Основные понятия о заземлении

1
ИСТОЧНИК: Охрана труда в машиностроении: Учебник для
машиностроительных вузов/Под общ.ред.Е.Я.Юдина,
2-е изд. – М.:Машиносмтроение,1983.-432 стр.
Семинар 9 (8) . Расчет системы заземления, зануления.
(285 -289) ЗАЩИТНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ
Защитное заземление - преднамеренное электрическое соединение с землей или ее
эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под
напряжением.
Принцип действия защитного заземления - снижение до БЕЗОПАСНЫХ
значений напряжения прикосновения и шага , обусловленных замыканием на корпус.
Область применения трехфазные ТРЕХПРОВОДНЫЕ СЕТИ
- с изолированной нейтралью НАПРЯЖЕНИЕМ до 1000 В
- и с любым режимом нейтрали НАПРЯЖЕНИЕМ свыше 1000 В.
Заземляющее устройство - это совокупность
* заземлителя в виде металлических проводников, находящихся непосредственно
в земле, и
* заземляющих проводников, соединяющих заземляемые части электроустановки с
заземлителем.
В качнестве искусственных заземлителей применяют
- вертикальные и горизонтальные электроды из
*стальных труб диаметром 3-5 см (не менее 10 мм),
*уголков 40х40 - 60х60 мм длиной 2,5-3 м;
*стальных прутков (стержней)диаметром 10-16 мм длиной до 10 м (3-5 м) и др.
Эти электроды забивают в землю в предварительно вырытой траншеи глубиной 0,7 - 0,8 м.
2
В качестве естественных заземлителей
используют
проложенные в земле неизо-лированные
водопроводные трубы, обсадные трубы артезианских колодцев, скважин, шурфов, имеющую соединение с
землей металлическую арматуру железобетонных конструкций фундаментов зданий и т.п.
Прокладку заземляющих проводников производят ОТКРЫТО по конструкциям зданий
(по стенам на специальных опорах).
Заземление может быть одиночным или групповым
Напряжение шага меняется от максимального значения (около электрода) до нуля при
определенном удалении от электрода.
При групповом заземлении напряжение шага МЕНЬШЕ, чем при одиночном
заземлителе.
Заземление может быть выносным или контурным .
Выносные заземления применяют при МАЛЫХ токах замыкания на землю и, в
частности, в установках напряжением до 1000 В.
При контурном заземлении обеспечивается ВЫРАВНИВАНИЕ потенциала на
защищаемой территории и в результате снижение напряжения шага и
напряжения прикосновения .
3
Согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) наибольшее ДОПУСТИМОЕ
сопротивление защитного заземления не должна превышать:
- 10 Ом - при мощности источника тока не превышает 100 кВ .А
- 8 Ом - в установках напряжением 220/127 В,
- 4 Ом - в установках напряжением 380/220 В, (случай для Примера)
- 0,5 Ом - в установках напряжением выше 1000 В с заземленной нейтралью.
В общем виде сопротивление заземления не должно превышать величины:
-250/ I з, для установок напряжением свыше 1000 В, но не более 10 Ом;
-125/ I з , для установок напряжением до 1000 В, но не более 10 или 4 Ом;
где I з - ток замыкания на землю, А.(ампер)
ЗАЗЕМЛЕНИЮ подлежат металлические нетоковедущие части оборудования
- при напряжении 380 В и выше переменного тока и 440 В и выше постоянного тока в
помещениях без повышенной ОПАСНОСТИ .
- при напряжении 42 В и выше переменного тока и 110 В и выше постоянного тока в
помещениях с повышенной ОПАСНОСТЬЮ и ОСОБО ОПАСНЫХ, а
также в НАРУЖНЫХ установках.
- всех видов и напряжений во ВЗРЫВООПАСНЫХ помещениях.
