Основные понятия о заземлении

Заземление является неотъемленимой частью любых электроустановок и предназначено не только для обеспечения функционирования электрооборудования, но и для обеспечениения безопасности и сохранности здоровья и жизни человека при случайном возможном его контакте с нетоковедущими элементами конструкций электрооборудования. В ПУЭ применяют следующие понятия:
1)заземление - преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством;
2)защитное заземление - заземленипе, выполняемое в целях электробезопасности;
3)рабочее (функциональное) заземление - заземление точки или точек токоведущих частей электроустановки, выполняемое для обеспечения работы электроустановки (не в целях электробезопасности);
4)защитное зануление в электроустановках до 1кВ - преднамеренное соединение открытых проводящих частей с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях 3-х фазного тока, с глухозаземленным выводом источника однофазного тока, с заземленной точкой источника в сетях постоянного тока, выполняемое в целях электробезопасности.
Различают естественные и искусственные заземлители.
Естественными заземлителями являются находящиеся в земле металлические конструкции зданий и сооружений, трубопроводы и свинцовые оболочки кабелей.
Искусственные заземлители выполняются из стальных заземлителей, забитых на требуемую расчетную глубину и соединенных посредством сварки стальной полосой или арматурой на глубине 0,5...0,7м.Все соединения сети заземления выполняются на сварке. Каждый заземляемый элемент подключается к сети заземления отдельным ответвлением.
Для справки: при устройстве заземлений надо стремиться к снижению напряжений шага и прикосновения. Достигается это благодаря контурным заземлителям с уравнительными полосами, которые позволяют равномерно распределить потенциал на всей площади. Такое заземление применяют на подстанциях.
Внутренние магистрали заземления соединяются с наружным контуром в нескольких местах. Чтобы избежать большой разности потенцалов во внешней части контура, особенно в местах входа и въезда в подстанцию, закладывают дополнительно две-три стальные полосы (в форме козырька) с постепенным заглублением до 1,5...2м.
Этим достигается более пологий спад потенциала и снижение напряжения шага.

Расчет заземляющих устройств

Расчет сводится к определению сопротивления растеканию тока заземлителя, которое зависит от проводимости грунта, конструкции заземлителя и глубины его заложения. Проводимость грунта характеризуется его удельным сопротивлением ρ ( Ом*см): сопротивление между противоположными сторонами кубиками грунта с ребрами 1см. Удельное сопротивление зависит от характера и строения грунта, его влажности, глубины промерзания и может колебаться в широких пределах. Обычно в расчет принимают следующие средние занчения удельных сопротивлений грунта (Ом*см):

глина, садовая земля............................................4*10³
чернозем..............................................................5*10³
суглинок, каменистая глина.................................10*10³
щебень с песком, каменистая почва.....................20*10³
супесь.................................................................30*10³
песок с галькой...................................................80*10³

При промерзании грунта электропроводность его ухудшается и удельное сопротивление возрастает. Поэтому в расчет нужно вводить поправку Км - коэффициент сезонности, величина которого определяется в зависимости от климатической зоны. Коэффициент сезонности приведен в таблице ниже.

табл.1. Значения коэффициента сезонности Км

климатические зоны признаки зон коэффициент Км
средняя многолетняя температура, °С продолжительность замерзания вод, сутки
низшая (январь) высшая (июль)
1
от -20 до -15
от +16 до +18
170...190
1,9/5,8
2
от -15 до -10
от +18 до +22
150
1,7/4,0
3
от -10до 0
от +22 до +24
100
1,5/2,3
4
от 0 до +5
от +24 до +26
0
1,3/1,8

Числитель в последнем столбце - для вертикальных заземлителей с заложением их вершин на глубине 0,5...0,7м от поверхности земли; знаменатель - для горизонтальных заземлителей при глубине заложения 0,3...0,8м. При удельных сопротивлениях грунта более 20*10³ Ом*см необходимо устанавливать углубленные заземлители или принимать меры для снижения величины ρ. Сопротивление (в Омах) одиночного вертикального заземлителя (из круглого стержня) растеканию тока определяется по формуле:

формула сопротивления одиночного вертикального заземлителя

где ρ - удельное сопротивление грунта, Ом*см; Км - коэффициент сезонности; l - длина заземлителя, см; d - диаметр стержня, см; t - глубина заложения (от поверхности земли до середины длины стержня), см. Если вместо круглого стержня используется угловая сталь, то d = 0,95b, где b - ширина полок уголка. При ориентировочных расчетах сопротивление одиночного заземлителя можно с достаточной точностью определять как примерное сопротивление одиночного заземлителя. Сопротивление (в Омах) горизонтального заземлителя:

формула сопротивления горизонтального заземлителя

где lг - длина заземлителя, см; b - ширина полосового заземлителя, см; t - глубина его заложения, см. Сопротивление заземлителя из нескольких электродов, соединенных полосой:

сопротивление заземлителя из нескольких электродов

читать далее...

