Теоретичні основи

РОЗРАХУНОК ЗАХИСНОГО ЗАЗЕМЛЕННЯ

Захисне заземлення – умисне електричне з’єднання із землею або її еквівалентом металевих не струмопровідних частин електроустановок, які можуть бути під напругою.

Захисне заземлення використовується у мережах напругою до 1000 В змінного струму – трифазні три провідні з ізольованою нейтраллю; однофазні двопровідні, ізольовані від землі; двопровідні мережі постійного струму з ізольованою середньою точкою обмоток джерела струму; у мережах понад 1000 В змінного і постійного струму з будь-яким режимом нейтралі.

Заземлення обов’язкове у всіх електроустановках при напрузі 380 В і вище змінного струму, 440 В і вище постійного струму, а у приміщеннях з підвищеною небезпекою, особливо небезпечних і у зовнішніх установках при напрузі 42 В і вище змінного струму, 110 В і вище постійного струму; при будь-яких напругах у вибухонебезпечних приміщеннях.

Залежно від місця розташування заземлювачів відносно защемлюваного обладнання розрізняють два типи заземлюючих пристроїв: виносне і контурне.

При виносному заземлюючому пристрою заземлювач винесений за межі майданчика, на якому розташовано заземлюване обладнання.

При контурному заземлюючому пристрою електроди заземлювача розташовують по контуру (периметру) майданчика, на якому є заземлюване обладнання, а також всередині цього майданчика.

У відкритих електроустановках корпуси приєднують безпосередньо до заземлювача проводами. У спорудах прокладають магістраль заземлення, до якої приєднують заземлюючі проводи. Магістраль заземлення з’єднують із заземлювачем не менше як у двох місцях.

Як заземлювачі насамперед треба використовувати звичайні заземлювачі у вигляді прокладених під землею металевих комунікацій (за винятком трубопроводів для горючих і вибухонебезпечних речовин, труб теплотрас), металевих конструкцій будівель, з’єднаних із землею, свинцевих оболонок кабелів, обсадних труб артезіанських колодязів, свердловин, шурфів тощо.

Як звичайні заземлювачі підстанцій і розподільних пристроїв рекомендується використовувати заземлювачі опор повітряних ліній електропередачі, з’єднаних із заземлюючим пристроєм підстанції або розподільним пристроєм за допомогою грозозахисних линв ліній.

Якщо опір звичайних заземлювачів задовольняє потрібним нормам Rз, то влаштовувати штучні заземлювачі не треба.

Коли звичайних заземлювачів нема, або використання їх не дає потрібних результатів, використовують штучні заземлювачі: стрижні із кутникової сталі розміром 50*50,60*60, 75*75 мм із товщиною стінки не меншою як 4 мм, із товщиною стінки не меншою як 4 мм, завдовжки 2.5-3 м; сталеві труби діаметром 50-60 мм, завдовжки 2.5-3 м із товщиною стінки не меншою як 3.5 мм; пруткова сталь діаметром не меншим як 10 мм, завдовжки до 10 м. і більше.

Заземлювачі забивають вряд або по контуру на таку глибину, при якій від верхнього кінця заземлювача до поверхні землі залишається 0.5-0.8 м. відстань між вертикальними заземлювачами повинна бути не меншою як 2.5-3 м.

Для з’єднання вертикальних заземлювачів між собою використовують сталеві стрічки завтовшки не менше як 4 мм і перерізом не меншим як 48 мм2, або сталевий провід діаметром не меншим як 6 мм. Стрічки (горизонтальні заземлювачі) з’єднують з вертикальними заземлювачами зварюванням.

Магістралі заземлення всередині будівель з електроустановками напругою до 1000 В виконують сталевою стрічкою перерізом не меншим як 100 мм2 або сталлю круглого перерізу тієї самої провідності. Відгалуження від магістралі до електроустановок виконують сталевою стрічкою перерізом не меншим ніж 24 мм2 або круглою сталлю діаметром не меншим ніж 5 мм.

Нормовані опори заземлюючих пристроїв наведено у табл. 1.1.

Для електроустановок напругою до 1000 В значення Rз подано за умови, що питомий опір ґрунту . При питомому опорі ґрунту понад дозволяється збільшувати вищезазначені величини у , але не більше ніж у 10 разів.

