Конструкция и расчет заземляющих устройств

Для заземления электропотребителей различных назначений и напряжений следует применять одно общее заземляющее устрой­ство с наименьшим сопротивлением (рис. 11.12).

В установках напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейт­ралью сопротивление заземляющего устройства, к которому при­соединяют нейтрали трансформаторов и генераторов, должно быть не более 4 Ом. Для трансформаторов и генераторов мощностью 100 кВ А и менее заземляющие устройства могут иметь сопротив­ление до 10 Ом.

Таблица 11.1. Минимальные геометрические параметры стальных заземлителей

Рис. 11.12. Устройство заземлений различных электропотребителей: а, б — электрооборудования, питаемого от трехфазной сети соответственно с изолированной и глухозаземленной нейтралями; в — параллельно включеных электрических машин; г — электросверла; д, в — трансформаторов соответствен­но с неизолированной и изолированной нейтралями

Такие же пределы значений сопротивления установлены для заземляющих устройств, предназначенных для заземления элект­рооборудования в установках напряжением до 1000 В с изолиро­ванной нейтралью.

Напряжение, под которым может оказаться человек, аналити­чески определить невозможно, поскольку оно зависит от множе­ства факторов, в частности, от соотношения сопротивлений за­земляющих устройств у приемников" и источников электроэнер­гии. Если численные значения этих сопротивлений невелики, то на значение напряжения, под которым может оказаться человек, будут влиять соотношение параметров сети и ряд других показате­лей. Вот почему для сетей напряжением до 1000 В нет необходимо­сти в определении точного значения сопротивления заземлителей.

Если заземляющее устройство для электроустановок напряже­нием до 1000 В одновременно используется для электроустановок напряжением свыше 1000 В с малыми токами замыкания на зем­лю (500 А и менее), то его сопротивление

К_э< 125/4                            (11-13)

где /?₃ — наибольшее, с учетом сезонных колебаний, сопротивле­ние заземляющего устройства, Ом; /₃ — расчетный ток замыка­ния на землю, А.

266

 

Материал заземлителя и нормируемый геометрический параметр	Минимальное значение параметра при прокладке заземлителя
	внутри здания	вне здания открыто	в земле
Прутковая сталь: диаметр прутка, мм Полосовая сталь: площадь сечения полосы, мм2 толщина полосы, мм Угловая сталь: толщина полосы, мм	5 24 3 2	6 48 4 2,5	6 48 4 4

Если же указанное заземляющее устройство одновременно ис­пользуется для электроустановок напряжением свыше 1000 В с большими токами замыкания на землю (более 500 А), то его со­противление в любое время года не должно превышать 0,5 Ом.

Для заземляющих устройств любого назначения необходимо ис­пользовать в первую очередь естественные заземлители и заземля­ющие проводники. Если естественных заземлителей нет или их использование не дает требуемых результатов, то применяют ис­кусственные заземлители в виде стержней из угловой или прутко­вой стали, стальных полос. При этом необходимо так размещать искусственные заземлители, чтобы обеспечить по возможности равномерное распределение электрического потенциала на пло­щади, занятой электрооборудованием.

Выбор материала заземлителей зависит от характера грунта и способа забивки стержней. Длину стержней и глубину их заложе­ния выбирают в зависимости от климатических условий. В после­днее время для всех групп грунтов, кроме вечномерзлых и скаль­ных, рекомендуется применять в качестве материала заземлите­лей прутковую сталь диаметром 12 мм.

Геометрические параметры стальных заземлителей должны быть не менее указанных в табл. 11.1.

Неизолированные заземляющие проводники, проложенные в земле, выполняют одновременно роль заземлителей.

Сопротивление заземляющих устройств растеканию тока зави­сит от удельного сопротивления грунта, так как именно он ока­зывает основное сопротивление растеканию.

Приближенные средние значения удельных сопротивлений р, Ом • м, различных грунтов:

Песок.

Супесь

.700.300

Чернозем.................................................................................... 200

Суглинок, каменистая глина (верхний слой толщиной

1...3 м — глина, глубже — гравий).................................... 100

Глина.......................................................................................... 40

Торф........................................................................................... 20

Эти значения надо умножать на коэффициент К„, зависящий от климатической зоны и вида заземлителя (табл. 11.2).

