Назначение, применение, устройство и расчет

Липатов, А. А.

Назначение,применение, устройство и расчет заземления оборудования: учеб. пособие / А. А. Липатов; ВолгГТУ. – Волгоград, 2016. – 64 с.

ISBN 978–5–9948–2120–6

 

В учебном пособии приведены основные сведения о явлениях, возникающих при замыкании фазного проводника на металлический корпус потребителя электроэнергии; описаны назначение, принцип действия и область применения защитного заземления; даны нормативные требования к заземлению оборудования, современное обозначение систем электроустановок, рекомендации по устройству заземления, методика и примеры расчета, а также варианты расчетных заданий.

Предназначаются для студентов ВолгГТУ при изучении курса «Безопасность жизнедеятельности» по направлениям 12.03.01, 13.03.02, 15.03.01, 15.03.04, 15.03.05, 18.03.02, 22.03.01, 22.03.02, 27.03.01 и 27.03.04.

Ил. 7. Табл. 10. Библиогр.: 11 назв.

ISBN 978–5–9948–2120–6

Ó Волгоградский государственный технический университет, 2016

 

 

У ч е б н о е и з д а н и е

 

Андрей Александрович Липатов

НАЗНАЧЕНИЕ, ПРИМЕНЕНИЕ, УСТРОЙСТВО И РАСЧЕТ

 ЗАЗЕМЛЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ

 Учебное пособие

 

Редактор В. В.Свитачева

 

Темплан 2016 г. (учебники и учебные пособия). Поз. № 60.

Подписано в печать 15.06.2016 г. Формат 60х84 1/16. Бумага газетная.

Гарнитура Times. Печать офсетная. Усл. печ. л. 3,72 Уч.-изд. л.3,07.

Тираж 150 экз. Заказ 452.

 

Волгоградский государственный технический университет.

400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, корп. 1.

Отпечатано в типографии ИУНЛ ВолгГТУ.

400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, корп. 7.

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие предназначено для самостоятельного изучения раздела «Электробезопасность», выполнения практических и семестровых работ, раздела выпускной работы (проекта), а также контрольных работ заочников по курсу «Безопасность жизнедеятельности». Пособие включает в себя краткое изложение теоретического материала со ссылками на нормативную документацию, методику и примеры расчета заземления оборудования, справочные данные, а также задачи для самостоятельного решения.

 

НАЗНАЧЕНИЕ ЗАЗЕМЛЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ,

НОРМАТИВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЗАЗЕМЛЕНИЮ

 

Основным параметром, нормируемым и контролируемым для защитного заземления, является наибольшее допустимое сопротивление заземляющего устройства.

При напряжении до 1 кВ оно устанавливается следующим образом.

Для системы IT сопротивление заземляющего устройства R _з (в омах) должно соответствовать условию:

 

                           R _з £ ,                                           (2.1)

 

где U _пр – напряжение прикосновения, значение которого принимается равным 50 В; I _з – полный ток замыкания на землю, А.

Как правило, не требуется принимать значение сопротивления заземляющего устройства менее 4 Ом [8] (согласно предшествующей редакции ПУЭ [9] при напряжении до 1 кВ оно не должно превышать 4 Ом). Допускается повышать сопротивление заземляющего устройства до 10 Ом, если соблюдено условие (2.1), а мощность источника (генератора или трансформатора) не превышает 100 кВА, в том числе суммарная мощность генераторов или трансформаторов, работающих параллельно.

При выполнении заземления оборудования в системе TT должно быть выполнено автоматическое отключение питания с обязательным применением УЗО, а допустимое сопротивление заземляющего устройства R _з (Ом) определяется из условия:

 

R _з∙ I _УЗО £ 50 В,                                      (2.2)

 

 

где I _УЗО – ток срабатывания защитного устройства, А.

Анализ условия (2.2) показывает, что при достаточно большой мощности электроустановки оно становится трудно реализуемым: для большого значения I _УЗО (иначе УЗО будет реагировать на рабочий ток) потребуется весьма малая величина сопротивления заземляющего устройства.

