Целью расчета является определение основных конструктивных параметров заземления (числа, размеров, порядка размещения вертикальных стержней и длины соединительной полосы, объединяющей их в групповой заземлитель), при которых сопротивление растеканию тока выбранного группового заземлителя (R_гр) не превзойдет нормативного значения (R_зн).

Исходные данные:

№ вар.	Lв, км	Lк, км	Вид грунта ρ 1 ρ2 ом*м	h, м	t(глубина заложения электрода), м	lв, м	Sт, кВ*А	Климатическая зона	Sздан., м2	Молниезащита	Граф. часть
12	15	4,5	270 180	3	0,5	4	2/25	2	40	1	2

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.).

В соответствии с требованиями [1] защитное заземление электроустановки следует выполнять:

-при номинальном напряжении 380В и выше переменного тока и 440В и выше постоянного тока во всех случаях;

-при номинальных напряжениях от 42В до 380В переменного и от 110В до 440В постоянного тока при работах в условиях с повышенной опасностью, особо опасных и наружных установках.

Заземление осуществляется с помощью специальных устройств — заземлителей. Заземлители бывают одиночные и групповые. Групповой заземлитель состоит из вертикальных стержней и соединяющей их горизонтальной полосы. Вертикальные электроды закладывают вместе с фундаментом зданий на определенном расстоянии друг от друга. С целью экономии средств ПУЭ рекомендует использовать естественные заземлители.

РАСЧЕТ

В нашем случае заземляющее устройство используется для электроустановки напряжением свыше 1000В, поэтому расчетное значение тока замыкания на землю может быть определено по следующей полуэмпирической формуле:

(2,1)

где U_л– линейное напряжение сети (на высокой стороне трансформаторной подстанции), кВ;

l_к, l_в – длина электрически связанных соответственно кабельных и воздушных линий, км.

Таким образом для 10 кВ.,

(2,2)

а для 0,38 кВ,

Принимаем для расчета I_з=25 А.

Соответствующее полученному расчетному значению тока замыкания на землю нормативное значение сопротивления заземляющего устройства (ЗУ) R_з находим по формуле:

R_з < 125 /I_з, (2,3)

R_з < 125 / 25= 5 Ом.

где 125 В – есть расчетное напряжение на заземляющем устройстве, так как заземляющее устройство выполняется общим для сторон 10 и 0,38 кВ.

В соответствии с ПУЭ сопротивление заземлителей у электроустановок напряжением 10 кВ должно быть не более 10 Ом, а с напряжением 0,38 кВ не более 4 Ом. расчетным принимается всегда сопротивление заземления для меньшего напряжения.

При использовании естественных заземлителей требуемое сопротивление искусственного заземлителя R_и определяется по формуле:

(2,4) гдеR_е– сопротивление растеканию тока естественных заземлителей, Ом;

R_и– требуемое сопротивление искусственного заземлителя, Ом;

R_з– расчетное нормированное сопротивление ЗУ, Ом;

При использовании железобетонных фундаментов зданий в качестве заземлителей сопротивления растеканию заземляющего устройства (R) рассчитывается по формуле:

где S - площадь здания, м²;

_Э - удельное эквивалентное электрическое сопротивление земли, Ом•м.

_Э определяется по формуле:

где ₁ - удельное электрическое сопротивление верхнего слоя земли, Ом•м;

₂ - удельное электрическое сопротивление нижнего слоя земли, Ом;

h₁ - толщина верхнего слоя земли, м;

, - безразмерные коэффициенты, зависящие от соотношения удельных электрических сопротивлений слоев земли.

Если ₁  ₂  = 3,6;  = 0,1;

если ₁  ₂  = 1,1•10²;  = 0,3•10^-2.

Под верхним слоем следует понимать слой земли, удельное сопротивление которого ₁ более чем в 2 раза отличается от удельного электрического сопротивления нижнего слоя ₂.

определим сопротивление искусственного заземлителя R_и

Удельный расчётный коэффициент сопротивления двухслойного грунта определяем по формуле:

_(2,7)

где приипри

- удельное сопротивление верхнего слоя, ;

- удельное сопротивление нижнего слоя;

- толщина верхнего слоя земли, м;

- глубина заложения электрода, м;

- длина вертикального электрода, м.

Определяем расчетное удельное сопротивление земли по формуле:

(2,8)

гдеρ – расчетное удельное сопротивление земли, Ом·м;

kc – коэффициент сезонности, учитывающий промерзание или высыхание грунта.

