Защитные устройства - Расчет искусственных заземляющих устройств

Целью расчета заземляющих устройств является определение их геометрических размеров, позволяющих обеспечить выполнение норм на заземляющее устройство — нормированное сопротивление либо допустимое напряжение прикосновения. Конструктивно заземляющие устройства выполняются в виде заземляющих сеток и заземляющих сеток с вертикальными электродами.
Заземляющие устройства в виде горизонтальных полосовых заземлителей, связанных в сетку (рис. 3-5, а), рекомендуется сооружать, если удельное сопротивление грунта увеличивается с увеличением глубины либо если под электроустановку отведены значительные площадки, позволяющие разместить заземлитель значительных размеров (более 100х100 м²). При этом рекомендуется глубина заложения заземлителей 0,5—0,8 м. Сопротивление заземляющего устройства рассчитывается из соотношения [Л. 19]
(3-27) где S — площадь заземлителя, м²; L — суммарная длина горизонтальных заземлителей, м; ρэ— эквивалентное удельное сопротивление грунта, Ομ·μ. Для однородных электрических структур земли ρэ определяется по (3-18), для двухслойной структуры — по приложению 3а.

Заземляющее устройство в виде сетки с вертикальными электродами (рис. 3-5, б) применяется при небольших площадях, отведенных под заземление, либо при уменьшении удельного сопротивления земли с увеличением глубины. При этом рациональная длина вертикальных электродов зависит от глубины залегания слоев грунта с высокой проводимостью, возможностей механизированного погружения электродов и т. п. 

Рис. 3-5. Основные виды заземляющих устройств. а — заземляющая сетка; б — заземляющая сетка с вертикальными электродами.

Во всех случаях не рекомендуется применение вертикальных электродов длиной менее 5 м. Если же удельное сопротивление верхнего слоя грунта значительно превышает удельное сопротивление нижнего слоя, целесообразно применять длинные вертикальные электроды до 20 м. В отдельных случаях возможно применение вертикальных электродов длиной до 30 м. Вертикальные электроды размещаются по контуру заземлителя, причем рекомендуется отношение расстояния между электродами к их длине
Сопротивление заземляющей (Ом) сетки с вертикальными электродами определяется по формуле [Л. 19]
(3-28)
где lв — длина вертикального электрода, м; п — число вертикальных электродов, шт.; ρэ — эквивалентное удельное сопротивление, величина которого определяется по (3-18) для однородной структуры и по приложению 3б

для двухслойной структуры; А — коэффициент, учитывающий влияние вертикальных электродов:

Иногда нормированное сопротивление заземляющих устройств можно обеспечить более простыми конструкциями, например применением заземляющей полосы с вертикальными электродами в ряд.

Сопротивление (Ом) такого заземлителя рассчитывается по формуле, где δ — коэффициент, учитывающий влияние длины вертикальных электродов и расстояние между ними, находится из рис. 3-6; lг, lв — длина горизонтальных и вертикальных заземлителей, м; d, t — диаметр и глубина заложения горизонтального заземлителя, м; ρэ — эквивалентное, удельное сопротивление для расчета сопротивления заземляющей полосы с вертикальными электродами в ряд, Ом-м.

(3-29)
Рис. 3-6. График для определения коэффициента δ.

 При измерении рэ пробным электродом коэффициент сезонности принимается как для вертикальных заземлителей. При измерении методом ВЭЗ рэ определяют по таблице приложения 3б.

Важным параметром, определяющим сопротивление заземляющих устройств, является площадь S, на которой они размещаются. Как правило, за расчетную принимают площадь, на которой размещена электроустановка. Однако бывают случаи, когда на площади, занимаемой электроустановкой, невозможно добиться нормированного сопротивления заземляющего устройства. Поэтому рекомендуется до начала расчета геометрических размеров заземляющего устройства определять минимальную площадь (м²), на которой можно разместить искусственный заземлитель с сопротивлением, равным допустимому ’[Л.24]:

Рассмотрим последовательность расчета заземляющего устройства для различных электроустановок.
Электроустановки напряжением до 1 000 В. При расчете заземляющих устройств электроустановок до 1 000 В необходимо обеспечить только выполнение нормы на величину сопротивления (§3-2), поэтому нет необходимости рассчитывать величину напряжений прикосновения. Заземляющие устройства, как правило, размещаются на значительных площадях (больше 100Х100 м²), поэтому можно в большинстве случаев нормированное сопротивление обеспечить заземляющими сетками без вертикальных электродов. Исключение составляют электроустановки, размещенные на площадках с удельным сопротивлением наружного слоя, значительно превышающим удельное сопротивление углубленных слоев грунта (ρ1≥4ρ2), для которых обеспечить нормированное сопротивление заземляющих устройств можно только посредством вертикальных электродов. Рекомендуется следующая последовательность проектирования:
1) определяется необходимое сопротивление искусственного заземляющего устройства с учетом сопротивления естественных заземлителей, найденного расчетом или измерением:
(3-31)

где Рз — суммарное сопротивление заземляющего устройства, равное 4 Ом; Rе — сопротивление естественных заземлителей, Ом;

1. на основании результатов измерения параметров электрической структуры земли и размеров площадки, занимаемой электроустановкой, принимается решение о конструктивном выполнении заземляющего устройства. Как правило, за исключением случаев с очень высоким удельным сопротивлением поверхностного слоя грунта принимается вариант заземляющей сетки;
2. определяют геометрические размеры заземляющего устройства. Размер площади S, на которой планируется сооружение заземления, определяется размерами электроустановки. Длина горизонтальных электродов определяется из (3-27)

1. составляют эскиз размещения горизонтальных заземлителей сетки с учетом размещения оборудования. Если при этом окажется, что расчетную длину горизонтальных электродов невозможно уложить в размеры площадки (например, при сооружении заземляющих устройств для построенных зданий, когда заземляющую полосу можно размещать только по периметру здания), переходят к варианту заземляющего устройства с вертикальными электродами. Принимая длину заземляющей полосы L' равной допустимой по условиям размещения на площадке и выбирая длину вертикальных электродов lв, рассчитывается их количество из выражения (3-28)

Дальнейшего уменьшения сопротивления заземляющего устройства добиваются путем увеличения длины вертикальных электродов.