Сопротивление заземлителя повторного заземления PE - и PEN -проводников в системе TN в общем случае не нормируется (при этом в первую очередь следует использовать естественные заземлители). Однако в случае использования воздушной линии (ВЛ) электропередачи (от источника к потребителю) требования к повторному заземлению нулевого защитногопроводника такие же жесткие, какими они были до 2003 г. во всех случаях (т. е. при использовании как воздушных, так и кабельных линий электропередачи): общее сопротивление растеканию тока заземлителей (в том числе естественных) всех повторных заземлений PEN -проводника каждой ВЛ в любое время года должно быть не более 5, 10 и 20 Ом соответственно при линейных (межфазных) напряжениях 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока или 380, 220 и 127 В источника однофазного тока. При этом сопротивление заземлителя каждого из повторных заземлений должно быть не более 15, 30 и 60 Ом соответственно при тех же напряжениях. Таким образом, величина нормируемого сопротивления зависит от количества зданий, запитанных от данной ВЛ. Например, если линия напряжением 380/220 В предназначена для электроснабжения двух зданий, при вводе в каждое из них необходимо выполнить повторное заземление нулевого защитного проводника с сопротивлением не более 20 Ом. При этом общее сопротивление обоих повторных заземлений будет в два раза меньше и не превысит 10 Ом (напомним, что при параллельном соединений нескольких одинаковых сопротивлений «суммарное» сопротивление в соответствующее число раз уменьшается). Далее, если к линии подключено три здания, для каждого повторного заземления можно ограничиться требованием не более 30 Ом: общее сопротивление трех повторных заземлений также не превысит норматива 10 Ом. А вот при увеличении количества использующих данную ВЛ зданий до четырех (и более) для каждого повторного заземления сохраняется норматив предельного сопротивления не более 30 Ом.

Отметим, что при устройстве защитного зануления (система TN) основным нормативным требованием к нему является не сопротивление повторного заземления нулевого защитного проводника, а максимальное время автоматического отключения, величина которого определяется сетевым напряжением (например, при наиболее часто используемом сетевом напряжении 380/220 В в системе TN это время не должно превышать 0,4 с, при 220/127 В – 0,8 с, при 660/380 В – 0,2 с, выше 660/380 В – 0,1 с).

Сопротивление заземляющего устройства, к которому присоединена нейтраль источника, в любое время года должно быть не более 2, 4 и 8 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В (с учетом естественных заземлителей и заземлителей повторных заземлений PEN - или PE -проводника ВЛ при количестве отходящих линий не менее двух). Сопротивление собственного заземлителя нейтрали источника должно быть не более 15, 30 и 60 Ом соответственно при тех же напряжениях.

При удельном сопротивлении грунта r > 100 Ом∙м для системы TN допускается увеличение указанных норм в 0,01r раз, но не более десятикратного.

При напряжении свыше 1 кВ сопротивление заземляющего устройства в любое время года (с учетом сопротивления естественных заземлителей) не должно превышать:

– в сетях с эффективно (см. [8]) заземленной нейтралью – 0,5 Ом;

– в сетях с изолированной нейтралью – 250/ I, но не более 10 Ом, где I – расчетный (см. [8]) ток замыкания на землю, А.

При этом, если заземляющее устройство (для установок напряжением свыше 1 кВ) одновременно используют для установок напряжением до 1 кВ и требования к сопротивлению заземляющего устройства для последних (изложенные выше) более жесткие, должны выполняться эти требования (для установок напряжением до 1 кВ).

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ И УСТРОЙСТВУ

 

Заземлению или занулению подлежат:

– корпуса электрических машин, трансформаторов, аппаратов, светильников и т. п.;

– приводы электрических аппаратов;

– каркасы распределительных щитов, щитов управления, щитков и шкафов, а также съемных и открывающихся частей, если на последних установлено электрооборудование напряжением выше 50 В переменного или 120 В постоянного тока (в случаях, предусмотренных соответствующими главами ПУЭ – выше 25 В переменного и 60 В постоянного тока);

– металлические конструкции распределительных устройств, кабельные конструкции и муфты, оболочки и броня контрольных и силовых кабелей, оболочки проводов, рукава и трубы электропроводки, оболочки и опорные конструкции шинопроводов (токопроводов), лотки, короба, струны, тросы и полосы, на которых укреплены кабели и провода (кроме струн, тросов и полос, по которым проложены кабели с заземленной или зануленной металлической оболочкой или броней), а также другие металлические конструкции, на которых устанавливается электрооборудование;

– металлические корпуса передвижных и переносных электроприемников;

– электрооборудование, установленное на движущихся частях станков, машин, механизмов и др.

