§ 7. Защитное заземление

Одной из основных мер, обес1.очив|ирщих электробезопасность на производстве, является защитное заземление металлических корпусов стационарных, передвижных и переносных машин и меха­низмов, использующих электрический привод, корпусов трансфор­маторов и светильников металлических оболочек каболей и про­водов, каркасов распределительных щитов, шкафов и других кон­струкций, связанных с устройством электрооборудования.

Защитное заземление применяется в трехфазных электриче­ских сетях с напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью и выше 1000 В с любым режимом нейтрали. Заземляющие устройства установок с напряжением до 1000 В и выше могут выиолнятьоя об­щими и разделы ни.

В установках с напряжением до 1000 В, расположенных вбли­зи др;т от друга, следует грименять общее заземляющее устрой­ство. Бели в сети с напряжением выше 1000 В, связанной через трансформатор с сетью о напряжением до 1000 В, отсутствует глухое заземление фазы или нейтрали, то для электроустановок, питающихся от этих сетей, следует делать общее заземляющее устройство, ызл* же сеть с напряжением выше 1000 В имеет глу­хо заземленную нейтраль или дазу, то заземляющие устройства

влектроустановок о на ряжением до 1000 В и выше 1000 В выполня­йся раздельными.

Цеховое стационарное электроооорудование промышленных предприятие в подавлявшем большинстве своем питается от сетей напряжением до 1С ТО В и напряжением 6-35 кв. Заземляющие уст­ройстве для этих установок рассчитываются обычно как простые ааземлитвяи в однородном груите.

Исходные данные для расчета;

а) характеристика электроустановки timi ее, виды основногооборудования, рабочие напряжения, режим нейтрали питающей се-ти, способы заземления нейтрали и т.п.);

б) размещение электрооборудования на участке или в помещении;

в) сведемя об естественных ааземлителях. Правила устройст-ва электроустаковок фУЭ) £ 13j предписывают в первую очередьприменять естественные зааемдители, в качестве которых могутбыть использованы проложенные в земле водопроводные и другиеметаллические трубопроводы, за исключением трубопроводов горю-чих жидкостей, горючихзли взрывоопасных газов, в также трубо-проводов, покрытых изоляцией для защиты от коррозии; обсадныеТрубы артезианских колодцев и скважин; металлические конструк-ции н арматура железобетонных конструкций здания и сооружение,имеющие соединение с землей; металлические шпунты гидротехни-ческих сооружений; свинцовые оболочки кабелей, проложенных ввемде; <зсли оболочки кабелей служвт единственными заземлителя-ии, то - расчета заземляющих устройств они должны учитыватьсяпри числе кабелей не менее двух;

г) даняче измерения удельного сопротивления грунта на участ-ке, где предполагается сооружение ааземлителя. При отсутствииэкспериментальных данных для приближенных расчетов удельноесопротивление грунта определяется по табличным значениям />

с учетом климатического хоэффицввнта у> по формуле ' ^г

где значения ^приведены в табл. 7.1 для влажности 10-20$ к весу грунта, а величина у выбирается из табл. 7.2 в зависимо­сти от климатической зоны СССР, где сооружается заземляющее ус­тройство (например, Москва расположена во П климатической зоне).

Таблица 7,1

Наименование грунта

Удельное сопротивление />_г , Ом.м

Песок

Супесок

чернозем

Суглинок

Глина

Торф

700

100 40 20

Таблица 7.2

Характеристика климатиче­ской зоны и тип электрода

П

Климатические зовы СССР

13

Средняя многолетняя выс­шая температура киюль),°с

Признаки климатических зов

_{гтъщщпмтЛ So S «.За}

от +16 от +18 до +18 до +22

~40 ~50

зон
ОТ -10	от 0
ДО 0	ДО +5
от +22	от +24
до +24	до +26
-50	30-50
-100	0

Среднегодовое количество осадков, см

Продолжительность замерза­ния вод, дней

Порядок расчета заземления следующий:

I70-J.90 ~150 Коэффициенты сезонности,^

Вертикальные электроды длиной 2-3 м при глуби­не заложения вершин 0,5-0,8 м	1,8-2	1,5-1,8 1,4-1,6	1.2-1,4
Горизонтальные электро­ды при глубине заложе­ния 0,8 м	4;5^-7	3,5-4,5 2-2,5	1.5-2

I. Выбираем предельно допустимое (нормативное) сопротив­ление заземляющего устройства Я_н . Согласно ПУЭ [13 J в элект­роустановках напряжением до 1000 В #_м ^ш 4 Ом; если же суммар­ная мощность источников питания (трансформаторов, генераторов и т.п.), подключенных к се**, не превышает 100 кВА, то R_M * « 10 Ом.

