8. Расчет защитного заземления с использованием естественных заземлителей

Корпус электродвигателя или трансформатора, арматура электрического светильника или трубы электропроводки не должны находиться под напряжением относительно земли благодаря изоляции от токоведущих частей. Однако в случае повреждения изоляции любая из этих частей может оказаться под напряжением, нередко равным фазному. Электродвигатель с пробитой на корпус изоляцией часто электрически соединен с машиной, которую он приводит в движение, например, установлен на станке. Рабочий, взявшись за рукоятки управления станком, может попасть под напряжение. Чтобы уменьшить опасность поражения людей при повреждениях изоляции токоведущих частей, применяют ряд технических способов обеспечения безопасности, среди которых наиболее распространены защитное заземление металлических нетоковедущих частей электроустановок и их зануление.

Заземление следует выполнять при напряжении не менее 380 В переменного тока и 440 В постоянного, а в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных установках - при номинальном напряжении выше 42 В переменного и выше 110 В постоянного тока.

При сооружении заземляющего устройства выполняют проектный расчет, примерная методика которого приведена ниже.

Исходные данные: а) виды электрооборудования, рабочие напряжения, электрическая мощность и режим нейтрали источника питания и т.п.; б) размеры цеха или участка; в) сведения об естественных заземлителях (их количество, гальваническая целостность, размеры, глубина заложения, взаимное расположение и т.п.); г) удельное электрическое сопротивление грунта r_Г в зоне размещения заземлителя. При отсутствии экспериментальных данных r_Г определяется по формуле:

r_Г = r_Т × Y, (8.1)

где r_Г – табличное значение удельного сопротивления грунта, приведено в табл. 75;

y – коэффициент сезонности, выбираемый в зависимости от климатической зоны страны (в Москве при расчете сопротивления вертикальных электродов y = 1,5¸1,8, горизонтальных электродов y = 3,5¸4,5).

Таблица 756
Наименование грунта	Песок	Супесь	Чернозем	Суглинок	Глина	Торф
Удельное сопротивление rТ, Ом . м	700	300	200	100	40	20

Расчет защитного заземления проводится в следующем порядке:

1. Выбрать наибольшее допустимое значение (нормативное) сопротивления заземляющего устройства R_Н. Согласно "Правилам устройства электроустановок" в электроустановках напряжением до 1000 В, получивших широкое распространение в промышленности, R_Н = 4,0 Ом. Если же суммарная мощность источников питания (трансформаторов, генераторов), подключенных к сети, превышает 100 кВА, то R_Н = 10 Ом.

2. Определить сопротивление растеканию тока, имеющихся естественных заземлителей R_Е. Ниже приведены расчетные зависимости для некоторых из них:

а) горизонтально проложенный в земле на глубине t, м, металлический трубопровод, имеющий наружный диаметр d_ТР, м, и длину l_ТР, м:

0,366 × r_Г l²_ТР

R_ТР = ---------------- × lg -------- ; (8.2)

l_ТР d_ТР × t

б) вертикально установленная в земле железобетонная свая диаметром d_С, заглубленная в грунт на длину l_С:

0,66 × r_Г 4 × l_С

R_С = ----------- × lg -------- , (8.3)

l_С d_С

при прямоугольном сечении сваи со сторонами a_С и b_С

d_С = 2 × (a_С + b_С)/ p ;

(8.4)

в) железобетонный фундамент производственного здания:

R_Ф =0,5 × r_Г / S _Ф,

(8.5)

где S_Ф – площадь, ограниченная периметром здания, м².

Если сопротивление естественных заземлителей не превышает R_Н, то устройство искусственных заземлителей не требуется, и расчет на этом заканчивается. Если естественные заземлители отсутствуют или их сопротивление велико, то необходимо сооружение искусственных заземлителей, которые в последнем случае включаются параллельно естественным.

3. Найти допустимое сопротивление искусственного заземлителя:

R_{И. ДОП} = (R _Е × R _Н) / (R _Е - R _Н), (8.6)

где R_Е – сопротивление естественных заземлителей, рассчитанное по вышеприведенным формулам.

4. Выбрать вид заземляющего устройства. Заземлитель обычно представляет собой систему вертикальных электродов, соединенных горизонтальным проводником. Электроды располагают в ряд или по контуру цеха или площадки, где размещено заземляемое оборудование.

Чаще всего в качестве вертикальных электродов используют стальные прутки диаметром 10÷15 мм и длиной до 10 м, некондиционные стальные трубы диаметром 30÷50 мм, а также угловую сталь размером от 40х40 до 60х60 мм и длиной 2÷3 м.

Сопротивление одиночного вертикального электрода определяется по формуле:

0,366 ×r_Г 2 × l_Э 4 t + l_Э

R_Э = ------------ × (lg -------- + 0,5 × lg ------------). (8.7)

l_Э d_Э 4 t - l_Э

Если электрод выполнен из угловой стали с шириной полки b_П, то в формуле (8.7) d_Э = 0,95 × b_П. При l_Э ³ d_Э и t₀ ³ 0,5 м t = 0,5 × l_Э + t₀ (t₀ – глубина заложения электрода от поверхности земли, м).

5. Определить необходимое количество вертикальных электродов n_Э. Для этого предварительно находим произведение коэффициента использования вертикальных электродов h_Э на их количество n_Э по формуле

h_Э × n_Э = R _Э / R _И.ДОП, (8.8)

а затем, задавшись отношением расстояния a между соседними вертикальными электродами к их длине l, по табл. 76 определяем n_Э. Не указанные в этой таблице значения n_Э находим методом интерполяции и округляем в большую сторону до целых чисел.

