Розрахунок захисного заземлення

3.3.1 Загальні відомості

Мета розрахунку захисного заземлення – визначення кількості електродів заземлювача і заземлювальних провідників, їхніх розмірів і схеми розміщення в землі, при яких опір заземлюючого пристрою розтіканню струму або напруга дотику при замиканні фази на заземлені частини електроустановок не перевищують допустимих значень.

Розрахунок, як правило, виконується при умовах однорідності ґрунту.

Заземлюючий пристрій складається із заземлювача і з’єднувальної смуги. Розрізняють заземлювачі штучні, які призначені тільки для цілей заземлення, і природні (металеві конструкції і комунікації іншого призначення, які знаходяться у землі).

У якості штучних заземлювачів використовують сталеві труби діаметром 35-50 мм. і кутову сталь (40х40….60х60 мм з товщиною стінок не менше 3,5 мм і довжиною 2,5-3 м); пруткову сталь діаметром не менше 10 мм.; стальні шини перетином 100 мм² . Вертикальні заземлювачі з’єднують у контур смугою із сталі діаметром перетину не менше 6 мм. за допомогою зварювання.

3.3.2 Послідовність розрахунку

1. Визначається розрахунковий струм замикання на землю Із, А і допустимий опір розтікання струму в заземлювальному пристрої Rд, Ом. згідно з ПУЕ в залежності від напруги, режиму нейтралі, потужності електроустановок.

2. Визначається розрахунковий питомий опір ґрунту в залежності від коефіцієнта сезонності для відповідної кліматичної зони:

r_розр.= r_табл – Кс, (3.7)

де r_{табл .} - приблизне табличне значення питомого опору ґрунту, яке рекомендується для розрахунку, табл. 3.11;

Кс – коефіцієнт сезонності, табл. 3.12, 3.13.

3. Визначається Н – відстань від поверхні землі до середини вертикального заземлювача (рис. 3.5):

Рис. 3.5. Схема розміщення заземлювача в ґрунті

H=H₀ + l /2, де l - довжина заземлювача, м.; Н₀ – глибина закладення заземлювача, м.

4. Визначається опір розтікання струму в одному вертикальному заземлювачі, Ом:

R_B=0,366 , (3.8)

5. Визначається орієнтована кількість n_ор вертикальних заземлювачів за формулою:

(3.9)

де - коефіцієнт використання вертикальних заземлювачів,

при =1, n_ор = .

6. Знаючи орієнтовну кількість вертикальних заземлювачів n_ор, їх розташування (у ряд чи по контуру) і відношення відстані між заземлювачами до їх довжини a / l, визначають за табл. 3.14 або 3.15 коефіцієнт використання вертикальних заземлювачів.

7. Визначається необхідна кількість n вертикальних заземлювачів з врахуванням коефіцієнта використання з формули (3.9):

= .

8. Визначається R_{РОЗР.В. –} розрахунковий опір розтікання струму у вертикальних заземлювачах при n_В без врахування з’єднувальної стрічки.

Приймаємо, що усі вертикальні заземлювачі з’єднані паралельно.

R_РОЗР.В. . (3.10)

9. Визначається довжина з’єднувальної стрічки Lс за формулою:

Lс =1,05 – а ( -1). (3.11)

10. Визначається опір розтікання струму в горизонтальному заземлювачі (з’єднувальної стрічці), Rг:

Rг =0,366 , (3.12)

де Вс – ширина стрічки.

11. Визначаємо η _Г – коефіцієнт використання горизонтального заземлювача при розташуванні вертикальних заземлювачів відповідно до вихідних даних (в ряд, або по контуру) з табл. 3.16 або 3.17.

12. Визначаємо R_РОЗР.Г. – розрахунковий опір розтікання струму в горизонтальному заземлювачі (з’єднувальній стрічці) з врахуванням η _Г:

R_РОЗР.Г. = Rг / η _Г.

13. Визначається R_РОЗР – розрахунковий опір розтікання струму у вертикальних та горизонтальних заземлювачах, якій повинен бути не більше R_Д:

R_РОЗР.= .

14. Обирається матеріал та перетин з’єднувальних провідників і магістральної шини згідно табл. 7.8 [12].

Приклад 3.4

Розрахунок штучного заземлювального пристрою при відсутності природних заземлювачів.

Початкові дані

1. Захисту підлягає електрообладнання цеху.

2. Виконання мережі – з ізольованою нейтраллю. Напруга мережі – 380/220 В.

3. Тип заземлювального пристрою – вертикальні сталеві труби з розмірами:

l _B = 3 м; d_B=0,035м; товщина стінки 3,5мм; відстань між вертикальними заземлювачами а = 3м., тобто а / l _B =1. Глибина закладання заземлювачів Н₀ = 0,7м.,Вс=40 мм.

4. Ґрунт – глина; склад – однорідний; вологість – мала. Кліматична зона – ІІІ.

Розв’язок

1. Визначаємо R_Д - допустиме (нормативне) значення опору розтікання струму в заземлювальному пристрої.

Згідно з ПУЕ, R_Д 4 Ом.

