Методика розрахунку захисного заземлення

Мета розрахунку – визначити параметри заземлення: кількість,розміри і розміщення на плані об'єкта, що захищається, вертикальних і горизонтальних електродів.

Вихідні дані

Характеристика електроустановки (, режим нейтралі).

План об'єкта, що захищається, із зазначенням основних розмірів і розміщення устаткування.

Характеристика електродів для проектованого заземлювача, глибина їхнього занурення в землю.

Величина питомого опору ґрунту (р), характеристика кліматичної зони (відповідно до таблиці1).

Дані про природні заземлювачі (виміряний опір розтікання струму або параметри для його визначення розрахунковим шляхом).

Таблиця 1 - Ознаки кліматичних зон для визначення коефіцієнта сезонності

Характеристика кліматичної зони	Кліматичні зони СНД
І	ІІ	ІІІ	IV
Середня багаторічна нижня температура (січень), °С	від -20 до -15	від -14 до -10	від -10 до 0	від 0 до 5
Середня багаторічна нижня температура (липень), °С	від +16 до +18	від +18 до +22	від +22 до +24	від +24 до +26
Середньорічна кількість опадів, см				30-50
Тривалість замерзання вод, дні	190-170

 

В установках з малими струмами замикання на землю без компенсації ємнісних струмів розрахунковий однофазний (ємнісний) струм замикань на землю приблизно може бути визначений за формулою 1:

, (1)

де – фазна напруга мережі, кВ;

, – відповідно довжина електрично зв'язаних кабельних і повітряних ліній, км.

В установках з малими струмами замикання на землю з компенсацією ємнісних струмів як розрахунковий приймається струм, рівний 125 % номінального струму компенсаційних апаратів. Для заземлюючих пристроїв, до яких не приєднані компенсаційні апарати, як розрахунковий приймається залишковий струм замикання на землю для даної мережі при вимиканні найбільш потужного компенсаційного апарата або найбільш розгалуженої ділянки мережі. Струм замикання на землю повинен бути розрахований для можливої в експлуатації схеми мережі, при якій цей струм буде мати найбільше значення.

Визначається припустимий опір заземлюючого пристрою згідно з таблицею 2.

 

Таблиця 2 - Найбільші значення опорів заземлюючих пристроїв в електро-установках

 

Характеристика установок	Найбільші опори заземлюючого пристрою, Ом
Установки напругою вище 1000 В: З великими струмами замикання на землю (500 А та більше)	0,5 у будь-який час року
3 малими струмами замикання на землю (до 500 А): а) якщо заземлюючий пристрій, одночасно використовується для електроустановок напругою до1000 В; б) якщо заземлюючий пристрій використовується тільки для електроустановок напругою вище 1000 В	125/І І - розрахунковий струм замикання на землю, А 250/1, але не більше 10 Ом
Установки напругою до 1000 В З глухозаземленою нейтраллю: а) опір заземлюючого пристрою, з урахуванням природних заземлювачів і заземлювачів повторних заземлень нульового проводу: - для мережі 220/127 В - для мережі 380/220 В - для мережі 660/380 В б) опір заземлюючого пристрою, розташованого в безпосередній близькості від нейтралі або одиночного повторного заземлення нульового робочого проводу: - для мережі 220/127 В - для мережі 380/220В - для мережі 660/380 В в) загальний опір розтіканню заземлювачів усіх повторних заземлень нульового робочого проводу: - для мережі 220/127 В - для мережі 380/220 В - для мережі 660/380 В
З ізольованою нейтраллю:	10 Ом і з контролем опору ізоляції
Пересувні установки, що живляться від пересувних автономних джерел живлення з ізольованою нейтраллю
	Для установок напругою до 1000 В із глухозаземленою нейтраллю допускається збільшувати опір розтіканню заземлюючих пристроїв при питомому опору ґрунту ρ > 100 Ом·м у 0,01 ρ разів, але не більше десятикратного, для інших установок допускається підвищити опір заземлюючих пристроїв, при питомому опорі ґрунту > 500 Ом х м десятикратно
	Опори ВЛ напругою вище 1000 В при питомому опорі землі, Ом х м: до 10² більше 10² до 5 х 10² більше 5 х 10² до 10 х 10² більше 10 х 10² до 50 х 10² більше 50 х 10²	6 х 10ˉ³ ρ
	Для опор висотою більше 40 м на ділянках ВЛ, захищених тросами, опір заземлюючих пристроїв, повинен бути в два рази меншим порівняно з приведеними
	Опори ВЛ напругою до 1000 В

