2. Определение расчетного тока замыкания на землю
Током замыкания на землю называется ток, проходящий через место замыкания на землю, т. е. в месте случайного электрического соединения токоведушей части непосредственно с землей или нетоковедущими проводящими конструкциями или предметами, не изолированными от земли.
Электроустановки по значению тока замыкания на землю условно разделяются на две группы:
а. Установки с большими токами замыкания на землю, в которых однофазный ток замыкания на землю больше 500 А. К ним относятся установки трехфазного тока напряжением 110 кВ и выше с глухозаземленной нейтралью, т. е. присоединенной к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление (трансформатор тока и др.).
б. Установки с малыми токами замыкания на землю, в которых однофазный ток замыкания на землю не превышает 500 А. К ним относятся установки трехфазного тока напряжением до 35 кВ включительно с изолированной нейтралью, т. е. не присоединенной к заземляющему устройству или присоединенной через аппараты, компенсирующие емкостный ток в сети, трансформаторы напряжения и другие аппараты, имеющие большое сопротивление.
В установках с большими токами замыкания на землю расчетным током является наибольший из токов однофазного замыкания (установившееся значение), проходящих через рассчитываемое заземляющее устройство. При определении этого тока должны быть учтены: возможность замыкания фазы на землю как в пределах проектируемой электроустановки, так и вне ее; распределение тока замыкания на землю между заземленными нейтралями сети; различные варианты схем работы сети.
Покажем это на примере сети с несколькими подстанциями, приведенной на рис.1
а) нейтрали трансформаторов заземлены на всех подстанциях Тогда при замыкании одной из фаз на землю ток Iз, стекающий в землю, будет равен сумме токов, посылаемых к месту замыкания каждой подстанцией, т. е. Iз = IА + IВ + IС
Если замыкание произошло а пределах одной подстанции, например А, то токи, проходящие через заземления подстанций, будут: для подстанции
б) если замыкание фазы на землю произошло вне подстанций, то через заземления подстанций будут проходить токи IА , IВ и IС соответственно.
Рис.1. К определению тока замыкания на землю в установках выше 1000 В с большими токами замыкания на землю.
в) если на подстанциях А и С нейтрали изолированы, то при замыканий фазы на землю на подстанции А через заземляющие устройства подстанций
В установках с малыми токами замыкания на землю расчетный ток зависит от наличия аппаратов, компенсирующих емкостный ток сети. В установках, не имеющей компенсирующих аппаратов, расчетным является полный ток замыкания на землю. Для сети с изолированной нейтралью он приближенно определяется выражением:
где, U — линейное напряжение, кВ;
LКЛ, LВЛ — длины электрически связанных кабельных и воздушных линий электропередачи.
Для установки с малыми токами замыкания на землю в целях упрощения допускается принимать в качестве расчетного ток срабатывания релейной защиты от междуфазных замыканий или ток плавления предохранителей, если эта защита обеспечивает отключение от замыкания на землю. В этом случае ток замыкания на землю должен быть не менее 1,5 — кратного тока срабатывания релейной защиты или 3-кратного номинального тока предохранителя.
В установках с компенсацией емкостных токов в качестве расчетного принимается ток равный 125 % номинального тока аппарата:
Понятие и расчет тока замыкания на землю
Такое явление, как растекание тока при замыкании на землю одного из фазных проводников, возникает вследствие его случайного соприкосновения с грунтом. К этому же типу внештатных ситуаций следует отнести и снижение изоляционных характеристик защитной оболочки кабеля, проложенного в земле.
Явление растекания
В 3-х фазной питающей сети, работающей по схеме с так называемой «изолированной» нейтралью, о замыкании фазы на землю можно судить по показаниям подключённого к ней индикаторного прибора (вольтметра). Для организации таких измерений его контрольные щупы подсоединяются к контактам вторичной обмотки измерительного трансформатора типа НТМИ, способного выдерживать длительные перенапряжения.
При непосредственном или прямом замыкании проводника на землю обмотка измерительного трансформатора накоротко замкнута, а показания соответствующего ей вольтметра будут нулевыми.
Одновременно с этим суммарный магнитный поток (индукция) в двух других обмотках НТМИ увеличится в √3 раз, а соответствующими вольтметрами вместо фазного измеряется линейное напряжение.
В случае практического измерения емкостного тока замыкания на землю используют метод «подбора». Его суть заключается в умышленных смещениях нейтрали (подача переменного напряжения в нейтраль) и измерении возникающих при этом токах.
Метод применяется только в сухую погоду к сетям не более 10 кВ. Проводить замеры тока замыкания на землю могут те работники, которые получили допуск.
Расчетный ток замыкания на землю определяется как геометрическая сумма его емкостных составляющих во всех рабочих жилах согласно следующей формуле:
С ростом протяжённости сети её емкость, естественно, возрастает и, согласно формуле, увеличивается аварийный ток утечки. Одновременно с этим в соответствии с требованиями ПУЭ величина тока в цепи не должна превышать следующих значений:
Для выполнения указанного требования в 3-х фазных питающих цепях должна быть принудительно организована компенсация емкостного тока замыкания на землю.
Последствия замыкания
Растекание тока в сетях с изолированной нейтралью возможно лишь через провод, находящийся в прямом контакте с грунтом. Самый близкий пример такой ситуации – искусственный заземлитель.