Не требуется преднамеренно заземлять (занулять):

– перечисленные выше объекты при обеспечении надежного электрического контакта между ними и установленным на них электрооборудованием, которое уже заземлено (занулено);

– корпуса электрооборудования и аппаратов, установленных на заземленных (зануленных) металлических основаниях: конструкциях, распределительных устройствах, щитах, шкафах, станинах станков, машин и механизмов, – при обеспечении надежного электрического контакта этих корпусов с основаниями;

– съемные или открывающиеся части каркасов, шкафов, ограждений и т. п., если на них не установлено электрооборудование или величина напряжения питания установленного электрооборудования не требует заземления (зануления);

– открытые проводящие части электрооборудования с двойной изоляцией.

Для заземления в территориально близких электроустановках разных назначений и напряжений следует, как правило, применять одно общее заземляющее устройство. Для объединения заземляющих устройств в общее заземляющее устройство могут быть использованы естественные и искусственные заземляющие проводники числом не менее двух. Цепи защитного заземления и зануления электрооборудования от электрических сетей с различными схемами (с изолированной и глухозаземленной нейтралью) могут выполняться общими при любых напряжениях установок.

Для заземления электроустановок в первую очередь должны использоваться естественные заземлители:

– металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящиеся в соприкосновении с землей, в том числе железобетонные фундаменты, имеющие защитные гидроизоляционные покрытия в неагрессивных, слабоагрессивных и среднеагрессивных средах;

– металлические водопроводные трубы, проложенные в земле (ориентировочные величины удельных сопротивлений см. в табл. П.1);

– отдельные металлические части гидротехнических сооружений;

– рельсовые пути магистральных неэлектрифицированных железных дорог и подъездные пути при наличии преднамеренного устройства перемычек между рельсами;

– металлические (кроме алюминиевых) оболочки проложенных в земле бронированных кабелей (ориентировочные величины удельных сопротивлений см. в табл. П.2); могут служить единственными заземлителями при количестве кабелей не менее двух;

– другие находящиеся в земле металлические конструкции.

Не допускается использовать в качестве заземлителей трубопроводы горючих жидкостей, горючих или взрывоопасных газов и смесей, а также трубопроводы канализации и центрального отопления (что не исключает необходимости присоединения таких трубопроводов к заземляющему устройству с целью уравнивания потенциалов).

Не следует использовать в качестве заземлителей железобетонные конструкции (фундаменты) зданий и сооружений с предварительно напряженной арматурой.

При напряжениях до 1 кВ с целью экономии металла искусственные заземлители используются лишь при отсутствии естественных, в случае превышения сопротивления естественных заземлителей нормативных значений и при необходимости снижения плотности токов, стекающих через естественные заземлители. Искусственные заземлители могут быть из черной или оцинкованной стали, а также (при необходимости обеспечения наибольшей коррозионной устойчивости) медными. Они не должны иметь окраски. Наименьшие сечения заземлителей (обеспечивающие устойчивость от коррозии) должны соответствовать указанным в таблице 3.1 [8].

Обычно используют вертикальные и горизонтальные электроды. Вертикально забивают в землю уголки длиной 2,5÷3 м сечением от 40×40 до 60×60 мм и прутки круглого сечения длиной 4÷10 м и диаметром, в зависимости от материала, 12÷16 мм (длинные тонкие стержни заглубляются вибраторами). Допускается использовать некондиционные или бывшие в употреблении стальные трубы (применять в этих целях новые трубы слишком дорого) диаметром от указанных в табл. 3.1 до 50 мм длиной 2÷3 м.