Таблиця 1.1. Допустимі опори заземлюючого пристрою в електроустановках до і понад 1000 В.

Найбільші допустимі значення Rз, Ом	Характеристика електроустановок
Rз≤0,5	Для електроустановок напругою понад 1000 В розрахунковим струмом замикання на землю Із>500 А
Rз=250/Із≤10	Для електроустановок напругою понад 1000 В і розрахунковим струмом замикання на землю Із<500 А
Rз=125/Із≤10	За умови, що заземлюючий пристрій є загальним для електроустановок напругою до і понад 1000 В і розрахунковому струмі Із<500 А
Rз≤ 2	В електроустановках напругою 660/380 В
Rз≤4	В електроустановках напругою 380/220 В
Rз≤8	В електроустановках напругою 220/127 В

Розрахункові струми замикання на землю приймають за даними енергосистеми або розрахунковим способом.

Заземлення методом коефіцієнтів використання розраховують так.

1 Відповідно до ПУЕ встановлюють потрібний опір заземлення Rз.

2 Визначають вимірюванням, розрахунком або на підставі даних аналогічних заземлюючих пристроїв можливий опір розтіканню звичайних заземлювачів Rе.

3 Якщо Rе< Rз, то влаштування звичайного заземлення нетреба.

Якщо Rе>Rз, то треба встановлювати звичайне заземлення.

Опір, Ом, розтіканню звичайного заземлення

Далі розрахунок ведуть за Rи.

4 Визначають питомий опір ґрунту ρ із табл. 1.2. При проведенні розрахунків ці значення треба множити на коефіцієнт сезонності, який залежить від кліматичних зон і виду заземлювача (табл. 1.3).

Таблиця 1.2. Наближені значення питомих опорів грунтів і води ,

Назва ґрунту	Питомий опір,
Пісок
Супісок
Суглинок
Глина
Садова земля
Глина (шар 7-10 м) або гравій
Мергель, вапняк, пісок із каменями	1000-2000
Скеля, камені	2000-4000
Чорнозем
Торф
Річкова вода (на рівнинах)	10-100
Морська вода	0,2-1

Розрахунковий питомий опір ґрунту для стрижневих заземлювачів (вертикальних заземлювачів) ; для довгого заземлювача (горизонтальних стрічок) .

5 Визначають опір, Ом, розтіканню одного вертикального заземлювача – стрижневого круглого перерізу (трубчастого або кутників) у землі (рис. 1.1)

Рисунок 1.1. - Розташування вертикального заземлювача у землі

при цьому l>>d, to>>0.5 м;

для кутника з шириною полиці b одержують d=0,95 b.

Усі розміри подано у метрах, а питомий опір грунту в омах, помножених на метр (Ом м).

Опір, ом, розтіканню вертикального заземлювача можна визначити за спрощеними формулами:

для кутника 50*50*5 мм, Rв=0.348ρрозр.вkc;

для кутника 60*60*6 мм, Rв=0.298ρрозр.вkc;

для кутника 75*75*8 мм, Rв=0.292ρрозр.вkc;

для труби діаметром 60 мм l=2 2,5 м, Rв=0.302ρрозр.вkc;.

6 Встановивши характер розташування заземлювачів (у ряд або контуром), визначають кількість вертикальних заземлювачів

де ηв – коефіцієнт використання вертикальних заземлювачів і відстань між ними (табл. 1.4, 1.5).

Таблиця 1.3. Ознаки кліматичних зон і значення коефіцієнта kс

Дані які характеризують кліматичні зони і тип використовуваних заземлюючих електродів	Кліматичні зони України
ІІІ	IV
Кліматичні ознаки зон:
середня багаторічна найнижча температура (січень)	Від -10 до 0 оС	Від 0 до +5 оС
Середня багаторічна найвища температура (липень)	Від +22 до +24 оС	Від +24 до +26 оС
Середньорічна кількість опадів, мм	≈500	≈300-500
Тривалість замерзання вод, дн
Значення коефіцієнта kс при використанні стрижневих електродів завдовжки 2-3 м і глибині закладання їх вершини 0,5-0,8 м	1,4-1,6	1,2-1,4
Значення коефіцієнта при використанні довгих електродів і глибині закладання їх вершин 0,8 м	2,0-2,5	1,5-2,0
Значення kс при довжині стрижнів 5 м і глибині закладання вершини 0,7-0,8 м	1,15	1,1

Можна вважати, що кількість вертикальних заземлювачів для визначення ηв дорівнює Rв/Rи.

