2.3.2.3. Расчет защитного заземления

Расчет защитного заземления выполняют для определения основных параметров заземляющего устройства – количества, размеров и порядка размещения одиночных заземлителей и заземляющих проводников, при которых напряжение прикосновения и шаговое напряжение во время замыкания фазы на заземленный корпус электроустановки не превышают допустимых значений. Обычно расчет делают по допустимому сопротивлению заземлителя растеканию тока. Для упрощения расчета допускают, что заземлитель размещен в однородном грунте (существуют методики расчета, учитыва­ющие многослойное строение земли, например, двухслойная модель).

Для расчета используют следующие исходные данные:

- характеристика установки (суммарная мощность, напряжение, режим нейтрали, тип, вид оборудования и т. п.);

• план размещения оборудования электроустановки с указанием размеров;

• данные о естественных заземлителях, которые могут быть использованы для устройства защитного заземления, в частности, измеренное сопротивление растеканию тока или сведения для его определения расчетным путем (конфигурация, материал, размеры, глубина заложения в грунт);

• удельное электрическое сопротивление грунта, полученное непосредственным измерением величины сопротивления растеканию тока контрольного электрода на участке размещения заземлителя. Ориентировочные значения удельного электрического сопротивления некоторых грунтов и воды приведены в табл. П.2.2;

• признаки климатической зоны, в пределах которой сооружается

заземлитель (табл. П.2.3);

• профиль электродов и заземляющих проводников, предназначен-

ных для сооружения искусственного заземляющего устройства (вид, форма, размеры) и их материал;

• расчетный ток I₃ замыкания фазы на землю (для электроустановок напряжением выше 1000 В).

Для экспериментального определения удельного сопротивления грунта ρ используют метод пробного электрода и метод четырех электродов.

При определении ρ грунта методом пробного электрода измеряют его сопротивление растеканию тока R. Для этой цели металлическую трубу, например, длиной 200 см, диаметром 5 см, погружают в грунт на 80 см ниже поверхности земли.

Удельное сопротивление грунта на глубине забивки трубы подсчитывают по формуле:

, (2.5)

где l – длина трубы (200 см); R_x – сопротивление пробного электрода, полученное измерением, Ом; d – наружный диаметр трубы (5 см); h – расстояние от поверхности грунта до середины заземлителя (180 см).

Измерения производят в трех-четырех местах исследуемой площадки и находят среднее значение ρ.

По методу четырех электродов в грунт на расстоянии а друг от друга погружают четыре одинаковых электрода и подключают их к прибору, предназначенному для измерения сопротивлений заземления, например, типа М-416; удельное сопротивление грунта:

, (2.6)

где ρ_изм — измеренное сопротивление.

Удельное сопротивление грунта с учетом повышающего коэффициента отдельно для углубленного (вертикального) и протяженного (горизонталь-ного) электродов:

, (2.7)

где _изм – измеренное удельное сопротивление грунта, подсчитанное по формуле (2.5); k— коэффициент, учитывающий изменение удельного сопротивления грунта в течение года при высыхании или промерзании грунта, значения которого зависят от климатической зоны, коэффициент сезонности (табл. П. 2.4).

Для заземлителей, лежащих ниже глубины промерзания, а также

при измерениях сопротивления заземлителей, постоянно находящихся

в промерзшем грунте, введения коэффициентов сезонности не требуется.

Расчетный ток замыкания фазы на землю (А) в сетях с изолированной нейтралью без компенсации емкостных токов, т.е. с нейтралью, не присоединенной к заземляющему устройству,

(2.8)

где U_л – линейное напряжение сети, кВ; l_к и l_в – длины связанных электрически кабельных и воздушных линий, км.

Последовательность расчетов защитного заземления выглядит следующим образом.

1. Требуемое сопротивление растеканию тока заземлителя, который будет общим для электроустановок, определяем, исходя из характеристик электроустановок (табл. П.2.1).

2. В том случае, когда сопротивление естественного заземлителя больше нормируемого, определяем необходимое сопротивление искусственных заземлителей R_И по формуле:

, (2.9)

где: R_Е – сопротивление естественного заземлителя;

R_З – требуемое (допустимое) сопротивление растеканию тока зазе-млителя.

3. Определяем расчетное удельное сопротивление грунта с учетом коэффициента сезонности по формуле 2.7 (используя табл. П.2.3 и П.2.4).

4. Сопротивление одиночного вертикального заземлителя определяем по формуле согласно табл. П.2.5.

