2020-10-11
202Практическое занятие №4
(2009/2010 уч. год)
1. Общие сведения
Защитное заземление – это преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством, выполняемое в целях электробезопасности. Согласно ПУЭ [1, п. 1.7.51] его выполняют для защиты от поражения электрическим током при косвенном прикосновении (отдельно или в сочетании с другими мерами). Косвенным прикосновением называется электрический контакт людей или животных с открытыми проводящими частями, нормально не находящимися под напряжением, но оказавшимися под напряжением при повреждении изоляции. Защита при косвенном прикосновении должна выполняться во всех случаях, если напряжение в электроустановке превышает 50В переменного тока и 120В постоянного тока. В помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных установках выполнение защиты при косвенном прикосновении может потребоваться при более низких напряжениях (например, 25В переменного и 60В постоянного тока или 12В переменного и 30В постоянного тока при наличии требований соответствующих глав ПУЭ). Защитное заземление применяется как в сетях с изолированной нейтралью напряжением до 1 кВ, так и в сетях напряжением выше 1 кВ с любым режимом нейтрали.
Принцип действия защитного заземления – снижение до безопасных значений напряжения прикосновения, возникающего при замыкании фазы на открытую проводящую часть (корпус) электроустановки (ЭУ). Это достигается путем уменьшения потенциала заземленной ЭУ за счет малого сопротивления заземляющего устройства, а также путем выравнивания потенциалов заземленной ЭУ и основания, на котором стоит человек.
Заземляющее устройство (ЗУ) – это совокупность заземлителя и заземляющих проводников, соединяющих заземляемую часть (точку) с заземлителем. Заземлитель представляет собой проводник (проводящую часть) или группу соединенных между собой проводников, находящихся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду. В зависимости от места размещения по отношению к заземляемому оборудованию ЗУ может быть выносным и контурным.
Выносное ЗУ размещается вне площадки, где располагается заземляемое оборудование. Достоинством выносного ЗУ является возможность выбора места размещения заземлителей с наименьшим удельным сопротивлением грунта (сырое, глинистое, в низинах и т. п.). Необходимость в устройстве выносного ЗУ может возникнуть: при невозможности по каким-либо причинам разместить ЗУ на защищаемой территории; при высоком удельном сопротивлении грунта на защищаемой территории и наличии вне этой территории мест со значительно лучшей проводимостью грунта; при рассредоточенном расположении заземляемого оборудования. Недостатком выносного ЗУ является то, что из-за его удаленности от защищаемого оборудования не обеспечивается выравнивание потенциалов земли и заземленной ЭУ и напряжение прикосновения оказывается равным потенциалу заземленного оборудования.
При контурном ЗУ одиночные заземлители располагаются равномерно по контуру (периметру) площадки, на которой размещена заземляемая ЭУ, что обеспечивает практически полное выравнивание потенциалов земли и заземленной ЭУ и минимальные значения напряжения прикосновения и шага.
Различают заземлители естественные и искусственные. В первую очередь стремятся использовать естественные заземлители:
- металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящиеся в соприкосновении с землей, в то числе железобетонные фундаменты зданий и сооружений, имеющие защитные гидроизоляционные покрытия в неагрессивных, слабоагрессивных и среднеагрессивных средах; - металлические трубы водопровода, проложенные в земле;
- обсадные трубы буровых скважин и др. [1, п.1.7.109…1.7.110]. Искусственные заземлители могут быть из черной или оцинкованной стали или медными. Заземлители не должны иметь окраски. Как правило, искусственный заземлитель представляет собой группу вертикальных заземлителей из стального проката (сталь круглого сечения d 
16 мм; полосовая сталь и уголки S 100 мм2, t 4 мм; трубы d 32 мм, t 3,5 мм) длиной от 2…3 до 4,5…5 м, соединенных между собой горизонтальными заземлителями (полосовая сталь S 100 мм2, t 4 мм или сталь круглого сечения d 10 мм). Материал и наименьшие размеры заземлителей должны соответствовать требованиям ПУЭ [1, табл.1.7.4]. С целью устранения взаимного экранирования расстояние между вертикальными заземлителями должно быть не меньше их длины.