В эдекстроустановках напряжением выше 1000 В о малым то­ком замыкания не землю ^ (не более 500 А)

R»*f2% Ом, (7.2) но не больше 10 Ом.

йсли заземляющее устройство используется одновременно для электроустановок напряжением до 1000 Б и выше 1000 В, то

Ч °". (7.3)

но не более R„ , "наганных для электроустановок напряжением до IJ00 В (4 или 10 Ом).

В электроустановках напряжением выше 1000 В с большим то­ком ввмыкания на землю ( v$ больше 5С0 A) R_H = 0,5 Ом.

В электроустановках выше 1000 В с изолированной нейтралью ток замыкания на землю, входящий в формулы (7.2) и (7.3), мо­жет быть рассчитан по формуле

где - линейное напряжение сети, кВ; £- суммарная длина подключенных к сети кабельных линий, км; £_в - суммарная дли-. на воздушных линий, км.

При этом ток замыкания на землю должен быть не менее полу-Торакратного тока срабатывания релейной защиты или трехкратно­го номинального тока предохранителей.

В сетях напряжением выше 1000 В с компенсацией емкостных токов для заземляющих устройств, в которым присоединены ком-*, пенсирующие аппараты, в качестве тока замыкания на землю при­нимается ток, равный 125% номинального тока этих аппаратов. Для зеземлпщих устройств, к которым не присоединены аппараты, ком­пенсирующие емкостный ток, в качестве тока замыкания на землю принимается остаточный ток, который может иметь место в данной сети при отключении наиболее мощного из компенсирующих аппара­тов, но не менее 30 А.

2. Определяем сопротивление растеканию тока имеющихся ес­тественных "заземлителей. Сопротивление горизонтально проло­женных в земле металлических трубопроводов может быть прибли­зительно рассчитано по формуле

. где £ - длина трубопровода, м; ,с( - его наружный диаметр, м; t - глубина заложения в грунт, м.

Если в качестве естественного зааемлителя используются свинцовые оболочки проложенных в земле кабелей, то сопротивле­ние растеканию тока одной из них определится как модуль ее

входного сопротивления, которое, в свою очередь, рассчитывает­ся [83 по формуле

*< ■*„' Ом , (7.7)

Г * Аф/*„' (?.8)

где Zg - волновое сопротивление оболочки кабеля, Ом; f - по­стоянная распространения; £- т"шна квбеля в земле, км; £у>-продольное сопротивление оболочки кабеля на длине I км:

где i_llo- активное продольное сопротивление оболочки кабеля, Ом/км;'

d - диаметр оболочки, м; / - частота тока (обычно 50 Гц); х_п - переходное сопротивление оболочки кабеля не землю на длине I км:

'■t„* 0,366-/О 0~-«M_t (7.10)

где t - глубина заложения кабьлн, и.

При нескольких рядом лежацих кабелях значение t_n , рас­считанное по формуле (7.10), следует умножить на коэффициент 1,2 при двух кабелях, на 1,4 яри трех, на 1,5 нри нести, на 1,6 при восьми кабелях.

Сопротивление растеканию некоторых железобетонных есте­ственных зааемлитедей может быть определено расчетом. Сопро­тивление стойки или сваи в грунте

где £ и d - соответственно длина и диаметр стойки нл^г сваи,и; при прямоугольном сечении со сторонами а и / диаметр d-2(o*6)/r. Сопротивление железобетонной горизонтальной плиты

где д - диаметр плиты, м; для прямоугольном плиты со сторона­ми у и $ диаметр $*2(a*t}/sr.

Если сопротивление ьстественного завейлителя, рассчитан­ное по формулам (7.5)-(7.12), не превышает нвриатнвяых знвчв-

57

вий fi , to устройства юкусственного заэемлитвдя не требуется¹), и расчет защитного заземленип на этом заканчивается. Бели же естественные аазеилители отсутствуют или их сопротивление вели­ко, то необходимо устройство искусственных заземлителей, кото­рые в последнем с;„чае включаются параллельно естественным.

