защитное заземление
.pdfРасчет защитного заземления
Цель работы – приобретение практических навыков в определении основных параметров заземления и самостоятельном решении инженерной задачи расчета защитного заземления электроустановки.
1.1Защитное заземление в электроустановках, назначение, принцип действия, область применения.
1.1.1Защитное заземление – преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам (индуктивное влияние соседних токоведущих частей, вынос потенциала, разряд молнии и т.п.).
1.1.2Защитное заземление предназначено для устранения опасности поражения электрическим током в случае прикосновения к корпусу электроустановки и другим нетоковедущим металлическим частям, оказавшимся под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам.
1.1.3Область применения защитного заземления – электроустановки по напряжением до 1000
Всетях с изолированной централью и выше 1000В в сетях с любым режимом нейтрали источника тока (как с изолированной, так и с глухозаземленной).
В соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.030-81 [1] защитное заземление электроустановки следует выполнять:
при номинальном напряжении 380В и выше переменного тока и 440В и выше постоянного тока во всех случаях; при номинальных напряжениях от 42В до 380В переменного и от 110В до 440В постоянного тока
при работах в условиях с повышенной опасностью, особо опасных и наружных установках. Примечание: Характеристики этих условий приведены в обязательном приложении к ГОСТ
12.1.013-78 [2].
1.1.4 Принцип действия защитного заземления в электроустановках напряжением до 1000В: снижение напряжений прикосновения и шага, обусловленных замыканием на корпус и по другим причинам, до безопасных значений.
Это достигается путем уменьшения потенциала заземленного оборудования за счет малого сопротивления заземляющего устройства, а также путем выравнивания потенциалов основания, на котором стоит человек и заземленного оборудования за счет увеличения потенциала основания до значений, близких к потенциалу заземленного оборудования.
В электроустановках напряжением выше 1000В:
обеспечение такого тока замыкания на земле (IЗ), при котором магистральная защита срабатывает за время ( ), произведение которого на ток через тело человека (Ih) не превысит критерия безопасно-
сти (Q):
Q= Ih 50..65 мАс.
Примечание: предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов через тело человека с учетом длительности воздействия приведены в ГОСТ 12.1.038-82 [3].
1
1.1.5 Принципиальная схема защитного заземления приведена на рис. 1.
А
В
С
|
1 |
Rh |
ZС ZВ ZА |
Ih |
Iз |
|
|
|
R |
|
Rз |
Рис. 1. Принципиальная схема защитного заземления,
где:
1 - заземленное электрооборудование; 2 – заземлитель защитного заземления;
Rз, Rh – сопротивление защитного заземления и тела человека соответственно, Ом; Iз – ток замыкания, А; Ih – ток через тело человека, mA;
ZA, ZB, ZC – полное сопротивление изоляции фаз.
1.1.6 Заземление осуществляется с помощью специальных устройств — заземлителей. Заземлители бывают одиночные и групповые. Груповой заземлитель состоит из вертикальных стержней и соединяющей их горизонтальной полосы. Вертикальные электроды закладывают вместе с фундаментом зданий на определенном расстоянии друг от друга. С целью экономии средств ПУЭ [7] рекомендует использовать естественные заземлители.
В качестве естественных заземлителей рекомендуется использовать:
-проложенные в земле водопроводные и другие металлические трубопроводы за исключением трубопроводов горючих жидкостей, горючих или взрывчатых газов и смесей;
-обсадные трубы скважен;
-металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящихся в соприкосновении с землей;
-свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле;
-другие металлоконструкции, расположенные в грунте.
Естественные заземлители соединяются с магистралями заземления не менее, чем двумя проводниками в разных местах.
1.2Методика 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:
2
1.2.1 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.
1.2.2 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. 1.