4
Основные понятия о заземлении
Заземление является неотъемленимой частью любых электроустановок и
предназначено не только для обеспечения функционирования электрооборудования, но
и для обеспечениения безопасности и сохранности здоровья и жизни человека при
случайном возможном его контакте с нетоковедущими элементами конструкций
электрооборудования. В ПУЭ применяют следующие понятия:
1)заземление - преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети,
электроустановки или оборудования с заземляющим устройством;
2)защитное заземление - заземленипе, выполняемое в целях электробезопасности;
3)рабочее (функциональное) заземление - заземление точки или точек токоведущих
частей электроустановки, выполняемое для обеспечения работы электроустановки (не
в целях электробезопасности);
4)защитное зануление в электроустановках до 1кВ - преднамеренное соединение
открытых проводящих частей с глухозаземленной нейтралью генератора или
трансформатора в сетях 3-х фазного тока, с глухозаземленным выводом источника
однофазного тока, с заземленной точкой источника в сетях постоянного тока,
выполняемое в целях электробезопасности.
Различают естественные и искусственные заземлители.
Естественными заземлителями являются находящиеся в земле металлические
конструкции зданий и сооружений, трубопроводы и свинцовые оболочки кабелей.
Искусственные заземлители выполняются из стальных заземлителей, забитых на
требуемую расчетную глубину и соединенных посредством сварки стальной полосой
или арматурой на глубине 0,5...0,7м.Все соединения сети заземления выполняются на
сварке. Каждый заземляемый элемент подключается к сети заземления отдельным
ответвлением.
Для справки: при устройстве заземлений надо стремиться к снижению напряжений
шага и прикосновения. Достигается это благодаря контурным заземлителям с
уравнительными полосами, которые позволяют равномерно распределить потенциал
на всей площади. Такое заземление применяют на подстанциях.
Внутренние магистрали заземления соединяются с наружным контуром в нескольких
местах. Чтобы избежать большой разности потенцалов во внешней части контура,
особенно в местах входа и въезда в подстанцию, закладывают дополнительно две-три
стальные полосы (в форме козырька) с постепенным заглублением до 1,5...2м.
Этим достигается более пологий спад потенциала и снижение напряжения шага.
5
Расчет заземляющих устройств
Расчет сводится к определению сопротивления растеканию тока заземлителя, которое зависит от
проводимости грунта, конструкции заземлителя и глубины его заложения. Проводимость грунта
ρ
характеризуется его удельным сопротивлением ( Ом*см): сопротивление между
противоположными сторонами кубиками грунта с ребрами 1см. Удельное сопротивление зависит от
характера и строения грунта, его влажности, глубины промерзания и может колебаться в широких
пределах.
Обычно в расчет принимают следующие средние занчения удельных сопротивлений грунта
(Ом*см):
глина, садовая земля..........................................4*10
чернозем..............................................................5*10
³
³
³
щебень с песком, каменистая почва.................20*10³
супесь.................................................................30*10³
песок с галькой..................................................80*10³
суглинок, каменистая глина..............................10*10
При промерзании грунта электропроводность его ухудшается и удельное сопротивление возрастает.
Поэтому в расчет нужно вводить поправку Км - коэффициент сезонности, величина которого
определяется в зависимости от климатической зоны. Коэффициент сезонности приведен в таблице
ниже.
табл.1. Значения коэффициента сезонности Км
признаки зон
климатические
зоны
средняя многолетняя
температура, °С
продолжительность замерзания
вод, сутки
коэффициент
Км
низшая
(январь)
высшая
(июль)
1
от -20 до -15
от +16 до
+18
170...190
1,9/5,8
2
от -15 до -10
от +18 до
+22
150
1,7/4,0
3
от -10до 0
от +22 до
+24
100
1,5/2,3
4
от 0 до +5
от +24 до
+26
0
1,3/1,8
В последнем столбце
Числитель - для вертикальных заземлителей с заложением их вершин на глубине 0,5...0,7м от
поверхности земли;
Знаменатель - для горизонтальных заземлителей при глубине заложения 0,3...0,8м.
³
При удельных сопротивлениях грунта более 20*10 Ом*см необходимо устанавливать
углубленные заземлители или принимать меры для снижения величины
ρ.