3. Сопротивление искусственных заземлителей R_H при их ис­пользовании без естественных заземлителей не должно превышать предельно допустимых (нормативных) значений R_H .

При наличии естественных заземлителей R_u должно быть не

более

Ом

(?.13)

где #_е - сопротивление естественных заземлителей, которое мо­жет быть рассчитано по формулам (7.5)-(7.12).

Выбираем вид заземляющего устройства - сосредоточенный или распределенный. Сосредоточенное заземляющее устройство (рис. 7.1) применяется только при малых токах замыкания на землю, в част­ности в ycTeiKrtex до 1000 В. Распределенное заземляющее уст­ройство применяется, как правило, на открытых электрических подстанциях (рис. 7.2).

■0 о- ОД	НИН г \

Рис. 7Л. Сосредоточенное (вы­носное) заземляющее устройство: I - заземлитель; 2 - заземляю­щие проводники; 3 - заземляемое оборудование

по формуле

Выбираем тип верти-кальных электродов. Ими мо­гут быть некондиционные стальные трубы диаметром 30-50 мм, угловая сталь раз­мером от 40x40 до 60x60 ми и длиной 2,5-3 м, а также стальные прутки диаметром 10-15 мм и длиной 10 м.

Сопротивление одиночно­го вертикального электрода, схема которого представлена на рис. 7.3, рассчитывается

_а о,ззб/>/, х, t,„J^iL) п_м

(7.14)

Ч

при t₀ > 0.5 ы и »f=0,5<?*i_o.

Рис..7.2. Распределев-иое (контурное} заземля­ющее устройство: I -заземлитель; 2 - соединя­ющий проводник; 3 - гра­фик изменения потенциа­ла на защищаемой площад­ке; &пр - напряжение прикосновения; 1/_ш -напряжение шага

_{\ *y\J (kill}

■О Он' | "О

"0 -о

Если электрод выполнен из угловой стали с шириной полки $ , то в формуле (7.14) а * 0,95 Л

Реальные зазеылители представляют собой, как правило, систему вертикальных электродов, соединенных горизонтальным проводником. Зазем-лители располагав в гр\пле в ряд (рис. 7.4) или по контуру (рис. 7.2).

Рис. 7.3.„За­глубленный в грунт верти­кальный элеьт-род

Электрические поля токов, стекающих в землю с вертикальных электродов и соедини­тельной полосы, накладываются друг на друга, вследствие чего сопротивление заземляющего «отройства повышается. Это явление учитывает­ся введением в расчетные формулы соответствующих коэфф циен-тов использования вертикальных электродов £ и соединитель­ной полосы £ . Для уменьшения эффекта экранирования расстоя­ние а между соседними электродами рекомендуется брать не ме­нее 2,5 м. Для заземлителей, расположенных в ряд, отношение а к длине электрода £ обычно принимается равным 2-3. При рас­положении электродов по контуру а'/£ чвще берут равным 3.

Определен необходимое количество вертикальных электро­дов п . Для этох'о предварительно находим произведение коэф-фиц ента использования вертикальных электродов Р, на их ко-

* 59

AL

_m

личество п по формуле

^•"^-^/^ , I'⁷¹⁵)

а зэтем по табл. 7.3 определя­ем п . Неуказанные в таблице значения п находим методом интерполяции. Полученные зна­чения округляем в большую сто­рону до иолых чисел.

_TO

Рис. 7.4. Заземляющее устрой­ство: I - стеиа здания: 2 -заземляющая магистраль, 3 -заземляющий проводник; 4 -заземляемое оборудование; 5 - эаземлитель; 6 - соеди­нительная пол^ л

Вертикальные электроды размещаем на плане участка, отведенного под эаземлитель, и находим длину L горизон­тального проводника, соединя­ющего вертикальные электроды, при расположении электродов в ряд

L г t,OS (п-1)а м; ■ ■ . (^?.16)

по контуру

L - 1,05-п-а,

С?. 17) Твблица 7.3

При размещений в ряд

При размещении по контуру

в/е

3*90 5,90 «,Ю 9,60

1,82

1-8 t£

7,40 10,50 13,40

4

5

6 10 15

го_

2 3 4

10 15 20 8-.fi 8:?*

J.65 0,59 0,54 0,48

D.9I U, 87 0,83

₈

,77 0'74 0,70 0,67 _т

5,50 9,40 16 40 23,40 36,00

3,12 4,38 6,80 12,60 23,20 33,00 52,00 10 20 40 60 100

4~

6 10 20 40 60 100 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

В качестве горизонтального проводника применяют полосjbjd сталь сечением не менее 48 мм^ _и адящинов не мекее 4 мм или сталь круглого сечения диаметром не менее 6 мм. Проводник дол­жен быть выведен на поверхность земли не менее чем в двух мес­тах для присоединения магистралей заземления.

