1.4. Контрольные вопросы

1) Как частота измерительного сигнала и сила тока в измерительной цепи влияют на результаты измерения сопротивления грунта?

2) Какие приборы используются для измерения сопротивления грунта?

3) Какие факторы влияют на изменение сопротивления грунта в течение года?

Лабораторная работа 2

РАСЧЕТ ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Цель работы: изучить назначение, принцип действия, область применения защитного заземления и требования, предъявляемые к нему; освоить методику расчета защитного заземления в однородном грунте.

2.1. Краткие теоретические сведения

Защитное заземление– преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам (индуктивное влияние соседних токоведущих частей, вынос потенциала, разряд молнии и т. п.).

Назначение защитного заземления – устранение опасности поражения током в случае прикосновения к корпусу электроустановки и другим нетоковедущим металлическим частям, оказавшимся под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам.

Защитное заземление следует отличать от других видов заземления, например, рабочего заземленияизаземления молниезащиты.Рабочее заземление – преднамеренное соединение с землей отдельных точек электрической цепи, например, нейтральных точек обмоток генераторов, силовых и измерительных трансформаторов, дугогасящих аппаратов, реакторов поперечной компенсации в дальних линиях электропередачи, а также фазы при использовании земли в качестве фазного или обратного провода. Рабочее заземление предназначено для обеспечения надлежащей работы электроустановки в нормальных или аварийных условиях, осуществляется оно непосредственно (т. е. путем соединения проводником заземляемых частей с заземлителем) или через специальные аппараты – пробивные предохранители, разрядники, резисторы и т. п. Заземление молниезащиты – преднамеренное соединение с землей молниеприемников и разрядников в целях отвода от них токов молнии в землю.

Область применения защитного заземления:

электроустановки напряжением до 1 кВ в трехфазных трехпроводных сетях переменного тока с изолированной нейтралью (система IT);

электроустановки напряжением до 1 кВ в однофазных двухпроводных сетях переменного тока, изолированных от земли;

электроустановки напряжением до 1 кВ в двухпроводных сетях постоянного тока с изолированной средней точкой обмоток источника тока (система IT);

электроустановки в сетях напряжением выше 1 кВ переменного и постоянного тока с любым режимом нейтрали или средней точки обмоток источников тока.

Принцип действия защитного заземления – снижение до безопасных значений напряжения прикосновения и шага, обусловленного замыканием на корпус и другими причинами. Это достигается путем уменьшения потенциала заземленного оборудования (уменьшением сопротивления заземлителя), а также путем выравнивания потенциалов основания, на котором стоит человек, и заземленного оборудования (подъемом потенциала основания, на котором стоит человек, до значения, близкого к значению потенциала заземленного оборудования).

Напряжение прикосновения и ток, протекающий через тело человека, при наличии заземления определяются по формулам [1, 3]:

; (2.1)

, (2.2)

где – ток замыкания на землю, А;

– сопротивление растеканию тока с защитного заземления, Ом;

– сопротивление тела человека, Ом;

₁ – коэффициент напряжения прикосновения, характеризующий форму потенциальной кривой.

Уменьшая значение сопротивления заземлителя растеканию тока R_з, можно снизить напряжение корпуса электроустановки относительно земли, в результате чего уменьшаются напряжение прикосновения и ток, протекающий через тело человека. Заземление будет эффективным лишь в том случае, если ток замыкания на землю I_З практически не увеличивается с уменьшением сопротивления заземлителя. Такое условие выполняется в сетях с изолированной нейтралью(типа IT) напряжением до 1 кВ, так как в них ток замыкания на землю в основном определяется сопротивлением изоляции проводов относительно земли, которое значительно больше сопротивления заземлителя.

Для установок напряжением до 1 кВ сопротивление заземляющего устройства должно соответствовать условию:

, (2.3)

где R_з – сопротивление заземляющего устройства, Ом;

– допустимое значение напряжения прикосновения, которое принимается равным 50 В [1];

I_з – полный ток замыкания на землю, А.

Для установок напряжением выше 1 кВ сопротивление заземляющего устройства должно соответствовать

0,5 Ом  при эффективно заземленной нейтрали (т. е. при больших токах замыкания на землю);

250/I_з , но не более  10 Ом  при изолированной нейтрали (т. е. при малых токах замыкания на землю) и условии, что заземлитель используется только для электроустановок напряжением выше 1000 В.

Расчет защитного заземления проводится с целью определения основных параметров заземления – числа, размеров и порядка размещения одиночных заземлителей и заземляющих проводников, при которых напряжение прикосновения и шага в период замыкания фазы на заземленный корпус не превышает допустимых значений.

Расчет заземления для случая размещения заземлителя в однородной земле производится в следующем порядке.

1. Рассчитывается ток замыкания на землю

, (2.4)

где – номинальное напряжение электроустановки, В;

l_к.л и l_в.л – протяженность питающих кабельных и воздушных линий, км.

2. Определяется требуемое сопротивление растеканию заземляющего устройства . При этом сопротивление заземляющего устройства, к которому присоединены нейтрали трансформаторов, в любое время года должно быть не более 2, 4 и 8 Ом при линейных напряжениях источника трехфазного тока 660, 380 и 220 В соответственно. Для сетей с изолированной нейтралью напряжением 6 – 35 кВ сопротивление заземляющего устройства определяется по формуле (2.3), оно не должно превышать 10 Ом.