Суммарное сопротивление всех вертикальных электродов составит:

суммарное сопротивление вертикальных электродов

где n - число электродов; ηв - коэффициент использования электрода, характеризующий степень использования его поверхности из-за экранирующего влияния соседних электродов (см. таблицу).

табл.2. Значения коэффициента использования

количество вертикальных заземлителей
отношение a/l (a - расстояние между заземлителями; l - длина заземлителя)
1
2
3
ηв
ηг
ηв
ηг
ηв
ηг
4
0,69/0,74
0,45/0,77
0,78/0,83
0,55/0,89
0,85/0,88
0,70/0,92
6
0,62/0,63
0,40/0,77
0,73/0,77
0,48/0,83
0,80/0,83
0,64/0,88
10
0,55/0,59
0,34/0,62
0,69/0,75
0,40/0,75
0,76/0,81
0,56/0,82
20
0,47/0,49
0,27/0,42
0,64/0,68
0,32/0,56
0,71/0,77
0,45/0,68
30
0,43/0,43
0,24/0,31
0,60/0,65
0,30/0,46
0,68/0,75
0,41/0,58

В таблице числитель - значения при размещении вертикальных заземлителей по замкнутому контуру; в знаменателе - при расположении их в ряд. Для горизонтальных полос, связывающих вертикальные электроды, сопротивление растеканию тока с учетом экранирования определяется по формуле:сопротивление растеканию тока с учетом экранирования, где ηг - коэффициент использования горизонтальной полосы с учетом экранирующего влияния вертикальных электродов. Далее приводим небольшой пример расчета заземления. Поскольку к электротехнике данный пример расчета заземления прямого отношения не имеет, решено поместить его здесь, а не в разделе "Решение задач".

Пример. Выполнить контур защитного заземления цеховой подстанции с двумя трансформаторами 630 кВ*А на напряжении 10/0,4кВ. Протяженность электрически связанных кабельных линий 10кВ предприятия составляет 18км. Грунт - суглинок, климатическая зана - 3.
Решение. Ток однофазного короткого замыкания для сетей свыше 1000В с изолированной нейтралью определяется по формуле:формула тока однофазного короткого замыкания, где U - междуфазное напряжение (в киловольтах); lв и lк - длины электрически связанных воздушных (lв) и кабельных (lк) линий сети данного напряжения (в километрах).
Отсюда находим значение тока однофазного короткого замыкания на землю:. Сопротивление заземлителя растеканию тока на напряжении 10кВ определяется как:сопротивление заземлителю растеканию тока. Таким образом, Rз = 250/18= 13,88 Ом. В соответствии с ПУЭ сопротивление заземлителей у электроустановок напряжением 10кВ должно быть не более 10 Ом, а с напряжением 0,4/0,23кВ - не более 4 Ом. Расчетным принимается всегда сопротивление заземления для меньшего напряжения. таким образом, принимаем Rз = 4 Ом.
После этих расчетов необходимо определиться с материалом заземлителей. Мы будем выполнять свои заземлители из круглых стальных электродов диаметром 12мм и длиной 5м. Размещаем электроды в ряд и соединяем их полосой из круглой стали диаметром 12мм. А эту полосу заложим на глубине 0,6м. Сопротивление одного электрода найдем по вышеприведенной формуле примерное сопротивление одиночного заземлителя. Для суглинка ρ = 10*10³ Ом*см. А по значениям коэффициента сезонности в табл.1 Км = 1,5. Отсюда Rо.в = 0,003*10*10³*1,5 = 45 Ом. Далее приняв отношение a/l = 1 по табл.2 определяем для n=20 коэффициент использования ηв = 0,47.
Находим суммарное сопротивление всех электродов по формулесуммарное сопротивление вертикальных электродов. Отсюда Rв = 45/(20*0,47) = 4,8 Ом.
Протяженность заземлителя lг = (n - 1)*a = 19*5 = 95м. Далее по формуле формула сопротивления горизонтального заземлителя находим сопротивление горизонтального заземлителя, а далее по формуле сопротивление растеканию тока с учетом экранированиясопротивление соединительной полосы с учетом экранирования. ηг берем из табл.2 для ранее принятых значений n = 20 и a/l = 1. Это значение составит ηг = 0,27. Посчитав, получим Rг = 22,6 Ом. И, наконец, находим по формуле сопротивление заземлителя из нескольких электродовсопротивление нашего заземлителя из нескольких электродов, соединенных полосой, растеканию тока. Получим , что меньше минимально необходимой величины 4 Ом.
В заключение следует сказать, что подобная задача решается подбором материала и его количеством. Поэтому, если у вас величина получившегося контура получилась больше необходимого значения, следует взять стальные прутья или уголки большей длины и/или большего количества и снова пересчитать до получения необходимого результата.