Таблица 3.1

 

РАСЧЕТ ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Методика расчета

                                                                                            

Цель расчета: определение количества отдельных – вертикальных и(или) горизонтальных – заземлителей, а также схемы их расположения.

Основным исходным параметром для расчета является наибольшее допустимое сопротивление заземляющего устройства R _з (см. разделы 1 и 2), обозначенное в настоящем разделе как R _доп (допустимое).

При наличии естественных заземлителей с сопротивлением R _е (R _е > R _доп, иначе расчет теряет смысл) определяют наибольшее допустимое сопротивление искусственного заземлителя R _{и доп} (предполагается, что взаимное экранирование между естественным и искусственным заземлителями отсутствует):

 

R _{и доп} = R _е R _доп /(R _е – R _доп)                            (4.1)

 

Сопротивление естественного заземлителя обычно измеряют. Можно его рассчитать по удельному сопротивлению грунта (см. ниже) и длине проложенных в земле металлических труб или кабелей (см. табл. П.1, П.2).

При отсутствии естественных заземлителей R _{и доп} = R _доп.

Другим параметром для расчета является удельное электрическое сопротивление грунта в месте устройства заземления, ориентировочные пределы изменения которого для некоторых видов земли и воды приведены в табл. П.3. Расчетное удельное сопротивление r определяют умножением измеренного значения r_изм (заданного в условии) на коэффициент сезонности ψ (фактически это коэффициент запаса, учитывающий возможность возрастания удельного сопротивления грунта при его высыхании):

 

r= r_изм×ψ                                            (4.2)

 

Значения коэффициента ψ в зависимости от влажности земли в момент измерения и климатической зоны (Волгоград относится к III зоне) для однородной земли приведены в табл. П.4 – отдельно для вертикальных (ψ_в) и горизонтальных (ψ_г) электродов с учетом их длины.

Алгоритм дальнейшего расчета зависит от конструкции заземлителя.

При устройстве стационарного заземления (цехов предприятий, административных, общественных и жилых зданий) используется комбинированный групповой заземлитель – система заглубленных в землю вертикальных электродов, соединенных горизонтальным электродом связи, также расположенным в земле (рис. 3.1, а). В этом случае (1-й алгоритм; реализован во всех приведенных в настоящем разделе примерах расчета) рассчитывают два различных значения удельного сопротивления грунта: r_в = r_изм×ψ_в для вертикальных заземлителей и r_г = r_изм×ψ_г для электрода связи. Рекомендации по длине, а также профилю и размерам сечения вертикальных заземлителей приведены в разделе 3. При их назначении следует учитывать тип грунта: например, в более рыхлый грунт, песок, легче внедрить вертикальные электроды большей длины (при меньшем их сечении). Длина горизонтального электрода первоначально принимается более 50 м. Горизонтальный электрод расположен на значительно меньшей глубине, чем вертикальные. Поэтому величина ψ_г больше, чем ψ_в, а r_г больше, чем r_в. Заметим, что обязательным на этом этапе является расчет удельного сопротивления грунта только для вертикальных заземлителей. Определение (уточнение) величины r_г может производиться и позднее – после окончательного определения длины горизонтального электрода связи.

Определяют сопротивление для одного вертикального электрода:

 

R _в = (ln  + ln ),                          (4.3)

 

где r_в – расчетное удельное сопротивление грунта для вертикального электрода, Ом×м;

l – длина вертикального электрода, м;

d – диаметр вертикального (стержневого или трубчатого) электрода (для уголка с шириной полки c в формулу вместо d подставляют эквивалентный диаметр d _экв = 0,95 c), м;

t = h + (l /2) – расстояние от поверхности земли до середины вертикального электрода (h = 0,7÷0,8 м – глубина траншеи, в дно которой заглубляют вертикальные штыри, равная глубине заложения горизонтального электрода связи – см. рис. 3.1, а), м.

