Розрахунок заземлювальних пристроїв

Розрахунок заземлювального пристрою зводиться до визначення кількості, вертикальних і горизонтальних електродів заземлювача залежно від необхідного відповідно до ПУЕ опору заземлення, питомого опору землі в місці споруди заземлюючого пристрою, прийнятих розмірів електродів і конфігурації заземлювача.

Розрахунку заземлювача повинен передувати попередній вимір питомого опору землі в місці його улаштування. Питомий опір землі ρ, що характеризується опором між сторонами куба землі з ребром в 1 м, вимірюється в Ом·м. Інколи ρ виражають в Ом·см і тоді 1 Ом-м = 100 Ом·см.

Питомий опір землі змінюється від десятків до тисяч Ом·м залежно від таких факторів, як зміст вологи, температура грунту, його будова і ступінь ущільненості, пора року.

У табл. 1.25 і 1.26 вказані відповідно ознаки кліматичних зон і значення коефіцієнта сезонності.

Таблиця 1.25 - Ознаки кліматичних зон для

визначення коефіцієнтів сезонності ψ [20]

Характеристика Зони	Кліматичні зони відповідно з [20]
I	II	III	IV
Середня багатолітня температура, оС:
нижча (січень)	від -20 до -15	від -14 до -10	від -10 до 0	від 0 до +5
вища (липень)	від +16 до +18	від +18 до +22	від +22 до +24	від +24 до +26
Тривалість замерзання води, дні	190...170	~150	~100

Таблиця 1.26 - Коефіцієнти сезонності ψ для однорідної землі [20]

Кліматична зона (по табл. 5.25)	Стан землі під час вимірів її опору при вологості	Кліматична зона (по табл. 5.25)	Стан землі під час вимірів її опору при вологості
підвищеної	нормальної	малоюї	підвищеної	нормальної	малої
Вертикальний електрод завдовжки 3 м	Горизонтальний електрод завдовжки 10 м
I	1,9	1,7	1,5	I	9,3	5,5	4,1
II	1,7	1,5	1,3	II	5,9	3,5	2,6
III	1,5	1,3	1,2	III	4,2	2,5	2,0
IV	1,3	1,1	1,0	IV	2,5	1,5	1,1
Вертикальний електрод завдовжки 5 м	Горизонтальний електрод завдовжки 50 м
I	1,5	1,4	1,3	I	7,2	4,5	3,6
II	1,4	1,3	1,2	II	4,8	3,0	2,4
III	1,3	1,2	1,1	III	3,2	2,0	1,6
IV	1,2	1,1	1,0	IV	2,2	1,4	1,12

Примітки: 1. Земля вважається підвищеної вологості, якщо виміру її опору передувало випадання великої кількості (зверху норми) опадів (дощів); нормальної (середньої) вологості - якщо виміру передувало випадання невеликої кількості (близьке до норми) опадів; малої вологості - якщо земля суха, кількість опадів в попередній період нижча за норму.

2. Заглиблення електродів, тобто відстань від поверхні землі до верхнього кінця вертикального електроду і до горизонтального електроду, дорівнює 0,7...0,8 м.

Залежність ρ від пори року є достатньо складною, проте відомо, що восени і весною, коли вологість землі збільшується ρ зменшується, а взимку і літом в період промерзання і висихання землі - збільшується. Тому в розрахунках необхідне значення зміряного питомого опору ρ _изм умножати на коефіцієнт сезонності ψ, який враховує можливі зміни значення ρ протягом року і ступінь зволоженості землі в період виконання замірів.

Таким чином, знаходять розрахункове значення питомого опору землі, Ом·м:

ρ _pacч = ρ _изм· ψ. (1.47)

Якщо дані вимірів питомого опору ґрунту відсутні, то для попереднього розрахунку заземлювачів користуються наближеними значеннями (табл. 1.27). Ці дані відносяться до умов нормальної вологості землі.

