Расчет защитного заземления

Цельрасчета заземления - определить число и длину вертикальных элементов (стержней), длину горизонтальных элементов (соединительных полос) и разместить заземлители на плане электроустановки, исходя из значений допустимых сопротивления и максимального потенциала заземлителя.

Расчет производится в следующем порядке:

1 Определяется норма сопротивления заземления R_н в зависимости от напряжения, режима работы нейтрали, мощности и других данных электроустановки;

2 Определяется расчетное удельное сопротивление грунта с учетом климатического коэффициента:

r_расч = r_табл ^. y, (8.1)

где r_расч - расчетное удельное сопротивление грунта с учетом климатического коэффициента;

r_табл - удельное сопротивление грунта по таблице 8.1;

y - климатический коэффициент по таблице 8.2.

Таблица 8.1 - Значения удельных сопротивлений грунтов при влажности 10 - 12 % к массе грунта

Грунт	Удельное сопротивление, Ом·м	Грунт	Удельное сопротивление, Ом·м
Глина		Супесок
Суглинок		Песок
Чернозем		Скалистый

Таблица8.2 - Значения климатических коэффициентов и признаки зон

Тип заземлителя	Климатические зоны
I	II	III	IV
Вертикальные стержни длиной lс =2-3 м и при глубине заложения Н0 = 0,5-0,8 м	1,8–2,0	1,5–1,8	1,4–1,6	1,2–1,4
Горизонтальные полосовые заземлители при глубине заложения Н0 = 0,8 м	4,5–7,0	3,5–4,5	2,0–2,5	1,5–2,0
Признаки климатических зон
Средняя температура января, ^оС	от -20 до -15	от -14 до -10	от -10 до 0	от 0 до +5
Средняя температура июля, ^оС	от +16 до +18	от +18 до + 22	от +22 до +24	от +24 до +28

3 Определяется сопротивление одиночного вертикального заземлителя R _с с учетом удельного сопротивления грунта:

, (8.2)

где R _с - сопротивление одиночного вертикального заземлителя с учетом удельного сопротивления грунта, Ом;

d - диаметр стержня, м;

- длина вертикального заземлителя, м;

- расстояние от поверхности земли до середины заземлителя;

- глубина заложения заземляющего устройства, м.

4 Учитывая нopмy сопротивления заземления R _н, определяют число вертикальных заземлителей без учета взаимного экранирования:

,(8.3)

где n - число вертикальных заземлителей без учета взаимного экранирования.

5 Разместив заземлители на плане и, задавшись отношением расстояния между одиночными заземлителями S к их длине , определяют с учетом коэффициента использования вертикальных стержней _с окончательно число заземлителей и сопротивление заземлителей - без учета соединительной полосы:

, (8.4)

где n₁ - окончательное число заземлителей с учетом взаимного экранирования;

_с - коэффициент использования вертикальных стержней (таблица 8.3).

Таблица 8.3 - Коэффициенты использования вертикальных заземлителей

Отношение расстояния между заземлителями (м) к их длине (м),	Число заземлителей n
Заземлители располагаются в ряд
	0,85	0,73	0,65	0,59	0,48	-	-	-
	0,91	0,83	0,77	0,74	0,67	-	-	-
Заземлители располагаются по контуру
	-	0,69	0,61	0,55	0,47	0,41	0,39	0,36
	-	0,78	0,73	0,68	0,63	0,58	0,55	0,52
	-	0,85	0,80	0,76	0,71	0,66	0,64	0,62

, (8.5)

где R_сс - сопротивление заземлителей без учета соединительной полосы.

6 Определяется сопротивление соединительной полосы :

, (8.6)

где - сопротивление соединительной полосы, Ом;

- длина соединительной полосы, м;

S - расстояние между одиночными заземлителями, м;

- ширина соединительной полосы, м;

- глубина заложения полосы, м.

Далее с учетом коэффициента использования полосы (таблица 4.4) уточняется:

, (8.7)

R_п' - сопротивление соединительной полосы.