После этого находят произведение коэффициента использования вертикальных электродов η_в на их количество n:

 

η_в n = R _в/ R _{и доп}                                        (4.4)

 

По величине η_в n легко оценить количество вертикальных заземлителей n и решить, какое использовать расположение заземлителей – контурное или в ряд (в ходе решения схема может быть изменена). При больших значениях η_в n (большом количестве вертикальных электродов) следует начинать с размещения по контуру, при малых – с ряда. Угадать правильную схему можно и раньше, после ознакомления с заданием: при больших r_в и малых R _доп (R _{и доп}) – контур, при, наоборот, малых r_в и больших R _доп (R _{и доп}) – ряд. Отметим, что часто (по традиции) начинают решение с контурной схемы. Однако рациональнее начинать с ряда (расчет в среднем короче).

При решении начать с контурной схемы определяют предварительные размеры и длину L контура заземления (исходят из того, что контур расположен вне здания), равную длине траншеи и электрода связи. Для рытья траншеи рекомендуется отступить от стен здания 1,5÷2,5 м.

По величине η_в n из табл. П.5 определяют количество вертикальных электродов n (для рекомендуемого при контурном заземлении отношения расстояния между вертикальными электродами к их длине a / l = 3). Не указанные в таблице значения параметров находят интерполяцией. Полученное значение n округляют до четного числа (для наличия вертикальных электродов в углах контура), предпочтительно в меньшую сторону. Определяют среднее расстояние между вертикальными электродами а = L / n и уточняют отношение a / l. В случае отклонения a / l от 3 можно попытаться изменить длину вертикальных электродов. Коррекция длины контура L возможна лишь в узких пределах. При a / l > 3 уменьшение размеров контура вплоть до размещения его внутри здания чаще всего невозможно (хотя это только повысило бы уровень безопасности). В этом случае следует согласиться с увеличением a / l относительно рекомендуемой величины. Если число n оказывается очень малым, а расстояние a и отношение a / l слишком большими (a / l >> 3), следует перейти к размещению вертикальных электродов в ряд (см. пример 2). При a / l < 3 увеличение размеров контура с возрастанием расстояния от стен также нежелательно – как по причине снижения безопасности (в том числе из-за возрастания вероятности попадания под шаговое напряжение случайных лиц вне здания), так и по экономическим соображениям (увеличение площади занятой земли). Лучше оставить предварительный контур – вполне допустимо уменьшение a / l до 2 (а в «безвыходных» ситуациях – и ниже: предельное расстояние между вертикальными электродами a _min = 2,5 м).

Определяется сопротивление горизонтального электрода связи:

R _г = ln ,                                    (4.5)

 

где r_г – расчетное удельное сопротивление грунта для горизонтального электрода, Ом×м;

L – длина горизонтального электрода (контура заземления, ряда), м;

b – ширина полосы (при использовании в качестве соединительного горизонтального электрода круглого прутка вместо b в формулу следует подставить удвоенный диаметр прутка – 2 d _г), м;

h – глубина заложения горизонтального электрода (траншеи), м.

Результирующее (общее) сопротивление искусственного комбинированного группового заземлителя определяют по формуле:

 

            R _и = R _в R _г / (R _вη_г + R _г n η_в),                                (4.6)

 

где η_в и η_г – коэффициенты использования вертикальных и горизонтального электродов (находятся из табл. П.5 и П.6 соответственно; при a / l > 3 – как для a / l = 3, что идет в запас расчета по безопасности).

Если решение начато исходя из схемы размещения в ряд, по величине η_в n из табл. П.5 определяют количество вертикальных электродов n при минимальном для ряда отношении a / l = 2 (рекомендуемый диапазон a / l = 2÷3; четность числа n необязательна). Длина ряда определяется как произведение расстояния а на число промежутков между вертикальными электродами L = а (n – 1). Если величина L = 2 l (n – 1) окажется меньше длинной стороны здания, то решение о расположение вертикальных электродов в ряд считается принятым, если L существенно больше, следует перейти к контуру. Если L незначительно больше длинной стороны здания, можно уменьшить L до этого размера – при том же числе n. Отношение a / l окажется несколько меньше двух, коэффициенты η_в и η_г находятся из табл. П.5 и П.6 линейной интерполяцией для 1 < a / l < 2. Допустимо расположить ряд вдоль двух сторон здания (подробнее см. решение 4 из примера 5).