2. Визначаємо розрахунковий питомий опір глини для ІІІ– кліматичної зони:

r_РОЗР=r_ТАБЛ · К_С

r_ТАБЛ = 60 Ом · М, (табл. 3.11).

Кс = 1,5, (табл. 3.13).

r_РОЗР= 60 · 1,5 = 90 Ом · М

3. Визначаємо Н – відстань від поверхні землі до середини вертикального заземлювача (рис. 3.5):

H = H₀+ 2,2м..

4. Визначаємо опір розтікання струму в одному вертикальному заземлювачі:

R_B=0,366 ;

R_B=0,366 ;

R_B=26,4 Ом.

5. Визначаємо орієнтовну кількість вертикальних заземлювачів при η _B =1:

n_ОР= = =6,6; приймаємо n_ОР= 7 шт.

6. Визначаємо коефіцієнт використання вертикальних заземлювачів η _B з
табл. 3.14, заземлювачі розташовані в ряд, а / l_B =1, n=7. Приймаємо η _B =0,7.

7. Визначаємо необхідну кількість вертикальних заземлювачів з врахуванням коефіцієнта використання:

n_B = n_ОР / η _B = 7 / 0,7 =9,9.

Приймаємо n =10 шт.

8. Визначаємо розрахунковий опір розтікання струму у вертикальних заземлювачах при n _B =10 без врахування з’єднувальної стрічки:

R_РОЗР.В. 3,8 Ом.

9. Визначаємо довжину з’єднувальної стрічки:

Lc = 1,05 – а (n-1) = 1,05 – 3 – 10 = 31,5 м..

10. За формулою (3.12) для горизонтальних електродів, розташованих в ґрунті, визначаємо опір розтікання струму:

R_Г=0,366 = 5,48 Ом.

11. Визначаємо за табл. 3.16 коефіцієнт використання горизонтального заземлювача при а / l =1, n =10. Приймаємо η _Г =0,56.

12. Визначаємо розрахунковий опір розтікання струму в горизонтальному заземлювачі з врахуванням η _Г :

R_РОЗР.Г. 9,8 Ом.

13. Визначаємо розрахунковий опір розтікання струму заземлювального пристрою:

R_РОЗР.= = = 2,7 Ом..

Отриманий розрахунковий опір розтікання струму відповідає вимогам ПУЕ, ПТЕ та ПТБ.

14. Вибираємо матеріал та поперечний перетин з’єднувальних провідників і магістральної шини за табл. 7.8 [12].

Приймаємо сталеву шину товщиною 4 мм і перетином 100 мм².

Схема з’єднування обладнання з магістральною шиною та з’єднання магістральної шини з заземлювальним пристроєм наведена на рис. 3.6

Рис. 3.6. Схема захисного заземлення:

1- заземлюючий пристрій; 2- заземлюючі провідники; 3-обладнання, що заземлюється; 4- внутрішня магістраль заземлення.

Приклад 3.5

Розрахунок штучного заземлювального пристрою з використанням природних заземлювачів.

Початкові дані

1. Захисту підлягає електрообладнання механічного цеху.

2. Мережа з глухозаземленою нейтраллю. Напруга мережі U = 380 В.

3. Виміряний опір розтікання струму в природному заземлювачі R_П.З =14 Ом. Тип додаткового штучного заземлення - кутова сталь 40х40 мм довжиною l_В =3м. Глибина закладання заземлювачів Н₀=0,8м. З’єднувальна стрічка шириною В_С=0,04м.

4. Ґрунт – пісок; склад однорідний; вологість нормальна. Кліматична зона- ІІІ.

Розв’язок

1. Визначаємо допустиме (нормативне) значення опору розтікання струму в заземлювальному пристрої. Згідно ПУЕ R_Д ≤4 Ом.

2. Визначаємо розрахунковий питомий опір грунту для ІІІ –ї кліматичної зони, вологість нормальна:

r_РОЗР=r_ТАБЛ · К_С,

де r_ТАБЛ = 300 Ом · м, (табл. 3.11),

Кс = 1,3, (табл. 3.13),

r_РОЗР= 300 · 1,3 = 390 Ом · м.

3. Визначаємо Н - відстань від поверхні землі до середини вертикального заземлювача:

Н = Н₀+ l_В / 2= 0,8+3/2=2,3м..

4. Визначаємо опір розтікання струму в одному вертикальному заземлювачі:

R_B= ;

d_EKB=0,95 · B_K =0,95 · 0,04 = 0,038 м.

R_B= =112 Ом.

5. Визначаємо опір розтікання струму штучного заземлення, якщо врахувати, що штучні і природні заземлювачі з’єднані паралельно та їх загальний опір не перевищує R_Д = 4 Ом:

R_Д = .

Тоді R_Ш = = = 5,6 Ом.

6. Визначаємо орієнтовну кількість вертикальних заземлювачів при η_В =1:

n _ОР = =20 шт.

7. Визначаємо коефіцієнт використання вертикальних заземлювачів η_В з табл. 3.15. Заземлювачі розташовані по контуру; а / L =1. n =20.

Тоді η_В =0,44.

8. Визначаємо необхідну кількість вертикальних заземлювачів з врахуванням η_В:

n _В= n _ОР / η_В = 20 / 0,44 =45.