Таблица 8.4 - Коэффициенты использования горизонтальной полосы, соединяющей вертикальные заземлители

Отношение расстояния между заземлителями (м) к их длине (м),	Число вертикальных заземлителей n1
Вертикальные заземлители расположены в ряд
	0,85	0,77	0,72	0,62	0,42	-	-	-
	0,94	0,89	0,84	0,75	0,56	-	-	-
Вертикальные заземлители расположены по контуру
	-	0,45	0,40	0,34	0,27	0,22	0,20	0,19
	-	0,55	0,48	0,40	0,32	0,29	0,27	0,23
	-	0,70	0,64	0,56	0,45	0,39	0,36	0,33

7 Определяют общее сопротивление заземляющего устройства и соединявшей полосы и проверяют, соответствует ли оно нормативному значению R_н:

, (8.8)

R - общее сопротивление заземляющего устройства и соединительной полосы.

Пример расчета. Заземлению подлежит оборудование понижающей подстанции напряжением 6/0,4 кВ. Мощность трансформатора 200 кВ·А, схема соединения обмоток Y/D_н, т.е. на стороне высокого напряжения - глухозаземленная нейтраль, низкого - изолированная нейтраль. Грунт - суглинок, климатическая зона - II.

Для заземляющего устройства в качестве вертикальных стержней предполагается использовать угловую сталь с шириной полки 40 мм, длиной 3 м; в качестве соединительной полосы - стальную шину сечением 40х4 мм.

1 Токи замыкания на землю в подобных установках меньше 500 А, поэтому для заданной мощности трансформатора нормированное сопротивление заземляющего устройстваR_н £ 4 Ом.

2 Удельное сопротивление грунта Ом·м (см. таблицу 8.1). Сучетом климатических коэффициентов 1,4; 4 (см. таблицу 8.2) расчетные удельные сопротивления: Ом×м, Ом×м.

3 Эквивалентный диаметр стержней: d = 0,95 ^. 0,04 = 0,038 м.

Сопротивление одиночного заземлителя при Н₀ = 0,5 м и H = 0,5+ 3/2 = 2 м определяем по формуле (8.2):

Ом.

4 Без учета взаимного экранирования число заземлителей n = 40,5 / 4 = 10 шт.

5 Заземляемый объект – небольшое, отдельно стоящее здание, поэтому заземляющее устройство выбираем контурное в виде прямоугольника (рисунок 8.1) с ориентировочным соотношением сторон - 2х3.

Рисунок 8.1 - Эскиз заземления

Исходя из реальных условий, берем отношение = 1. Тогда (см. таблицу 4.3) и шт. Сопротивление заземлителей Ом.

6 Длина соединительной полосы м; берем равной м. Тогда сопротивление соединительной полосы формула (4.6) равно:

Ом.

С учетом коэффициента использования полосы (см. таблицу 4.4) Ом.

7 Общее сопротивление заземляющего устройства находим по формуле (4.8).

Ом.

Полученное расчетное сопротивление R удовлетворяет требованиям ПУЭ: R < R_н = 4 Ом. Стержневые заземлители длиной по 3 м в количестве 18 шт. расположены в прямоугольном контуре размером 11х16 м.

8.3 Расчет зануления

Цель расчета зануления - определить сечение защитного нулевого провода, удовлетворяющее условию срабатывания максимальной токовой защиты, при известных остальных параметрах сети и заданных параметрах автоматического выключателя или плавкой вставки. Принципиальнаясхема зануления представленана рисунке 4.2.

Рисунок 8.2 - Схема зануления установки

При замыкании на зануленный корпус электроустановки ток короткого замыкания I _к проходит через следующие участки цепи: обмотки трансформатора Тр, фазный провод В, нулевой проводник Н, а также по параллельной ветви: заземление нейтрали R _o, участок грунта, повторное заземление R _п. Сопротивление петли "фаза-нуль" обычно не превышает 2 Ом, а сопротивление (R _o+ R _п), согласно [4] должно быть в пределах 7-28 Ом в зависимости от напряжения сети. Поэтому ток I _з , протекающий через землю, много меньше тока I _н, проходящего по нулевому проводнику, и можно считать I _к = I _н, Тогда:

_, (8.9)

где I_ном - номинальный ток срабатывания устройства защиты, А;

- коэффициент кратности номинального тока (см. пункт 8.1).