При последующем определении R _г (4.5) для ряда следует помнить, что длина ряда может оказаться меньше 50 м (см. табл. П.4) – требуется корректировка значений ψ_г (интерполяцией) и r_г (если определение r_г в начале расчета не производилось, его надо выполнить).

Завершается расчет, как и для контура, вычислением общего сопротивления R _и (4.6).

Полученное значение R _и не должно превышать R _{и доп} (при отсутствии естественных заземлителей – R _доп). В то же время, сопротивление R _и не должно быть в разы меньше допустимого во избежание неоправданно больших затрат на создание заземляющего устройства. Если результаты не удовлетворяют установленным ограничениям, то изменяют параметры группового заземлителя (длину, число вертикальных электродов, схему размещения) и повторяют расчет. Отметим, что для многослойной земли расчет заметно усложняется (см. [11]).

Для расчета временного заземления передвижных установок с использованием инвентарных стержневых заземлителей диаметром d, погружаемых в землю на глубину l _п (не более 1,5 м), верхние концы которых (выступающие над землей) электрически связаны заземляющим проводником (рис. 3.1, б), используется 2-й алгоритм. По формуле (4.2) вычисляют расчетное удельное сопротивление грунта r_в. Заметим, что в этом случае из-за небольшой глубины погружения вертикальных электродов в грунт при определении r_в корректнее принимать значение коэффициента сезонности из табл. П.4 для горизонтальных электродов (10-метровой длины).

Рассчитывается сопротивление одного вертикального электрода:

 

       R _э = ln                                    (4.7)

 

Далее, как и в 1-м алгоритме, по формуле (4.4) определяют произведение η_в n = R _э / R _{и доп}. В зависимости от размеров и формы участка, отведенного под заземлитель, размещают электроды в ряд или по контуру. Расстояние a между соседними электродами выбирают из условия a / l _п = 1 (допускается увеличение до a / l _п = 2). Затем по табл. П.5 определяют необходимое число электродов n (не указанные значения находят интерполяцией и округляют в большую сторону, одновременно корректируя расположение электродов). В окончательном варианте сопротивление искусственного группового заземлителя R _и = R _э /(n η_в) не должно превышать R _{и доп}.

Общее сопротивление группового заземлителя, состоящего из n _гп параллельно уложенных в землю на глубине h горизонтальных полос шириной b и длиной L, (3-й алгоритм) определяют по формуле:

 

R _и = R _гп / (n _гпη_гп),                                                    (4.8)

 

где R _гп – сопротивление растеканию тока для одной полосы, которое может быть рассчитано по формуле (4.5), Ом; η_гп – коэффициент использования горизонтальных полосовых заземлителей (табл. П.7).

Исходя из размера площадки для размещения заземлителя и с учетом экономии металла определяют число полос, их длину и глубину заложения – так, чтобы сопротивление R _и оказалось не больше допустимого.

Внимание! В случае замены в формулах (4.3), (4.5) и (4.7) натуральных логарифмов десятичными следует заменить коэффициент 1 / 2π на 0,366 (что и сделано во всех представленных ниже примерах расчета).

 

Примеры расчета

 

Пример 1. Рассчитать повторное заземление нулевого защитного проводника для механического цеха, расположенного в здании с габаритами в плане 50´30 м (используется трехфазная сеть с глухозаземленной нейтралью напряжением 380/220 В). От данной линии запитан еще один цех, для которого выполнено аналогичное заземление с сопротивлением 20 Ом. Грунт – песок. При измерении его удельного сопротивления (при нормальной влажности земли) получили значение r_изм = 1200 Ом×м. Вне здания имеется естественный заземлитель с сопротивлением R _е = 60 Ом.