Расчет заземляющего устройства имеет целью определить основные параметры заземления – число, размеры и размещение одиночных заземлителей и заземляющих проводников, при которых напряжение прикосновения и шага в период замыкания фазы на заземленный корпус ЭУ не превышает безопасных значений по ПУЭ [1].
Расчет может производиться методом коэффициентов использования (когда земля считается однородной) или методом наведенных потенциалов (когда земля принимается двухслойной) [4] по допустимому сопротивлению растекания тока заземлителя 
или по допустимым напряжениям прикосновения и шага. В данной задаче рассматривается расчет методом коэффициентов использования по допустимому сопротивлению растекания тока заземлителя , который чаще реализуется на практике.
Допускаемые значения сопротивления заземляющих устройств регламентируются ПУЭ [1, п. 1.7.104…1.7.108; 2, табл. 6.6].
2. Задание на расчет
Задание. Рассчитать заземляющее устройство для заземления трехфазного электродвигателя серии 4А напряжением U = 380 В, питающегося от сети с изолированной нейтралью по исходным данным таблицы 1.
Табл. 1
| Вариант | Грунт | Измеренное сопротивление грунта ρизм, Ом·м | Мощность трансформатора S, кВ·А | Тип заземлителей | Расстояние от поверхности грунта до верхнего конца заземлителя H0, м | Длина вертикального заземлителя lв, м | Отношение расстояния между смежными вертикальными заземлителями к их длине 
|
| 1 2 3 4 5 | Глина Супесь Песок Суглинок Супесь | 40 180 600 140 210 | 40 63 100 160 250 | Вертикальный -пруток d = 16 мм; горизонтальный - пруток d = 10 мм | 0,7 0,6 0,7 0,8 0,9 | 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 | 1 2 1 2 1 |
| 6 7 8 9 10 | Каменистый Глина Супесь Суглинок Песок | 650 55 250 90 550 | 400 40 63 100 250 | Вертикальный – труба d = 89 мм; горизонтальный – полоса 40х4 мм | 0,8 0,6 0,7 0,8 0,9 | 2,0 2,5 3,0 2,5 2,0 | 3 1 1 2 1 |
| 11 12 13 14 15 | Глина Суглинок Супесь Песок Суглинок | 60 110 300 500 130 | 160 100 40 160 63 | Вертикальный – уголок b = 40 мм; горизонтальный – пруток d = 14 мм | 0,9 0,6 0,7 0,8 0,9 | 2,5 3,0 3,5 3,0 2,5 | 3 2 1 2 3 |
| 16 17 18 19 20 | Каменистый Песок Суглинок Супесь Глина | 750 660 100 320 50 | 40 100 63 160 250 | Вертикальный – уголок b = 45мм; горизонтальный – полоса 40х4 мм | 0,7 0,6 0,7 0,8 0,6 | 2,0 2,5 3,0 2,5 2,0 | 3 2 1 2 1 |
| 21 22 23 24 25 | Песок Супесь Глина Супесь Суглинок | 680 280 35 310 120 | 250 100 63 160 40 | Вертикальный – труба d = 32 мм; горизонтальный - пруток d = 12 мм | 0,5 0,6 0,7 0,8 0,6 | 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 | 3 1 2 1 2 |
3. Методика расчета
1. Определяют расчетное удельное сопротивление грунта ρрасч, Ом·м, в том месте, где будет сооружаться ЗУ.
Значение удельного сопротивления грунта ρ колеблется в широких пределах – от десятков до тысяч Ом·м и зависит от многих факторов, в том числе от влажности грунта, его температуры, рода грунта, степени его уплотнения, а также от времени года. Наибольшему влиянию погодных условий подвержены верхние слои грунта, которые зимой промерзают, весной и осенью раньше и обильнее других слоев насыщаются влагой, а летом раньше прогреваются и высыхают. Более глубокие слои грунта меньше подвержены этим явлениям и обладают более стабильным удельным сопротивлением. Поэтому заземлители, глубоко погруженные в грунт, в т.ч. вертикальные стержневые лучше выполняют свою задачу, чем горизонтальные, прокладываемые вблизи поверхности земли.
