Цельрасчета заземления — определить число и длину вертикальных элементов (стержней), длину горизонтальных элементов (соединительных полос) и разместить заземлители на плане электроустановки, исходя из значений допустимых сопротивления и максимального потенциала заземлителя.
Расчет производится в следующем порядке:
1 Определяется норма сопротивления заземления Rн в зависимости от напряжения, режима работы нейтрали, мощности и других данных электроустановки .
2 Определяется расчетное удельное сопротивление грунта с учетом климатического коэффициента:
rрасч = rтабл. y, (8.1)
где rрасч — расчетное удельное сопротивление грунта с учетом климатического коэффициента .
rтабл — удельное сопротивление грунта по таблице 8.1 .
y — климатический коэффициент по таблице 8.2.
Таблица 8.1 — Значения удельных сопротивлений грунтов при влажности 10 — 12 % к массе грунта
Грунт | Удельное сопротивление, Ом·м | Грунт | Удельное сопротивление, Ом·м |
Глина | Супесок | ||
Суглинок | Песок | ||
Чернозем | Скалистый |
Таблица8.2 — Значения климатических коэффициентов и признаки зон
|
|
Тип заземлителя | Климатические зоны | |||
I | II | III | IV | |
Вертикальные стержни длиной lс =2-3 м и при глубине заложения Н0 = 0,5-0,8 м | 1,8–2,0 | 1,5–1,8 | 1,4–1,6 | 1,2–1,4 |
Горизонтальные полосовые заземлители при глубине заложения Н0 = 0,8 м | 4,5–7,0 | 3,5–4,5 | 2,0–2,5 | 1,5–2,0 |
Признаки климатических зон | ||||
Средняя температура января, оС | от -20 до -15 | от -14 до -10 | от -10 до 0 | от 0 до +5 |
Средняя температура июля, оС | от +16 до +18 | от +18 до + 22 | от +22 до +24 | от +24 до +28 |
3 Определяется сопротивление одиночного вертикального заземлителя R с с учетом удельного сопротивления грунта:
, (8.2)
где R с — сопротивление одиночного вертикального заземлителя с учетом удельного сопротивления грунта, Ом .
d — диаметр стержня, м .
— длина вертикального заземлителя, м .
— расстояние от поверхности земли до середины заземлителя .
— глубина заложения заземляющего устройства, м.
4 Учитывая нopмy сопротивления заземления R н, определяют число вертикальных заземлителей без учета взаимного экранирования:
,(8.3)
где n — число вертикальных заземлителей без учета взаимного экранирования.
5 Разместив заземлители на плане и, задавшись отношением расстояния между одиночными заземлителями S к их длине , определяют с учетом коэффициента использования вертикальных стержней
с окончательно число заземлителей и сопротивление заземлителей — без учета соединительной полосы:
, (8.4)
где n1 — окончательное число заземлителей с учетом взаимного экранирования .
с — коэффициент использования вертикальных стержней (таблица 8.3).
|
|
Таблица 8.3 — Коэффициенты использования вертикальных заземлителей
Отношение расстояния между заземлителями (м) к их длине (м), ![]() |
Число заземлителей n | |||||||
Заземлители располагаются в ряд | ||||||||
0,85 | 0,73 | 0,65 | 0,59 | 0,48 | — | — | — | |
0,91 | 0,83 | 0,77 | 0,74 | 0,67 | — | — | — | |
Заземлители располагаются по контуру | ||||||||
— | 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 | |
— | 0,85 | 0,80 | 0,76 | 0,71 | 0,66 | 0,64 | 0,62 |
, (8.5)
где Rсс — сопротивление заземлителей без учета соединительной полосы.
6 Определяется сопротивление соединительной полосы :
, (8.6)
где — сопротивление соединительной полосы, Ом .
— длина соединительной полосы, м .
S — расстояние между одиночными заземлителями, м .
— ширина соединительной полосы, м .
— глубина заложения полосы, м.
Далее с учетом коэффициента использования полосы (таблица 4.4) уточняется:
, (8.7)
Rп — сопротивление соединительной полосы.