Таблиця 1.27 - Наближені значення питомі

електричних опорів різних ґрунтів і води [20]

Ґрунт, вода	Питомий опір Ом·м	Ґрунт, вода	Питомий опір Ом·м
Можливі межі коливань	При вологості 10...20 % до маси грунту	Можливі межі коливань	При вологості 10...20 % до маси грунту
Глина	8...70		Кам'янистий	500...800	‑
Суглинок	40...150		Скелястий	104... 107	‑
Пісок	400...700		Вода		‑
Супісок	150...400		морська	0,2...1	‑
Торф	10...30		річкова	10...100	‑
Чорнозем	9...53		ставкова	40...50	‑
Садова земля	30...60		ґрунтова	20...70	‑
			у струмках	10...60	‑

Розрахунок простих заземлювачів. До простих відносяться заземлювачі, виготовлені у вигляді одного-двух рядів вертикальних електродів, сполучених смугою або круглою сталлю, прямокутника з вертикальних і горизонтальних електродів, променевого заземлювача і т. і., які в основному використовуються для установок до 1000 В.

Мета розрахунку - визначення числа, розмірів і способу розміщення горизонтальних і вертикальних електродів, виходячи з відомого питомого опору ґрунту, найбільшого допустимого значення опору заземлювачів, прийнятої форми і розмірів електродів.

При поєднанні заземлювальних пристроїв різної напруги або призначення за розрахункове значення опору заземлювача береться менше з необхідних значень ПУЕ [15].

Як правило, розрахунок простих заземлювачів з точністю, достатньою для практичних цілей, ведеться за допустимим опором заземлювального пристрою методом «коефіцієнта використання» для випадку розміщення заземлювача в однорідній землі. Існує ряд інших методів і способів розрахунку: за напругою дотику і кроку, способом наведених потенціалів, з урахуванням багатошаровості землі і т. і.. Проте вони застосовуються рідше і для складних заземлювачів.

Розрахунок виконують в наступному порядку:

1) визначають необхідний опір заземлювального пристрою R_з. Для установок напругою до 1000 В це значення вказано в ПУЕ [15];

2) знаходять необхідний опір штучного заземлювача з урахуванням використання природних заземлювачів. Знаючи опір природних заземлювачів R_е, яке зазвичай знаходять виміром, можна визначити необхідний опір штучного заземлювача R_и залежно від найбільшого допустимого значення R_з, Ом:

. (1.48)

вибирають форму і розміри вертикальних і горизонтальних електродів, визначають попередню конфігурацію заземлювача. Форму і розміри вертикальних і горизонтальних електродів вибирають виходячи з вимог ПУЕ [15]. Попереднє розміщення електродів на існуючому майданчику необхідно проводити так, щоб відстань між вертикальними електродами була не менше їх довжини. Необхідно враховувати, що збільшення числа вертикальних електродів із зменшенням відстані між ними внаслідок взаємного екранування приводить до зменшення ефективності використання електродів і збільшення опору розтіканню. Залежно від конкретних умов вибирають конфігурацію заземлювача: ряд, прямокутник, променевий і т. п.;

Розміри електродів, відстані між ними, конфігурація заземлювального пристрою визначаються проектом. Найменші розміри сталевих штучних заземлювачів [15]:

Круглі» (лозини), діаметр:	Прямокутні:
неоцинковані 10 мм	перетин 48 мм2
оцинковані 6 мм	товщина 4 мм
	Кутова сталь, товщина полиць 4 мм

визначають розрахунковий опір заземлювача. Відповідно до заздалегідь прийнятого плану розміщення заземлювача визначають кількість n вертикальних і довжину горизонтальних електродів. За відповідними формулами (див. нижче) знаходять розрахункові значення опорів сумарної довжини горизонтальних електродів R_г і одиночного вертикального електроду R_в. По табл. 5.28, 5.29 визначають коефіцієнти використання горизонтальних і вертикальних електродів η_г і η_в залежно від прийнятих параметрів заземлювача, після чого знаходять розрахункове значення опору групового заземлювача R, Ом:

. (1.49)

Приводимо формули для визначення опорів найбільш поширених типів вертикальних і горизонтальних електродів.

