d=0,5b
6. Протяженный в земле(стержень, труба, полоса, кабель и т.п.)			; ; для полосы шириной d=0,5b

7. Кольцевой круглого или прямоугольного сечения на поверхности земли			;для полосы шириной d=0,5b
8. Кольцевой круглого или прямоугольного сечения в земле			; ; для полосы шириной d=0,5b
9. Круглая пластина в земле
10. Прямоугольная пластина в земле (пластина поставлена на ребро)

Продолжение табл.1.8

Примечание. В формулах таблицы 1.8 удельное электрическое сопротивление грунта, ; сопротивление одиночного заземлителя растеканию тока , Ом; все размеры в метрах.

Сопротивление растеканию тока некоторых естественных заземлителей, аналогичных искусственным, по форме и расположению в земле, можно рассчитать с помощью зависимостей, приведенных в таблице 1.8. Для некоторых других естественных заземлителей сопротивление растеканию тока можно определить по следующим формулам:

а) железобетонный фундамент производственного здания:

, (1.25)

где площадь, ограничения периметров здания на уровне поверхности земли, м²;

б) система грозозащитный трос - опоры:

при числе опор ; (1.26)

при числе опор , (1.27)

где наибольшее сопротивление заземления одной опоры, Ом;

– активное сопротивление троса на длине одного пролета, Ом ;

длина пролета, м; сечение троса, мм²; число тросов на опоре.

Исходные данные для расчета заземляющего устройства.

1. Определяется согласно Правилам по охране труда при эксплуатации электроустановок допускаемое сопротивление заземляющего устройства в зависимости от вида электрооборудования, его электрической мощности, рабочего напряжения, режима нейтрали источника питания и т.п.

2. Собираются сведения о естественных заземлителях (их количество, гальваническая целостность, размеры, глубина залегания, взаимное расположение и т.п.).

3. Задаются или определяются размеры, конфигурация площадки, предназначенной для заземляющего устройства (либо площадь в м² свободной территории).

4. Определяется удельное электрическое сопротивление грунта в зоне размещения заземлителя. При отсутствии экспериментальных данных значение можно определить по табл. 1.9.

Таблица 1.9

Ориентировочные значения удельных электрических сопротивлений различных видов грунтов и вод

Вид грунта и воды	Удельное сопротивление,
	Пределы колебаний величины	Рекомендуемое для расчетов
Торф	10-30	20
Чернозем	10-50	30
Садовая земля	20-60	40
Глина	3-80	40
Суглинок	4-150	100
Лесс	200-300	250
Песок	300-1500	700
Супесь	100-400	300
Гравий, щебень	4000-7000	5000
Каменистый грунт	500-8000	4000
Скальные породы	1000-3000	2000
Вода речная	10-100	50
Вода морская	0,2-1	1
Вода грунтовая	20-70	50

5. Выбирается вид заземляющего устройства. Заземлитель обычно представляет собой систему вертикальных электродов, соединенных горизонтальным проводником.

На практике в качестве вертикальных электродов используют прутковую сталь диаметром и длиной , стальные трубы с толщиной стенки не менее 0,0035м, а также угловую сталь с шириной полки , толщиной не менее 0,004м и длиной . Располагают вертикальные электроды, как правило, на ниже уровня поверхности земли.

Горизонтальные электроды используются либо для связи вертикальных электродов, либо в качестве самостоятельного заземляющего устройства. В качестве горизонтального электрода применяют полосовую сталь шириной м и толщиной не менее 0,004м или прутковую сталь диаметром . Глубина залегания горизонтального электрода .

6. В зависимости от плана размещения заземляемого оборудования, имеющейся площади, необходимости выравнивания потенциалов и других факторов определяется схема размещения вертикальных электродов: в ряд, по контуру, лучом и расстояние между ними – a( обычно для вертикальных электродов , ; для горизонтальных электродов-полос a=1-10м.

7. Определяется климатическая зона, в которой будет сооружено заземляющее устройство, и в зависимости от нее устанавливается коэффициент сезонности: - для стержневых вертикальных электродов заземления и - для горизонтальных электродов ( табл. 1.10).

Таблица 1.10

Признаки климатических зон и значения коэффициента сезонности для однородного грунта

Характеристика климатической зоны и типа применяемых электродов	Климатические зоны
	I	II	III	IV
Климатические признаки зон:
средняя многолетняя низкая температура(январь),	От -20 до -15	От -14 до -10	От -10 до 0	От 0 до +5
средняя многолетняя высшая температура( июль),	От +16 до+18	От +18 до +22	От +22до +24	От +24до +26
Среднегодовое количество осадков, см				30-50
Продолжительность замерзания вод, дни	190-170			0
Значение коэффициента :
При применении вертикальных электродов длиной и глубиной заложения от поверхности земли	1,5 - 1,9	1,3 – 1,7	1,2 – 1,5	1,0 – 1,3
То же при длине 5м	1,3 – 1,5	1,2 – 1,4	1,1 – 1,3	1,0 – 1,2

При применении горизонтальных электродов длиной с глубиной заложения	4,1 – 9,3	2,6 – 5,9	2,0 – 4,2	1,1 – 2,5
То же при длине 50 м	3,6 – 7,2	2,4 – 4,8	1,6 – 3,2	1,1 – 2,2