Таблица 8.4 — Коэффициенты использования горизонтальной полосы, соединяющей вертикальные заземлители
Отношение расстояния между заземлителями (м) к их длине (м), ![]() |
Число вертикальных заземлителей n1 | |||||||
Вертикальные заземлители расположены в ряд | ||||||||
0,85 | 0,77 | 0,72 | 0,62 | 0,42 | — | — | — | |
0,94 | 0,89 | 0,84 | 0,75 | 0,56 | — | — | — | |
Вертикальные заземлители расположены 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 |
7 Определяют общее сопротивление заземляющего устройства и соединявшей полосы и проверяют, соответствует ли оно нормативному значению Rн:
, (8.8)
R — общее сопротивление заземляющего устройства и соединительной полосы.
Пример расчета. Заземлению подлежит оборудование понижающей подстанции напряжением 6/0,4 кВ. Мощность трансформатора 200 кВ·А, схема соединения обмоток Y/Dн, т.е. на стороне высокого напряжения — глухозаземленная нейтраль, низкого — изолированная нейтраль. Грунт — суглинок, климатическая зона — II.
Для заземляющего устройства в качестве вертикальных стержней предполагается использовать угловую сталь с шириной полки 40 мм, длиной 3 м . в качестве соединительной полосы — стальную шину сечением 40х4 мм.
1 Токи замыкания на землю в подобных установках меньше 500 А, поэтому для заданной мощности трансформатора нормированное сопротивление заземляющего устройстваRн £ 4 Ом.
2 Удельное сопротивление грунта Ом·м (см. таблицу 8.1). Сучетом климатических коэффициентов
1,4 .
4 (см. таблицу 8.2) расчетные удельные сопротивления:
Ом×м,
Ом×м.
3 Эквивалентный диаметр стержней: d = 0,95 . 0,04 = 0,038 м.
Сопротивление одиночного заземлителя при Н0 = 0,5 м и H = 0,5+ 3/2 = 2 м определяем по формуле (8.2):
Ом.
4 Без учета взаимного экранирования число заземлителей n = 40,5 / 4 = 10 шт.
5 Заземляемый объект – небольшое, отдельно стоящее здание, поэтому заземляющее устройство выбираем контурное в виде прямоугольника (рисунок 8.1) с ориентировочным соотношением сторон — 2х3.
Рисунок 8.1 — Эскиз заземления
Исходя из реальных условий, берем отношение = 1. Тогда
(см. таблицу 4.3) и
шт. Сопротивление заземлителей
Ом.
6 Длина соединительной полосы м .
берем равной
м. Тогда сопротивление соединительной полосы формула (4.6) равно:
Ом.
С учетом коэффициента использования полосы (см. таблицу 4.4)
Ом.
7 Общее сопротивление заземляющего устройства находим по формуле (4.8).
Ом.
Полученное расчетное сопротивление R удовлетворяет требованиям ПУЭ: R < . Rн = 4 Ом. Стержневые заземлители длиной по 3 м в количестве 18 шт. расположены в прямоугольном контуре размером 11х16 м.
8.3 Расчет зануления
Цель расчета зануления — определить сечение защитного нулевого провода, удовлетворяющее условию срабатывания максимальной токовой защиты, при известных остальных параметрах сети и заданных параметрах автоматического выключателя или плавкой вставки. Принципиальнаясхема зануления представленана рисунке 4.2.
|
|
Рисунок 8.2 — Схема зануления установки
При замыкании на зануленный корпус электроустановки ток короткого замыкания I к проходит через следующие участки цепи: обмотки трансформатора Тр, фазный провод В, нулевой проводник Н, а также по параллельной ветви: заземление нейтрали R o, участок грунта, повторное заземление R п. Сопротивление петли фаза-нуль обычно не превышает 2 Ом, а сопротивление (R o+ R п), согласно [4] должно быть в пределах 7-28 Ом в зависимости от напряжения сети. Поэтому ток I з , протекающий через землю, много меньше тока I н, проходящего по нулевому проводнику, и можно считать I к = I н, Тогда:
, (8.9)
где Iном — номинальный ток срабатывания устройства защиты, А .