При проектировании ЗУ в качестве расчетного необходимо принимать наибольшее возможное значение ρ, т.е ориентироваться на худший случай. Однако измерение ρ на практике в наиболее неблагоприятный период (зима) затруднено, поэтому эти измерения производят, как правило, в теплое время года (май-октябрь). А расчетное удельное сопротивление грунта ρрасч определяют, умножая измеренное значение сопротивления ρизм на коэффициент сезонности ψ (климатический коэффициент), учитывающий возможное повышение сопротивления в течение года:
ρрасч = ρизм · ψ.
Примечание. Использовать при реальном проектировании табличные значения ρ нельзя, т.к. они могут отличаться от истинных в десятки и сотни раз!
Значения коэффициентов сезонности приводятся в литературе [2, табл. 6.4; 3, табл. 7.2, 7.3; 4, табл. 3.11, 3.12 и др.]. В расчетах значения ψ можно принимать по табл. П.1 и П.2 в зависимости от климатической зоны, где будет размещено заземляющее устройство и влажности грунта.
2. Определяют предельно допустимое сопротивление заземляющего устройства в соответствии с требованиями ПУЭ [1, п. 1.7.104…1.7.108; 2, табл. 6.6]. Согласно этим требованиям, сопротивление заземляющего устройства, используемого для защитного заземления открытых проводящих частей электроустановок в системе с изолированной нейтралью (IT), должно соответствовать условию:
,
где R – сопротивление заземляющего устройства, Ом;
Uпр – напряжение прикосновения, значение которого принимается равным 50В (см. также п.1.7.53 ПУЭ [1]);
I – полный ток замыкания на землю, А.
Как правило, не требуется принимать значение сопротивления заземляющего устройства менее 4 Ом. Допускается сопротивление заземляющего устройства до 10 Ом, если соблюдено приведенное выше условие, а мощность генераторов или трансформаторов не превышает 100 кВ·А, в том числе суммарная мощность генераторов или трансформаторов, работающих параллельно.
В случае, когда удельное сопротивление грунта превышает 500 Ом·м, а мероприятия, предусмотренные п.1.7.105…1.7.107 ПУЭ [1], не позволяют получить приемлемые по экономическим соображениям заземлители, допускается повышать вышеприведенные значения сопротивлений заземляющих устройств в 0,002· ρ раз, где ρ –эквивалентное удельное сопротивление земли, Ом·м. При этом увеличение должно быть не более десятикратного.
При наличии естественного заземлителя с сопротивлением 
расчетное допустимое значение сопротивления искусственного заземлителя определяют по формуле
.
Если 
, то искусственный заземлитель не требуется.
3. Определяют сопротивление одиночного вертикального заземлителя 
, Ом, по формуле
,
где ρрасч – расчетное удельное сопротивление грунта для вертикального заземлителя, Ом·м;
- длина заземлителя, м;
- диаметр заземлителя, м; для уголка = 0,95·b;
H – расстояние от поверхности грунта до оси заземлителя, м; 
; H0 - расстояние от поверхности грунта до верха заземлителя, м.
Формула справедлива при 
; >> (см. рис. 1).
Рис.1. Схема к расчету вертикального заземлителя
4. Определяют число 
вертикальных заземлителей в заземляющем устройстве по формуле
,
где ηв – коэффициент использования вертикальных заземлителей, зависящий от их количества и отношения расстояния между заземлителями к их длине [2, табл. 6.9; 3, табл. 7.4 и др.]. В расчетах значения ηв можно принимать по табл. П.3. в зависимости от их количества, размещения и отношения расстояния между ними к их длине. В первом приближении принимают ηв = 1, а затем уточняют в зависимости от полученного числа заземлителей.
5. Определяют сопротивление горизонтального заземлителя, соединяющего вертикальные заземлители, по формуле
,
где ρрасч – расчетное удельное сопротивление грунта для горизонтального заземлителя, Ом·м;
- диаметр горизонтального заземлителя, м; для полосы 
= 0,5· b;
>> ; >>4· H; 
;
- длина горизонтального заземлителя, м.
Для замкнутого контура 
, где 
- расстояние между вертикальными заземлителями, м (см. рис.2).
Рис.2. Схема к расчету горизонтального заземлителя
6. Определяют расчетное сопротивление группового искусственного заземлителя, состоящего из вертикальных заземлителей, соединенных горизонтальным заземлителем по формуле
,
где 
- коэффициент использования горизонтального заземлителя, определяемый по табл. П.3 в зависимости от количества вертикальных заземлителей, их размещения и отношения расстояния между ними к их длине [2, табл. 6.9; 3, табл. 7.4 и др.].