Стекание тока
Аварийное замыкание фазы на грунт приводит к тому же эффекту, в результате которого происходит резкое уменьшение потенциала проводника относительно земли.
В указанной ситуации такой провод формально превращается в одиночный заземлитель.
Напряжение в точке контакта понижается до значения, соответствующего произведению протекающего через неё тока на величину сопротивления почвы его растеканию.
Это явление очень полезно с точки зрения уменьшения опасности при случайном повреждении линии. Одновременно с этим понижение потенциала фазы приводит к ряду нежелательных последствий.
Одно из негативных последствий – эффект распределения потенциала по поверхности земли вблизи от зоны контакта. Вследствие этого в точках, по-разному удалённых от заземляющей конструкции, появляются различные по величине потенциалы, образующие перепады напряжения, опасные для попавших в эту зону людей.
Это обстоятельство послужило причиной введения такого показателя, как «напряжение шага», определяемого разностью потенциалов между его ступнями при передвижении в границах опасной зоны.
В связи с тем, что снижение потенциала по мере удаления от точки контакта происходит по экспоненте – максимальное напряжение шага наблюдается вблизи от неё. Минимум этой величины проявляется на участках, достаточно удаленных от эпицентра аварии.
Характер распределения тока замыкания на землю, величина сопротивления растеканию и распределение потенциалов на опасном участке – все эти показатели зависят от геометрических параметров образовавшегося соединения. Существенное влияние на них оказывает и состояние грунта в момент аварии (повышенная влажность, сухость или другие факторы).
Возникновение дуги
Ещё одним последствием замыкания фазного проводника на землю является образование электрической дуги, в процессе горения которой выделяется большое количество тепла и наблюдается ионизация воздуха. Это создаёт условия, способствующие появлению в линейных межфазных цепях короткого замыкания.
Прерывистый характер дуги, образующейся при замыкании на землю, приводит к появлению значительных перенапряжений величиной до 3,2 Uф.. С целью снижения амплитуды ёмкостных токов, увеличения времени восстановления напряжения на аварийной фазе, а также ограничения перенапряжений при последующих зажиганиях дуги в цепях устанавливается специальный дугогасящий реактор.
Компенсационные меры защиты
В соответствии с положениями ПУЭ в нормальных условиях работы сети должны предприниматься специальные меры защиты от возможного пробоя на землю.
Для ограничения емкостных токов в нейтраль трансформатора вводится специальный дугогасящий реактор (смотрите рисунок 1, б). С его помощью удаётся снизить (компенсировать) ток однофазного замыкания на землю, возникающий сразу после аварии.
Практически установлено, что при наличии компенсатора воздушные и кабельные линии могут работать в критическом аварийном режиме довольно продолжительное время и вот почему.
Как только протекающий в реакторе индуктивный ток Ip сравнивается по своей величине с противофазной емкостной составляющей Ic – наблюдается эффект компенсации, при котором Iр + Iс = 0 (явление резонанса токов).
Реакторы с индуктивным импедансом достаточно просто настраиваются на работу с переменным значением компенсационного потока и могут эксплуатироваться в режимах недо- и перекомпенсации.
Использование дугогасящего реактора оказывает определённое влияние на распределение потенциалов в линейных проводах и в нейтрали. В последней появляется напряжение смещения Ucм , вызванное асимметрией в цепи и приложенное к выводам реактора.
В резонансном режиме такое рассогласование приводит к искажению нормальной картины распределения потенциалов даже в отсутствии однофазного замыкания (ОЗЗ).
Искусственное предупреждение резонансных явлений может быть достигнуто путём преднамеренного рассогласования соответствующих цепей, в результате чего удаётся снизить Ucм и выровнять показания контрольных приборов.
Дополнительное замечание. Варьировать величину компенсационных токов допускается в пределах, при которых образовавшееся в случае аварии рассогласование не приводило бы к появлению Ucм более чем 0,7 Uф.
Порядок расчёта параметров однофазного замыкания
Расчет емкостного тока замыкания предлагаем рассмотреть на примере типовых электрических подстанций с действующим напряжением 10 киловольт.
Для повышения точности проводимых при этом выкладок советуем воспользоваться методом, при котором за основу берётся показатель удельного ёмкостного тока. (С его рабочими значениями можно будет ознакомиться в одной из таблиц, приведённых в приложении). Формула, в соответствии с которой рассчитывается этот показатель, выглядит следующим образом:
где:
Uф – эта фазное напряжение 3-х фидерной электросети, киловольты,
ω=2Пf=314(радианы/секунду).
Со – величины ёмкости каждой отдельной фазы по отношению к земле (микрофарады/километры).
Сразу же вслед за этим можно будет приступать к определению величины ёмкостной составляющей тока в самой фидерной линии:
По завершении основного расчёта переходим к определению параметров срабатывания защиты от перенапряжений (компенсационных токов).
При их проведении следует исходить из показателя емкостного тока защиты, определяемого по формуле:
где:
Кн – показатель надежности работы защиты (обычно он принимается равным 1,2),
Кбр – показатель так называемого «броска», учитывающий скачок тока в момент возникновения однофазного замыкания на землю (ОЗЗ),
Ic фидера макс. – емкостный ток подлежащего защите фидера.
