Заземляющие устройства электроустановок

Если какая-либо точка сети оказывается в контакте с грун­том то у места замыкания возникает «поле растекания тока» (рис. 31) Если это поле образовано растеканием тока промыш­ленной частоты, его можно рассматривать как электростатиче­ское поле и напряженность любой точки почвы в поле растекания тока составит

где — плотность тока в а/мм²;

- удельное сопротивление грунта растеканию тока в ом·см.

Под удельным сопротивле­нием грунта растеканию тока понимают электрическое соп­ротивление между противопо­ложными сторонами кубика грунта со стороной, равной

Рис. 31. Поле растекания тока в земле через полушаровой заземлитель.

Рис. 32. Упрощенная схема-модель проводника «земля»

1 см, т. е. единица измерения выражается величиной ом·см²/см = ом·см.

Приближенные значения удельного сопротивления раз­личных грунтов в зависимости от влажности приведены в табл. 34.

В точках поля, где плотность тока γ близка нулю, напряжен­ность ε также близка нулю.

Плотность тока может быть определена по формуле

где I _з - ток замыкания на землю в а;

х — расстояние от точки входа тока в грунт до рассмат­риваемой точки земли;

— поверхность полусферы на расстоянии х от точки входа тока в грунт (см. рис. 31).

Таблица 34

Грунт	Удельное сопротивление в ом·см
	при влажности 10 —20% по весу	пределы изменения
Песок	7·10^1	4·10^1- 10·10^1
Супесок	3·10^1	1,5·10^1 – 4·10^1
Суглинок	1·10^1	0,4·10^1 - 1,5·10^1
Глина	0,4·10^1	0,08·10^1- 0,7·10^1
Чернозем	2·10^1	0,096·10^1- 5,8·10^1

Упрощенная модель проводника «земля» представлена на рис. 32. Из приведенной модели следует, что чем дальше нахо­дится точка грунта от точки входа тока в грунт (х), тем больше сечение проводника «земля» и меньше сопротивление, оказывае­мое прохождению тока по этому проводнику. Подсчитано, что при х = 20 м поверхность полусферы становится настолько зна­чительной, что плотность тока при этом значении х можно счи­тать близкой нулю, следовательно, и потенциал этой точки так­же равен нулю. Все прочие точки, расположенные ближе 20 м от места замыкания на землю, получат некоторое напряжение от­носительно земли.

Характер распределения потенциала вблизи места замыка­ния на землю представлен на рис. 31. Из схемы, приведенной на этом рисунке, определяют и величину так называемых шаговых напряжений, под которые попадает человек, приближающийся к месту замыкания тока на землю.

Если пренебречь точками, расположенными в непосредствен­ной близости от заземлителя другой формы (не полусферы), то полученные зависимости в отношении поля растекания и харак­тера распределения потенциала в зоне растекания тока могут быть использованы для изучения и характеристики поля расте­кания других заземлителей. Формулы для расчета сопротивле­ния заземлителей различных конструкций растеканию тока в грунт, выведенные в результате изучения изложенных зависи­мостей, приведены в табл. 35.

Таблица 35

Схема	Тип заземлителя	Формула с применением:	Примечание
натуральных логарифмов	десятичных логарифмов
	Труба, стержень у по­верхности земли
	Труба, стержень на глу­бине h
	Протяженный заземлитель (полоса, труба) на глубине h, диаметр или ширина b.
	Кольцевой заземлитель (полоса, труба) на глуби­не h
	Круглая пластина на поверхности земли (диа­метр d)		-	-

По приведенным в таблице формулам можно рассчитать в зависимости от удельного сопротивления грунта растеканию тока, вида, размеров и глубины заложения сопротивление оди­ночных заземлителей.

Значения удельного сопротивления грунта растеканию тока следует принимать по данным табл. 34 с учетом повышающего коэффициента К_п. Значения повышающего коэффициента по климатическим зонам для стержневых (комбинированных) и протяженных заземлителей приведены в табл. 36. Под комбини­рованным заземлителем подразумевается заземлитель, состоя­щий из вертикальных электродов (труба, уголок и пр.), соеди­ненных между собой протяженным горизонтальным элементом (полоса, уголок, труба).

