Методические указания. Утверждено на заседании кафедры

Утверждено на заседании кафедры

Пожарная и производственная

Безопасность

«25», ноября 1999 г.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторно-практической работе № П-1

«ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ И РАСЧЕТ ЗАЗЕМЛЕНИЯ ЭЛЕКТРООСТАНОВОК»

Ростов-на-Дону

2000 г.

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение устройства методики проектирования и расчета, а также натурного испытания защитного заземления электроустановок.

2. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

2.1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Заземление - преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентном металлических частей электроустановок.

Защитное заземление - заземление нетоковедущих частей электроустановок, которые могут оказаться под напряжением вследствие каких-либо ава­рийных ситуаций. Используется для обеспечения электробезопасности.

Рабочее заземление - заземление токоведущих частей электроустановок. Необходимо для обеспечения нормальной работы.

Заземление молниезащиты - заземление молниеприемников и разрядников с целью отвода в землю токов молнии.

Заземляющее устройство (ЗУ) - совокупность заземлителя и заземляющих проводников.

Заземлитель - один или несколько соединенных между собой проводннков, в соприкосновении с землей.

Заземляющий проводик - проводник, соединяющий заземляемые части электроустановки с заземлителем.

2.2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Согласно [1], и РФ разрешены следующие виды электрических сетей: пере­менного тока - трехфазные трехпроводные и однофазные двухпроводные с изолированной нейтралью, трехфазные четырехпроводные и однофазные двухпроводные с заземленной нейтралью; постоянного тока - с изолированной от земли или с заземленной средней точкой трансформатора. В нормальном режиме работы более безопасными являются сети с изолированной нейтралью или средней точкой, в авварийном - сети с заземленной нейтралью или средней точкой. Бытовые электросети выполняются только с заземленной нейтралью.

По величине рабочего напряжения электрические сети и установки разделя­ются на 2 группы - высоковольтные с рабочим напряжением выше 1кВ (1000 В) и низковольтные (1кБ и ниже). В низковольтных сетях в основном ис­пользуются следующие значения напряжений: 380, 220, 36 и 12 В переменного тока; 550, 440, 110, 36 и 12 В постоянного тока. Напряжения 36 н 120 являются безопасными для человека, поэтому используются в помещениях с повы­шенной опасностью, особо опасных и вне помещений.

К работе на высоковольтных электроустановках допускается только специально подготовлсенный персонал, поэтому количество поражений людей элек­трическим током в них очень невелико. Низковольтные электроустановки ши­роко распространены в промышленности и быту, и именно на них приходится большинство несчастных случаев (н.с.), в том числе до 50% от общего числа н.с. со смертельным исходом.

Одной из эффективных мер защиты человека от поражения электрическим током является защитное заземление.

Защитное заземление предназначено для устранения опасности поражения человека электрическим током в случае прикосновения к корпусу или другим электропроводящим (металлическим) нетоковедущим в нормальном режиме работы частям электроустановки, которые могут в результате аварии оказаться под опасным напряжением. Следует отличать защитное заземление от рабоче­го заземления и заземления молниезащиты.

2.3. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ. НОРМИРОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ.

При аварийных ситуациях на корпусе электроустановки может оказаться полное напряжение сети U_ф (обычно 220 В), а ток, возникающий при касании человеком незаземленной электроустановки и проходящий через его тело, может привышать пороговый фибрилляционный ток (0,1 А).

При наличии защитного заземления ток распределяется по двум ветвям – через заземлитель и через тело человека. В этом случае величина тока, проходящего через человека, определяется сопротивлениями защитного заземлителя R_з и человека R_ч (для расчетов R_ч принимается равным 1000 Ом). Для обеспечения безопастности необходимо, чтобы большая часть тока прошла через заземлитель, для чего необходимо обеспечить соотношение R_з<< R_ч. Исходя из этого, в [I] для низковольтных электроустановок рекомендованы наибольшие допустимые сопротивления ЗУ в зависимости от суммарной мощности питающих электроустановку:

-при мощности более 100 кВА сопротивление ЗУ должно составлять не бо-

лее 4 Ом;

-при мощности 100 кВА и менее - 10 Ом..

2.4. ЗАЗЕМЛИТЕЛИ.

Заземлители могут быть естественными и искусственными. Искусственные предназначены исключительно для целее заземления. В качестве естественных могут использоваться любые находящиеся в земле металлическиепредметы (водопроводные трубы, опоры, железобетонные фундаменты и пр.). Правилами [I] рекомендуется использовать естественные заземлители.

Искусственное ЗУ (рис.1) включает вертикальные заземлители (стержни) I, соединенные между собой горизонтальной заземляющей магистралью (соеди­нительной полосой) 2. Кроме того, в состав ЗУ входят заземляющие провод­ники 3, соединяющие заземлитель с заземляемой электроустановкой 4.