Соблюдение неравенства, обозначенного в приведённой выше формуле, позволяет обеспечить условия, при которых даже при возникновении однофазного замыкания на землю защита не будет срабатывать.
Для реле ЭМ типа рекомендуемый показатель надёжности срабатывания защиты, как правило, выбирается равным 2 или 3 единицам. При этом в защитной схеме не предусматривается специальная временная задержка. При установке в этих цепях цифровых реле рабочее значение показателя Кбр = 1-1,5.
В заключение отметим, что для различных промышленных устройств фидерной защиты указанные параметры могут иметь значения, несколько отличающиеся от тех, что приведены в расчётах.
Расчет устройства защитного заземления
Министерство общего и профессионального образования
Российской Федерации
Томский политехнический университет
УТВЕРЖДАЮ
Декан ИЭФ
______________ Н.И. Гвоздев
«_20_»____12_____ 2005 г.
Методические указания к выполнению самостоятельной работы
по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности»
для студентов всех специальностей
Томск 2005
УДК 658.382.3.001.2:075
Расчет устройства защитного заземления. Методические указания к выполнению самостоятельной работы по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности» для студентов всех специальностей. Томск, изд. ТПУ, 2005. — 12 с.
Составители: Б.А. Тихонов,
доц., канд. техн. наук А.Г. Дашковский
Рецензент: доц., канд. техн. наук А.М. Плахов
Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности
“_20_” ____октября_________ 2005 г.
Зав. кафедрой проф., д-р техн. наук _______________ В.Ф. Панин
Одобрено методической комиссией ИЭФ.
Предс. метод. комиссии
доц., канд. техн. наук _________________ А.Г. Дашковский
“____”_________ 2005 г.
ВВЕДЕНИЕ
Искусственное групповое защитное заземляющее устройство (УЗЗ) может состоять из вертикальных электродов и горизонтально расположенной соедини-тельной полосы, соединенных между собой сваркой или болтовым соединением. Для обеспечения надежной защиты от электропоражения устройство заглубляется в земле на 0,7-0,8 м. Это необходимо, так как верхний слой земли промерзает и высыхает при снижении и повышении сезонных колебаний температуры, что может приводить к возрастанию удельного сопротивления растеканию тока в земле.
Для уменьшения размеров и экономических затрат на сооружение УЗЗ рекомендуется использовать сопротивление естественных заземлителей. В качестве которых можно использовать: свинцовые оболочки кабелей; инженерные сооружения, проложенные в земле, кроме трубопроводов для горючих жидкостей; грозозащита опор линий электропередачи.
В данной работе расчет УЗЗ выполнен, исходя из допустимого, согласно ПУЭ, сопротивления заземлителя растеканию тока методом коэффициентов использования.
ПОРЯДОК РАСЧЕТА
1. Уточняются исходные данные.
2. Определяется расчетный ток замыкания на землю.
3. Определяется требуемое сопротивление растеканию заземляющего устройства.
4. Определяется требуемое сопротивление искусственного заземлителя;
5.Выбирается тип заземлителя и составляется предварительная схема (проект) заземляющего устройства, т. е. размещаются на плане установки принятые для сооружения УЗЗ электроды и заземляющие проводники;
6 Уточняются параметры УЗЗ.
1. Исходные данные для расчета
Для расчета заземления необходимы следующие сведения:
1) характеристика электроустановки — тип установки, виды основного оборудования, рабочие напряжения, способы заземления нейтралей трансформаторов и генераторов и т. п.;
2) план электроустановки с указанием основных размеров и размещения оборудования;
3) формы и размеры электродов, из которых предполагается соорудить проектируемый групповой заземлитель, а также предполагаемая глубина погружения их в землю. Вертикальные (стержневые) электроды, забиваемые вертикально в землю, выполнены обычно из стальных труб диаметром 5-6 см с толщиной стенки не менее 3,5 мм или из угловой стали с толщиной полок не менее 4 мм (обычно от 40х40 до 60х60 мм) длиной 2,5-3,0 м. Широко для стержневых электродов применяется прутковая сталь диаметром не менее 10 мм и длиной до 10 м. Для горизонтальных электродов применяется полосовая сталь сечением не менее 4х12 мм и сталь круглого сечения диаметром не менее 6 мм;
данные измерений удельного сопротивления грунта на участке, где предполагается сооружение заземлителя, а также характеристика климатической зоны (в соответствии с табл. 1).
Таблица 1
8.2 Расчет защитного заземления
Цель расчета заземления — определить число и длину вертикальных элементов (стержней), длину горизонтальных элементов (соединительных полос) и разместить заземлители на плане электроустановки, исходя из значений допустимых сопротивления и максимального потенциала заземлителя.
Расчет производится в следующем порядке:
1 Определяется норма сопротивления заземления Rнв зависимости от напряжения, режима работы нейтрали, мощности и других данных электроустановки;
2 Определяется расчетное удельное сопротивление грунта с учетом климатического коэффициента:
расч=табл., (8.1)
где расч— расчетное удельное сопротивление грунта с учетом климатического коэффициента;
табл— удельное сопротивление грунта по таблице 8.1;
— климатический коэффициент по таблице 8.2.
