Пояснения к работе. Для обеспечения безопасности обслуживающего персонала при работе сэлектроустановками имеет место заземление металличес­ких нетоковедущих частей электрического

Для обеспечения безопасности обслуживающего персонала при работе сэлектроустановками имеет место заземление металличес­ких нетоковедущих частей электрического оборудования. Данная работа знакомит студентов с методами контроля сопротивления заземлителя и определения исходных данных для его проектирования, даёт представление о зависимостях между его параметрами.

Стекание тока в землю происходит через проводник, на­ходящийся в непосредственном контакте с землёй. Такой контакт может бытьслучайным или преднамеренным. В послед­нем случае проводник, находящихся в контакте с землей, называется эаземлителем или электродом. Если несколько электродов соединены между собой параллельно, то это называется групповым эаземлителем.

В соответствии с Правилами устройства электроустановок заземлению подлежат металлические части электротехни­ческих устройств, нормально не находящиеся под напряжением, но которые могут оказаться под напряжением в случае повреж­дения изоляции: корпуса электрических машин, аппаратов и трансформаторов, каркасы пультов уп­равления, арматура, металлические оболочки и броня кабелей, трубы электропроводки и др.

Электроустановки при номинальных значениях напряжения менее 42 В переменного и 110 В постоян­ного тока заземления не требуют во всех случаях, кроме электроустановок во взрывоопасных помещениях..

Заземлители бывают искусственные и естественные.

В качестве искусст­венных заземлителей могут быть использованы:

- вертикально забитые в землю стальные трубы с толщиной стенок ≥3, 5 мм;

- угловая сталь толщиной ≥ 4 мм;

- металлические стержни диаметром >б мм;

- горизонталь­но положенные в землю стальные полосы сечением ≥ 48 мм ; - круглая сталь и т.п.

ПУЭ рекомендует использовать в качестве естественных заземлителей:

- проложенные в земле водопроводные трубы;

- свинцовые оболочки кабелей, проложенные в земле;

- арматура железобетонных конструкций фундаментов и др.

Присоединение заземляющей магистрали к искус­ственному или естественному заземлителю выполняется не менее чем двумя проводниками в разных местах.

В качестве заземляющих проводников могут быть использо­ваны:

- металлические конструкции (фермы, колонны и т.п.);

- специально предусмотренные для этой цели медные, алюминевые или стальные проводники.

В электро­установках напряжением до 1000 В стальные проводники должны быть диаметрам ≥ 5 мм; при открытой проводке голые медные проводники должны иметь сечение ≥ 4 мм , алюминиевые ≥6 мм ; изолированные медные провода ≥1,5 мм , алюминиевые ≥ 2,5 мм .

Присоединение заземляющих проводников к заземлителям должно быть сварным, к корпусам аппаратов, манипуляторов -сварным или с помощью надежных болтовых соединений.

Каждый заземляющий элемент электроустановки должен быть присоединен к заземлителю или заземляющей магистрали при помощи отдельного ответвления.

Ток, проходящий через заземлитель в землю, преодолева­ет сопротивление, называемое сопротивлением эаземлителя растеканию тока или просто сопротивлением заземлителя.

Сопротивление заземлителя состоит из трёх частей: сопротивления самого заземлителя., переходного сопротивления между заземлителем и грунтом, сопротивления грунта. Две первые части по сравнению с третьей весьма малы, поэтому под сопротивлением заземлителя растеканию токапонимают сопротивление грунта растеканию тока.

Согласно ПУЭ сопротивления заземляющих устройств нормируются.

Для заземления электрооборудования в сети с изолированной нейтралью напряжением до 1 кВ сопротивления заземляющих устройства должно быть не более 4 Ом.

При мощности источника тока до 100 кВА заземляющие устройства могут иметь сопротивление не более 10 Ом.

