защитное заземление

Расчет 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

1.2.9 Выбирать коэффициенты использования

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