Значение I _ном определяется мощностью подключенной электроустановки, и выбирается из условия несрабатывания при протекании через них рабочих токов электроустановки. Например, для электродвигателей ток I _ном плавких вставок предохранителей должен в 1,6 - 3 раза превышать номинальные токи.

Расчетный ток короткого замыкания с учетом полного сопротивления петли "фаза-нуль" Z _п:

I_КЗ , (8.10)

где I_КЗ - расчетный ток короткого замыкания, А;

U _ф - фазное напряжение сети, В;

Z_Т - сопротивление трансформатора, Ом.

Z_п - полное сопротивление проводников петли "фаза-нуль", Ом.

Значения Z_Т в зависимости от мощности трансформатора P и схемы соединения обмоток "звезда-звезда" Y/Y_н или "треугольник-звезда" /Y_н с четвертым нулевым защитным проводником с низкой стороны трансформатора приведены в таблице 8.5.

Таблица 8.5 - Расчетные сопротивления трансформаторов при вторичном напряжении 380/220 В^*)

Р, кВт	Zт	Р, кВт	Zт
Y/Yн	/Yн	Y/Yн	/Yн
	3,110	0,906		0,312	0,090
	1,950	0,562		0,195	0,056
	1,240	0,360		0,129	0,042
	0,800	0,266		0,081	0,029
	0,487	0,141		0,054	0,017
Примечание: *^) Для трансформаторов о вторичным напряжением 220/128 В Z т следует уменьшить в 3 раза.

Полное сопротивление проводников петли "фаза-нуль":

, (8.11)

где R_ф, R_н - активные сопротивления фазного и нулевого провода, Ом;

x_ф, x_н - внутренние сопротивления разного и нулевого проводов;

x_п - внешнее индуктивное сопротивление петли "фаза-нуль".

Для медных и алюминиевых проводников фаз по известным данным: сечению, длине и удельному сопротивлению проводника определяется активное сопротивление:

, (8.12)

где R_ф, - активное сопротивление фазного провода, Ом;

l – длина фазного провода, м;

- удельное сопротивление проводника , Ом · мм²/м (для меди = 0,018 Ом · мм²/м, а для алюминия = 0,028 Ом · мм²/м);

S_ф – сечение фазного провода, мм².

Значение x_ф для медных и алюминиевых проводников мало, поэтому в формуле(8.11)им можно пренебречь.

Если нулевой защитный проводник выполнен из стали прямоугольного или круглого сечения, то R _н = r ₁· l, х_н = х₁ · l, где r ₁ и x ₁ - активное и внутреннее индуктивное сопротивление 1 км проводника, которые указаны в таблице 8.6. Они зависят от его профиля и площади сечения S _н, а также от ожидаемой плотности тока в проводнике i _н, А/мм².

Таблица 8.6 - Значения r ₁ и x ₁, Ом/км стальных проводников при переменном токе (f = 50 Гц) [11]

Размеры сечения, мм	S н , мм^2	Плотность тока в проводнике i н, А/мм^2
0,5	1,0	1,5	2,0
r 1	x 1	r 1	x 1	r 1	x 1	r1	x 1
20x4		5,24	3,14	4,20	2,52	3,48	2,09	2,97	1,78
30x4		3,66	2,20	2,91	1,75	2,38	1,43	2,04	1,22
30x5		3,38	2,03	2,56	1,54	2,08	1,25	1,60	0,98
40x4		2,80	1,68	2,24	1,34	1,81	1,09	1,54	0,92
60x4		2,28	1,37	1,79	1,07	1,45	0,87	1,24	0,74
50x5		2,10	1,26	1,60	0,96	1,28	0,77	-	-
60x5		1,77	1,06	1,34	0,80	1,08	0,65	-	-

i _н = I _н / S _н, (8.13)

где i _н - плотность тока в проводнике, А/мм².

S _н - площадь сечения нулевого защитного проводника, мм².

При выборе сечения нулевого проводника следует обеспечить i _н = 0,5-2,0 А/мм².