Підраховується опір природних заземлювачів (якщо немає даних вимірів) за формулами 2-10:

– для вертикального круглого чи косинцевого заземлювача, верхній кінець якого розміщений біля поверхні землі

, (2)

– те ж для зануреного в землю на t₀ від поверхні землі

, (3)

– для протяжного на поверхні землі (стрижень, труба, смуга, кабель і т.д., для смуги шириною а d = 0,5а)

, (4)

– те ж для зануреного в землю на від поверхні

, (5)

– для круглої пластини на поверхні землі

, (6)

– те ж для зануреної у землю на від поверхні

, (7)

– для пластини, поставленої на ребро, зануреної на від поверхні землі

, (8)

– для прямокутної пластини на поверхні землі

, (9)

– для квадратної пластини на поверхні землі

, (10)

де –питомий опір ґрунту, Ом·м (вимірянийе або прийнятий за таблицею 3);

l –довжина заземлювача, м;

d – діаметр круглого заземлювача, м;

t – відстань від поверхні землі до центра заземлювача, м;

D –діаметр круглої пластини, м;

a, b –ширина і довжина пластинчастого заземлювача, м.

Опір розтікання природних заземлювачів системи "грозозахисний трос опори" Rі при кількості опор із тросом більш 20 визначається за формулою 11:

, (11)

де – опір заземлення однієї опори, Ом, приймається з урахуванням сезонних коливань питомого опору ґрунту за таблицею 2;

–0,15 (l/S) – активний опір сталевого троса перетином S, мм², на довжині одного прольоту l, м;

– кількість тросів на опорі.

При використанні залізобетонних фундаментів промислових будинків як природні заземлювачі опір розтіканню їх повинен оцінюватися за формулою 12:

, (12)

де S – площа, обмежена периметром будинку, м²;

– питомий еквівалентний електричний опір грунту, Ом·м, що визначається за формулою 13:

, (13)

де – питомий опір верхнього і нижнього шарів землі відповідно, Ом·м;

h₁ – товщина верхнього шару землі, м;

a, b –безрозмірні коефіцієнти, що залежать від співвідношення питомих опорів шарів землі.

Якщо > , то а = 3,6, а b = 0,1;

Якщо > , то а = 1,1·10², а b = 0,3·10ˉ².

 

Таблиця 3 - Наближені значення питомих електричних опорів різних ґрунтів і води

Ґрунт, вода	Питомий опір, Ом-м
Можливі межі коливань	При вологості ґрунту 10-20% до маси ґрунту
Ґрунт: глина	8-70
суглинок	40-150
пісок	400-700
супісок	150-400
торф	10-30
чорнозем	9-53
садова земля	30-60
кам'янистий	500-800	-
скелястий		-
Вода: морська	0,2-1	-
річкова	10-100	-
ставкова	40-50	-
ґрунтова	20-70	-
у струмках	10-60	-

Під верхнім шаром варто розуміти шар землі, питомий опір якого більше ніж у два рази відрізняється від питомого опору нижнього шару . При цьому в електроустановках напругою до 750 кВ не потрібна прокладка вирівнювальних провідників, у тому числі біля входів і в’їздів, крім місць розташування заземлення нейтралей силових трансформаторів, короткозамикачів, вентильних розрядників і блискавковідводів, якщо виконується умова,т формула 14.

, (14)

де – розрахункова сила струму однофазного замикання, що стікає в ґрунт із фундаментів, КА.

Металеві і залізобетонні конструкції будинків при використанні їх як заземлюючих пристроїв повинні утворювати безперервний електричний ланцюг по металу, а в залізобетонних конструкціях повинні передбачатися закладні деталі для приєднання електричного і технологічного устаткування. Спорудження штучних заземлювачів при цьому не потрібне, якщо параметри залізобетонних фундаментів задовольняють викладені вище вимоги.

Визначається необхідний опір штучних заземлювачів за формулою 15.

, (15)

де – опір струму розтікання природних заземлювачів;

– припустимий опір струму розтікання заземлюючого пристрою, згідно з ПУЕ (таблиця 2).

Вибирається тип заземлюючого пристрою, (виносний чи контурний) на підставі даних про об’єкт, що захищається, і значень , .

Вибирають електроди (стрижневі і смугові) і попередньо розміщають їх на плані об’єкта, що захищається.