Если условие 
выполняется, то размеры и конструкция заземляющего устройства подобраны правильно. В противном случае необходимо увеличить количество вертикальных заземлителей и (или) их размеры (длину, сечение, расстояние между ними), чтобы добиться выполнения условия 
.
По результатам расчетов необходимо изобразить конструктивную схему заземляющего устройства с указанием основных параметров (см. рис. 3) [2, рис. 6.2].
а) конструктивная схема заземляющего устройства 
б) расположение заземлителей в плане
Рис. 3
Литература
1. Правила устройства электроустановок (ПУЭ), седьмое издание.
2. Практикум по безопасности жизнедеятельности / Под ред. С.А.Бережного. – Тверь: ТГТУ, 1997.
3. Д.В.Коптев, Г.Г.Орлов, В.И.Булыкин и др. Безопасность труда в строительстве (Инженерные расчеты по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности»): Учебное пособие. – М.: Изд-во АСВ, 2003.- 352 с.
4. Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках. – М.: Энергоатомиздат, 1984.
Приложения
Признаки климатических зон для определения коэффициента сезонности
Табл. П.1
| Характеристика климатической зоны | Климатические зоны России | |||
| I | II | III | IV | |
| Средняя многолетняя низшая температура (январь), ° С | От - 20 до – 15 | От - 14 до – 10 | От -10 до 0 | От 0 до + 5 |
| Средняя многолетняя высшая температура (июль), ° С | От + 16 до + 18 | От + 18 до + 22 | От + 22 до + 24 | От + 24 до + 26 |
| Среднее количество осадков, см | ~ 40 | ~ 50 | ~ 50 | 30…50 |
| Продолжительность замерзания вод, дни | 190…170 | ~ 150 | ~ 100 | 0 |
Коэффициенты сезонности ψ для однородной земли
Табл. П.2
| Климатическая зона по табл. П.1 | Влажность земли во время измерения ее сопротивления | ||
| Повышенная | Нормальная | Малая | |
| Вертикальный заземлитель длиной 3 м | |||
| I II III IV | 1,9 1,7 1,5 1,3 | 1,7 1,5 1,3 1,1 | 1,5 1,3 1,2 1,0 |
| Вертикальный заземлитель длиной 5 м | |||
| I II III IV | 1,5 1,4 1,3 1,2 | 1,4 1,3 1,2 1,1 | 1,3 1,2 1,1 1,0 |
| Горизонтальный заземлитель длиной 10 м | |||
| I II III IV | 9,3 5,9 4,2 2,5 | 5,5 3,5 2,5 1,5 | 4,1 2,6 2,0 1,1 |
| Горизонтальный заземлитель длиной 50 м | |||
| I II III IV | 7,2 4,8 3,2 2,2 | 4,5 3,0 2,0 1,4 | 3,6 2,4 1,6 1,12 |
Коэффициенты использования вертикальных и горизонтальных заземлителей
Табл. П.3
| Число вертикальных заземлителей | Отношение расстояний между вертикальными заземлителями к их длине | |||||
| 1 | 2 | 3 | ||||
| ηв | 
| ηв |
| ηв | 
| |
| Вертикальные заземлители размещены в ряд (разомкнутый контур) | ||||||
| 2 4 6 10 20 | 0,85 0,73 0,65 0,59 0,48 | 0,85 0,77 0,72 0,62 0,42 | 0,91 0,83 0,77 0,74 0,67 | 0,94 0,80 0,84 0,75 0,56 | 0,94 0,89 0,85 0,81 0,76 | 0,96 0,92 0,88 0,82 0,68 |
| Вертикальные заземлители размещены по замкнутому контуру | ||||||
| 4 6 10 20 40 60 100 | 0,69 0,61 0,56 0,47 0,41 0,39 0,36 | 0,45 0,40 0,34 0,27 0,22 0,20 0,19 | 0,78 0,73 0,68 0,63 0,58 0,55 0,52 | 0,55 0,48 0,40 0,32 0,20 0,27 0,23 | 0,85 0,80 0,76 0,71 0,66 0,64 0,62 | 0,70 0,64 0,56 0,45 0,39 0,36 0,33 |
