Методика решения задачи 1

Защитное заземление – преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Цель защитного заземления – снизить до безопасной величины напряжение относительно земли на металлических частях оборудования, нормально не находящихся под напряжением. В результате замыкания на корпус заземленного оборудования снижается напряжение прикосновения и, как следствие, ток проходящий через человека, при прикосновении к корпусам.

Заземляющее устройство бывает выносным и контурным. Выносное заземляющее устройство применяют при малых токах замыкания на землю, а контурное – при больших.

Согласно Правила устройства электроустановок (ПУЭ) заземление установок необходимо выполнять:

• при напряжении 380 В и выше переменного тока, 440 В и выше постоянного тока – во всех электроустановках;

• при напряжении выше 42 В , но ниже 380 В переменного тока и от 110 В до 440 В постоянного тока в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных установках;

• во взрывоопасных помещениях при всех напряжениях.

Для заземляющих устройств в первую очередь должны быть использованы естественные заземлители:

• водопроводные трубы, проложенные в земле;

• металлические конструкции зданий и сооружений, имеющие надежное соединение с землей;

• металлические оболочки кабелей (кроме алюминиевых);

• обсадные трубы артезианских скважин.

Запрещается в качестве заземлителей использовать трубопроводы с горючими жидкостями и газами, трубы теплотрасс.

Естественные заземлители должны иметь присоединение к заземляющей сети не менее чем в двух разных местах.

В качестве искусственных заземлителей применяют:

• стальные трубы с толщиной стенок 3,5 мм, длиной 2 – 3 м;

• полосовую сталь толщиной не менее 4 мм;

• угловую сталь толщиной не менее 4 мм;

• прутковую сталь диаметром не менее 10 мм, длиной до 10 м и более.

В настоящее время расчет заземлителей производится в большинстве случаев по допустимому сопротивлению заземлителя. При этом в основном применяется способ коэффициента использования (когда земля считается однородной) и реже – способ наведенных потенциалов (когда земля принимается двухслойной).

Порядок расчета защитного заземления

1. Уточняют исходные данные: тип установки, виды основного оборудования, рабочие напряжения, план электроустановки с указанием всех основных размеров оборудования, формы и размеры электродов заземляющего устройства, удельное сопротивление грунта, характеристика климатической зоны, данные об естественных заземлителях, расчетный ток замыкания на землю.

2. Определяют допустимое сопротивление растеканию заземляющего устройства R_доп по таблице 1.

3. Определяют расчетное удельное сопротивление грунта, в зависимости от вида грунта с учетом коэффициента .

, (1)

где ρ – удельное сопротивление грунта при влажности 10 – 20 %, Ом*м (таблица 2);

ψ – коэффициент сезонности (таблица 3).

Таблица 1 – Допустимые сопротивления защитных заземлителей в электрических установках

Характеристика установок	Допустимое сопротив-ление заземлителей Rдоп, Ом
Установки напряжением выше 1000 В. Защитное заземление в установках с большими токами замыкания на землю (IЗ > 500 А)	RЗ  0,5
Заземляющее устройство одновременно используется для установок напряжением до и выше 1000 В ( Iз < 500 А)	RЗ = 125 / IЗ  4
Заземляющее устройство используется только для установок выше 1000 В и током замыкания на землю IЗ < 500 A	RЗ = 250 / IЗ  10
Электроустановки напряжением 660/380 В	RЗ  2
Электроустановки напряжением 380 / 220 В	RЗ  4
Электроустановки напряжением 220/170 В	RЗ 8

Таблица 2 – Значения удельного сопротивления грунта ρ в зависимости от вида грунта

Вид грунта	Удельное сопротивление грунта при влажности 10-20%, Ом*м
Торф	20
Глина	40
Садовая земля	20
Суглинок	100
Чернозем	200
Супесь	300
Песок	700
Известняк, мергель	1000 – 2000
Скальный грунт	2000 – 4000

Примерное распределение республик и областей РФ по климатическим зонам:

I зона: Карелия севернее Петрозаводска, республика Коми, Архан­гельская и Кировская области, Заволжье восточнее Казани и Самары, Урал. Омская. Новосибирская, Иркутская и Читинская области, южные районы Тюменской области. Хабаровского и Красноярского краев, Приморская и Сахалинская области.