В электроустановках напряжением свыше 1000В с изолированной нейтралью расчетное значение тока замыкания на землю может быть определено по следующей полуэмпирической формуле:
Iз |
Uл |
(35lк lв) |
(5.1) |
|
350 |
||||
|
|
|
где Uл – линейное напряжение сети (на высокой стороне трансформаторной подстанции), кВ; lк,lв – длина электрически связанных соответственно кабельных и воздушных линий, км;
Технические данные:
Номинальное напряжение со стороны НН, кВ - 0,4/0,23 Ток электродинамической стойкости ошиновки, кА, со стороны: - ВН-50, НН-25
Ток термической стойкости ошиновки, кА, со стороны: - ВН-20, НН-10 Габаритные размеры, мм - 2470х2442х2670
Степень защиты по ГОСТ 14254-80 - IP23 Масса, кг, не более – 1400
|
|
|
|
|
|
Мощность |
Номинальное напря- |
|
Тип подстанции |
|
|
трансформатора, |
жение, кВ |
||||
|
|
|
|
|
|
кВА |
первичное |
вторичное |
|
|
|
|
|
|
|||
КТП-ВЭ-160-10/0,4-72У1 ВН-10 |
кВ, НН-0,4 |
кВ |
160 |
10 |
0,4 |
|||
|
|
|
|
|
|
|||
КТП-ВЭ-160-10/0,4-72У1 ВН-6 |
кВ, НН-0,4 |
кВ |
160 |
6 |
0,4 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
КТП-ВЭ-250-10/0,4-72У1 |
ВН-10 |
кВ, НН-0,4 |
кВ |
250 |
10 |
0,4 |
||
|
|
|
|
|
|
|
||
КТП-ВЭ-250-10/0,4-72У1 |
ВН-6 |
кВ, НН-0,4 |
кВ |
250 |
6 |
0,4 |
||
|
|
|
|
|
|
|
||
КТП-ВЭ-400-10/0,4-72У1 |
ВН-10 |
кВ, НН-0,4 |
кВ |
400 |
10 |
0,4 |
||
|
|
|
|
|
|
|
||
КТП-ВЭ-400-10/0,4-72У1 |
ВН-6 |
кВ, НН-0,4 |
кВ |
400 |
6 |
0,4 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Соответствующее полученному расчетному тока замыкания на землю нормативные значения сопротивления заземляющего устройства (ЗУ) выбираются по табл. 1.
Наибольшие допустимые сопротивления защитных заземляющих устройств в соответствии с требованиями ПУЭ [7] и ГОСТ 12.1.030-81 [1] приведены а таблице 1.
При совмещении ЗУ различных напряжений или назначений принимается меньшее из требуемых правилами значение сопротивлений.
1.2.3 Определить требуемое сопротивление искусственного заземлителя. При использовании естественных заземлителей RИ определяется по формуле:
3
Rи |
RеRз |
, Ом |
(5.2) |
Rе Rз |
где:
Rе - сопротивление растеканию тока естественных заземлителей, Ом; Rи - требуемое сопротивление искусственного заземлителя, Ом;
Rз - расчетное нормированное сопротивление ЗУ, Ом; (табл. 1.)
При отсутствии естественных заземлителей требуемое сопротивление искусственного заземлителя равно рассчитанному нормируемому сопротивлению ЗУ:
Rи Rз
Таблица 1 Допустимые сопротивления защитных заземляющих устройств
№ |
Характеристика электроустановки |
Наибольшие, допу- |
|
п/п |
|
стимые сопротив- |
|
|
|
ления заземляюще- |
|
|
|
го 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 |
10 |
|
|
более 100 кВ·А |
4 |
|
2 |
Электроустановки напряжением выше 1000В |
|
|
|
Защитные заземляющие устройства электроустановок сети с |
|
|
|
эффективно заземленной нейтралью (с большими токами за- |
0.5 |
|
|
мыкания 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). |
|
|
|
если заземляющее устройство используется только для |
250/I, но не более 10 |
|
|
электроустановок выше 1000В |
(I – расчетный |
ток |
|
|
замыкания на |
зем- |
|
|
лю, А) |
|
|
если заземляющее устройство используется только для |
125/ I, но не более |
|
|
электроустановок до 1000В |
10 |
|
1.2.4 Определить расчетное удельное сопротивление земли по формуле: |
|
|
изм |
, Ом м, |
(5.3) |
где
– расчетное удельное сопротивление земли, Ом·м; изм – удельное сопротивление земли, полученное в результате измерений, Ом·м;
ψ– коэффициент сезонности, учитывающий промерзание или высыхание грунта (выбирается по приложение Б, таблица Б.1
1.2.5 Вычислить сопротивление растеканию тока одиночного вертикального заземлителя Rв, Ом. Расчетная формула выбирается по табл. 1.17 [6] в завимости от типа, геометрических размеров и
4
условий залегания. В случае стержневого круглого сечения (трубчатого) заземлителя, заглубленного в землю (рис. 2), расчетная формула имеет вид:
0,8м t
Rв |
в |
ln |
2l |
1 |
ln |
4t |
l |
, Ом, |
|
||
|
|
|
|
|
(5.4) |
||||||
2 l |
d |
2 |
4t |
l |
|||||||
|
|
|
|
|
l
d
где
врасчетное удельное сопротивление грунта, определенное по формуле 5.3, Ом·м;
l длина вертикального стержня, м; d диаметр сечения, м;
t расстояние от поверхности грунта до середины длины вертикального стержня, м.