— коэффициент кратности номинального тока (см. пункт 8.1).
Значение I ном определяется мощностью подключенной электроустановки, и выбирается из условия несрабатывания при протекании через них рабочих токов электроустановки. Например, для электродвигателей ток I ном плавких вставок предохранителей должен в 1,6 — 3 раза превышать номинальные токи.
Расчетный ток короткого замыкания с учетом полного сопротивления петли фаза-нуль Z п:
IКЗ , (8.10)
где IКЗ — расчетный ток короткого замыкания, А .
U ф — фазное напряжение сети, В .
ZТ — сопротивление трансформатора, Ом.
Zп — полное сопротивление проводников петли фаза-нуль, Ом.
Значения ZТ в зависимости от мощности трансформатора P и схемы соединения обмоток звезда-звезда Y/Yн или треугольник-звезда /Yн с четвертым нулевым защитным проводником с низкой стороны трансформатора приведены в таблице 8.5.
Таблица 8.5 — Расчетные сопротивления трансформаторов при вторичном напряжении 380/220 В*)
Р, кВт | Zт | Р, кВт | Zт | ||
Y/Yн | ![]() |
Y/Yн | ![]() |
||
3,110 | 0,906 | 0,312 | 0,090 | ||
1,950 | 0,562 | 0,195 | 0,056 | ||
1,240 | 0,360 | 0,129 | 0,042 | ||
0,800 | 0,266 | 0,081 | 0,029 | ||
0,487 | 0,141 | 0,054 | 0,017 | ||
Примечание: *) Для трансформаторов о вторичным напряжением 220/128 В Z т следует уменьшить в 3 раза. |
Полное сопротивление проводников петли фаза-нуль:
|
|
, (8.11)
где Rф, Rн — активные сопротивления фазного и нулевого провода, Ом .
xф, xн — внутренние сопротивления разного и нулевого проводов .
xп — внешнее индуктивное сопротивление петли фаза-нуль.
Для медных и алюминиевых проводников фаз по известным данным: сечению, длине и удельному сопротивлению проводника определяется активное сопротивление:
, (8.12)
где Rф, — активное сопротивление фазного провода, Ом .
l – длина фазного провода, м .
— удельное сопротивление проводника
, Ом · мм2/м (для меди
= 0,018 Ом · мм2/м, а для алюминия
= 0,028 Ом · мм2/м) .
Sф – сечение фазного провода, мм2.
Значение xф для медных и алюминиевых проводников мало, поэтому в формуле(8.11)им можно пренебречь.
Если нулевой защитный проводник выполнен из стали прямоугольного или круглого сечения, то R н = r 1· l, хн = х1 · l, где r 1 и x 1 — активное и внутреннее индуктивное сопротивление 1 км проводника, которые указаны в таблице 8.6. Они зависят от его профиля и площади сечения S н, а также от ожидаемой плотности тока в проводнике i н, А/мм2.
Таблица 8.6 — Значения r 1 и x 1, Ом/км стальных проводников при переменном токе (f = 50 Гц) [11]
Размеры сечения, мм | S н , мм2 | Плотность тока в проводнике i н, А/мм2 | |||||||
0,5 | 1,0 | 1,5 | 2,0 | ||||||
r 1 | x 1 | r 1 | x 1 | r 1 | x 1 | r1 | x 1 | ||
20×4 | 5,24 | 3,14 | 4,20 | 2,52 | 3,48 | 2,09 | 2,97 | 1,78 | |
30×4 | 3,66 | 2,20 | 2,91 | 1,75 | 2,38 | 1,43 | 2,04 | 1,22 | |
30×5 | 3,38 | 2,03 | 2,56 | 1,54 | 2,08 | 1,25 | 1,60 | 0,98 | |
40×4 | 2,80 | 1,68 | 2,24 | 1,34 | 1,81 | 1,09 | 1,54 | 0,92 | |
60×4 | 2,28 | 1,37 | 1,79 | 1,07 | 1,45 | 0,87 | 1,24 | 0,74 | |
50×5 | 2,10 | 1,26 | 1,60 | 0,96 | 1,28 | 0,77 | — | — | |
60×5 | 1,77 | 1,06 | 1,34 | 0,80 | 1,08 | 0,65 | — | — |
i н = I н / S н, (8.13)
где i н — плотность тока в проводнике, А/мм2.