II зона: Ленинградская область, южная часть Карелии, Вологодская область, центральные районы РФ до Волгоградской области.

3. зона: Псковская, Новгородская, Смоленская, Брянская, Курская, Ростовская области.

4. зона: Краснодарский и Ставропольский края, Астраханская области.

Таблица 3 – Значения коэффициента сезонности в зависимости от климатической зоны

Значение коэффициента сезонности, ψ	Климатические зоны РФ
	I	II	Ш	IV
для вертикальных электро­дов при глубине заложения их вершины 0,5 – 0,7 м	1,8 – 2	1,5 – 1,8	1,4 – 1,6	1,2 – 1,4
для вертикальных электро­дов при глубине заложения их вершины 0,8 – 1,0 м	1,35	1,25	1,15	1,1
для горизонтальных протя­женных электродов	4,5 –7,0	3,5 –4,5	2,0 – 2,5	1,5 – 2,0

4. Определяют сопротивление, Ом, растеканию одного верти-кального заземлителя – стержневого круглого сечения в земле (рисунок 1)

, (2)

где _{РАСЧ в} – расчетное удельное сопротивление грунта для вертикаль-ных электродов, Ом*м,

l_в – длина вертикального заземлителя, м;

d – наружный диаметр заземлителя, м;

t – расстояние от середины заземлителя до поверхности грунта, м, определяется по формуле

(3)

t₀ – расстояние от поверхности грунта до заглубленного заземлителя.

t

Рисунок 1 – Расположение вертикального заземлителя в земле

5. Определяют расчетное сопротивление растеканию горизонтального электрода

, (4)

где _{РАСЧ г} – расчетное удельное сопротивление грунта для горизон-тальных электродов, Ом*м,

L_г – длина полосы, м;

В – ширина полосы, м.

6. Установив характер расположения заземлителей в ряд или контуром (рисунок 2), определяют ориентировочное число вертикальных заземлителей

, (5)

R_в – сопротивление вертикального заземлителя, Ом;

R_доп – допустимое сопротивление заземления, Ом (таблица 1).

7. Задаемся расстоянием между вертикальными заземлителями: отношение расстояния между вертикальными заземлителями к их длине S/l = 1, S/l = 2, S/l = 3. По отношению S/l и n´ (таблицы 4 и 5) определяют коэффициенты использования вертикальных η_в и горизонтальных η_г заземлителей таблицы 4 и 5.

а

б

а – расположение стержней по контуру; б – расположение стерж­ней в ряд;

1 – электродвигатели (объекты заземления); 2 – заземляющие шины внутреннего контура; 3 – заземлители; 4 – соединяющие шины ; 5 – соединительные провода; S – расстояние между стержнями; 1 – длина стержня

Рисунок 2 – Виды защитного заземления

Таблица 4 – Коэффициент использования горизонтальных заземлителей

Отношение расстояния между стержнями к их длине S/1	Число вертикальных электродов заземлителя
	2	4	6	8	10	20	30	40	50	60
При расположении полосы в ряду стержней
1	0,85	0,77	0,72	0,67	0,62	0,42	0,31	0,26	0,21	-
2	0,94	0,89	0,84	0,79	0,75	0,56	0,46	0,31	0,36	-
3	0,96	0,92	0,88	0,86	0,82	0,68	0,56	0,52	0,49	-
При расположении полосы по контуру стержней
1	-	0,45		0,36	0,34	0,27	0,24	0,22	0,21	0,2
2	-	0,56		0,43	0,40	0,32	0,30	0,29	0,28	0,27
3	-	0,70		0,60	0,56	0,45	0,41	0,39	0,37	0,36