7 При влаштуванні простих заземлювачів у вигляді короткого ряду вертикальних стрижнів розрахунок на цьому можна закінчити і не визначати провідність з’єднувальної стрічки, тому що довжина її відносно невелика (у цьому випадку фактично опір заземлюючого пристрою буде дещо завищений).

Таблиця 1.4 Коефіцієнти використання ηв вертикальних електродів із труб, кутників або стрижнів, розташованих вряд без врахування впливу стрічки зв’язку

Відношення відстані між електродами до їх довжини a/l	Кількість електродів nв	ηв
		0.84-0.87 0.76-0.80 0.67-0.72 0.56-0.62 0.51-0.56 0.47-0.50
		0.90-0.92 0.85-0.88 0.79-0.83 0.72-0.77 0.66-0.73 0.65-0.70
		0.93-0.95 0.90-0.92 0.85-0.88 0.79-0.83 0.76-0.80 0.74-0.79

При влаштуванні заземлювачів по контуру із низки вертикальних заземлювачів доцільно враховувати і опір розтіканню стрічок (горизонтальний заземлювач). Для цього на площі встановлення заземлення розплановують, як буде розташовано вертикальні заземлювачі nв, і визначають довжину, м, з’єднувальної стрічки lг =1,05nва, де а -відстань між вертикальними заземлювачами (звичайно відношення відстані між вертикальними заземлювачами до їх довжини дорівнює а/l =1;2;3).

Рисунок 1.2 – Положення горизонтального заземлювача в землі

8 Визначають опір, Ом, розтіканню горизонтального заземлювача. Для стрижневого круглого перерізу (рис. 1.2):

Тут l>d; l>>4tІ. Для стрічки завширшки b одержують d=0.5b. дійсний опір, Ом, розтіканню горизонтального заземлювача з урахуванням коефіцієнта використання , де ηг - коефіцієнт використовування горизонтального заземлювача визначається за табл. 1.6,1.7.

Таблиця 1.5 Коефіцієнти використання ηв вертикальних електродів із труб, кутників, стрижнів, розташованих по контуру без урахування впливу стрічки зв’язку

Відношення відстані між електродами до їх довжини а/l	Кількість електродів nв	ηв
		0,66-0,72 0,58-0,65 0,52-0,58 0,44-0,50 0,38-0,44 0,36-0,42 0,33-0,39
		0,786-0,80 0,71-0,75 0,66-0,71 0,61-0,66 0,55-0,61 0,52-0,58 0,49-0,55
		0,84-0,86 0,78-0,82 0,74-0,78 0,68-0,73 0,64-0,69 0,62-0,67 0,59-0,65

Таблиця 1.6 Коефіцієнти використання ηг горизонтального стрічкового електрода (труби, кутники, тощо) при розташуванні вертикальних електродів у ряд

Відношення відстані між електродами до довжини а/l	ηг при кількості електродів у ряді
	0.77	0.74	0.67	0.62	0.42	0.31	0.21	0.20
	0.89	0.86	0.79	0.75	0.56	0.46	0.36	0.34
	0.92	0.90	0.85	0.82	0.68	0.58	0.49	0.47

9 Уточнюється опір, Ом, розтіканню заземлювачів з урахуванням опору горизонтального заземлювача

.

10 Визначають уточнену кількість вертикальних заземлювачів. Тут .

Таблиця 1.7 Коефіцієнт використання ηг горизонтального стрічкового електроду (труби, кутники, стрічки тощо) при розташуванні вертикального електроду по контуру

Відношення відстані між електродами до довжини а/l	ηг при кількості електродів у ряді
	0.45	0.40	0.36	0.34	0.27	0.24	0.21	0.20|0.19
	0.55	0.48	0.43	0.40	0.32	0.30	0.28	0.34|0.24
	0.65	0.64	0.60	0.56	0.45	0.41	0.37	0.47|0.33