S н — площадь сечения нулевого защитного проводника, мм2.
При выборе сечения нулевого проводника следует обеспечить i н = 0,5-2,0 А/мм2.
Материал и сечение разных проводников выбирают, исходя из мощности потребителей энергии, а материал и сечение нулевого защитного проводника — должны удовлетворять условию:
Z н £ 2 . Z ф , (8.14)
где Zн и Zф — полные сопротивления соответственно нулевого и разного проводника, Ом.
Внешнее индуктивное сопротивление петли фаза-нуль, если используется воздушная линия электропередачи и частота тока f = 50 Гц, можно определить по формуле:
x п = 0,1256 . l . ln (2 . D / d), (8.15)
где хп — внешнее индуктивное сопротивление петли фаза-нуль, Ом .
l — длина линии,км .
D — расстояние между проводниками линии, м .
d — диаметр проводников, м.
Для грубых расчетов используют формулу x п = 0,6 . l, что соответствует D = 1 м. Для уменьшения значения x п нулевой защитный проводник следует прикладывать рядом с фазным. Если нулевой проводник является четвертой жилой кабеля или металлической трубой, в которой расположены разные проводники, то x п мало по величине и им можно пренебречь, в формуле (8.11).
Если источник питания и линия электропередачи заданы, то необходимо выбрать соответствующий автоматический выключатель, используя приведенные выше рекомендации. Если задан автоматический выключатель задан, тогда необходимо определить сечение нулевого провода. В обоих случаях проводится расчет на срабатывание выключателя. Если в результате расчета условие (4.9) выполняется, то расчет окончен, а если не выполняется, то его повторяют, выполнив одно из мероприятий: изменяют параметры выключателя . утолщают нулевой защитный проводник . измеряют параметры фазных проводников.
Пример расчета. Электроустановка снабжается энергией от трансформатора мощностью 630 кВА, напряжением 10/0,4 кВ со схемой соединения обмоток Y/Yн. Линия 380/220 В протяженностью 300 м состоит из трех проводников сечением 15 мм2, нулевой защитный проводник – стальная полоса сечением 50 x 4 — проложена в 20 см от фазных проводников. Проверить обеспечивается ли отключающая способность зануления распределительного щитка, если в качестве зашиты используется автоматический выключатель с I ном = 60 A.
1 Определяем по формуле (8.9) для автоматического выключателя I к = 1,4 . 60 = 84 А.
2 По таблице 8.5 находим сопротивление обмоток трансформатора Z т = 0,129 Ом.
Далее рассчитываем по формуле (8.11) полное сопротивление петли фаза — нуль.
3 По формуле (8.12) находим при l = 300 м R ф = 0,028 . 300/15 = 0,56 Ом.
4 Согласно формуле (8.13) i н = 84/(50 . 4) = 0,42 A/мм2. Считая i н = 0,5, по таблице 8.6 для нулевого защитного проводника находим R 1 = 2,28 Ом/км, x 1 = 1,37 Ом/км. Тогда R н = 2,28 . 0,3 = 0,684 Ом . xy = 1,73 . 0,3 = 0,411 Ом.
5 Условие (8.14) выполняется: Z н = 0,8 . 2 · Z ф = 1,1 . Z н < . 2 · Z ф
6 Внешнее индуктивное сопротивление проводников согласно формуле (8.15) берем с запасом (d = 2· ):
x п = 0,1256 . 0,3 . ln (2 . 0,2/0,00564) = 0161 Ом.
7 По формуле (8.11) находим Z п = 1,37 Ом, затем по формуле (8.10) определяем I н = 156 А. Следовательно условие (8.9) выполняется, и отключение распределительного щитка в аварийной ситуации также обеспечивается.