В зависимости от места размещения различают выносные заземлители, сосредоточенные в некоторой зоне площадки под оборудование (см.рис.1, а), и контурные (распределенные), электроды которого размещаются по периметру площадки с оборудованием или внутри нее (см. рис.1, б). Выносные заземлители используют для заземления временно устанавливаемого оборудования, контурные – для стационарного.

При контурном размещении заземлителей обеспечивается выравнивание потенциала на всей площадке,поэтому они обеспечивают лучшую защитучеловека от поражения электрическим током. Соединительные полосы могут быть размещены в один или несколько рядов (см.рис, 1,а),либо по периметрузамкнутого контура (см.рис. 1,6).

Рис. 1. Искусственное заземляющее устройство: выносное (а) и контурное (б)

1- заземлители; 2 - соединительная полоса; 3 - заземляюший проводник,

4 - заземляемое оборудование

Для вертикальных стержней искусственных заземлителей применяют сталь­ные трубы с толщиной стенки не менее 3 мм, прутковую сталь диаметром не менее 12 мм, либо уголки столщиной полок не менее 4 мм. В качестве горизонтальных заземлителей используют полосовую сталь сечением не менее 4x12 мм или стальной пруток диаметром не менее 6 мм. Все соединения вертикальных стержней с полосой выполняются сваркой, а заземлителя с электроустановкой - сваркой или болтовыми соединениями.

Сопротивленне контура заземления складывается из сопротивления вертикальных стержней и горизонтальной полосы, общее сопротивленне ЗУ включает сопротивление контура заземления и заземляющего проводника.

Сопротивление контура заземлителя растеканию тока определяется сопротивлением контура заземления и удельным сопротивления грунта, которое зависит от типа и влажности грунта, содержания солей, температуры и др.

2.5. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЗАЗЕМЛЕНИЯ.

1. При напряжении выше 1 кВ – во всех случаях, независимо от рода тока и вида электрической сети.

2. При напряжении 1 кВ и ниже - в следующих видах электрических сетей:

- трехфазные трехпроводниковые переменного тока с изолированной нейтралью;

- однофазные двухпроводные переменного тока, изолированные от земли;

- постоянноготока с изолированной средней точкой источника тока.

Для этих сетей предусмотрено выполнять защитное заземление в следующих случаях:

- при напряжении 380 В и выше переменного тока или 440 В и выше посто-

янного тока - во всех случаях:

- при напряжени от 42 ло 380 В переменного тока или от 110 до 440 В постоянного тока - только а помещениях с повышенной опасностью и особо опасных, а также в наружных установках;

- при слабых напряжениях постоянного и переменного тока - во взрывоопас­ных помещениях.

Защитному заземлению подлежат корпуса электрических машин, аппаратов, светильников и т. п., металлические конструкции, предназначенные для размещения электрическихкабелей и электропроводки (ободочки, трубы); металлические конструкции, на которых устанавливается электрооборудование; металлические корпуса передвижных и переносных электроустановок; электрооборудование, размещенное на движущихся частях машин и механизмов.

В строительстве наиболее часто защитное заземление применяется для обеспечения электробезопасности башенных кранов (рис.2). В этом случае заземляется не размещенное на подвижной части крана электрооборудование, а подкрановые пуги, поскольку металлические част крана через колеса имеют с путями хороший электрический контакт, при этом все части крана, требующие заземления, надежно соединяются с остовом. Рельсы подкрановых путей для создания непрерывной электрической цепи надежно (сваркой) соединяются на стыках перемычками 6 и между собой (междурельсовыми перемычками 5} и заземляютсяся не менее чем в двух точках, сосредоточеннымм заземлителями.

Заземление может применяться и в сетях с заземленной нейтралью, однако в этом случае оно не является защитной мерой, а служит для обеспечения рабо­тоспособности другах способов зашиты, например, защитного отключения.

Энергоснабжение жилых и общественных зданий, согласно [I], должно, обеспечиваться только от сети с заземленной нейтралью, поэтому защитное заземление здесь не применяется. Основной мерой защиты данной категории потребителей является зануление - злектрическое соединение металлических нетоковедущих частей с нулевым проводом сети. Занулению подлежат: метал­лические корпуса электроприборов мощностью более 1,3 кВт – во всех случа­ях, мощностью 1,3 кВт и менее - только при возможности одновременного касания корпуса электроприбора и открытых радиаторов системы отопления, водопроводных труб и других заземленных конструкций. Занулсние таких электроприборов выполняется с помощью третьего провода шнура питания и соответствующей ей входной резетки.