Таблица 8.1 — Значения удельных сопротивлений грунтов при влажности 10 — 12 % к массе грунта
Грунт | Удельное сопротивление, Ом·м | Грунт | Удельное сопротивление, Ом·м |
Глина | 40 | Супесок | 300 |
Суглинок | 100 | Песок | 700 |
Чернозем | 200 | Скалистый | 2000 |
Таблица8.2 — Значения климатических коэффициентов и признаки зон
Тип заземлителя | Климатические зоны | |||
I | II | III | IV | |
Вертикальные стержни длиной lс=2-3 м и при глубине заложенияН0= 0,5-0,8 м | 1,8–2,0 | 1,5–1,8 | 1,4–1,6 | 1,2–1,4 |
Горизонтальные полосовые заземлители при глубине заложения Н0 = 0,8 м | 4,5–7,0 | 3,5–4,5 | 2,0–2,5 | 1,5–2,0 |
Признаки климатических зон | ||||
Средняя температура января, оС | от -20 до -15 | от -14 до -10 | от -10 до 0 | от 0 до +5 |
Средняя температура июля, оС | от +16 до +18 | от +18 до + 22 | от +22 до +24 | от +24 до +28 |
3 Определяется сопротивление одиночного вертикального заземлителя Rсс учетом удельного сопротивления грунта:
, (8.2)
где Rс— сопротивление одиночного вертикального заземлителя с учетом удельного сопротивления грунта, Ом;
d— диаметр стержня, м;
— длина вертикального заземлителя, м;
— расстояние от поверхности земли до
середины заземлителя;
— глубина заложения заземляющего
устройства, м.
4 Учитывая нopмyсопротивления заземленияRн, определяют число вертикальных заземлителей без учета взаимного экранирования:
, (8.3)
где n— число вертикальных заземлителей без учета взаимного экранирования.
5 Разместив заземлители на плане и,
задавшись отношением расстояния между
одиночными заземлителями Sк их длине 
,определяют с учетом коэффициента
использования вертикальных стержней
сокончательно число заземлителей и
сопротивление заземлителей — без учета
соединительной полосы:
, (8.4)
где n1— окончательное число заземлителей с учетом взаимного экранирования;
с— коэффициент использования вертикальных
стержней (таблица 8.3).
Таблица 8.3 — Коэффициенты использования 
вертикальных заземлителей
Отношение расстояния между заземлителями (м) к их длине (м), | 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 |
, (8.5)
где Rсс— сопротивление заземлителей без учета соединительной полосы.
6 Определяется сопротивление соединительной
полосы 
:
, (8.6)
где 
— сопротивление соединительной полосы,
Ом;
—
длина соединительной полосы, м;
S— расстояние между одиночными заземлителями, м;
— ширина соединительной полосы, м;
— глубина заложения полосы, м.
Далее с учетом коэффициента использования
полосы 
(таблица 4.4) уточняется:
, (8.7)
Rп‘— сопротивление соединительной полосы.
Таблица
8.4 — Коэффициенты использования 
горизонтальной полосы, соединяющей
вертикальные заземлители
Отношение расстояния между заземлителями (м) к их длине (м), | 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 и проверяют, соответствует ли оно нормативному значению Rн:
, (8.8)
R— общее сопротивление заземляющего устройства и соединительной полосы.
Пример расчета.Заземлению подлежит оборудование понижающей подстанции напряжением 6/0,4 кВ. Мощность трансформатора 200 кВ·А, схема соединения обмотокY/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 40х4 мм.
1 Токи замыкания на землю в подобных установках меньше 500 А, поэтому для заданной мощности трансформатора нормированное сопротивление заземляющего устройства Rн4 Ом.
2 Удельное сопротивление грунта 
Ом·м
(см. таблицу 8.1). С учетом климатических
коэффициентов
1,4;
4
(см. таблицу 8.2) расчетные удельные
сопротивления:
Омм,
Омм.
3 Эквивалентный диаметр стержней: d = 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 (8.2):
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 (рисунок 8.1) с ориентировочным соотношением сторон — 2х3.
Рисунок 8.1 — Эскиз заземления
Исходя из реальных условий, берем
отношение 
= 1. Тогда
(см. таблицу 4.3) и
шт. Сопротивление заземлителей
Ом.
6 Длина соединительной полосы 
м;
берем
равной
м. Тогда сопротивление соединительной
полосы формула (4.6) равно:
Ом.
С учетом коэффициента использования
полосы 
(см. таблицу 4.4)Ом.
7 Общее сопротивление заземляющего устройства находим по формуле (4.8).
Ом.
Полученное расчетное сопротивление Rудовлетворяет требованиям ПУЭ:R<Rн= 4 Ом. Стержневые заземлители длиной по 3 м в количестве 18 шт. расположены в прямоугольном контуре размером 11х16 м.
. Методика и алгоритм расчета защитного заземления.
Цель расчета – определение основных, конструктивных параметров заземления (числа, размеров, порядка размещения вертикальных стержней и длины соединительной полосы, объединяющей их в груповой заземлитель), при которых сопротивление растеканию тока выбранного группового заземлителя (Rгр) не превзойдет нормативного значения (Rзн).
Расчет производится методом коэффициентов использования в нижеприведенной последовательности:
Уточнить исходные данные. Для расчета защитного заземления необходимы следующие сведения:
характеристика электроустановки (тип установки, рабочее напряжение, способы заземления нейтралей, размещение оборудования и т.п.)
форма и размеры стержней, из которых предусмотрено изготовить проектируемый заземлитель, предполагаемая глубина заложения их в земле.