Для климатического пояса II для земли с малой влажностью Ψ = 1,9, следовательно,

Вычисляем сопротивление растеканию тока одиночного вертикального заземлителя R_в. В случае стержневого круглого сечения (трубчатого) заземлителя, заглубленного в землю, расчетная формула имеет вид:

(2,9)

где ρ_эв –Удельный расчётный коэффициент сопротивления двухслойного грунта, вычисленное по формуле (7), Ом·м,;

l – длина вертикального стержня, м;

d – диаметр сечения, мм;

t – расстояние от поверхности грунта до середины длины вертикального стержня, м;

0,5 мt

l

d

Рассчитаем приближенное количество вертикальных стержней:

где R_в – сопротивление растеканию тока одиночного вертикального заземлителя, вычисленное по формуле (9), Ом;

R_и – требуемое сопротивление искусственного заземлителя, вычисленное по формуле (4), Ом;

Таблица 3.

Коэффициент использования электродов (), при отношении

Количество электродов	Электроды в ряд, при отношении			Электроды по контуру, при отношении
	3	2	1	3	2	1
5	0,87	0,80	0,63	–	–	–
10	0,83	0,70	0,55	0,78	0,67	0,50
20	0,77	0,62	0,47	0,72	0,60	0,43
30	0,75	0,60	0,40	0,71	0,59	0,42
50	0,73	0,58	0,38	0,68	0,52	0,37
100	–	–	–	0,64	0,48	0,33
200	–	–	–	0,61	0,44	0,30
300	–	–	–	0,60	0,43	0,28

Таблица 4

Коэффициент использования полосы (), при отношении

Количество электродов	Электроды в ряд, при отношении			Электроды по контуру, при отношении
	3	2	1	3	2	1
5	0,90	0,85	0,72	0,71	0,50	0,41
10	0,79	0,70	0,59	0,55	0,44	0,33
20	0,65	0,55	0,40	0,44	0,39	0,27
30	0,57	0,45	0,30	0,40	0,32	0,23
50	0,49	0,35	0,21	0,37	0,27	0,21
70	0,46	0,33	0,19	0,35	0,25	0,20
100	–	–	–	0,33	0,24	0,19

Определяем предварительно количество электродов – n

Определяем окончательно потребное количество электродов - n,

шт.

Полученное число стержней округляем до ближайшего справочного значения. Следовательно, n= 20.

Определяем конфигурацию группового заземлителя (контур) с учетом возможности его размещения на отведенной территории и соответствующую длину горизонтальной полосы:

l_г = 1,05·а·п, (2,10)

где а – расстояние между вертикальными стержнями, м;

п – количество вертикальных стержней;

а = k · l_в, (2,11)

где k – коэффициент кратности, равный 1, 2, 3;

l_в – длина вертикального стержня, м.

Коэффициент кратности примем равным 2.

а = 2 ·4 = 8 м ,

l_г = 1,05·8·20 = 168 м.

Периметр здания = 2 · (5 + 8) = 26 м.

Вычисляем сопротивление растеканию тока горизонтального стержня R_г. В случае горизонтального полосового заземлителя расчет выполняется по формуле:

(2,12)

где ρ –расчетное удельное сопротивление грунта, Ом·м;

l – длина горизонтальной полосы, м;

b – ширина полосы, м;

t – расстояние от поверхности грунта до середины ширины горизонтальной полосы, м;

0,8 t (2,13)

b

Выбираем коэффициенты использования вертикальных стержней (η_в) и горизонтальной полосы (η_г) с учетом числа вертикальных стержней (п) и отношения расстояния между стержнями (а) к их длине (l_в).

; η_г = 0,4; η_в = 0,6.

Рассчитаем эквивалентное сопротивление растеканию тока группового заземлителя:

, (2,14)

где R_в, R_г – соответственно сопротивления вертикального стержня и горизонтальной полосы, вычисленные по формулам (9) и (13) соответственно, Ом;

η_в, η_г – соответственно коэффициенты использования вертикальных стержней и горизонтальной полосы, Ом;

n – количество вертикальных стержней.

(2,15)

Полученное сопротивление растеканию тока группового заземлителя не должно превышать требуемое сопротивление

R_гр ≤ R_и (2,16)

3,346 < 4,1.

т.е. полученное сопротивление удовлетворяет необходимому условию (2,16).

Рассчитанные параметры ЗУ сведем в таблицу:

, Ом·м	lв, м	k	n, шт	lг, м	в	г	Rв, Ом	Rг, Ом	Rгр, Ом	Rи, Ом
227,37	4	1,9	20	168	0,6	0,4	49,78	5.54	3,346	4,1