Таблиця 1.28 - Коефіцієнти використання η_г горизонтального смугового електроду, що з’єднує вертикальні електроди (кругла сталь, кутики і т. і.) групового заземлювача [20]

Відношення відстаней між вертикальними електродами до їх довжини	Число вертикальних електродів
Вертикальні електроди розміщені в ряд
	0,85	0,77	0,72	0,62	0,42	‑	‑	‑
	0,94	0,80	0,84	0,75	0,56	‑	‑	‑
	0,96	0,92	0,88	0,82	0,68	‑	‑	‑
Вертикальні електроди розміщені по контуру
	‑	0,45	0,40	0,34	0,27	0,22	0,20	0,19
	‑	0,55	0,48	0,40	0,32	0,29	0,27	0,23
	‑	0,70	0,64	0,56	0,45	0,39	0,36	0,33

Таблиця 1.29 - Коефіцієнти використання ηв вертикальних

електродів групового заземлювача (кругла сталь, кутики і т. і.)

без врахування впливу смуги зв'язку [20]

Число заземлювачів n	Відношення відстаней між електродами до їх довжини
електроди розміщені в ряд	електроди розміщені по контуру
	0,85	0,91	0,94	‑	‑	‑
	0,73	0,83	0,89	0,69	0,78	0,85
	0,65	0,77	0,85	0,61	0,73	0,80
	0,59	0,74	0,81	0,56	0,68	0,76
	0,48	0,67	0,76	0,47	0,63	0,71
	‑	‑	‑	0,41	0,58	0,66
	‑	‑	‑	0,39	0,55	0,64
	‑	‑	‑	0,36	0,52	0,62

Опір розтіканню горизонтального електроду із смугової або круглої сталі R_г, Ом:

(1.50)

де ρ_роз - розрахунковий питомий опір землі, Ом·м (з урахуванням коефіцієнта сезонності);

l - довжина електроду, м;

t - глибина заставляння (відстань від поверхні землі до середини електроду), м;

b - ширина смуги, м. Для круглої сталі b = 2d, де d - діаметр.

У орієнтовних розрахунках опір горизонтального електроду, R_г Ом, можна прийняти

(1.51)

Опір розтіканню вертикального електроду з круглої або кутової сталі R_в, Ом

(1.52)

де d - зовнішній діаметр електроду, м; для вертикальних електродів з кутової сталі d = 0,95b,

де b - ширина полиці кутика, м

Решта позначень, як у формулі (1.49).

Розрахований за формулою (1.51) опір електроду, Ом, з круглої сталі діаметром 12 мм, завдовжки 5 м, при t = 3,2 м (верхній кінець електроду знаходиться на відстані 0,7 м від поверхні землі)

R_в = 0,228 ρ_роз. (1.53)

У орієнтовних розрахунках опір вертикального електроду з круглої або кутової сталі можна прийняти

; (1.54)

5) уточнюють вибрані параметри заземлювача. Знайдений на основі п. 4 опір заземлювача R порівнюють з визначеним за п. 1 необхідним опором штучного заземлювача R_и. Якщо R і R_и близькі за значенням, то, значить, форма, розміри, конфігурація заземлювача вибрані правильно. Якщо значення R і R_и значно відрізняються один від одного, то необхідно внести відповідні корективи, які, як правило, полягають в зміні кількості електродів, після чого обхідно знову знайти розрахункове значення R.

Розрахунки заземлювальних пристроїв являються наближеними, тому рекомендується округлювати проміжні і кінцеві результати у бік запасу.

Розрахунок заземлювальних пристроїв пересувних електроустановок. Опір одиночного стержньового інвентарного заземлювача, Ом, верхній кінець якого залишається над поверхнею землі, розраховують за формулою:

. (1.55)

де ρ - питомий опір ґрунту, Ом · м;

l - довжина зануреної в землю частки стержня, м;

d - зовнішній діаметр стержня, м (для кутової сталі d = 0,95 b, де b - ширина полиці кутика).

Для усунення явища екранування відстань між електродами заземлення має бути не менше їх довжини.

Опір заземлювального пристрою R_з Ом, який визначається за формулою

. (1.56)

де η_в - коефіцієнт використання (див. табл. 1.29);

n - кількість стрижньових електродів.

У табл. 1.30 наведені дані по кількості стержневих електродів, необхідних для спорудження заземлювального пристрою пересувної електроустановки опором 10 Ом для умов другої кліматичної зони (див. табл. 1.25, 1.26) з урахуванням коефіцієнта використання (див. табл. 1.29). При нормованому опорі заземлювального пристрою 4 Ом кількість стержнів слід збільшити в 2,5 рази.