6
По ВСЕМ СПРАВОЧНИКАМ формулы вычисления СОПРОТИВЛЕНИЯ РАСТЕКАНИЮ
ТОКА С ОДНОЧНОГО ВЕРТИКАЛЬНОГО ЗАЗЕМЛИТЕЛЯ RО.В. (трубчатого или
стержневого длиной l В ЗЕМЛЕ на глубине t ) определяется по формуле
В этой формуле (и в других аналогичных) вместо взятия НАТУРАЛЬНОГО
логарифма ln делается переход к десятичным логарифмам log10 (или lg ) с
помощью введения КОЭФФИЦИЕНТА 2,3, который вместе с постоянной
величиной 2π создает коэффициент в числителе (2,3/ 2π) = 0,366.
Поэтому сопротивление (в Омах) одиночного вертикального заземлителя (из круглого
стержня) растеканию тока определяется по формуле:
(Здесь уже имеется ввиду десятичный логарифм log )
ρ
где - удельное сопротивление грунта, Ом*см;
Км - коэффициент сезонности;
l - длина заземлителя, см;
d - диаметр стержня, см;
t - глубина заложения (от поверхности земли до середины длины стержня), см.
( Если вместо круглого стержня используется угловая сталь, то d = 0,95b, где b - ширина полок
уголка).
При ориентировочных расчетах сопротивление одиночного заземлителя
можно с достаточной точностью определять как
Соответственно по всем справочникам для ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ЗАЗЕМЛИТЕЛЯ RО.Г.
(трубчатого или плоского стержня длиной l Г В ЗЕМЛЕ на глубине t )
определяется по формуле, в которой ,
во-первых, учтено, что для плоского стержня d = 0,5 b = b /2,
во-вторых, сделан переход от НАТУРАЛЬНОГО логарифма ln переход к десятичным
логарифмам log10 (или lg ) с помощью введения КОЭФФИЦИЕНТА 2,3, который
вместе с постоянной величиной 2π создает коэффициент в числителе (2,3/ 2π) =
0,366.
Отсюда сопротивление (в Омах) горизонтального заземлителя:
где lг - длина заземлителя, см;
b - ширина полосового заземлителя, см;
t - глубина его заложения, см.
7
Сопротивление заземлителя из нескольких электродов, соединенных полосой:
Суммарное сопротивление всех вертикальных электродов составит:
η
где n - число электродов; в - коэффициент использования электрода, характеризующий
степень использования его поверхности из-за экранирующего влияния соседних
электродов (см. таблицу).
табл.2. Значения коэффициента использования
количество вертикальных
заземлителей
ηв
отношение a/l (a - расстояние между заземлителями; l - длина
заземлителя)
1
2
3
ηв
ηг
ηв
ηг
ηв
ηг
4
0,69/0,74
0,45/0,77
0,78/0,83
0,55/0,89
0,85/0,88
0,70/0,92
6
0,62/0,63
0,40/0,77
0,73/0,77
0,48/0,83
0,80/0,83
0,64/0,88
10
0,55/0,59
0,34/0,62
0,69/0,75
0,40/0,75
0,76/0,81
0,56/0,82
20
0,47/0,49
0,27/0,42
0,64/0,68
0,32/0,56
0,71/0,77
0,45/0,68
30
0,43/0,43
0,24/0,31
0,60/0,65
0,30/0,46
0,68/0,75
0,41/0,58
числитель - значения при размещении вертикальных заземлителей по замкнутому контуру; в
знаменателе - при расположении их в ряд.
Для горизонтальных полос, связывающих вертикальные электроды, сопротивление
растеканию тока с учетом экранирования определяется по формуле:
η
,
где г - коэффициент использования горизонтальной полосы с учетом экранирующего
влияния вертикальных электродов. Далее приводим небольшой пример расчета
заземления.
8
Пример .
Выполнить контур защитного заземления цеховой подстанции с двумя
трансформаторами 630 кВ*А на напряжении 10/0,4кВ. Протяженность электрически
связанных кабельных линий 10кВ предприятия составляет 18км. Грунт - суглинок,
климатическая зона - 3.
Решение.
Ток однофазного короткого замыкания для сетей свыше 1000В с изолированной
нейтралью определяется по формуле:
где U = 10кВ - междуфазное напряжение (в киловольтах);
lв и lк - длины электрически связанных воздушных (lв=0) и кабельных (lк =18 км) линий
сети
данного напряжения (в километрах).