Продолжение табл. 7.3

I	2	3	4	5	6	7
3	5,10 6,10 II 70 15 20	$ 6 В 20	8:1! 8$ 0,85 0 81 0 78 0,76	ы 7,6 14,2 26,4 5» 4 62 0	8 60 100	№ Щ 0,66 0,64 0,62

Сопротивление рзстекаьлю горизонтальной полосы

(7Л8)

при L »4£₀»с, где "с - ширина полосы, м (обычно борется рав­но)* диаметру вертикального электрода); t₀ - глубина заложения полосы в грунт, м (приблизителы > равна расстоянию от верхних концов вертикальных электродов до поверхности земли, - см. рис. 7.3).

Если горизонтальный электрод круглого сечения о диаметром d, то в формуле (7.18) С Результирующее сопротивление искусственного заземлителя растеканию тока

Ом

(7.19)

где^и £„ находим соответственно по табл. 7.3 и 7,4, исходя из определенных выше значений <*/£ ял.

Рассчитанное по формуле (7.19) сопротивление Л», не долж­но превышать установленного Предельно допустимого значения рассчитанного по формуле (7.13). В то же время R_H должно быть не немного меньше R_u\g_Cn ^в яелях экономии металла заземлителя.

Заземлитель соединяется о заземляемым оборудованием при по­мощи магистрали заземления и заземляющих проводников, проклад­ка которых производится открыто по конструкциям здания на спе­циальных опсах (рис. 7.^с). Схема присоединения заземляемого оборудования к магистрали показана на рис. 7.4. Соединение за­земляющих проводников между собой, з также с вавемлвтелями вы-

61 полнимся сваркой, в с корпусами заземляемого оборудования -сваркой или о помощью болтов.

Таблица 7.4

Количество вертикальных электретов,п

8 Ю 20 30 40 50 60 70 100

\ 3

I

3

при расположении электродов в ряд

_{т т ел т т ш щ - -}

0,% 0,92 0*88 0,85 0,82 0,68 0,58 - -

£_п при расположении электродов по контуру - 0,45 0,40 0,36 0,34 0,27 0,24 0,22 0,21 0,20 0,20 0,19

_{: 8% 8:8 8$ Ш 8:8 8:18 8:11 Ш Ш Щ 8$}

. Пример 7.1. Рассчитать защитное за­земление для цехового электрооборудова­ния и оборудования трансформаторной под­станции. Исходные данныеи алектрообору-дсвание цеха питается от внутрицеховой подстанции, оборудованной двумя пони­жающими, трансформаторами 6 кВ/ЗЬО В об­щей мощностью 640 кВА. Сети промышленной' частоты с напряжением 6 кВ и 380 В имеют изолированные от земли нейтраль и фазы. Подвод высокого напряжения осуществляет­ся двумя рядом расположенными кабелями, каждый из которых име­ет длину 0,4 км и глубину заложения в грунт 0,7 и. Кабели за­щищены свинцовой оболочкой сечением 168 мм² и диаметром 39 мм. Продольное активное сопротивление оболочки х„_р » 1,31 Ом/км. Цеховое электрооборудование и оборудование подстанции располо-жено внутри обособлено стоящего здания* Помещение цеха не от­носится к категории взрывоопасных.

Решение. I. 1ак как в сем 6 кВ отсутствует глухое зазем­ление нейтрали или фазы, следует выполнять общее заземляющее

устройство для установок, питающихся от сетей до 1000 и свыше1000 В. -. -■■

Определим нормативное значение сопротивления заземления во формуле (7.3). Вначале найден ток короткого замыкания на землю в сети 6 кВ при суммарной длине кабелей £ * 0,8 км по формуле (7.4):

' !5о*«**^А-.

