Краткие теоретические сведения. Защитное заземление – преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей

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 заземления и заземления 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;

a₁ – 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
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
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 значение Далее опять определяется для уточненного значения и т. д. до того момента, пока полученное значение не будет отличаться от предыдущего менее чем на единицу. Полученное значение округляется в большую сторону до ближайшего целого числа.

Таблица 2.2

Коэффициенты использования вертикальных электродов h_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)
электроды размещены в ряд	электроды размещены по контуру
	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 h_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
					40,60,100
Вертикальные электроды размещены в ряд	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 h_г горизонтального полосового электрода

группового заземлителя (электроды размещены по контуру)

Отношение расстояний между вертикальными электродами к их длине	Число вертикальных электродовnв
Вертикальные электроды размещены по контуру	– – –	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 уменьшить и 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].