Отсюда находим значение тока однофазного короткого замыкания на землю:
По ПУЭ в общем виде сопротивление заземления не должно превышать величины:
250/ I з, для установок напряжением свыше 1000 В, но не более 10 Ом.
Сопротивление заземлителя растеканию тока на напряжении 10кВ определяется как:
Таким образом, Rз = 250/18= 13,88 Ом.
В соответствии с ПУЭ сопротивление заземлителей у электроустановок
-напряжением 10кВ должно быть не более 10 Ом,
- а с напряжением 0,4/0,23кВ
- не более 4 Ом.
Расчетным принимается всегда сопротивление заземления для меньшего напряжения.
таким образом, принимаем Rз = 4 Ом.
После этих расчетов необходимо определиться с материалом заземлителей.
Будем выполнять свои заземлители из
круглых стальных электродов диаметром d =12мм и длиной l = 5м.
Размещаем электроды в ряд и соединяем их полосой из круглой стали диаметром
d =12мм.
Полосу заложим на глубине t =0,6м.
При ориентировочных расчетах сопротивление одиночного заземлителя Rо.в . можно с
достаточной точностью определять как
Обычно в расчет принимают средние занчения удельных сопротивлений грунта (Ом*см),
приведенные выше.
Для суглинка ρ = 10*10³ Ом*см.
Значение коэффициента сезонности по табл.1 для зоны 3 равно Км = 1,5.
9
Отсюда Rо.в = 0,003*10*10³*1,5 = 45 Ом.
Далее приняв отношение
(a
a/l = 1
= 5 - расстояние между заземлителями;
l = 5 - длина заземлителя)
по табл.2 определяем для n=20 коэффициент использования ηв = 0,47.
Находим суммарное сопротивление всех электродов по формуле.
Отсюда Rв = 45/(20*0,47) = 4,8 Ом.
Протяженность заземлителя lг = (n - 1)*a = 19*5 = 95м.
Далее для сопротивления (в Омах) горизонтального заземлителя R ́г по формуле
,
ρ
где - удельное сопротивление грунта, Ом*см;
Км - коэффициент сезонности по табл.1;
lг - длина горизонтального заземлителя, см;
b - ширина полосового заземлителя, см;
t - глубина его заложения, см.
(Если вместо круглого стержня используется угловая сталь, то d = 0,95b,
где b - ширина полок уголка.)
находим сопротивление горизонтального заземлителя Rг = 6,102.
Далее по формуле
определяем сопротивление соединительной полосы Rг с учетом экранирования.
Из табл. 2 берем
ηг = 0,27 для ранее принятых значений n = 20 и a/l = 1.
Посчитав, получим Rг = 22,6 Ом.
И, наконец, находим по формуле
сопротивление нашего заземлителя из нескольких электродов, соединенных полосой,
растеканию тока.
Получим
,
что меньше минимально необходимой величины 4 Ом.
В заключение следует сказать, что подобная задача решается подбором материала и его
количеством. Поэтому, если у вас величина получившегося контура получилась больше
необходимого значения, следует взять стальные прутья или уголки большей длины
и/или большего количества и снова пересчитать до получения необходимого результата
10
ЗАЩИТНОЕ ЗАНУЛЕНИЕ
Защитное зануление - преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным
проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под
напряжением.
Нулевым защитным проводником называется проводник, соединяющий зануляемые
части с глухозаземленной нейтральной точки обмотки источника тока.
Этот проводник следует отличать от нулевого РАБОЧЕГО проводника, который тоже
соединен с глухозаземленной нейтральной точкой источника тока, но предназначен для
питания током электроприемников, т.е. по нему проходит рабочий ток.
Принцип действия зануления – превращение замыкания на корпус в однофазное
КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ, т.е. замыкание между фазным и нулевым проводами с целью
создания БОЛЬШОГО ТОКА, способного обеспечить срабатывание ЗАЩИТЫ и тем
самым ОТКЛЮЧИТЬ поврежденную установку от питающей сети.
ЗАЩИТОЙ являются плавкие предохранители или автоматические выключатели ,
устанавливаемые перед потребителями энергии для защиты от токов короткого
замыкания.