1.2.6 Рассчитать приближенное (минимальное) количество вертикальных стержней:
Rв
n (5.5)
Rи
где
Rв – сопротивление растекание тока одиночного вертикального заземлителя, Ом; Rи – требуемое сопротивление искусственного заземлителя, Ом;
Полученное число стержней округляют до справочного значения [5].
1.2.7 Определить конфигурацию группового заземлителя – ряд или контур — с учетом возможности его размещения на отведенной территории и соответствующую длину горизонтальной по-
лосы: |
|
|
|
|
|
|
по контуру |
|
l Г |
1,05an , м |
(5.6) |
|
ряд |
l Г |
1,05a(n 1) , м |
(5.7) |
|
где: |
|
|
|
|
|
а – расстояние между вертикальными стержнями, м, определяемое из соотношения: |
|||||
|
|
a |
k |
lв , |
(5.8) |
где k |
коэффициент кратности, равный 1, 2, 3; |
|
|||
lв |
длина вертикального стержня. |
|
nколичество вертикальных стержней.
1.2.8Вычислить сопротивление растеканию тока горизонтального стержня Rr, Ом. Расчетные формулы приведены в табл. 1.17 [6]. В случае горизонтального полосового заземлителя (рис. 3) расчет выполняется по формуле:
5
0,8 t
|
|
|
|
R |
|
ln |
2l 2 |
, |
|
b |
|
|
|
Ом (5.9) |
|||||
|
|
||||||||
|
г |
2 l |
|
bt |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
где
расчетное удельное сопротивление грунта, Ом·м; l длина горизонтальной полосы, м;
b ширина полосы, м;
t расстояние от поверхности грунта до середины ширины горизонтальной полосы.
вертикальных стержней (ηв) и горизонтальной полосы (ηг) с учетом числа вертикальных стержней (п) и отношения расстояния между стержнями (а) к их длине (lв). (Приложение Б, таблицы Б.2, Б.3).
1.2.10 Рассчитать эквивалентное сопротивление растеканию тока группового заземлителя:
|
Rгр |
|
Rв RГ |
|
|
|
Rв Г |
RГ в n , |
(5.10) |
||
|
|
||||
где |
|
|
|
|
|
Rв , RГ |
– соответственно сопротивления вертикального стержня и горизонтальной полосы, Ом; |
||||
в , Г |
- соответственно коэффициенты использования вертикальных стержней и горизонтальной |
полосы, Ом;
n– количество вертикальных стержней.
1.2.11Полученное сопротивление растеканию тока группового заземлителя не должно превышать требуемое сопротивление, определенное в пункте 1.2.3:
Rгр Rи |
(5.11) |
Если полученное сопротивление группового заземлителя Rгр удовлетворяет |
условию 5.9, |
расчет считается выполненным. Если Rгр 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 1.2.6.
Таким образом, защитное заземление рассчитывается путем последовательных приближений.