Таблица 76
а/l	При размещении в ряд			При размещении по контуру
	hЭ × nЭ	n Э	hЭ	hЭ × n Э	n Э	hЭ
1	1,7	2	0,85	2,76	4	0,69
	2,34	3	0,78	3,66	6	0,61
	2,92	4	0,73	5,5	10	0,55
	3,5	5	0,7	9,4	20	0,47
	3,9	6	0,65	16,4	40	0,41
	5,9	10	0,59	23,4	60	0,39
	8,1	15	0,54	36	100	0,36
2	1,82	2	0,91	3,12	4	0,78
	2,61	3	0,87	4,38	6	0,73
	3,32	4	0,83	6,8	10	0,68
	4,05	5	0,81	12,6	20	0,63
	4,62	6	0,77	23,2	40	0,58
	7,4	10	0,74	33	60	0,55
	10,5	15	0,7	52	100	0,52
3	1,88	2	0,94	3,4	4	0,85
	2,73	3	0,91	4,8	6	0,8
	3,56	4	0,89	7,6	10	0,76
	4,35	5	0,87	14,2	20	0,71
	5,1	6	0,85	26,4	40	0,66
	8,1	10	0,81	38,4	60	0,64
	11,7	15	0,78	62	100	0,62

6. Определить длину горизонтальной полосы, соединяющей вертикальные электроды L, м. При расположении электродов в ряд

L = 1,05 × а × (n_Э – 1), (8.9)

а при расположении по контуру

L = 1,05 × а × n_Э. (8.10)

В качестве горизонтальной соединительной полосы обычно применяют сталь площадью поперечного сечения не менее 48 мм² или толщиной не менее 4 мм, или сталь круглого сечения диаметром d не менее 10 мм. Проводник выводят на поверхность земли не менее чем в двух местах для присоединения к магистрали заземления.

7. Рассчитать сопротивление горизонтальной полосы R_П:

0,366 ×r_Г 2 × L²

R_П = ------------- × lg ---------, (8.11)

L c × t₀

где c – ширина горизонтальной полосы, обычно берется равной диаметру вертикального электрода, м;

t_o – глубина заложения горизонтальной полосы в грунт, м, равна глубине заложения электрода от поверхности земли.

Если горизонтальная соединительная полоса круглого сечения, то в формуле (8.11) c = 2d;

Результирующее сопротивление искусственного заземлителя:

R_Э × R_П

R_И = -----------------------------, (8.12)

R_Э × h_П + R_П × h_Э × n _Э

где h_П – коэффициент использования соединительной горизонтальной полосы, определяемый по табл. 77.

Рассчитанное значение R_И не должно превышать R_И.ДОП. В то же время R_И должно быть не намного меньше R_И.ДОП в целях экономии металла заземлителя.

Заземлитель соединяют с магистралью заземления, к которой с помощью заземляющих проводников присоединяют заземляемое оборудование. Все соединения в заземляющем устройстве выполняют сваркой, а его присоединение к корпусам электрооборудования сваркой или с помощью болтов.

Таблица 77
а/l	Коэффициент использования горизонтальной соединительной полосы hП при количестве вертикальных электродов nЭ
	2	4	6	10	20	30	40	50	60		70
Расположенных в ряд
1	0,85	0,77	0,72	0,67	0,62	0,42	0,31	---	---		---
2	0,94	0,89	0,84	0,79	0,75	0,56	0,46	---	---		---
3	0,96	0,92	0,88	0,85	0,82	0,68	0,58	---	---		---
Расположенных по контуру
	4	6	8	10	20	30	40	50	60	100
1	0,45	0,4	0,36	0,34	0,27	0,24	0,22	0,21	0,2	0,19
2	0,55	0,48	0,43	0,4	0,32	0,3	0,29	0,28	0,27	0,23
3	0,7	0,64	0,6	0,56	0,45	0,41	0,39	0,37	0,36	0,33

Исходные данные для расчета по вариантам приведены в табл. 78.

Таблица 78

№ варианта	Вид грунта	Наличие естественного заземлителя; размеры, м	Длина вертикального электрода lЭ, м	Диаметр электро-да dЭ или ширина полки bП, м	Глубина заложения электрода от поверхности земли t0,, м	Отношение a/l
1	2	3	4	5	6	7
1	Глина	Железобетонная свая dC = 0,3; lC = 4,0	3,0	bП =0,06	0,5	2
2	Суглинок	Железобетонный фундамент SФ = 1250 м2	2,5	dЭ =0,06	0,7	3
3	Суглинок	Металлический трубопровод d ТР = 0,12 м; lТР = 15 м	2,8	bП = 0,02	0,8	2
4	Супесь	Железобетонный фундамент SФ = 1000 м2	2,5	dЭ =0,08	0,9	1
5	Чернозем	Железобетонная свая dC = 0,3; lC = 4,0	2,6	dЭ =0,04	0,6
6	Песок	Отсутствует	3,0	dЭ =0,03	0,8	3
7	Торф	Железобетонная свая dC = 0,4; lC = 4,0	2,7	bП = 0,03	0,6	1
8	Песок	Железобетонная свая dC = 0,6; lC = 5,0	3,0	bП = 0,05	0,5	2
9	Чернозем	Железобетонный фундамент SФ = 1500 м2	2,0	dЭ =0,06	0,7	3
10	Супесь	Металлический трубопровод dТР = 0,15; lТР = 30,0	2,3	dЭ =0,02	0,9	1