Як вертикальні заземлювачі варто використовувати сталеві стрижні діаметром 10-16 мм, довжиною 4,5-5 м або кутову сталь із товщиною стінки не менше 4 мм, довжиною 2,5-3 м. Верхній кінець вертикального заземлювача повинен бути занурений на 0,6-0,7 м від поверхні землі. Як горизонтальні заземлювачі варто використовувати круглу сталь діаметром не менше 10 мм або сталеві смуги товщиною не менше 4 мм.

В установках з ефективно заземленою нейтраллю для вирівнювання електричного потенціалу варто прокладати подовжні і поперечні горизонтальні заземлювачі на глибині 0,5-0,7 м від поверхні землі. Подовжні заземлювачі прокладаються уздовж електроустаткування з боку обслуговування на відстані 0,8-1,0 м від фундаменту або підставки устаткування.

Допускається збільшення відстаней від фундаментів до 1,5 м із прокладкою однієї смуги для двох рядів устаткування, якщо відстань між фундаментами не перевищує 3,0 м, а сторони обслуговування звернені одна до іншої.

Поперечні заземлювачі прокладаються в зручних місцях між устаткуванням. Відстань між ними варто збільшувати від периферії до центра сітки, що заземлює. При цьому перші й наступні відстані не повинні перевищувати відповідно 4,0; 5,0; 6,0; 7,5; 9,0; 11,0; 13,5; 16,0 і 20,0 м.

Розміри вічок заземлюючої сітки, що прилягають до місць приєднання нейтралей силових трансформаторів і короткозамикачів до заземлюючого пристрою, не повинні перевищувати 6х6 м². При цьому контурний електрод, що утворить периметр сітки, повинен охоплювати всі споруди об’єкта, що захищається.

Зовнішня огорожа електроустановок не приєднується до заземлюючого пристрою, і повинна бути на відстані не менше 2 м від його елементів. Якщо цю умову виконати неможливо, то металеві частини огорожі варто приєднати до заземлюючого пристрою, та із зовнішньої сторони огорожі на відстані 1 м від неї і на глибині 1 м має бути прокладений горизонтальний заземлювач, приєднаний до заземлюючого пристрою, не менше ніж у чотирьох точках.

Визначається розрахунковий питомий опір ґрунту для однорідного ґрунту за формулою 16.

 

, (16)

 

де Ψ –коефіцієнт сезонності для вертикального і горизонтального електродів, обумовлений за табл. 4; для двошарової землі відповідно до кліматичної зони даної місцевості за табл. 3.5 знаходиться товщина шару сезонних коливань і коефіцієнт сезонності Ψ,на який збільшується вимірюваний питомий опір цього шару землі, формули 17 та 18.

, (17)

для нижнього шару грунту

, (18)

 

Таблиця 4 - Значення коефіцієнта сезонності для однорідної землі

Кліматична зона	Вологість землі під час вимірів її опору
Підвищена	Нормальна	Мала
Вертикальний електрод довжиною 3 м
І	1,9	1,7	1,5
ІІ	1,7	1,5	1,3
ІІІ	1,5	1,3	1,2
ІV	1,3	1,1	1,0
Вертикальний електрод довжиною 5 м
І	1,5	1,4	1,3
ІІ	1,4	1,3	1,2
ІІІ	1,3	1,2	1,1
ІV	1,2	1,1	1,0
Горизонтальний електрод довжиною 10 м
І	9,3	5,5	4,1
ІІ	5,9	3,5	2,6
ІІІ	4,2	2,5	2,0
ІV	2,5	1,5	1,1
Горизонтальний електрод довжиною 50 м
І	7,2	4,5	3,6
ІІ	4,8	3,0	2,4
ІІІ	3,2	2,0	1,6
ІV	2,2	1,4	1,12
Занурення електродів дорівнює 0,7 – 0,8

 

 

Таблиця 5 - Значення коефіцієнта сезонності для шару сезонних вимірів у багатошаровій землі

Кліматична зона	Умовна товщина шару сезонних вимірювань, м	Вологість землі під час вимірювань її опору
Підвищена	Нормальна	Мала
І	2,2	7,0	4,0	2,7
ІІ	2,0	5,0	3,7	1,9
ІІІ	1,8	4,0	2,0	1,5
ІV	1,5	2,5	1,4	1,1

 

Для однорідного ґрунту розрахунок опору заземлювача ведеться в такій послідовності:

– за попередньою схемою розміщення заземлюючого пристрою, визначається довжина горизонтальних і кількість n вертикальних електродів;