1.2.12 Рассчитанные параметры ЗУ привести в таблице 2.
Таблица 2. Рассчитанные параметры ЗУ.
гр |
lв, |
К |
n, |
lг, |
в |
г |
Rв, Ом |
Rг, Ом |
Rгр, Ом |
Rи, Ом |
Ом·м |
м |
|
шт |
м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6
ПРИМЕР РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ
Согласно условиям первого варианта заземляющее устройство используется для электроустановки напряжением свыше 1000В, поэтому расчетное значение тока замыкания на землю может быть определено по следующей полуэмпирической формуле:
Iз |
Uл |
(35lк lв ) |
(1) |
|
350 |
||||
|
|
|
где Uл – линейное напряжение сети (на высокой стороне трансформаторной подстанции), кВ;
lк, lв – длина электрически связанных соответственно кабельных и воздушных линий, км.
Таким образом,
Iз |
10 |
|
(35 50 60) 51,71 А. |
(2) |
|
350 |
|||||
|
|
|
Соответствующее полученному расчетному значению тока замыкания на землю нормативное значение сопротивления заземляющего устройства (ЗУ) Rз находим по формуле:
Rз = 125 / Iз, |
(3) |
Rз = 125 / 51,71 = 2,32 Ом.
При использовании естественных заземлителей требуемое сопротивление искусственного заземлителя Rи определяется по формуле:
R |
Rе Rз |
, |
|
|
(4) |
||
и |
Rе Rз |
||
|
|
где Rе – сопротивление растеканию тока естественных заземлителей, Ом; Rи – требуемое сопротивление искусственного заземлителя, Ом;
Rз – расчетное нормированное сопротивление ЗУ, Ом;
Rи |
17 |
2,32 |
2,04 Ом. |
||
|
|
|
|||
17 |
2,32 |
||||
|
|
Определяем расчетное удельное сопротивление земли по формуле:
ρ = ρизм · ψ, |
(5) |
где ρ – расчетное удельное сопротивление земли, Ом·м; ρизм – удельное сопротивление земли, полученное в результате измерений,
Ом·м (задано в условии задачи);
ψ– коэффициент сезонности, учитывающий промерзание или высыхание грунта.
7
Для климатического пояса III для земли с малой влажностью Ψ = 1,5, следовательно,
ρ = 130 · 1,5 = 195 Ом м.
Вычисляем сопротивление растеканию тока одиночного вертикального заземлителя Rв. В случае стержневого круглого сечения (трубчатого) заземлителя, заглубленного в землю, расчетная формула имеет вид:
Rв |
в |
ln |
2l |
1 |
ln |
4t |
l |
, |
(6) |
||
|
|
|
|
|
|||||||
2 l |
d |
2 |
4t |
l |
|||||||
|
|
|
|
|
где ρв – расчетное удельное сопротивление грунта, вычисленное по формуле (5), Ом·м,;
l – длина вертикального стержня, м; d – диаметр сечения, мм;
t – расстояние от поверхности грунта до середины длины вертикального стержня, м;
|
|
|
|
|
|
|
t |
l |
0,8 |
3 |
|
0,8 |
|
2,3 |
м ; |
|
||||||
0,8 м |
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
2 |
2 |
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
Rв |
|
195 |
|
ln |
2 3 |
|
|
|
|
1 |
ln |
4 2,3 |
3 |
|
67,69 Ом. |
|||
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
2 |
3,14 3 |
0,012 |
|
|
2 |
4 |
2,3 |
3 |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рассчитаем приближенное количество вертикальных стержней: |
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
Rв |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rи |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где Rв – сопротивление растеканию тока одиночного вертикального заземлителя, вычисленное по формуле (6), Ом;
Rи – требуемое сопротивление искусственного заземлителя, вычисленное по формуле (4), Ом;
67,69
n 33,20. 2,04
Полученное число стержней округляем до ближайшего большего справочного значения. Следовательно, n = 40.