Задача 8.1 Спроектировать защитное заземление оборудования лаборатории (ЛАБ) или понижающей подстанции (ПП) 6/0,4 кВ, от которой питается лаборатория. Заземляющее устройство заглублено: Н о = 0,5 — 0,8 м. Для вертикальных заземлителей длиной l c = 2,0 – 3,5 м использовать стальные трубы диаметром не менее 25 мм или уголок с полкой не менее 25 мм. Для соединительной полосы использовать стальную шину сечением 40х4 мм. Варианты остальных исходные данных приведены в таблице 8.7.
Таблица 8.7 — Варианты исходных данных для расчета защитного заземления
№ вар. | Объект защиты | Параметры трансформатора | Климатическая зона | Грунт | Расположение вертикальных заземлителей | |
мощность, кВ·А | Соединение обмоток | |||||
ЛАБ | D/Dн | I | суглинок | в ряд | ||
ЛАБ | D/Dн | III | чернозем | в ряд | ||
ПП | Y/Dн | I | супесок | по контуру | ||
ЛАБ | D/Dн | IV | песок | в ряд | ||
ПП | Y/Dн | III | суглинок | по контуру | ||
ЛАБ | Y/Dн | II | глина | в ряд | ||
ПП | D/Dн | IV | чернозем | по контуру | ||
ЛАБ | Y/Dн | I | песок | в ряд | ||
ПП | Y/Dн | II | супесок | по контуру | ||
ЛАБ | D/Dн | III | глина | в ряд | ||
ПП | Y/Dн | II | суглинок | по контуру | ||
ЛАБ | D/Dн | IV | супесок | в ряд | ||
ПП | Y/Dн | III | песок | по контуру | ||
ЛАБ | D/Dн | I | суглинок | в ряд | ||
ПП | Y/Dн | IV | супесок | по контуру | ||
ПП | D/Dн | III | чернозем | по контуру | ||
ЛАБ | Y/Dн | II | глина | в ряд | ||
ПП | Y/Dн | I | песок | по контуру | ||
ЛАБ | D/Dн | IV | чернозем | в ряд | ||
ПП | Y/Dн | II | глина | по контуру | ||
ЛАБ | D/Dн | III | суглинок | в ряд | ||
ПП | Y/Dн | II | супесок | по контуру | ||
ЛАБ | D/Dн | I | глина | в ряд | ||
ПП | Y/Dн | IV | песок | по контуру | ||
ЛАБ | D/Dн | II | суглинок | в ряд |
Задача 8.2 Рассчитать параметры зануления распределительного щитка лаборатории, к которому подведена линия от понижавшего трансформатора 10/0,4 кВ. Определить либо параметры нулевого защитного проводника из стали (например, вариант 1), удовлетворяющие условию срабатывания максимальной токовой защиты при заданных параметрах устройства защиты . сечение нулевого проводника выбирать в пределах, указанных в таблице 8.6. Либо подобрать параметры устройства защиты (например, вариант 2) . номинальные токи вставок автоматических выключателей – 20-80 А, номинальные токи плавких вставок предохранителей — в пределах 40-160 А. Варианты остальных исходных данных приведены в таблице 8.8.