  Электроустановки напряжением выше 1 000 В с малыми токами замыкания на землю.

В соответствии с принятыми нормами заземляющее устройство должно обладать нормированным сопротивлением и обеспечивать выравнивание потенциалов на поверхности земли электроустановки и вблизи нее. Поэтому принимается следующая последовательность расчета:

1. определяют допустимое сопротивление искусственного заземляющего устройства Rи (аналогично предыдущему случаю);
2. определяют минимальную площадь Sмин, на которой можно разместить заземляющее устройство, обеспечивающее необходимое минимальное сопротивление по формуле (3-30);
3. если Sмин меньше или равно площади, занимаемой электроустановкой S0, для расчета принимают площадь S0. При Sмин>S0 для сооружения заземляющего устройства с заданным сопротивлением площади электроустановки недостаточно, поэтому в дальнейшем расчете исходят из площади Sмин;
4. в зависимости от параметров электрической структуры грунта выбирают вид заземляющего устройства и рассчитывают его геометрические размеры. В дальнейшем последовательность расчета та же, что и в электроустановках до 1 000 В.

Электроустановки напряжением выше 1 000 В с большими токами замыкания на землю.

Заземляющие устройства рассчитываются на допустимое по нормам сопротивление или на допустимые напряжение прикосновения и потенциал заземлителя. Рекомендуется, однако, проводить расчет заземляющего устройства на соблюдение одной и другой нормы, останавливаясь на экономически наиболее рациональном варианте. Принимается следующая последовательность расчета:

1. Проводят расчет искусственного заземляющего устройства по допустимому сопротивлению аналогично электроустановкам с малыми токами замыкания на землю. Однако, если при этом искусственный заземлитель с необходимым сопротивлением не размещается на площади, занятой электроустановкой,

необходимо проверить его соответствие нормам на допустимое напряжение прикосновения и допустимый потенциал заземлителя по формулам (3-10), (3-12) и (3-15). Если напряжение прикосновения или потенциал заземлителя превышают допустимые нормы, необходимо  размещать заземляющее устройство на площади, превышающей площадь электроустановки (т. е. на площади). В противном случае (при) останавливаются на площади S0.

1. Уточняют геометрические размеры заземляющего устройства с целью получения оптимального варианта. Для этого в пределах площади S0 или принимают конструкцию заземляющего устройства в соответствии с рекомендациями по сооружению (§ 3-2). Рассчитывают сопротивление полученного заземляющего устройства, напряжение прикосновения и максимальный потенциал заземлителя. При этом возможны следующие варианты:

а)   в результате расчета выясняется, что не удовлетворяется норма на сопротивление и на напряжение прикосновения или потенциал заземлителя — необходимо добиваться уменьшения сопротивления до величины нормированного увеличением количества и длины вертикальных электродов;
б)   сопротивление заземляющего устройства превышает нормированное, однако нормы на напряжение прикосновения и потенциал заземлителя выполняются. Для уменьшения стоимости заземляющего устройства рекомендуется увеличивать расстояние между горизонтальными заземлителями до тех пор, пока напряжение прикосновения или потенциал заземлителя не станут равными допустимому. Полученный вариант заземляющего устройства и будет оптимальным;
в)   сопротивление заземляющего устройства удовлетворяет норме, однако напряжение прикосновения и потенциал заземлителя ниже нормированных значений. Рекомендуется увеличивать
расстояние между горизонтальными заземлителями (но не более 32 м), пока напряжение прикосновения или потенциал заземлителя не возрастут до нормированного значения. Останавливаются на полученном варианте, даже если сопротивление заземляющего устройства превысит нормированное.

В практике проектирования заземляющих устройств возможны случаи, когда сопротивление естественных заземлителей удовлетворяет норме для соответствующей электроустановки. При этом искусственное заземляющее устройство сооружается для присоединения оборудования, подлежащего заземлению, а в электроустановках выше 1 000 В — и для выравнивания потенциалов. Заземляющие устройства выполняются без вертикальных электродов и их сопротивление не рассчитывается.

Пример. Рассчитать заземляющее устройство для цеха площадью 80X80 м², расположенного во II климатической зоне. Удельное электрическое сопротивление грунта, измеренное методом пробного электрода 100 Ом-м. В период, предшествовавший измерению, выпало много осадков. Сопротивление естественных заземлителей по данным измерений составило 16 Ом.
Мощность питающего трансформатора 560 кВ-A; к заземляющему устройству присоединяется только электрооборудование до 1 000 В.
1. Определяем нормированное сопротивление заземляющего устройства:

Следовательно, полосовой заземлитель, уложенный по периметру здания, с избытком удовлетворяет требованиям к сопротивлению заземляющего устройства.