Определяем конфигурацию группового заземлителя (контур) с учетом возможности его размещения на отведенной территории и соответствующую длину горизонтальной полосы:
lг = 1,05·а·п, |
(7) |
где а – расстояние между вертикальными стержнями, м;
8
п – количество вертикальных стержней; |
|
а = k · lв, |
(8) |
где k – коэффициент кратности, равный 1, 2, 3; |
|
lв – длина вертикального стержня, м. |
|
Коэффициент кратности примем равным 2. |
|
а = 2 ·3 = 6 м , |
(9) |
lг = 1,05·6·40 = 252 м. |
(10) |
Периметр здания 2 (L B) = 2 · (18 + 6) = 48 м.
Вычисляем сопротивление растеканию тока горизонтального стержня Rг. В случае горизонтального полосового заземлителя расчет выполняется по формуле:
Rг |
|
|
2l 2 |
|
|
|
ln |
|
, |
(11) |
|
2 l |
|
||||
|
|
bt |
|
где ρ – расчетное удельное сопротивление грунта, Ом·м; l – длина горизонтальной полосы, м;
b – ширина полосы, м;
t – расстояние от поверхности грунта до середины ширины горизонтальной полосы, м;
0,8 |
t |
t |
b |
0,8 |
0,06 |
0,8 0,83 м; |
|
|
|
||||
2 |
2 |
||||
|
|
|
|
|
|
Rг |
195 |
|
|
ln |
2 2522 |
1,70 Ом |
|
b |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
2 3,14 |
252 |
|
0,06 0,83 |
Выбираем коэффициенты использования вертикальных стержней (ηв) и горизонтальной полосы (ηг) с учетом числа вертикальных стержней (п) и отношения расстояния между стержнями (а) к их длине (lв).
a |
6 |
2 |
; |
ηг = 0,29; |
ηв = 0,58. |
||
|
|
|
|||||
lв |
3 |
||||||
|
|
|
|
Рассчитаем эквивалентное сопротивление растеканию тока группового заземли-
теля:
Rгр |
|
Rв Rг |
|
|
|
(12) |
R |
R |
|
n , |
|||
|
|
|||||
|
в г |
г |
в |
|
|
|
где Rв, Rг – соответственно сопротивления вертикального стержня и горизонтальной полосы, вычисленные по формулам (6) и (11) соответственно, Ом;
ηв, ηг – соответственно коэффициенты использования вертикальных стерж-
9
ней и горизонтальной полосы, Ом; |
|
|
|
|||
n – количество вертикальных стержней. |
|
|
|
|||
Rгр |
67,69 1,70 |
|
1,95 Ом. |
(13) |
||
|
|
|
||||
67,69 0,29 |
1,70 0,59 |
40 |
||||
|
|
|
||||
Полученное сопротивление растеканию тока группового заземлителя не должно |
||||||
превышать требуемое сопротивление |
|
|
|
|
||
|
|
Rгр ≤ Rи |
|
|
(14) |
|
|
1,95 |
< 2,04. |
|
|
|
|
Т.е. полученное сопротивление удовлетворяет необходимому условию (14). |
|
Рассчитанные параметры ЗУ сведем в таблицу:
, |
lв, |
k |
n, |
lг, |
в |
г |
Rв, |
Rг, |
Rгр, |
Rи, |
|
Ом·м |
м |
шт |
м |
Ом |
Ом |
Ом |
Ом |
||||
|
|
|
|||||||||
195 |
3 |
2 |
40 |
252 |
0,58 |
0,29 |
67,69 |
1,70 |
1,95 |
2,04 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Эскиз расположения заземлителей |
|
|
1 |
|
4 |
|
|
|
|
2 |
м |
|
6 |
|
|
|
|
3 |
|
5 |
18 м |
|
|
Рис. 1: 1 – заземляемое оборудование; 2 – заземлительный контур; 3 – стены зда- |
||
ния; 4 – горизонтальный заземлитель; 5 – вертикальный заземлитель |
Таким образом, мы определили основные конструктивные параметры заземлителя, при которых сопротивление растеканию тока выбранного группового заземлителя (Rгр) не превышает требуемое сопротивление (Rи).
1.3 Контрольные вопросы
10