3. При наличии естественного заземлителя рассчитывается требуемое сопротивление искусственного заземляющего устройства

, (2.5)

где –требуемое сопротивление растеканию заземляющего устройства, Ом;

–сопротивление естественного заземлителя, Ом.

4. Выбирается схема расположения электродов – в ряд (по периметру и внутри защищаемой территории) или по контуру (по периметру защищаемой территории).

5. Определяется отношение расстояние между электродами (а) к длине вертикального электрода (l_в). Начальное отношение обычно выбирается равным трем.

6. Рассчитывается сопротивление растеканию одиночного вертикального электрода

, (2.6)

где – удельное сопротивление грунта в месте установки заземления, Омм;

–коэффициент сезонности для вертикальных электродов. Выбирается из табл. 2.1;

–длина вертикального электрода, м;

–расстояние от центра вертикального электрода до верхнего уровня грунта, м,

, (2.7)

здесь – глубина заложения вертикального электрода, м.

Таблица 2.1

Характеристики климатических зон

Данные, характеризующие климатические зоны и тип применяемых электродов	Климатические зоны
	1	2	3	4
Климатические признаки зоны
Средняя температура января, С	-15  -20	-10  -14	0  -10	0  6
Средняя температура июля, С	16 – 18	18 – 22	22 – 24	24 – 26
Продолжительность замерзания воды, дн.	170 – 190	150	100	0
Значение коэффициента сезонности
Для вертикальных электродов	1,65	1,45	1,3	1,1
Для горизонтального электрода	4,5	3,0	2,0	1,4

7. Определяется требуемое количество вертикальных электродов

, (2.8)

где – коэффициент использования вертикальных электродов, зависящий от их числа и отношения а / l_в (табл. 2.2).

Предварительно определяется по уравнению (2.8) без учета коэффициента использования. По известному значению определяется и повторно производится расчет по выражению (2.8) с учетом коэффициента использования, таким образом, получается уточненное значениеДалее опять определяется для уточненного значенияи т. д. до того момента, пока полученное значениене будет отличаться от предыдущего менее чем на единицу. Полученное значениеокругляется в большую сторону до ближайшего целого числа.

Таблица 2.2

Коэффициенты использования вертикальных электродов _в группового

заземления (труб, уголков и т. п.) без учета влияния полосы связи

Число заземлителей nв	Отношение расстояний между электродами (а) к их длине (lв)
	1	2	3	1	2	3
	электроды размещены в ряд			электроды размещены по контуру
2 4 6 10 20 40 60	0,85 0,73 0,65 0,59 0,48 – –	0,91 0,83 0,77 0,74 0,67 – –	0,94 0,89 0,85 0,81 0,76 – –	– 0,69 0,61 0,56 0,47 0,41 0,39	– 0,78 0,73 0,68 0,63 0,58 0,55	– 0,85 0,80 0,76 0,71 0,66 0,64

8. Рассчитывается необходимая длина соединительной полосы При расположении в ряд , при расположении электродов по контуру.

9. Определяется расчетное сопротивление растеканию горизонтального электрода

, (2.9)

где – коэффициент сезонности для горизонтального электрода (выбирается из табл. 2.1);

–коэффициент использования горизонтального электрода, зависящий от числа вертикальных электродов и отношения а / l_в (табл. 2.3 и 2.4);

–ширина соединительной полосы, м.

10. Определяется результирующее сопротивление искусственного группового заземляющего устройства

. (2.10)

Таблица 2.3

Коэффициенты использования _г горизонтального полосового электрода,

соединяющего вертикальные электроды (трубы, уголки и т. п.)

группового заземлителя (электроды размещены в ряд)

Отношение расстояний между вертикальными электродами к их длине	Число вертикальных электродов nв
	2	4	6	10	20	40,60,100
Вертикальные электроды размещены в ряд 1 2 3	0,85 0,94 0,96	0,77 0,80 0,92	0,72 0,84 0,88	0,62 0,75 0,82	0,42 0,56 0,68	– – –

Таблица 2.4

Коэффициенты использования _г горизонтального полосового электрода

группового заземлителя (электроды размещены по контуру)

Отношение расстояний между вертикальными электродами к их длине	Число вертикальных электродов nв
	2	4	6	10	20	40	60	100
Вертикальные электроды размещены по контуру 1 2 3	– – –	0,45 0,55 0,70	0,40 0,48 0,64	0,34 0,40 0,56	0,27 0,32 0,45	0,22 0,29 0,39	0,20 0,27 0,36	0,19 0,23 0,33

11. Рассчитывается сопротивление растеканию принятого группового заземляющего устройства

. (2.11)

12. Полученное значение сравнивается с его требуемым значением. Если полученное значение больше требуемого, то необходимо увеличить и повторить расчет. Если полученное значение много меньше требуемого, то необходимо уменьшитьи повторить расчет.

13. В заключение расчета приводится схема размещения заземлителей (рис. 2.1). В случае если на схеме нельзя разместить все электроды, нужно уменьшить отношение а / l_в с трех до двух (с двух до одного) и повторить расчет.

а б

Рис. 2.1. План (а) и схема (б) размещения заземлителей

14. Рассчитывается максимальное напряжение прикосновения при замыкании на заземленный корпус трансформатора

. (2.12)

Полученное значение сравнивают с его предельно допустимыми значениями [5]. По результатам сравнения делается вывод об эффективности защитного заземления.

Для самостоятельной теоретической подготовки по данному вопросу рекомендуется литература [1, 3 – 5].