Откуда в„ » 125/0,48 ■ 260 Ом. В то же время fi» не должно превышать установленных ПУЗ значенгЧ для установок до 1000 В. Так как суммарная мощность трансформаторов больше 100 кВА, то R_H = 4 Ом, Ив двух рассмотренных нормативных зиачеи..Й сопро­тивления заземления берем наименьшее, т.е. й_н » 4 Ом. Исполь­зуем в качестве естественного заземлителя свинцовые оболочки кабелей, соединив их параллельно друг другу. Грунт на террито­рии предприятия - супесок. Предприятие расположено во 0 тема­тической зоне СССР. По табл. 7.1 находим для оугеске j>_r * -« 500 Ом.м. Коэффициент сезонности для горизонтального электро­да ф * 4 (табл. 7.2). Тогда по формуле (7.1) удельное сопро­тивление грунта :J>*. 300.4 » 1200 Ом.м. '

2. Определим сопротивление растеканию тока естественного заземлителя - свинцовых оболочек кабелей; испольвуя формулы (7.6)-(7.Ю), получим

г_п.о,збб-,о-^гоо^^ф =_{3>3i 0}м,«„. При двух рядоч расположенных, кабелях tft* 3,32 /J =3,94 Ом«м ; *_е=/(136у0,7б;-3,92 *%4ii-/0,S3 Ом■ ; /-Ак36 +JQ73-J/3,92' '.qff+JQISf лм

Zfc*(2,4+;o_/63jct/>[(o.6/'/q/ssJq4]0M. ■ 1^дуяь входного сопротивления свинцовой оболочки кабеля {2^)" » 10,2 Ом. Сопрсивление растеканию тока естественного аавем-лителя, состоящего из двух параллельно включенных овинцовых оболоч к кабелей,

*е'*\^гЬс\/2 ^s fO.2/2 **'<' °" > что превышает, нормативное значение 8_И * 4 Ом. Поэтому необхо­димо сооружать искусственный заземлитель и подключать его па­раллельно естественному.

'Найдем пред льно допустимое значение сопротивления

искусственного заземлителя по формуле (7.13).Л^^^*^~| *

■ 18,5 Он. Искусстве!' шй заземлитель будет представлять собой систему вертикальных электродов, верхние концы которых соеди­нены полосой связи. Электроды располагаем в ряд вдоль наружной стены цеха и на глубине 0,7 м ( £_д = 0,7 м) в удалении 40 м от естественного за^емлителя. В качестве вертикальных электродов используем стержня длиной £ = 3 м из угловой стали с шириной полки / = 0,06 и.

Вначале определим по формуле (7.1) удельное сопротивление грунта с учетом коэффициенте сезонности (табл. 7.2); j>-= 800.1,65 = 495 Ом.м.По формуле (7.14) рассчитаем сопротивление одиночного вертикального электрода при t - 0,5.3 + 0,7 = 2,2 м и d* 0,95.0,06 = 0,057 м:

Выбираем расстояние между соседними вертикальными электродами а п 6 и (а/е-2 ). Определяем по формуле (7.15) л) = = 130/18,5 = 7,04, а затем по табл. 7.3, используя метод интер­поляции, находим V? = 9,4. Округляя п в большую сторону до це­лых значений, получим в результате количество вертикальных электродов /?« 10.

Для соединения вертикальных электродов выбираем полосову% сталь сечением 4x40 мм. Определяем по формуле (7.16) длину со­единительной полосы L - I,Q5.(IP~I)x6 = 56,7 м. Сопротивле­ние полисы растеканию тока (7.18) при J> ± 1200 Ом.м, С = » 0,04.и и t₀* 0,7 м

л . 0,366 /200 S6,7^S ,_Л

При а/б «2 и а * 10 по табл. 7.3 и 7.4 находим коэффициен­ты использования вертикальных электродов ■ $₉ - 0,74 и полосы связи ^„«О^б. Затем во формуле (7.19) рассчитываем сопро­тивление всего искусственного ааэеилителя

Полученное значение R_u не превышает предельно допустимого **._$of 18.5 Ом.

Так как искусственный заземлитель достаточно удален от естественного, то можно пренебречь влиянием полей растекания тока друг на друга. Тогда общее сопротивление всего заземляю­щего комплекса, срстоящего из естественного и искусственного

эаземлителей, 6*

что меньше установленного нормативного значения сопротивления заземляющего устройства /?„ » 4 Ом.