Определить расчетный ток замыкания на землю и соответствующее ему нормативное значение сопротивления растеканию тока защитного заземления.
Расчетный ток замыкания – это наибольший возможный в данной электроустановки ток замыкания на землю. Для электроустановок напряжением до 1000В ток однополюсного замыкания на землю не превышает 10А, т.к. даже при самом плохом состоянии изоляции и значительной емкости сопротивление фазы относительно земли не бывает менее 100 Ом. Нормативное значение сопротивления защитного заземления практически не зависит от этого тока и согласно ПУЭ [7] и ГОСТ 12.1.030-81 [1] не должно превышать значений, приведенных в табл. 5.1.
В электроустановках напряжением свыше 1000В с изолированной нейтралью расчетное значение тока замыкания на землю может быть определено по следующей полуэмпирической формуле:
(5.1)
где 
– линейное напряжение сети (на высокой
стороне трансформаторной подстанции),
кВ;
–длина электрически
связанных соответственно кабельных и
воздушных линий, км;
Соответствующее полученному расчетному тока замыкания на землю нормативные значения сопротивления заземляющего устройства (ЗУ) выбираются по табл. 5.1.
Наибольшие допустимые сопротивления защитных заземляющих устройств в соответствии с требованиями ПУЭ [7] и ГОСТ 12.1.030-81 [1] приведены а таблице 5.1.
При совмещении ЗУ различных напряжений или назначений принимается меньшее из требуемых правилами значение сопротивлений.
5.2.3. Определить требуемое сопротивление искусственного заземлителя.
При использовании естественных заземлителей RИ определяется по формуле:
,
Ом (5.2)
где:
— сопротивление
растеканию тока естественных заземлителей,
Ом;
— требуемое
сопротивление искусственного заземлителя,
Ом;
— расчетное
нормированное сопротивление ЗУ, Ом;
(табл. 5.1.)
При отсутствии естественных заземлителей требуемое сопротивление искусственного заземлителя равно рассчитанному нормируемому сопротивлению ЗУ:
Таблица 5.1 Допустимые сопротивления защитных заземляющих устройств
№ п/п | Характеристика электроустановки | Наибольшие, допустимые сопротивления заземляющего устройства, Ом |
1 | 2 | 3 |
1 | Электроустановки напряжением до 1000В Защитные заземляющие устройства сети с изолированной нейтралью при мощности генератора или трансформатора до 100 кВ·А более 100 кВ·А | 10 4 |
2 | Электроустановки напряжением выше 1000В Защитные заземляющие устройства электроустановок сети с эффективно заземленной нейтралью (с большими токами замыкания на землю). Заземляющее устройство выполняется с соблюдением требований к его сопротивлению Защитные заземляющие устройства электроустановок сети с изолированной нейтралью (с малыми токами замыкания на землю). | 0.5 250/I, но не более 10 (I – расчетный ток замыкания на землю, А) 125/ I, но не более 10 |
5.2.4. Определить расчетное удельное сопротивление земли по формуле:
,
Омм,
(5.3)
где
–
расчетное удельное сопротивление земли,
Ом·м;
–удельное сопротивление
земли, полученное в результате измерений,
Ом·м;
ψ– коэффициент сезонности, учитывающий промерзание или высыхание грунта (выбирается по приложение Б, таблица Б.1
5.2.5. Вычислить сопротивление растеканию тока одиночного вертикального заземлителя Rв, Ом. Расчетная формула выбирается по табл. 1.17 [6] в завимости от типа, геометрических размеров и условий залегания. В случае стержневого круглого сечения (трубчатого) заземлителя, заглубленного в землю (рис. 5.2), расчетная формула имеет вид:
0,8м t
Ом,
(5.4)
l
d
где
расчетное
удельное сопротивление грунта,
определенное по формуле 5.3, Ом·м;
длина
вертикального стержня, м;
диаметр
сечения, м;
расстояние
от поверхности грунта до середины длины
вертикального стержня, м.
5.2.6. Рассчитать приближенное (минимальное) количество вертикальных стержней:
(5.5)
где
– сопротивление растекание тока
одиночного вертикального заземлителя,
Ом;
– требуемое сопротивление искусственного
заземлителя, Ом;
Полученное число стержней округляют до справочного значения [5].
5.2.7. Определить конфигурацию группового заземлителя – ряд или контур — с учетом возможности его размещения на отведенной территории и соответствующую длину горизонтальной полосы:
по
контуру 
,
м (5.6)
ряд 
, м (5.7)
где:
а – расстояние между вертикальными стержнями, м, определяемое из соотношения:
(5.8)
где 
коэффициент
кратности, равный 1, 2, 3;
длина
вертикального стержня.
количество
вертикальных стержней.
5.2.8. Вычислить сопротивление растеканию тока горизонтального стержня Rr, Ом. Расчетные формулы приведены в табл. 1.17 [6]. В случае горизонтального полосового заземлителя (рис. 5.3) расчет выполняется по формуле:
0,8 t
b 
Ом(5.9)
где
расчетное
удельное сопротивление грунта, Ом·м;
длина
горизонтальной полосы, м;
ширина
полосы, м;
расстояние
от поверхности грунта до середины ширины
горизонтальной полосы.