Если удельное сопротивление грунта в наиболее неблагопри­ятное время года превышает 200 Омм, то сооружение искусст­венных заземлителеи требует проведения дополнительных мероп­риятий.

Рассчитывать сопротивление естественных заземлителеи мож­но лишь весьма приближенно. Приведенные в табл. 11.3 и 11.4 зна­чения следует пересчитывать пропорционально сопротивлению грунта р и умножать на коэффициент К_м (см. табл. 11.2).

Если в траншее находится несколько кабелей, то общее сопро­тивление растеканию их свинцовых оболочек действительному растеканию с учетом взаимного экранирующего влияния опреде­ляют по формуле

 (11.14)

где Я_ок — сопротивление растеканию свинцовой оболочки одного кабеля, Ом, определяемое по табл. 11.4; п — число кабелей в тран­шее.

 

Таблица 11.2. Зависимость коэффициента К_ы от климатических зон и вида заземлителя

 

 

 

	Признаки		климатической			зоны					Значения
га										коэффициента			К
о со	Средняя многолетняя
ческая	температура,		С	<и О ад О И	садков,	[ЬНОСТЬ	рзания	X ч ч	льных	лях	ожения м	альных лях	ожения
Климати	низшая (январь)	высшая	(июль)	реднее го	ичество о см	<& н ■ 1 §	иода заме	НТОВЫХ ВС	и вертика	заземлите	убине зал 0,5...0,8	горизонт заземлите	убине зал 0,8 м
				()	ч	Он	О.	>>	о.		ч		ч
						с		а	с			о. с
I	-20...-15	16	..18		40	170..		190	1	,Е	...2	4,5	...7
II	-15...-10	18.	..22		50		150		1	5	..1,8	3,5.	..4,5
III	-10...0	22.	..24		50		100		1,	4	..1,6	2..	2,5
IV	0...5	24.	..26	30...50			0		1,	2	..1,4	1,5	...2

Таблица 11.3. Сопротивление растеканию металлических трубопроводов, уложенных на глубине 2 м, при удельном сопротивлении грунта р = 100 Ом-м

 

Длина подземного участка трубопровода, м	Сопротивление растеканию, Ом, при диаметре трубы, мм
	75	100	150
100 1000 2000	0,35 0,25 0,2	0,28 0,2 0,17	0,23 0,17 0,15

Таблица 11.4. Сопротивление растеканию свинцовых оболочек кабелей, уложенных на глубине 0,7 м, при удельном сопротивлении грунта р = 100 Ом • м

 

Длина подземного участка кабеля, м	Сопротивление растеканию, Ом, при площади сечения кабеля, мм2
	16...35	50...95	120 и выше
100 200 500 1000	2 1,8 1,4 1,2	1,5 1,4 1,1 0,9	1,1 1 0,8 0,7

Проводимость искусственных заземлителеи складывается из проводимостей вертикально погруженных и горизонтально про­ложенных заземлителеи:

Сопротивление одиночного стержневого заземлителя

где I— длина стержня, м; й — внешний диаметр стержня, м; I глубина заложения стержня, равная расстоянию от поверхности земли до середины стержня, м. Необходимое число заземлителеи

п =

где л — коэффициент использования заземлителя; К₃ тивное сопротивление заземлителя.

 268

 норма­269

для уголка размерами 50 х 50 х 5 мм

 

 

Таблица 11.5. Коэффициенты использования вертикальных заземлителей и горизонтальных соединительных полос

 

Число верти-	Значения коэффициентов г\ъ (числитель) и				цГ (знаменатель)
кальных	при		отношении а/1
заземлите лей	1		2		3
При расположении полос по периметру замкнутого					контура
6	0,62		0,73
	0,4		0,48		0,64
10	045		0,69		0,76
	0,34		0,4		0,56
30	0,43		0,6		0,68
	0,24		0,3		0,41
70	0,38		0,54		0,64
	0,2		0,26		0,35
100	0Д5.		0,52		0,62
	0,19		0,24		0,33
	При распололсении		полос в ряд
з	0,78		0,86		0,91
	0,8		0,92		0,95
5	ол		0,81		0,87
	0,74		0,86		0,9
10	0,59		0,75		0,81
	0,62		0,75		0,82
15	0,54		0,7		0,78
	0,5		0,64		0,74
20	0,49		0,68		0,77
	0,42		0,56		0,68
30	0,43		0,65		0,75
	0,31		- 0,46		0,58

Примечание: а — расстояние между вертикальными заземлителями; / — длина вертикального заземлителя.