Для сетей с заземленной нейтралью напряжением до 1 кВ общее сопротивление растеканию заземлителей (в том числе и естественных) всех повторных заземлений нулевого рабочего провода в любое время года должно быть более 5, 10, 20 Ом соответственно при линейных напряжениях 660,380,220 В источника трехфазного тока. Эти сопротивления должны контролироваться с определённой периодичностью согласно требованиям ПУЭ.

Поскольку плотность тока в земле на расстоянии больше 20 м от заземлителя весьма мала, можно считать, что сопротивление стекающему с заземлителя току оказыывает лишь соответствующий объем земли, например, при одиночном полушаровом заземлителе это полусфера радиусом 20 м. При разных формах и размерах заземлителей сопротивление этого объёма грунта различно. Поэтому расчет сопротивления растеканию токазаземлителей производят по различным формулам в зависимости от условия расположения в грунте, формы и размеров заземлителей.

Так, для наиболее часто применяемых электродов сопротивление растеканию определяется следующими формулами:

для вертикального стержневого, верхний конец которого заглублен в землю (рис.1,а),

(1)

где l и d – длина и диаметр стержня, м;

р – удельное объемное сопротивление грунта, Ом·м;

t – заглубление электрода, т.е. расстояние от поверхности земли да середи­ны электрода, м;

для горизонтального полосового, уложенного на некоторой глубине параллельно поверхности земли рис1,б),

(2)

где l и b – длина и ширина полосы, м;

t – заглубление полосы, м.

Рис.1. Типы одиночных заземлителей (электродов):

а) стержневой вертикальный заглублённый; б) полосовой горизонтальный

Из уравнений (1),(2) видно, что сопротивление заземлителя растеканию тока прямо пропорционально удельному объёмному сопротивлению грунта ρ, т.е. сопротивлению куба грунта с ребром длиной 1 метр. Удельное объёмное сопротивление имеет размерность Ом·м.

Значение удельного объёмного сопротивления грунта земли колеблется от десятков Ом·м до десятков тысяч Ом·м, так как оно зависит от многих факторов (влажности грунта температуры, рода грунта, степени его уплотнённости а также от времени года).

При проектировании заземляющего устройства необходимо определить удельное объемное сопротивление грунте в том месте, где будет сооружаться заземление, так как в справочниках приводятся ориентировочные значения ρ,которые могут отличаться от истинных в десятки и сотни раз.

Удельное объемное сопротивление грунта определяется в 2 этапа:

- вначале измеряется сопротивление растеканию R_изм одиночного заземлителя, погруженного в землю на участке, где будет сооружаться заземление, и называемого в этом случае контрольным электродом;

- потом, после подстановки R_изм в формулу для определения сопротивления растеканию тока данного электрода, вычисляется ρ_{изм .} .

Поскольку в самое неблагоприятное время года производить измерения не всегда возможно, р принимают равным произведению измеренного объёмного сопротивления ρ_{изм .} на коэффициент сезонности Ψ, учитывающий возможное повышение ρ_{изм .} за счет изменения погодных условий, т.е.

ρ = ρ_{изм .} ·Ψ (3)

Коэффициент Ψ берётся из таблиц (табл.1).

Таблица 1

Признаки климатических зон и соответствующие им коэффициенты сезонности

Характеристика климатической зоны и тип электрода	Климатические зоны России
Признаки климатических зон
Средняя многолетняя низшая температура (январь),ºС	От – 20 до –15	От –14 до –10	От -10 до 0	От 0 до +5
Средняя многолетняя высшая температура (июль), ºС	От +10 до +18	От +18 до +22	От +22 до +24	От +24 до+26
Среднегодовое количество осадков, см				30-50
Продолжительность замерзания вод, дней	190-170
Коэффициенты сезонности
Вертикальные электроды длиной 2-3 м при глубине заложения вершин 0,5-0,8 м	1,8-2,0	1,5-1,8	1,4-1,6	1,2-1,4
Горизонтальные электроды при глубине заложения 0,8 м	4,5-7,0	3,5-4,5	2,0-2,5	1,5-2,0

В качестве контрольных следует применять такие же электроды, какие будут использоваться при устройстве заземления.