5.2.9. Выбирать
коэффициенты использования вертикальных
стержней 
и горизонтальной полосы
с учетом числа вертикальных стержней
и отношения расстояния между стержнями
к их длине
(Приложение Б, таблицы Б.2, Б.3).
5.2.10. Рассчитать эквивалентное сопротивление растеканию тока группового заземлителя:
,
(5.10)
где
–соответственно
сопротивления вертикального стержня
и горизонтальной полосы, Ом;
— соответственно
коэффициенты использования вертикальных
стержней и горизонтальной полосы, Ом;
n – количество вертикальных стержней.
5.2.11 Полученное сопротивление растеканию тока группового заземлителя не должно превышать требуемое сопротивление, определенное в пункте 5.2.3:
(5.11)
Если
полученное сопротивление группового
заземлителя 
удовлетворяет условию 5.9, расчет
считается выполненным. Если
больше
или значительно меньше требуемого
(
20%),
необходимо внести поправки в предварительную
схему ЗУ:
изменить количество вертикальных стержней;
конфигурацию ЗУ;
произвести повторный расчет, начиная с пункта 5.2.6.
Таким образом, защитное заземление рассчитывается путем последовательных приближений.
5.2.12. Рассчитанные параметры ЗУ привести в таблице 5.2.
Таблица 5.2. Рассчитанные параметры ЗУ.
гр Ом·м | lв, м | К | n, шт | lг, м | в | г | Rв, Ом | Rг, Ом | Rгр, Ом | Rи, Ом |
Расчёт защитного заземления.
Расчёт
защитного заземления может выполнятся
по допустимому сопротивлению заземляющего
устройства 
или по допустимым напряжениям прикосновения
и шага
и
.
Допустимые значения сопротивления заземляющих устройств согласно “Правил устройства электроустановок” следующие:
—
если суммарная мощность источников
тока, питающих сеть более 100 кВт.
—
во всех остальных случаях.
—
в сетях с номинальным напряжением 6, 35
кВ с изолированной нейтралью при малых
токах заземления (менее 500 А) при условии
использовании заземляющих устройств
только для электроустановок напряжением
выше 1000 В.
—
тоже в сетях с номинальным напряжением
6, 35 кВ с изолированной нейтралью и малыми
токами заземления, но с использованием
заземляющих устройств одновременно и
для электроустановок напряжением до
1000 В.
—
в сетях напряжением 110 кВ и выше с
эффективно заземлённой нейтралью при
больших токах замыкания (более 500 А).
Ток
замыкания на землю 
в установках напряжением более 1000 В без
компенсации ёмкостных токов определяется
из выражения
(1.1)
где U – линейное напряжение сети, кВ.
—
длина кабельных линий, км.
—
длина воздушных линий, км.
В
установках напряжением более 1000 В без
компенсации ёмкостных составляющих
ток замыкания на землю принимается
равным 
— номинальный ток потребителей сети.
Порядок расчёта одиночных искусственных заземлений.
Определить допустимое сопротивление заземляющего устройства —
(см. выше).Принять тип заземлителя, который может быть выполнен из стальных стержней диаметром
и длиной,
из стальных труби,
из стальной полосы ширинойи длиной 15, 25, 50 м. Расстояние между
одиночными вертикальными заземлителями
принимается,
глубина заложения заземлителей
принимается.Определить величину удельного сопротивления грунта
по табл. 8.1.Определить общее сопротивления одиночных заземлителей.
(см. выше).
и длиной
,
из стальных труб
и
,
из стальной полосы шириной
и длиной 15, 25, 50 м. Расстояние между
одиночными вертикальными заземлителями
принимается
,
глубина заложения заземлителей
принимается
.
по табл. 8.1.— для вертикальных заглублённых в грунте по формуле:
(1.2)
где l, d и H – длина, диаметр и глубина заложения
середины электрода от поверхности
грунта, м, определяемая по формуле 
.
— для горизонтальных полос, заглубленных в грунте, по формуле
(1.3)
где l, b и 
— длина, ширина и глубина заложения
полосы в грунте, м, показанные на рисунке
1.1.
Рис. 1.1 Схема расположения электродов защитного заземления в грунте
Если
общее сопротивление 
меньше или равно допустимому сопротивлениюR , то принимаем
один заземлитель.
Если
общее сопротивление 
больше допустимого сопротивленияR , то необходимо
принять несколько заземлителей.
5. Определить количество заземлителей по формуле
— для вертикальных заземлителей, заглубленных в грунте
(1.4)
где 
— коэффициент использования вертикальных
заземлителей, определяемый из таблицы
1.2.
— для горизонтальных полосовых заземлителей, заглубленных в грунте
(1.5)
где 
— коэффициент использования уложенных
полос, определяемый из таблицы 1.3.
6. Определить сопротивление соединительной полосы заземлителей в грунте по формуле
(1.6)
Здесь 
,b и 
— см. формулу (1.11) и рис. 1.1.
—
при расположении заземлителей в ряд
а – расстояние между заземлителями, принимаемое по табл. 1.2 и 1.3
n – количество заземлителей, принимаемое из расчёта.
7. Определить общее сопротивление заземляющего устройства (заземлителей и соединительных полос) по формуле
(1.7)
где 
— коэффициент использования соединительной
полосы, определяется по табл. 4.
—
коэффициент использования заземлителей.