Рис.2. Заэемление башенного крана:

1 – заземлители; 2 - соединительная полоса; 3 - заземляющий проводник; 4 - заземляемое оборудование (кран); 5 - междурельсовые перемычки; 6 - перемычки между стыками рельс; 1 - прибор МС-08; 8 - рукоятка приво­да генератора; 9 - ручка «Установка нуля»; 10 - переключатель диапазонов; 11-шкала прибора; 12 - потенциальный зонд; 13 - токовый зонд.

2.6. РАСЧЕТ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ.

Для расчета ЗУ необходимо иметь: электрические характеристики установки, план размещения электрооборудования; допустимые значения напряжений прикосновения и шага; расчетный ток замыкания на землю.

Кроме того, необходимо знать:

- форму, размеры, материал и предполагаемое заглубление вертикальных стержней заземлителя;

- измеренное удельное сопротивление грунта ρ на участке размещения ЗУ. При отсутствии таких данных сопротивление грунта принимается по табл.1;

- климатические условия региона (приведены в табл. 2) по которым выбираются соответствующие коэффициенты К_мв и К_мг (табл.2)

Таблица 1

Средние значения удельного сопротивления грунта, Ом*м.

Тип грунта	Удельное сопротивление грунта ρ, Ом*м
Песок
Супесь
Чернозем
Суглинок
Глина

Таблица 2

Коэффициенты климатических условий для вертикальных и горизонтальных заземлителей.

Климатическая зона	Для вертикального заземлителя (стержня) Кмв	Для горизонтального заземлителя (соединительной полосы) Кмг
Влажность грунта	Влажность грунта
повышенная	нормальная	малая	повышенная	нормальная	малая
I	2,0	1,9	1,8	7,0	5,7	4,5
II	1,8	1,65	1,5	4,5	4,0	3,5
III	1,6	1,5	1,4	2,5	2,2	2,0
IV	1,4	1,3	1,2	2,0	1,7	1,5

Расчет ЗУ выполняется по характеристикам электроустановки (рабочему напряжению, мощности трансформатора н пр.) в следующем порядке:

1. Вначале выбирают допустимое сопротивление ЗУ R_Д, Ом {см. п.2.3.).

2. Затем по формуле (1) рассчитывают сопротивление одиночного стержневого заземлителя:

R_ос=0,366∙ρ∙К_мв/l_c(lg + lg4∙h_c+l_c/4∙h_c-l_c),Ом (1)

где h_с=t_о+0,5∙l_с, м (2)

Здесь К_мв - коэффициент климатических условий, определяется по табл. 2 для стержней в зависимости от климатической зоны и влажности грунта; l_с и d_с соответственно длина и наружный диаметр стержня, м; h_с – глубина заложения стержня, м, равная расстоянию от поверхности земли до середины стержня, определяется по формуле (2). Для заземлителей из уголковой стали эквивалентный диаметр стержня принимают по формуле:

d_с =0,95∙b, м, (3)

где b – ширина полок уголка, м.

3. Определяют ориентировочное количество стержней:

n_х= R_ос/ R_з. (4)

4. Находят требуемое количество вертикальных заземлителей

n= R_ос/(η_в∙ R_з), (5)

где η_в – коэффициент использования вертикальных заземлителей, выбирается из табл. 3 с учетом отношения a/l_с (расстояния а между стержнями к их длине l_с), предполагаемого размещения соединительных полос и ориентировочного количества стержней n_х. Полученное значение n округляется до ближайшего целого числа. Если n отличается от n_х, то следует выбрать из табл. 3 по значению n новое значение η_в и пересчитать n по формуле (5).

Таблица 3

Коэффициенты использования вертикальных заземлителей η_в

Количество заземлителей n(nх)	Соединительные полосы размещены в ряд	Соединительные полосы размещены по периметру замкнутого контура
Отношение расстояния а между стержнями к их длине lс
	0,85	0,91	0,94	-	-	-
0,73	0,83	0,89	0,69	0,78	0,85
0,65	0,77	0,85	0,61	0,73	0,80
0,59	0,74	0,81	0,56	0,68	0,76
0,48	0,67	0,76	0,47	0,63	0,71
-	-	-	0,41	0,58	0,66

Таблица 4

Коэффициенты использования горизонтальных заземлителей (полос) η_г

Количество заземлителей n(nх)	Соединительные полосы размещены в ряд	Соединительные полосы размещены по периметру замкнутого контура
Отношение расстояния а между стержнями к их длине lс
	0,85	0,94	0,96	-	-	-
0,77	0,80	0,92	0,45	0,55	0,70
0,72	0,84	0,88	0,40	0,48	0,64
0,62	0,75	0,82	0,34	0,40	0,56
0,42	0,56	0,68	0,27	0,32	0,45
-	-	-	0,22	0,29	0,33

5. Суммарное сопротивление стержней:

R_с= , Ом (6)

6. Сопротивление соединительной полосы:

R_n= , Ом (7)

Здесь η_г коэффициент использования горизонтального заземлителя, выбирается из табл. 4 аналогично η_в;

l_n – длина полосы, м. определяется по формуле (8) при рядном расположении заземлителей или (9) при контурном:

l_n=1,05∙а∙n, м; (8)

l_n=1,05∙а∙(n-1), м (9)

b_n – ширина полосы, м; t_о –глубира заложения полосы, м.