Сопротивление растеканию одиночных заземлителей в виде труб диаметром 50 мм и длиной 2,5 м, забиваемых на глубину 0,7 м, можно вычислить по упрощенной формуле

Я_о._Т~0,ЗрК_м.                               (11.18)

Эквивалентный диаметр заземлителей из угловой стали

с!=0,95Ь,                               (11.19)

где Ь — ширина полок уголка.

Сопротивление одиночного стержня длиной 2,5 м из уголко­вой стали может быть подсчитано по упрощенной формуле: 270

 (П-20)

для уголка размерами 60 х 60 х 6 мм

_м;                         (11.21)

для уголка размерами 75 х 75 х 8 м

Я_о._у=0,292рК_и.                           (11.22)

Сопротивления растеканию полосового и круглого горизонталь­ных заземлителей

где / — длина заземлителя, м; Ь — ширина полосового заземлите­ля, м; й — диаметр круглого заземлителя, м; I — глубина заложе­ния заземлителя, м.

Определение общего сопротивления всего заземляющего кон­тура требует учета взаимного экранирующего влияния одиночных вертикальных заземлителей и горизонтальных соединительных полос. Для этого служат коэффициенты использования т|_в и г\_г, приведенные в табл. 11.5.

Сопротивление растеканию вертикальных заземлителей с уче­том их экранирующего влияния

К_в=Я₀Лпц_в),                           (11.25)

где Лц _в — сопротивление одиночного вертикального заземлителя, Ом; п — число одиночных заземлителей в контуре.

Сопротивление растеканию горизонтальных полос, связыва­ющих между собой вертикальные заземлители, с учетом экрани­рующего влияния полос

Л,.п=Л',п/чг,                           (11-26)

где К'_ТП — сопротивление растеканию горизонтальной полосы, Ом, без экранирующего влияния на нее.

Пример 11.1. Рассчитать повторное заземление у конца воз­душной линии напряжением 380/220 В с глухозаземленной нейт­ралью. Мощность питающего трансформатора 100 кВА, грунт — чернозем, климатическая зона — III, водопровода вблизи нет.

Решение. В соответствии с ПУЭ, сопротивление повторного заземления при мощности питающего трансформатора 100 кВ ■ А не должно превышать 10 Ом. Удельное сопротивление чернозема принимаем равным 200 Ом • м. Коэффициенты К_м для климати-

Таблица 11.5. Коэффициенты использования вертикальных заземлителей и горизонтальных соединительных полос

Число верти-	Значения коэффициентов г|в (числитель) и г|г (знаменатель)
кальных Г}О Т^Э И Л ТТТ 4ТЛ1		при отношении а/1
ЗаЗсМЛИ 1с- лей	1	2
При расположении полос по периметру замкнутого контура
6	0,62	0,73
	0,4	0,48	0,64
10	0Д5	0,69	0,76
	0,34	0,4	0,56
30	0,43	04	0,68
	0,24	0,3	0,41
70	0,38	0,54	0,64
	0,2	0,26	0,35
100	0,35	0,52	0,62
	0,19	0,24	0,33
	При расположении полос в ряд
3	0,78	0,86	0,91
	0,8	0,92	0,95
5	ОД	0,81	0Д2
	0,74	0,86	0,9
10	0,59	0,75	0,81
	0,62	0,75	0,82
15	0,54	ол	0,78
	0,5	0,64	0,74
20	0,49	0,68	0Д2
	0,42	0,56	0,68
30	0,43	0,65	ДД5.
	0,31	- 0,46	0,58

Примечание: а — расстояние между вертикальными заземлителями; / — длина вертикального заземлителя.

Сопротивление растеканию одиночных заземлителей в виде труб диаметром 50 мм и длиной 2,5 м, забиваемых на глубину 0,7 м, можно вычислить по упрощенной формуле

 (11.18)

Эквивалентный диаметр заземлителей из угловой стали

4 = '0,95Ь,                               (11.19)

где Ь — ширина полок уголка.