Решение. В описанном случае достаточно обеспечить величину R _доп £ 20 Ом (при этом общее сопротивление повторных заземлений двух цехов не будет превышать нормативного значения – 10 Ом). Пренебрегая сопротивлением заземляющего проводника, находим наибольшее допустимое сопротивление искусственного заземлителя по формуле (4.1):

 

R _{и доп} = R _е R _доп /(R _е  – R _доп) = 60×20/(60 – 20) = 30 (Ом)

 

Учитывая очень большое удельное сопротивление грунта, применяем контурное заземление – комбинированный групповой заземлитель из вертикальных электродов и полос связи, размещенных по прямоугольному контуру с предварительным размером 54´34 м (расположенному вне здания на расстоянии 2 м от стен). Кроме того, при относительно небольшой ширине здания контурное заземление будет обеспечивать выравнивание потенциалов основания на большей части площади (естественный заземлитель вынесен за пределы здания и не может выполнять эту задачу).

Расчетные удельные сопротивления земли определяем по формуле (4.2). Для вертикальных электродов: r_в = r_измψ_в = 1200×1,3 = 1560 (Ом×м). Коэффициент сезонности ψ_в = 1,3 найден для l = 3 м из табл. П.4 (здесь и далее решение дано для Волгограда, климатическая зона III). Для горизонтального электрода связи: r_г = r_измψ_г = 1200×2,0 = 2400 (Ом×м) (коэффициент ψ_г взят из табл. П.4 для максимальной длины полосы связи – 50 м).

Для рыхлого грунта (песка) в качестве вертикальных электродов используем уголки меньшего сечения 40´40 мм (d _экв = 0,95 с = 0,95×0,04 = 0,038, м) длиной l = 3 м, верхний конец которых расположен на глубине h = 0,8 м от поверхности земли. Тогда t = h + (l/ 2) = 0,8 + (3/2) = 2,3 м. Определяем сопротивление одного вертикального электрода (4.3):

 

R _в = 0,366 (lg  + lg ) =

= 0,366 (lg  + lg ) = 446 (Ом)

 

Определяем произведение коэффициента использования вертикальных электродов η_в на их количество n по формуле (4.4): η_в n = R _в/ R _{и доп} = 446/30 = 14,9 (достаточно большая величина η_в n свидетельствует о правильности выбора контурной схемы). Находим количество вертикальных заземлителей n по табл. П.5 (для рекомендуемой при контурном заземлении величины а / l = 3). Для η_в n = 14,2 n = 20, для η_в n = 26,4 n = 40. Число n для η_в n = 14,9 определяем линейной интерполяцией: n = 20 + ((40 – 20)/(26,9 – 14,2))×(14,9 – 14,2) = 21,1. Округляем результат до меньшего четного числа – n = 20. При а / l = 3 длина контура будет составлять L = аn = 3 ln = 3×3×20 = 180 (м), незначительно отличаясь от длины предварительно принятого контура 54´34 м: 2(50 + 2×2) + 2(30 + 2×2) = 176 (м).

Решение можно продолжить по двум вариантам: либо принять новый контур – 55´35 м (траншея будет располагаться на несколько большем расстоянии от стен здания – 2,5 м), либо сохранить первоначально принятый контур заземления (54´34 м) при незначительном уменьшении величины а / l до а / l = L / nl = 176/(20×3) = 2,93. Принимаем второй вариант, как несколько более экономичный и безопасный.

Для нахождения коэффициента использования η_в вертикальных электродов по табл. П.5 воспользуемся линейной интерполяцией по параметру а / l. Для 20-и электродов при размещении их по контуру коэффициент использования равен η_в = 0,63 при а / l = 2 и η_в = 0,71 при а / l = 3. Тогда для а / l = 2,93 η_в = 0,63 + ((0,71 – 0,63)/(3 – 2))×(2,93 – 2) = 0,704.

В качестве горизонтального электрода связи используем стальную полосу шириной b = 0,04 м. Длина полосы равна длине контура: L = 176 м (что больше 50 м; корректировка ψ_г и r_г не требуется). Тогда сопротивление горизонтального электрода связи (4.5):

 

R _г = 0,366 lg  = 0,366 lg  = 31,4 (Ом)

 

Из табл. П.6 линейной интерполяцией по параметру а / l находим коэффициент использования η_г горизонтальной полосы связи. При числе вертикальных электродов n = 20 в случае размещения их по контуру коэффициент использования равен η_г = 0,32 при а / l = 2 и η_г = 0,45 при а / l = 3. Тогда для а / l = 2,93 η_г = 0,32 + ((0,45 – 0,32)/(3 – 2))×(2,93 – 2) = 0,441.