7. Общее сопротивление контура заземления:

R=R_с∙ R_n/ R_с+ R_n, Ом (10)

8. Сравнивают расчетные значения общего сопротивления R с допустимым значением R_Д. В случае, если R > R_Д увеличивают количество стержней n или их длину l_с, либо уменьшают расстояние а между ними и производят перерасчет, начиная с п.4.

2.7. ЭКСПЛУАТАЦИЯ И НАТУРНОЕ ИСПЫТАНИЕ

ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА.

При сдаче в эксплуатацию строительных объектов на каждое отдельное ЗУ составпяется паспорт с его схемой, основными техническими характеристика­ми, сведениями о ремонтах и внесенных изменениях в конструкцию.

В процессе эксплуатации ЗУ возможно повышение сопротивления растека­нию тока сверх расчетного значения, при этом ЗУ теряет способность обеспе­чить безопасность людей при замыкании на корпус, поскольку возрастает потенциал эаземлнтеля, а следователыю, и величины напряжений прикосновения и шага. Повышение сопротивления растеканию тока может быть следствием колебаний сопротивления грунта, высушивания почвы под воздействием близко расположенных горячих поверхностей (трубопроводов пара, гогячей воды и пр.), ухудшения электрического контакта между элементами ЗУ в результате случайных механических воздействий, при прохождении аварийных токов, коррозии болтовых и сварных соединений.

Чтобы своевременно обнаружить неисправность и восстановитъ защитные функции ЗУ, Правилами [1,2] предусматриваются периодические проверки со­стояния ЗУ, включающие внешний осмотр видимых частей ЗУ с проверкой цепи между заземлителем и электроустановки, измерение сопротивления ЗУ, выборочное вскрытие грунта для осмотра подземных элементов ЗУ.

Внешний осмотр ЗУ осуществляется при всех видах проверки электроуста-новки. Измерение сопротивления ЗУ производится в сроки, устанавливаемые системой планово-предупредителных ремонтов для данного заземляемой установки(обычно 1 раз в год) в наиболее неблагоприятныхдля работы ЗУ условиях, т.е. в периоды наибольшего удельного сопротивления грунта: летом - при максимальном просыхании почвы и зимой - при наибольшем промерзании. Вскрытие грунта производитсяся при каждом измерении сопротивления.

Рис. 3. Измерение сопротивления растеканию тока методом вольтметра-амперметра:

1 – заземлитель; 2-потенциальный зонд; 3- токовый зонд; А – амперметр; V-вольтметр; Б – источник питания.

Для измерения чаще всего используется метод вольтметра-амперметра. сущность метода заключается в том, что производится одновременное измерение амперметром тока I_х, пропускаемого через заземлитель в землю, вольтметром - потенциала φ_х заземлителя относительно земли (рис. 3). Сопротивление растеканию тока от заземлителя:

R_изм= φ_х/ I_х. (11)

Для измерения необходимо два вспомогательных зонда - токовый 3, служа­щий для создания токовой цепи, и потенциальный 2, служащий для подключения вольтметра к точке с нулевым потенциалом.

В промышленности для измерения сопротивления ЗУ применяются комби­нированные приборы - измерители сопротивления. Отличительная особенность их в том, что конструктивно в приборе совмещены функции амперметра и вольтметра, вычисления по формуле 11 производятся автоматически, и на стрелку выводится готовое значение сопротивления. Приборы, измеряющие несколько различных величин, производящие над ними арифметические действия и выдающие результат этих действий называются догометрами.

В лабораторной работе используется логометрический измеритель сопротивления МС-08 (рис. 2). Прибор содержит две рамки - токовую, включаемую как амперметр между заземлителем и токовым зондом, и рамку напряжения, включаемую как вольтметр между заземлителем и потенциальным зондом. Источником электроэнергии является встроенный генератор постоянного тока.

3. расчетная часть..

Задание. Рассчитать систему заземления.

Дано (вариант 5). =0,6 м; t =1,5 м; d =0,1 м; =44 Ом×м; R _доп=4,0 Ом; z =5,0 м; К _c=1,75.

Решение.