Скорость отключения составляет
при защите плавкими предохранителями - 5-7 с
и при защите автоматами - 1-2 с
.
11
Область применения ЗАНУЛЕНИЯ
трехфазные
ЧЕТЫРЕХПРОВОДНЫЕ
сети напряжением до
1000 В с
ГЛУХОЗАЗЕМЛЕННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ, обычно в широко распространенных в
машиностроении сетях напряжением 380/220 В.
Схема зануления требует наличия в сети:
- нулевого защитного проводника, предназначенного для создания для тока короткого
замыкания цепи с малым сопротивление, чтобы этот ток был достаточен для БЫСТРОГО
срабатывания защиты (отключения установки от сети);
По ПУЭ, чтобы обеспечить достаточный ток короткого замыкания, проводимость
нулевого защитного проводника должна быть не меньше ПОЛОВИНЫ
ПРОВОДИМОСТИ ФАЗНОГО ПРОВОДА.
- заземления нейтрали источника тока, предназначенного для снижения до безопасного
значения напряжения относительно земли нулевого проводника (и всех присоединенных к
нему корпусов) при случайном замыкании фазы на землю;
По ПУЭ, сопротивление заземления нейтрали источника тока должно быть не
больше 8 Ом при напряжении 220/127В, 4 Ом – при 380/220 В и 2 Ом – при 660/380 В.
- повторного заземления нулевого проводника , предназначенного для уменьшения
опасности поражения людей током, возникающей при обрыве
этого проводника и
замыкании фазы на корпус за местом обрыва.
ЗАЩИТНОЕ ОТКЛЮЧЕНИЕ
Защитное отключение (устройства защитного отключения - УЗО) быстродействующая защита, обеспечивающая автоматическое отключение
электроустановки при возникновении в ней опасности поражения током, в
частности, при
- замыкании фазы на корпус электрооборудования,
- снижении сопротивления изоляции фаз относительно земли ниже определенного предела,
- появлении в сети более высокого напряжения,
- прикосновении человека к токоведущей части, находящейся под напряжением.
Принцип действия. - изменение до известных пределов любого их этих
параметров электрической сети служит ИМПУЛЬСОМ, вызывающим
СРАБАТЫВАНИЕ УЗО, в результате которого происходит отключение
опасного участка сети (или электроустановки) за время не более 0,2 с.
Основными частями УЗО являются:
- прибор защитного отключения , содержащий
*датчик , воспринимающий изменение параметра и преобразующий его
в управляющий сигнал,
*усилитель,
*цепи контроля , регулярно проверяющие исправность схемы,
*вспомогательные элементы - сигнальные лампы, измерительные приборы и т.п.;
- автоматический выключатель ,служащий для включения и отключения цепей,
находящихся под нагрузкой, и при коротких замыканиях при
поступлении сигнала от прибора защитного отключения.
12
УЗО может реагировать на изменение до известных пределов таких
параметров электрической сети, как, например,
* напряжение корпуса относительно земли - в результате замыкания фазного
провода на заземленный или зануленный корпус и возникновения на корпусе
повышенного напряжения.
Принцип действия – быстрое отключение от сети установки, если
напряжение её корпуса относительно земли окажется ВЫШЕ некоторого
предельно допустимого значения U к.доп, вследствие чего прикосновение к
корпусу становится ОПАСНЫМ. (см. рис.84). Такие устройства применяются
только электроустановками до 1000 В с индивидуальными заземлениями.
* оперативный постоянный ток, проходящий через сопротивления изоляции проводов (в результате повреждения этой изоляции или прикосновения человека к проводу) и др.
При нормальном режиме работы сети сопротивление проводов Rэ и поэтому
сила тока Iр (от источника постоянного тока) НЕЗНАЧИТЕЛЬНА. В случае же
снижения сопротивления изоляции одной (или двух, или трех) фазы в
результате её замыкания на землю или на корпус, либо в результате
прикосновения к фазе человека сопротивление Rэ уменьшится , а ток Iр
возрастет, и если он превысит ток срабатывания реле, произойдет замыкание
цепи, отключающей катушки и отключение сети от источника питания.
Область применения – сети небольшой протяженностью напряжением до
1000 В с изолированной нейтралью.