Результирующее сопротивление искусственного заземлителя (4.6): R _и = R _в R _г /(R _вη_г + R _г n η_в) = 446×31,4/(446×0,441 + 31,4×20×0,704) = 21,9 (Ом).

Так как R _и меньше R _{и доп} (30 Ом), не очень значительно от него отличаясь, результат расчета можно считать удовлетворительным.

На рис. 4.1 представлена схема расположения заземлителей. Вертикальные электроды расположены так, чтобы расстояния между ними вдоль длинной и короткой стороны здания отличались минимально.

Рис. 4.1. Размещение искусственного заземлителя на плане цеха 50´30 м:

1 – стена здания; 2 – вертикальные электроды; 3 – горизонтальная полоса связи

 

При необходимости экономии металлопроката можно воспользоваться итерационными расчетами, последовательно уменьшая число вертикальных электродов, – до получения приемлемого результата.

Пример 2. Рассчитать повторное заземление нулевого защитного проводника для здания с размерами в плане 60´40 м (используется трехфазная сеть с глухозаземленной нейтралью напряжением 380/220 В). Измеренное удельное сопротивление грунта (глины при малой влажности) r_изм = 70 Ом×м.

Решение. Применим комбинированный групповой заземлитель из вертикальных электродов и полос связи, размещенных по прямоугольному контуру, расположенному вне здания, отступив от стен по 1,5 м. Предварительные размеры контура 63´43 м, его длина – L = 63×2 + 43×2 = 212 (м).

Из-за сложности заглубления в глинистый грунт в качестве вертикальных электродов используем уголки большего сечения 60´60 мм (d _экв= 0,95 с = 0,95×0,06 = 0,057 м) длиной l = 2,5 м с заглублением их на h = 0,7 м. Тогда t = h + (l / 2) = 0,7 + (2,5/2) = 1,95 м. Расчетное удельное сопротивление земли для вертикального электрода (4.2): r_в =r_измψ_в = 70×1,225 = 86 (Ом×м). Коэффициент сезонности найден для l = 2,5 м из табл. П.4 линейной экстраполяцией ψ_в = 1,2 + ((1,1 – 1,2)/(5 – 3))×(2,5 – 3) = 1,225. Здесь экстраполяция обязательна – если взять ψ_в для l = 3 м, будет занижен запас по безопасности. Расчетное удельное сопротивление земли для горизонтального электрода связи (4.2): r_г = r_измψ_г = 70×1,6 = 112 (Ом×м). В этом случае пользоваться экстраполяционной формулой нельзя – длина контура и горизонтального электрода связи (212 м) слишком далека от верхней границы (50 м) известной области значений ψ_г. Поэтому коэффициент ψ_г взят из табл. П.4 для длины 50 м, что идет в запас расчета по безопасности.

Сопротивление одиночного вертикального электрода (4.3):

 

R _в = 0,366 (lg  + lg ) =

= 0,366 (lg  + lg ) = 26,3 (Ом)

 

В условии нет данных о других зданиях, подключенных к линии электропередачи. Для одного здания требуется одно повторное заземление с минимальным допустимым сопротивлением R _{и доп} = R _доп = 10 Ом.

Определяем произведение числа вертикальных электродов на коэффициент использования (4.4): η_в n = R / R _{и доп} = 23,6/10 = 2,36. Это соответствует (при любом значении а / l – табл. П.5) минимальному для контура количеству вертикальных заземлителей n = 4.

Найдем предварительное среднее расстояние между вертикальными электродами а = L / n = 212/4 = 53 (м) и отношение а / l = 53/2,5 = 21,2. Полученное значение во много раз превышает рекомендуемое (а / l = 3). Обращаем внимание и на то, что при ширине здания 40 м контурное заземление совершенно не обеспечивает снижение величины напряжения прикосновения в средней части здания (расстояние до ближайшего заземлителя превышает 20 м). Становятся необходимыми дополнительные мероприятия по выравнивани