– за формулами (2 – 9) розраховується величина опору одного вертикального електрода і горизонтальних електродів з обліком розрахункового питомого опору ґрунту;

– за таблицями 6 і 7 визначається відповідно коефіцієнт використання вертикальних і горизонтальних електродів;

 

Таблиця 6 - Коефіцієнт використання η вертикальних електродів без урахування впливу смуги зв’язку

Кількість заземлювачів, n	Відношення відстані між електродами до їхньої довжини
Заземлювачі розміщені в ряд	Заземлювачі розміщені по контуру
	0,85	0,91	0,94	-	-	-
	0,73	0,83	0,89	0,69	0,78	0,85
	0,65	0,77	0,85	0,61	0,73	0,8
	0,59	0,74	0,81	0,56	0,68	0,76
	0,48	0,67	0,76	0,47	0,63	0,71
	-	-	-	0,41	0,58	0,66
	-	-	-	0,39	0,55	0,64
	-	-	-	0,36	0,52	0,62

 

 

– розрахунковий опір заземлювача буде розрахований по формулі 19.

 

, (19)

 

Отримане значення опору порівнюється з необхідним опором штучного заземлювача, визначеним за формулою (15). При великих розбіжностях параметри заземлюючого пристрою змінюються і проводиться перерахунок для забезпечення необхідної безпеки експлуатації електроустановок.

Заземлюючі установки з великими струмами замикання на землю, мають складну конструкцію і розраховувати їх рекомендується способом наведених потенціалів, приймаючи двошарову модель ґрунту.

Розрахунок опору заземлювача цим способом ведеться в такій послідовності:

– за попередньою схемою розміщення заземлюючого пристрою, визначаються площа заземлювача S (м²), довжина (м) горизонтальних, кількість п і довжина (м) вертикальних електродів;

 

Таблиця 7 - Коефіцієнт використання горизонтального смугового електроду, що з'єднуює вертикальні електроди заземлювача

Відношення відстаней між вертикальними електродами до їхньої довжини	Кількість вертикальних заземлювачів
Вертикальні електроди розміщені в ряд
	0,85	0,77	0,72	0,62	0,42	-	-	-
	0,94	0,89	0,84	0,75	0,56	-	-	-
	0,96	0,92	0,88	0,82	0,68	-	-	-
Вертикальні електроди по контуру
	-	0,45	0,4	0,34	0,27	0,22	0,2	0,19
	-	0,55	0,48	0,4	0,32	0,29	0,27	0,23
	-	0,7	0,64	0,56	0,45	0,39	0,36	0,33

 

– складається розрахункова модель заземлювача, що являє собою квадратну сітку з взаємно пересічених смуг з вертикальними електродами по контуру квадрата (розрахункова модель і прийнята схема заземлювача мають однакові площі S, довжину горизонтальних , кількість n і довжину вертикальних електродів, глибину закладення м; розрахункова модель занурена в однорідний ґрунт із питомим опором, еквівалентним питомому опору двошарового ґрунту, тобто опір заземлюючого пристрою, розрахункової моделі буде дорівнювати шуканому;

– визначається довжина сторони квадрата моделі як , м;

– обчислюється кількість вічок m за однією стороною моделі за формулою 20.

. (20)

Отримана величина т округляється до цілого числа уточнюється значення L_{r ,}м;

– довжина сторони вічка в моделі b, м.

Розраховується за формулою 21

; (21)

– відстань між вертикальними електродами в моделі при розміщенні їхпо контуру a, м

Розраховується за формулою 22.

 

; (22)

– відносна глибина занурення в землю вертикальних електродів у моделі t _от, м

Розраховується за формулою 23.

 

; (23)

– відносна довжина верхньої частини вертикального заземлювача, що знаходиться у верхньому шарі ґрунту товщиною h, м

Розраховується за формулою 24.

 

; (24)

– визначають розрахунковий еквівалентний питомий опір землі для заземлюючого пристрою – горизонтальної сітки з пересічних смуг з вертикальними електродами ρ, Ом

Розраховується за формулою 25.

 

, (25)

Степень k розраховується за формулами 26, 27 в залежності від виконання умов

при ;(26)

при (27)

– шуканий розрахунковий опір штучного заземлювача визначається за формулою 28:

, (28)

 

де А = 0,444 – 0,84 при 0 ≤ ≤ 0,1 А = 0,385 – 0,25 при 0,1 ≤ ≤ 0,5.

 

Отримана величина опору розтікання заземлювача порівнюється з необхідним значенням, отриманим за формулою (15).

 

Додаток Ж