Таблица 36

Тип заземлителя	Значения повышающего коэффициента Кп для климатических зон
I	II	III	IV
Протяженные электроды на глубине 0,8 м   Комбинированные (вертикальные электроды длиной 2,5 — 3 м при зало­жении соединительной полосы шири­ной 0,5—0,8 м)	4,5-7   1,8—2	3,5-4,5   1,6-1,8	2,5-4   1,4-1,6	1,5—2   1,2-1,4

Характеристика климатических зон приведена в табл. 37.

Таблица 37

Показатели	Климатические зоны СССР
I	II	III	IV
Средняя многолетняя низ­шая температура (январь) в ^0С Средняя многолетняя выс­шая температура (июль) в ^0С Среднее количество осад­ков в см Продолжительность замер­зания воды в днях	От —15 до —20 От +16 до +18 ~40 190-170	От —15 до —10 От +18 до +22 ~50 ~150	От— 10 до 0 От +22 до +24 ~50 ~100	От 0 до +5 От +24 до +26 30-50

Расчет комбинированных заземлителей более сложен, чем одиночных.

После определения допустимого сопротивления заземляю­щего устройства, выбора профиля вертикального электрода и его размеров, выбора расстояния между электродами, порядка их размещения в плане (в цепочку или по контуру и пр.), а так­же выбора типа соединительной полосы и заглубления; зазем­ляющего устройства расчёт можно вести в предлагаемой после­довательности.

Сначала определяют сопротивление растеканию тока оди­ночного вертикального электрода по формулам, приведенным в табл. 35. Если вместо трубы принят вертикальный электрод из угловой стали, эквивалентный диаметр определяют из выраже­ния d_э = 0,95 b, где b ширина полки уголка. При расчете зазем­лителей, расположенных в грунтах высокой проводимости, рас­теканием тока с соединительной полосы можно пренебречь. За­тем определяют необходимое количество электродов. При электродах одинаковых длины и сечения на основании закона проводимости проводников при параллельном соединении необ­ходимое количество электродов /г для обеспечения допустимого

Рис. 33. Линии тока в комбинированном заземлителе при малом расстоянии между электродами

сопротивления заземляющего устройства растеканию тока мож­но определить по формуле

где R_т.р — сопротивление растеканию тока одного вертикаль­ного электрода в ом;

R_d — допустимое сопротивление заземляющего устройст­ва в ом;

η₁ — коэффициент использования или коэффициент экра­нирования между электродами.

Растекание тока с электрода происходит преимущественно за счет зон земли, расположенных вблизи электрода. Если два электрода расположены по отношению один к другому в зоне растекания тока (см. рис. 31, 32), то вследствие наложения электрических полей соседних электродов плотность тока вблизи каждого из них становится неравномерной, что как бы приводит к уменьшению действующего сечения земли — увеличению со­противления (рис. 33).

Коэффициентом использования заземлителя (экранирова­ния) называется отношение суммы сопротивления отдельных электродов, стоящих по отношению один к другому в зоне нуле­вого потенциала, к сопротивлению многоэлектродного заземлителя с таким же количеством электродов при размещении каждого из этих электродов в поле растекания соседнего электрода. Значения коэффициентов использования вертикальных электро­дов комбинированного заземлителя без учета полосы связи при­ведены в табл. 38.

Таблица 38

Количество электродов n	Значение коэффициента использования т), при отношении расстояния между электродами к их длине
При размещении электродов в ряд
	0,84 - 0,87	0,90 - 0,92	0,93 - 0,95
	0,76 - 0,80	0,85 - 0,88	0,90 - 0,92
	0,67 - 0,72	0,79 - 0,83	0,85 - 0,88
	0,56 - 0,62	0,72 - 0,77	0,79 - 0,83
	0,51- 0,56	0,66 - 0,73	0,75 - 0,80
	0,47 - 0,50	0,65 - 0,70	0,74 - 0,79
При размещении электродов по контуру
	0,66 - 0,72	0,76 - 0,80	0,84 - 0,86
	0,58 - 0,65	0,71 - 0,75	0,78 - 0,82
	0,52 - 0,58	0,66 - 0,71	0,74 - 0,78
	0,44 - 0,50	0,61 - 0,66	0,68 - 0,73
	0,38 - 0,44	0,55 - 0,61	0,64 - 0,69
	0,36 – 0,42	0,52 - 0,58	0,62 - 0,67
	0,33 - 0,39	0,49 - 0,55	0,59 - 0,65

В грунтах с большим удельным сопротивлением растеканию тока расчет по приведенной методике приводит к большому пе­рерасходу материала и других ресурсов, необходимых для уст­ройства заземления. В этом случае заземляющее устройство следует рассчитывать с учетом растекания тока не только с вер­тикальных электродов, но и с полосы связи в зависимости от ее длины, что определяется расстояниями между отдельными элек­тродами и их количеством.