5. Количество заземлителей находим по формуле:

,(2.10)

где n_э – коэффициент использования электрода – принимаем по табл. П.2.7.

6. Определяем длину соединительной полосы из выражения:

(2.11)

где: а – расстояние между заземлителями;

n – количество одиночных заземлителей.

7. Сопротивление растеканию тока с полосы без учета коэффициента использования n_э находим из формулы табл. П.2.5. Далее согласно табл. П.2.6 определяем коэффициент использования по-

лосы n_п.

7. Находим сопротивление растеканию тока группового искус-

ственного заземлителя:

. (2.12)

7. Проводим сравнительный анализ, который заключается в сопоставлении полученного значения сопротивления группового заземлителя R_гр и требуемого сопротивления искусственного заземлителя R_И.

Необходимое условие: (2.13)

Пример. Рассчитать и спроектировать заземляющее устройство трансформаторной подстанции с одним понизительным трансформатором 6/0,23 кВ мощностью Q = 500 кВА. Подстанция служит для питания цехового обору­дования и расположена в пристройке к цеху (размеры пристройки 6х8м). Трансформатор питается от сети 6 кВ с изолированной нейтралью. Со стороны низшего напряжения нейтраль также изолирована. Длина линий электропередач 6 кВ составляет l = 50 км, из них длина воздушных линий составляет 1_В = 25 км, кабельных – 1_k = 25 км. Удельное сопротивление грунта, измеренное при средней влажности с помощью стержневого электрода, составляет ρ^/_изм = 10⁴ Омсм, а с помощью полосового – ρ^//_изм⁼ 0,710⁴ Омсм. Местность относится к 1 климатической зоне. В качестве естественного заземлителя может быть использована металлическая эстакада, пристроенная к зданию цеха. Сопротивление растеканию тока с эстакады R_E = 15 Ом. Сечение соединительной полосы 40х4 мм, глубина заложения h = 0,8 м. Для искусственных заземлителей имеются прутки диаметром d = 12 мм и длиной 1 = 5 м.

Решение. Для того, чтобы определить допустимое сопротивление защитного заземляющего устройства, рассчитаем ток замыкания фазы на землю в сетях с изолированной нейтралью (формула 2.8):

I₃ = 6 (3525 + 25)/350 = 15,4 А.

Учитывая то, что заземляющее устройство является общим для электроустановок напряжением до 1000 В и свыше 1000 В, из табл. П. 2.1 находим допустимое сопротивление заземляющего устройства:

R₃ = 125/15,4 = 8,2 Ом.

Однако, поскольку для электроустановок мощностью источника более 100 кВА (в нашем случае 500 кВА) допустимое сопротивление

R₃ = 4 Ом, следует выбрать меньшее значение, т.е. 4 Ом.

Поскольку сопротивление естественного заземлителя (эстакады)

R_E = 15 Ом – больше нормируемого, определяем необходимое сопро-

тивление искусственных заземлителей по формуле (2.9):

R_И = 154/(15 – 4) = 5,45Ом.

Определим среднее арифметическое измеренное сопротивление грунта: ρ_изм = (ρ'_изм + ρ"_изм)/2 = 0,8510⁴ Омсм.

С учетом 1 климатической зоны и нормальной влажности грунта для вертикального электрода (прутка) длиной 5 м из табл. П.2.4 находим коэффициент сезонности k = 1,4, и соответственно:

Ρ_расч = 0,8510⁴1,4 = 1,210⁴Омсм = 120 Омм.

Далее по формуле П.2.5.1 определяем сопротивление одиночного вертикального заземлителя:

Количество заземлителей находим по формуле (2.10), для чего необходимо определить порядок входа в табл. П.2.7. Исходя из размеров подстанции (6х8 м), отношение расстояния между заземлителями к их длине (5 м) следует взять равным 1. Тогда при п_э = 0,68 количество заземлителей n = 5.

Длина соединительной полосы определяется из формулы (2.11):

L_n= 1,0555 = 26,25 м.

Сопротивление растеканию тока с полосы находим по формуле П.2.5.2:

Из табл. П.2.6 определим коэффициент использования полосы. Для наших условий n_п = 0,74. Соответственно сопротивление растеканию тока группового искусственного заземлителя определим из формулы (2.12):

Таким образом, для оборудования заземляющего устройства необходимо заложить 5 прутков имеющихся размеров, соединив их полосой длиной 26,25 м, что обеспечит безопасные условия работы на трансформаторной подстанции.