При вертикальных заземлителях принимается
из таблицы 1.2, при горизонтальных
полосовых заземлителях – из таблицы
1.4.
Если
полученное значение полного сопротивления
защитного заземления значительно меньше
(в два и более раз) допустимого сопротивления 
необходимо уменьшить количество
заземлителей, или изменить их размеры,
или выбрать грунт с большим удельным
сопротивлением.
Таблица 1.1.
Приближённые значения удельных электрических сопротивлений различных грунтов и воды.
Грунт, вода | Возможные пределы колебаний, Ом.м |
Глина | 8 – 70 |
Суглинок | 40 — 150 |
Песок | 400 – 700 |
Супесок | 150 – 400 |
Торф | 10 – 20 |
Чернозём | 9 – 63 |
Садовая земля | 30 – 60 |
Каменистый | 500 – 800 |
Скалистый |
|
Вода: морская речная | 0,2 – 1 10 — 100 |
Таблица 1.2.
Коэффициенты
использования 
заземлителей из труб или уголков без
учёта влияния полосы связи.
Отношение расстояния между трубами (уголками к их длине) | При размещении в ряд | При размещении по контуру | |||
Число труб (уголков) |
| Число труб (уголков) |
| ||
1 | 2 | 0,84-0,87 | 4 | 0,66-0,72 | |
3 | 0,76-0,8 | 6 | 0,58-0,65 | ||
5 | 0,67-0,72 | 10 | 0,52-0,58 | ||
10 | 0,56-0,62 | 20 | 0,44-0,5 | ||
15 | 0,51-0,56 | 40 | 0,38-0,44 | ||
20 | 0,47-0,5 | 60 | 0,36-0,42 | ||
2 | 2 | 0,9-0,52 | 4 | 0,76-0,8 | |
3 | 0,85-0,88 | 6 | 0,71-0,75 | ||
5 | 0,79-0,83 | 10 | 0,66-0,71 | ||
10 | 0,72-0,77 | 20 | 0,61-0,66 | ||
15 | 0,66-0,73 | 40 | 0,55-0,61 | ||
20 | 0,65-0,7 | 60 | 0,52-0,58 | ||
3 | 2 | 0,93-0,95 | 4 | 0,84-0,86 | |
3 | 0,9-0,92 | 6 | 0,78-0,82 | ||
5 | 0,85-0,88 | 10 | 0,74-0,73 | ||
10 | 0,79-0,83 | 20 | 0,68-0,73 | ||
15 | 0,76-0,8 | 40 | 0,64-0,69 | ||
20 | 0,74-0,79 | 60 | 0,62-0,67 | ||
Таблица 1.3.
Коэффициенты
использования 
параллельно уложенных полос.
Длина каждой полосы, м | Число параллель-ных полос | Расстояние между параллельными полосами, м | ||||
1 | 2,5 | 5 | 10 | 15 | ||
15 | 2 | 0,56 | 0,65 | 0,75 | 0,80 | 0,85 |
15 | 0,37 | 0,49 | 0,60 | 0,73 | 0,79 | |
10 | 0,25 | 0,37 | 0,49 | 0,64 | 0,72 | |
25 | 2 | 0,50 | 0,60 | 0,70 | 0,75 | 0,80 |
15 | 0,35 | 0,45 | 0,50 | 0,66 | 0,73 | |
10 | 0,23 | 0,31 | 0,43 | 0,57 | 0,66 | |
0,7550 | 2 | 0,45 | 0,55 | 0,65 | 0,70 | 0,75 |
15 | 0,33 | 0,40 | 0,48 | 0,58 | 0,65 | |
10 | 0,20 | 0,27 | 0,35 | 0,46 | 0,53 | |
Таблица 1.4.
Коэффициент
использования 
соединительной полосы заземлителей из
труб или уголков.
Отношение расстояния между за-землителями к их длине | Число труб или уголков | |||||
4 | 8 | 10 | 20 | 30 | 50 | |
При расположении полосы в ряду труб или уголков | ||||||
1 | 0,77 | 0,67 | 0,62 | 0,42 | 0,31 | 0,21 |
2 | 0,89 | 0,79 | 0,75 | 0,56 | 0,46 | 0,36 |
3 | 0,92 | 0,85 | 0,82 | 0,68 | 0,58 | 0,49 |
При расположении полосы по контуру труб или уголков | ||||||
1 | 0,45 | 0,36 | 0,34 | 0,27 | 0,24 | 0,21 |
2 | 0,55 | 0,43 | 0,40 | 0,32 | 0,30 | 0,28 |
3 | 0,7 | 0,80 | 0,56 | 0,45 | 0,41 | 0,37 |
2.3. Расчет заземляющих устройств
Для обеспечения безопасности эксплуатации электрооборудования производят расчет заземляющих устройств уже на стадии проектирования. Электроустановки напряжением до 1000 В при изолированной нейтрали и мощности трансформатора более 100 кВА должны иметь сопротивление защитного заземления не более 4 Ом. При мощности
Рис. 1. Схема контурного заземления электрооборудования:
1 – электрооборудование; 2 – здание; 3 – внутренний заземляющий контур; 4, 5 – заземляющие проводники; 6 – заземляющий магистральный проводник; 7 – заземлитель
Рис. 2. Схема выносного очагового заземления
электрооборудования:
1 – электрооборудование; 2 – здание; 3 – внутренний заземляющий контур; 4, 5 – заземляющие проводники; 6 – заземлитель
Рис. 3. Схема выносного заземления электрооборудования при расположении электродов в ряд:
1 – электрооборудование; 2 – здание; 3 – внутренний заземляющий контур; 4, 5 – заземляющие проводники; 6 – заземлитель
трансформатора менее 100 кВА сопротивление заземления не должно превышать 10 Ом.