Расчет заземляющего устройства с учетом влияния соедини­тельной полосы связи можно осуществить следующим образом:

сначала определить сопротивление растеканию тока одиноч­ного вертикального электрода по изложенной методике;

определить необходимое количество вертикальных электродов с использованием той же формулы, но так как она не учитывает растекание тока с полосы связи, вместо величины допускаемого по условиям безопасности сопротивления заземляющего устрой­ства R_d следует подставить несколько большую по значению ве­личину (в два-три раза), которую обычно называют сопротивлением вертикальных электродов без учета полосы связи (со­противление очага электродов) ;

определить сопротивление полосы связи по формуле для протяженного заземлителя (табл. 35); при этом длина полосы связи составляет при размещении электродов цепоч­кой в ряд и при размещении по контуру, где а — расстоя­ние между вертикальными электродами, n — количество элект­родов;

определить сопротивление заземляющего устройства с уче­том влияния полосы связи по закону параллельного соединения проводников по формуле

ом

где R_п — сопротивление растеканию тока полосы связи в ом;

η₂ — коэффициент использования или экранирования меж­ду полосой связи и вертикальными электродами (табл.39).

Таблица 39

Отношение расстояния между тру­бами (угол­ками) к их длине	Значение коэффициента использования η2 при числе труб (уголков)
При размещении электродов в ряд
	0,77 0,89 0,92	0,72 0,84 0,88	0,67 0,79 0,85	0,62 0,75 0,82	0,42 0,56 0,68	0,31 0,46 0,58	0,21 0,36 0,49	0,19 0,32 0,42
При размещении электродов по контуру
	0,45 0,55 0,70	0,40 0,48 0,64	0,36 0,43 0,60	0,34 0,40 0,56	0,27 0,32 0,45	0,24 0,30 0,41	0,21 0,28 0,37	0,20 0,26 0,35

Так как задача решается методом подбора (значение R₀, a следовательно, и n принимают ориентировочно), то в результа­те решения полученное сопротивление может быть больше или значительно меньше допускаемого по условиям безопасности. В этом случае следует соответственно увеличить или уменьшить количество электродов и повторить расчет.

Пример. Подобрать конструкцию комбинированного заземляющего уст­ройства и определить его сопротивление растеканию тока замыкания на зем­лю для следующих условий: вертикальные электроды из стальных труб диа­метром 63 мм, длиной 2 м, а полоса связи стальная шириной 40 мм, заглубление полосы связи 800 мм. Грунт—глина, р=6000 ом-см. Климатический район расположения объекта — II. Мощность трансформатора с изолирован­ной нейтралью 180 ква.

По табл. 19 для установок напряжением до 1000 в с изолированной ней­тралью допустимое сопротивление заземляющего устройства должно быть не более R_d = 4 ом. Для II климатической зоны для комбинированных заземлителей повышающий коэффициент К_п = 1,6 (см. табл. 36). Следователь­но, расчетное удельное сопротивление грунта растеканию тока составит: 1,6·6000 = 9600 ом·см.

Определим сопротивление вертикального трубчатого электрода растека­нию тока (см. табл. 35)

ом

Сопротивление очага вертикальных заземлителей, учитывая влияние по­лосы связи

ом

Определяем примерное количество необходимых вертикальных элек­тродов

, принимаем 5.

По табл. 38 при пяти электродах при (принимаемом) расстоянии между ними, равном , коэффициент использования составит η₁ =0,8. Тогда

ом

Длина полосы связи при пяти трубах, соединенных в ряд, и расстоянии между ними, равном 2 l, будет равна

см. Тогда сопротивление полосы связи составит

ом

По табл. 39 коэффициент использования полосы связи η₂ =0,86. Вычис­лим сопротивление растеканию тока заземляющего устройства

ом, т.е. больше 4 ом.

Учитывая, что полученное сопротивление примерно на 25% превышает допу­стимое и что при увеличении количества труб коэффициенты использования уменьшаются по величине (а вычисляемые сопротивления увеличиваются), принимаем n =8 электродов. Тогда η₁ = 0,77, η₂ = 0,79;

ом;

см;

ом.

ом < 4 ом.

Дата добавления: 2015-06-28