Сопротивление одиночного стержня длиной 2,5 м из уголко­вой стали может быть подсчитано по упрощенной формуле:

270

для уголка размерами 50 х 50 х 5 мм

Й_оу=0,318р^_м;                         (11.20)

для уголка размерами 60 х 60 х 6 мм

^._у=0₅298рХ_м;                          (11.21)

для уголка размерами 75x75x8 м

/?_оу=0,292р^_м.                          (11.22)

Сопротивления растеканию полосового и круглого горизонталь­ных заземлителей

где / — длина заземлителя, м; Ь — ширина полосового заземлите­ля, м; й — диаметр круглого заземлителя, м; I — глубина заложе­ния заземлителя, м.

Определение общего сопротивления всего заземляющего кон­тура требует учета взаимного экранирующего влияния одиночных вертикальных заземлителей и горизонтальных соединительных полос. Для этого служат коэффициенты использования л_в и г\_т, приведенные в табл. 11.5.

Сопротивление растеканию вертикальных заземлителей с уче­том их экранирующего влияния

Д_в=Д,.в/(я11в),                          (П-25)

где Ко.д — сопротивление одиночного вертикального заземлителя, Ом; п — число одиночных заземлителей в контуре.

Сопротивление растеканию горизонтальных полос, связыва­ющих между собой вертикальные заземлители, с учетом экрани­рующего влияния полос

К,п=К',пМ„                          (11.26)

где К'_гп — сопротивление растеканию горизонтальной полосы, Ом, без экранирующего влияния на нее.

Пример 11.1. Рассчитать повторное заземление у конца воз­душной линии напряжением 380/220 В с глухозаземленной нейт­ралью. Мощность питающего трансформатора 100 кВА, грунт — чернозем, климатическая зона — III, водопровода вблизи нет.

Решение. В соответствии с ПУЭ, сопротивление повторного заземления при мощности питающего трансформатора 100 кВ ■ А не должно превышать 10 Ом. Удельное сопротивление чернозема принимаем равным 200 Ом • м. Коэффициенты К_м для климати-

 

ческой зоны III находим по табл. 11.2: для вертикальных зазем­лителеи принимаем К_мв= 1,4, для горизонтальных соединений

В качестве вертикального заземлителя берем уголок размерами 60x60x6 мм, длиной 2,5 м.

Сопротивление растеканию одиночного заземлителя опреде­ляем по упрощенной формуле (11.21):

К_оу= 0,298-200-1,4 = 84 0м.

Из формулы (11.25) следует, что при г|_в = 0,69 число заземли­телеи п можно ориентировочно принять равным 10.

Намечаем размещение вертикальных заземлителеи по периметру замкнутого контура на расстоянии друг от друга около 5 м (а = 5, а/1 = 2) и находим по табл. 11.5, что л_в = 0,69.

В этом случае сопротивление всех вертикальных заземлителеи растеканию

Я_в = 84/(100,69)» 12 Ом.

Определяем сопротивление растеканию горизонтальных соеди­нений, в качестве которых принимаем стальные круглые прутки диаметром 8 мм.

При намеченном числе вертикальных заземлителеи и приня­тых расстояниях между ними длина горизонтальных соединений (с учетом ответвлений от контура до опоры) составит около 60 м. Глубина заложения горизонтальных соединений I = 0,5 м.

Сопротивление горизонтальных соединений без учета экрани­рующего влияния вертикальных заземлителеи находим по форму­ле (11.24):

Контрольные вопросы

14,5 Ом.

0,008-0т5

Коэффициент использования горизонтального заземлителя (см. табл. 11.5) Лг = 0,4.

В соответствии с формулой (11.26), действительное сопротив­ление растеканию горизонтальных заземлителеи

Я_ТЛ[ = 14,5/0,4 = 36,2 Ом.

Сопротивление всего заземляющего устройства находим по формуле (11.17):

_в   12-36,2 _._ПЛ„

Поскольку Я_и < 10 Ом, число стержневых заземлителеи выбра­но правильно.

5. Йк овдеХть сопротивление

ГЛАВА 12