Оборудование для исследования сопротивления заземляющих устройств электроустановок

Работа выполняется на участке земли, где размещены специальные заземлители или в лаборатории на стенде (рис.17, а), к клеммам которого с помощью соединительных проводов присоединены заземлители (рис.17, б).

Рис.1. Схема расположения исследуемых заземлителей:

а) план размещения заземлителей в грунте; б) клеммы заземлителей на стенде в лаборатории.

Для определения зависимости сопротивления растеканию тока группового заземлителя от числа его электродов служат еще два ряда электродов (№ 1–10) одинаковой длины, заглубленных в землю вертикально (трубы диаметром 50 мм) на рас­стоянии 2,5 м друг от друга (рис.1, а).

Для определения расчетных удельных объемных сопротивлений грунта ρ_расч используются одиночные заземлители – стержневой (№ 16) и горизонтальный полосовой (№ 19) (рис,1, а).

Для определения зависимости сопротивления растеканию тока одиночного вертикального заземлителя от его размеров используются:

- заглубленные в землю вертикально в один ряд 4 уголка с одинаковыми полками 45х45 мм длиной 2; 1,75; 1,65; 1,5 и 4 м (рис.2, а)

- трубы одинакового диаметра 50 мм и длиной 2;175; 1,65; 1,5 м (рис.2,б).

Глубина заложения всех заземлителей от поверхности земли до верх­него конца электрода – 0,25 м.

Рис.2. Размещение вертикальных одиночных заземлителей:

а) уголки; б) трубы.

Для измерения сопротивления зеземляющих устройств ис­пользуется измеритель малыхсопротивлений типа МС-08. Он может быть использован также для определения удельного соп­ротивления грунта. Схема включения измерителя заземления приведена на рис.3.

Рис. 3. Схема включения измерителя заземления:

I – переключатель; 2 – реостат потенциальной цепи; 3 – красная черта на шкале; 4 – рукоятка генератора; Rx – испытуемый заземлитель; Rз – зонд; Rвсп – вспомогательный заземлит ель.

Упрощённая схема прибора показана на рис. 4. В нём применен логометр магнитоэлектрической системы, у которого первая рамка включена в цепь тока:

отрицательный полюс генератора постоянного тока – рамка логометра – механический преобразователь – испытуемый заземлитель Rx – вспомогательный токовый электрод – выпрямитель – положительный полюс генератора последовательно с источником питания;

вторая (потенциальная) подключается вместе с последовательно соединённым добавочным резистором к испытуемому заземлителю Rx и электроду-зонду. В результате цепь второй рамки находится под напряжением, равным падению напряжения на измеряемом сопро­тивлении заземления, а ток в первой рамке равен току в испытуемом заземлителе, и по­казание логометра пропорционально определяемому сопротивлению заземлителя Rx.

Наличие в схеме прибора механического преобразователя и выпрямителя обеспечивает независимость показаний этого прибора от блуждающих токов, наличие в цепи потенциальной рамки регулируемого резистора исключает влияние сопротивления зонда Rз.

Прибор имеет три предела измерения: 0–10, 0–100 и 0–1000 Ом.

При измерениях прибор следует устанавливать возможно ближе к испытуемому заземлителю, в противном случае, особенно при измерении малых сопротивлений, необходимо снять перемычку между зажимами, обозначенными I ₁ и E ₁, и соединить каждый из них с испытуемым заземлителем отдельным проводником. Тогда прибор не будет учитывать сопротивление соединительных проводов.

Схема соединений и расположение её элементов при измерении представлены на рис.3. Как вспомогательный заземлитель, так и зонд в большинстве случаев могут быть выполнены в виде латунного или стального стержня диаметром не менее 5 мм, которые забивают в грунт на глубину не менее 0,5 м.

Рис.4.Упрощённая схема измерителя сопротивления МС-08.