Приймаємо n =45 шт.

9. Визначаємо розрахунковий опір розтікання струму у вертикальних заземлювачах при n =45 шт:

R_РОЗР.В. = 5,7 Ом..

10. Визначаємо довжину з’єднувальної стрічки:

Lc = 1,05 – а – n= 1,05 – 3 – 45 = 142 м..

11. Визначаємо опір розтікання струму в горизонтальному заземлювачі:

R_Г= ;

R_Г= 6 Ом.

12. Визначаємо коефіцієнт використання горизонтального заземлювача.

За табл. 3.17 при а / l =1, n _В=45 отримуємо η _Г =0,22.

13. Визначаємо опір розтікання струму в горизонтальному заземлювачі з врахуванням η _Г:

R_РОЗР.Г. = 27,3 Ом..

14. Визначаємо опір розтікання струму в горизонтальних та вертикальних заземлювачах:

R_РОЗР.= 4,4 Ом..

15. Визначаємо загальний опір розтікання струму в штучному та природному заземлювачах:

R_ЗАГ.= 2,6 Ом.

R_ЗАГ. < R_ДОП

Отримане загально розрахункове значення опору розтікання струму в природному та штучному заземлювачах відповідає вимогам ПУЕ,ПТЕ та ПТБ.

Схема заземлення наведена на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Схема захисного заземлення:

1- заземлюючий пристрій; 2 - заземлюючі провідники; 3 – обладнання, що заземлюється; 4- внутрішня магістраль заземлення.

Таблиця 3.11

Приблизні значення питомих електричних опорів

різних ґрунтів та води, Ом * м

Ґрунт, вода	Можливі межі коливань, ρ	При вологості 10‑20% до маси ґрунту	Рекомендоване значення для приблизних розрахунків
Глина	8 – 70
Суглинок	40 – 150
Чернозем	9 –530
Торф	10 – 30
Садова земля	30 – 60
Супісок	150 – 400
Пісок	400 – 700
Кам’янистий	500 – 800	–	–
Скелястий	104 – 107	–	–
Вода:
морська	0,2 – 1,0	–	1,0
річкова	10 – 100	–
водоймищ	40 – 50	–
струмкова	10 – 60	–
ґрунтова	20 – 70	–

Таблиця 3.12

Ознаки кліматичних зон для визначення коефіцієнтів сезонності

Характеристика кліматичної зони	Кліматичні зони СНД
І	ІІ	ІІІ	IV
Середня багаторічна нижня температура, 0С	Від – 20 до –15	Від – 14 до –10	Від – 10 до – 0	Від – 0 до + 5
Середня багаторічна верхня температура, 0С	Від + 16 до +18	Від + 18 до +32	Від + 22 до +24	Від + 24 до +26
Середньорічна кількість опадів. См.				30 – 50
Тривалість замерзання води, діб	190 – 170

Таблиця 3.13

Коефіцієнт сезонності К с.в. для однорідної землі при вимірюванні її опору

Кліматична зона	Вологість землі при вимірюванні
підвищена	нормальна	мала
К с.в. для електрода довжиною LB = 3 м.
I	1,9	1,7	1,5
II	1,7	1,5	1,3
III	1,5	1,3	1,2
IV	1,3	1,1	1,0
К с.в. для електрода довжиною LB = 5 м.
I	1,5	1,4	1,3
II	1,4	1,3	1,2
III	1,3	1,2	1,1
IV	1,2	1,1	1,0

Таблиця 3.14

Значення коефіцієнта використання вертикальних заземлювачів h_В, розташованих у ряду

Відношення відстані між електродами до їх довжини а / l	Кількість заземлювачів n
	0,86	0,81	0,77	0,74	0,72	0,70	0,67	0,65	0,62	0,60
	0,95	0,92	0,89	0,86	0,84	0,82	0,79	0,77	0,75	0,73
	0,97	0,94	0,92	0,90	0,88	0,87	0,85	0,83	0,82	0,81

Таблиця 3.15

Значення коефіцієнта використання вертикальних заземлювачів h_В, розташованих по контуру

Відношення відстані між електродами до їх довжини а / l	Кількість заземлювачів n
	0,66	0,56	0,50	0,47	0,44	0,41	0,39	0,36
	0,76	0,68	0,65	0,63	0,61	0,58	0,55	0,52
	0,84	0,77	0,73	0,70	0,68	0,66	0,64	0,62

Таблиця 3.16

Значення коефіцієнта використання горизонтального стрічкового електрода h _Г, що з’єднує вертикальні заземлювачі, розташовані у ряду

а / l	Кількість заземлювачів n
	0,84	0,76	0,71	0,67	0,64	0,62	0,60	0,58	0,56	0,55
	0,90	0,85	0,81	0,79	0,77	0,75	0,74	0,73	0,72	0,71
	0,93	0,90	0,87	0,85	0,83	0,82	0,81	0,80	0,79	0,78

Таблиця 3.17

Значення коефіцієнта використання горизонтального стрічкового електрода h_Г, що з’єднує вертикальні заземлювачі, розташовані по контуру