Сопротивление заземлителей растеканию тока зависит от их числа, размеров, удельного сопротивления грунта. Сопротивление одиночного стержневого заземлителя (электрода) определяется по формуле, Ом
(1)
где ρ – удельное сопротивление грунта, Ом·м; d – диаметр стержневого заземлителя, м; l – длина стержневого заземлителя, м; h – глубина размещения заземлителя, м
h = 0,5l + h0, (2)
где h0 – расстояние от поверхности грунта до начала одиночного заземлителя, от 0,5 до 0,8 м.
Для заземлителей из угловой стали предварительно определяют эквивалентный диаметр по формуле
d = 0,96C, (3)
где С – ширина полок уголка, м.
Необходимые для расчета значения удельных сопротивлений грунтов приведены в табл. 1.
Таблица 1
Вид грунта | Пределы колебаний величины удельных сопротивлений грунтов, Ом·м | Рекомендуемые для расчетов удельные сопротивления грунтов, Ом·м |
Песок | 400 – 700 | 500 |
Супесь | 150 – 400 | 300 |
Суглинок | 40 – 150 | 100 |
Глина | 8 – 70 | 40 |
Садовая земля | 40 – 60 | 50 |
Чернозем | 9 – 530 | 200 |
Торф | 20 – 60 | 40 |
Руда | 2 – 20 | 10 |
Речная вода | 10 – 80 | 50 |
Морская | 0,2 – 1 | 0,6 |
Уголь | 40000 – 45000 | 43000 |
Скала | 4·108 | 4·108 |
Количество стержневых заземлителей, необходимых для достижения нормативного сопротивления заземляющего устройства, определяется по формуле
(4)
где RD – допустимое (нормативное) сопротивление заземления, Ом; ηC – коэффициент сезонности; ηI – коэффициент использования (экранирования) в вертикальных заземлителях.
Забитые электроды соединяются металлической полосой сечением не менее 48 мм2. Длина полосы для контура равна
Ln = 1,05a(N – 1), (5)
а при расположении электродов в ряд
Lp = aN, (6)
где a – расстояние между электродами, м; N – число электродов, шт.
Численные значения коэффициента сезонности в основном определяются колебанием влажности почвы в течение года и заданы в табл. 2.
Таблица 2
Месяц
Глубина размещения (заложения), м
Месяц
Глубина размещения (заложения), м
менее 0,8
более 0,8
менее 0,8
более 0,8
Январь
1,05
1,2
Июль
2,2
1,75
Февраль
1,05
1,1
Август
1,55
1,55
Март
1,0
1,1
Сентябрь
1,6
1,7
Апрель
1,6
1,2
Октябрь
1,55
1,5
Май
1,95
1,3
Ноябрь
1,65
1,35
Июнь
2,0
1,55
Декабрь
1,65
1,35
Численные значения коэффициента использования (экранирования) для вертикальных заземлителей (электродов) при их размещении по контуру и в ряд (выносная схема) приведены в табл. 3.
Таблица 3
Число заземлителей | Отношение расстояния между электродами к их длине | |||||
1 | 2 | 3 | 1 | 2 | 3 | |
размещение в ряд | размещение по контуру | |||||
2 | 0,85 | 0,91 | 0,94 | – | – | – |
4 | 0,73 | 0,83 | 0,89 | 0,69 | 0,78 | 0,85 |
6 | 0,65 | 0,77 | 0,85 | 0,61 | 0,73 | 0,80 |
10 | 0,59 | 0,74 | 081 | 0,56 | 0,68 | 0,76 |
20 | 0,48 | 0,57 | 0,76 | 0,47 | 0,63 | 0,71 |
40 | – | – | – | 0,41 | 0,58 | 0,66 |
60 | – | – | – | 0,39 | 0,55 | 0,64 |
Сопротивление растеканию электрического тока соединяющей полосы, уложенной в земле, определяется по формуле, Ом
(7)
где L – длина полосы, м; b – ширина полосы, м; h – глубина заложения полосы от поверхности земли, м.
Результирующее сопротивление растеканию электрического тока всего заземляющего устройства определяется по формуле
(8)
где ηp – коэффициент использования (экранирования) горизонтальной соединительной полосы.
Численные значения коэффициента использования горизонтального полосового электрода в зависимости от числа вертикальных электродов, соединяемых им, приведены в табл. 4.
Таблица 4
Отношение расстояния между вертикальными электродами к их длине
Число вертикальных электродов
2
4
6
10
20
40
60
размещение в ряд
1
0,85
0,77
0,72
0,62
0,42
–
–
2
0,94
0,89
0,84
0,75
0,56
–
–
3
0,96
0,92
0,88
0,82
0,68
–
–
размещение по контуру
1
–
0,45
0,40
0,34
0,27
0,22
0,20
2
–
0,55
0,48
0,40
0,32
0,29
0,27
3
–
0,70
0,64
0,56
0,45
0,39
0,36