Материал и сечение разных проводников выбирают, исходя из мощности потребителей энергии, а материал и сечение нулевого защитного проводника - должны удовлетворять условию:

Z _н £ 2 ^. Z _ф , (8.14)

где Z_н и Z_ф - полные сопротивления соответственно нулевого и разного проводника, Ом.

Внешнее индуктивное сопротивление петли "фаза-нуль", если используется воздушная линия электропередачи и частота тока f = 50 Гц, можно определить по формуле:

x _п = 0,1256 ^. l ^. ln (2 ^. D / d), (8.15)

где х_п - внешнее индуктивное сопротивление петли "фаза-нуль", Ом;

l - длина линии,км;

D - расстояние между проводниками линии, м;

d - диаметр проводников, м.

Для грубых расчетов используют формулу x _п = 0,6 ^. l, что соответствует D = 1 м. Для уменьшения значения x _п нулевой защитный проводник следует прикладывать рядом с фазным. Если нулевой проводник является четвертой жилой кабеля или металлической трубой, в которой расположены разные проводники, то x _п мало по величине и им можно пренебречь, в формуле (8.11).

Если источник питания и линия электропередачи заданы, то необходимо выбрать соответствующий автоматический выключатель, используя приведенные выше рекомендации. Если задан автоматический выключатель задан, тогда необходимо определить сечение нулевого провода. В обоих случаях проводится расчет на срабатывание выключателя. Если в результате расчета условие (4.9) выполняется, то расчет окончен, а если не выполняется, то его повторяют, выполнив одно из мероприятий: изменяют параметры выключателя; утолщают нулевой защитный проводник; измеряют параметры фазных проводников.

Пример расчета. Электроустановка снабжается энергией от трансформатора мощностью 630 кВА, напряжением 10/0,4 кВ со схемой соединения обмоток Y/Y_н. Линия 380/220 В протяженностью 300 м состоит из трех проводников сечением 15 мм², нулевой защитный проводник – стальная полоса сечением 50 x 4 - проложена в 20 см от фазных проводников. Проверить обеспечивается ли отключающая способность зануления распределительного щитка, если в качестве зашиты используется автоматический выключатель с I _ном = 60 A.

1 Определяем по формуле (8.9) для автоматического выключателя I _к = 1,4 ^. 60 = 84 А.

2 По таблице 8.5 находим сопротивление обмоток трансформатора Z _т = 0,129 Ом.

Далее рассчитываем по формуле (8.11) полное сопротивление петли "фаза - нуль".

3 По формуле (8.12) находим при l = 300 м R _ф = 0,028 ^. 300/15 = 0,56 Ом.

4 Согласно формуле (8.13) i _н = 84/(50 ^. 4) = 0,42 A/мм². Считая i _н = 0,5, по таблице 8.6 для нулевого защитного проводника находим R ₁ = 2,28 Ом/км, x ₁ = 1,37 Ом/км. Тогда R _н = 2,28 ^. 0,3 = 0,684 Ом; x_y = 1,73 ^. 0,3 = 0,411 Ом.

5 Условие (8.14) выполняется: Z _н = 0,8; 2 · Z _ф = 1,1; Z _н < 2 · Z _ф

6 Внешнее индуктивное сопротивление проводников согласно формуле (8.15) берем с запасом (d = 2· ):

x _п = 0,1256 ^. 0,3 ^. ln (2 ^. 0,2/0,00564) = 0161 Ом.

7 По формуле (8.11) находим Z _п = 1,37 Ом, затем по формуле (8.10) определяем I _н = 156 А. Следовательно условие (8.9) выполняется, и отключение распределительного щитка в аварийной ситуации также обеспечивается.

Задача 8.1 Спроектировать защитное заземление оборудования лаборатории (ЛАБ) или понижающей подстанции (ПП) 6/0,4 кВ, от которой питается лаборатория. Заземляющее устройство заглублено: Н _о = 0,5 - 0,8 м. Для вертикальных заземлителей длиной l _c = 2,0 – 3,5 м использовать стальные трубы диаметром не менее 25 мм или уголок с полкой не менее 25 мм. Для соединительной полосы использовать стальную шину сечением 40х4 мм. Варианты остальных исходные данных приведены в таблице 8.7.

Таблица 8.7 - Варианты исходных данных для расчета защитного заземления

№ вар.	Объект защиты	Параметры трансформатора	Климатическая зона	Грунт	Расположение вертикальных заземлителей
мощность, кВ·А	Соединение обмоток
	ЛАБ		D/Dн	I	суглинок	в ряд
	ЛАБ		D/Dн	III	чернозем	в ряд
	ПП		Y/Dн	I	супесок	по контуру
	ЛАБ		D/Dн	IV	песок	в ряд
	ПП		Y/Dн	III	суглинок	по контуру
	ЛАБ		Y/Dн	II	глина	в ряд
	ПП		D/Dн	IV	чернозем	по контуру
	ЛАБ		Y/Dн	I	песок	в ряд
	ПП		Y/Dн	II	супесок	по контуру
	ЛАБ		D/Dн	III	глина	в ряд
	ПП		Y/Dн	II	суглинок	по контуру
	ЛАБ		D/Dн	IV	супесок	в ряд
	ПП		Y/Dн	III	песок	по контуру
	ЛАБ		D/Dн	I	суглинок	в ряд
	ПП		Y/Dн	IV	супесок	по контуру
	ПП		D/Dн	III	чернозем	по контуру
	ЛАБ		Y/Dн	II	глина	в ряд
	ПП		Y/Dн	I	песок	по контуру
	ЛАБ		D/Dн	IV	чернозем	в ряд
	ПП		Y/Dн	II	глина	по контуру
	ЛАБ		D/Dн	III	суглинок	в ряд
	ПП		Y/Dн	II	супесок	по контуру
	ЛАБ		D/Dн	I	глина	в ряд
	ПП		Y/Dн	IV	песок	по контуру
	ЛАБ		D/Dн	II	суглинок	в ряд

Задача 8.2 Рассчитать параметры зануления распределительного щитка лаборатории, к которому подведена линия от понижавшего трансформатора 10/0,4 кВ. Определить либо параметры нулевого защитного проводника из стали (например, вариант 1), удовлетворяющие условию срабатывания максимальной токовой защиты при заданных параметрах устройства защиты; сечение нулевого проводника выбирать в пределах, указанных в таблице 8.6. Либо подобрать параметры устройства защиты (например, вариант 2); номинальные токи вставок автоматических выключателей – 20-80 А, номинальные токи плавких вставок предохранителей - в пределах 40-160 А. Варианты остальных исходных данных приведены в таблице 8.8.

Таблица 8.8 - Варианты исходных данных задаче 8.2

№ вар	Параметры трансформатора	Длина линии, м	Параметры “фазы”	Параметры “нуля”	Параметры устройства защиты ^*)
Мощность, P, кВ·А	Соединение обмоток	Напряжение, U ф, В	Сечение, мм^2	S н, мм^2	D, м
из Cu	из Al	тип	Iном, A
		Y/Yн				-	-	П
		D/Yн			-			0,6	-
		D/Yн				-		0,3	-
		Y/Yн			-		-	АВ
		D/Yн				-	-	П
		Y/Yн			-			0,4	-
		Y/Yн				-		0,5	-
		D/Yн			-		-	АВ
		Y/Yн				-	-	П
		Y/Yн			-			0,2	-
		D/Yн				-		0,3	-
		D/Yн			-		-	АВ
		Y/Yн				-	-	П
		D/Yн			-			0,6	-
		Y/Yн				-		0,8	-
		D/Yн			-		-	П
		D/Yн			-		-	АВ
		Y/Yн				-		0,4	-
		D/Yн			-			0,2	-
		Y/Yн				-	-	П
		Y/Yн			-		-	АВ
		D/Yн				-		0,5	-
		D/Yн			-			0,3	-
		Y/Yн				-	-	П
		D/Yн			-			0,2	-
Примечание: ^*) Тип устройства защиты: П – предохранитель, АВ – автоматический выключатель; I ном - номинальный ток плавкой вставки предохранителя или номинальный ток вставки автоматического выключателя.

Дата добавления: 2015-07-13