Таблица 8.8 — Варианты исходных данных задаче 8.2
№ вар | Параметры трансформатора | Длина линии, м | Параметры “фазы” | Параметры “нуля” | Параметры устройства защиты *) | ||||
Мощность, P, кВ·А | Соединение обмоток | Напряжение, U ф, В | Сечение, мм2 | S н, мм2 | D, м | ||||
из Cu | из Al | тип | Iном, A | ||||||
Y/Yн | — | — | П | ||||||
D/Yн | — | 0,6 | — | ||||||
D/Yн | — | 0,3 | — | ||||||
Y/Yн | — | — | АВ | ||||||
D/Yн | — | — | П | ||||||
Y/Yн | — | 0,4 | — | ||||||
Y/Yн | — | 0,5 | — | ||||||
D/Yн | — | — | АВ | ||||||
Y/Yн | — | — | П | ||||||
Y/Yн | — | 0,2 | — | ||||||
D/Yн | — | 0,3 | — | ||||||
D/Yн | — | — | АВ | ||||||
Y/Yн | — | — | П | ||||||
D/Yн | — | 0,6 | — | ||||||
Y/Yн | — | 0,8 | — | ||||||
D/Yн | — | — | П | ||||||
D/Yн | — | — | АВ | ||||||
Y/Yн | — | 0,4 | — | ||||||
D/Yн | — | 0,2 | — | ||||||
Y/Yн | — | — | П | ||||||
Y/Yн | — | — | АВ | ||||||
D/Yн | — | 0,5 | — | ||||||
D/Yн | — | 0,3 | — | ||||||
Y/Yн | — | — | П | ||||||
D/Yн | — | 0,2 | — | ||||||
Примечание: *) Тип устройства защиты: П – предохранитель, АВ – автоматический выключатель . I ном — номинальный ток плавкой вставки предохранителя или номинальный ток вставки автоматического выключателя. |
Библиографический список
1 СНиП 23-05-95. Естественное и искусственное освещение / Стройиздат, 1995.
2 Справочная книга по светотехнике / Под редакцией Ю.Б. Айзенберга, — М.: Энергоатомиздат, 1995.
3 НПБ 105-03. Определение категорий помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности. –М.: ВНИИПО МВД РФ, 2003.
4 Правила устройства электроустановок. Сборник нормативных документов. 7-ое изд. -М.: ЭНАС, 2006.
5 Батурин В.Б. Основы промышленной вентиляции. – М.: Профиздат, 1990. — 448 с., ил.
6 Виноградов С.С. Организация гальванического производства. Оборудование, расчет производства, нормирование. – М.: Глобус, 2002. — 191 с., ил.
7 Килин П.И. Расчет и устройство вытяжных зонтов // Изв. вузов. Черная металлургия, -1996. — №9. –С. 69-73.
8 ГОСТ 12.1.005-88. ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. – М.: Изд-во стандартов, 2002.
9 СНиП 41-03-2003. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов. –М.: Госстрой России, 2004.
10 ГОСТ 12.4.011-89. ССБТ. Средства защиты работающих. Общие требования и классификация. — Переизд. июнь 2006 г. – М.: Изд-во стандартов, 2006.
11 Охрана труда в электроустановках / Б.А. Князевский,, Т.П. Марусова, Н.В.Шипунов и др. – М.: Энергия, 1970. — 320 с., ил.
12 ГОСТ 12.1.002-84. ССБТ. Электрические поля промышленной частоты. Допустимые уровни напряженности и требования к проведению контроля на рабочих местах. — Переизд. Фев. 2002 г. – М.: Изд-во стандартов, 2002.
13 ГОСТ 12.1.006-84* ССБТ. Электромагнитные поля радиочастот. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля. – М.: Изд-во стандартов, 2002.
14 СанПиН 2.2.4.1191–03. Электромагнитные поля в производственных условиях. –М.: Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России, 2003.
15 Козлов В.З. Справочник по радиационной безопасности. – М.: Энергоатомиздат. 1991. –352 с.
16 Нормы радиационной безопасности (НРБ-99): Гигиенические нормативы. -М.: Госкомсанэпиднадзор России, 1999.
17 Варенков А.Н. Безопасность жизнедеятельности. Учебное пособие для практических занятий. -М.: МИСиС, 1993. –48 с.
18 Бабайцев И.В., Варенков А.Н., Потоцкий Е.П. Учебное пособие по разделу Безопасность жизнедеятельности и экология в дипломной работе. – М.: МИСиС, 1997. –60с.
19 СН 2.2.4/2.1.8.562-96. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки. –М.: Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России, 1996.
20 Заборов В.И., Клячко Л.Н., Росин Г.С. Защита от шума и вибрации в черной металлургии. -М.: Металлургия, 1988, 216 с.
21 ГОСТ 12.1.012-90. ССБТ. Вибрационная безопасность. Общие требования. — Переизд. Апр. 2001 г. – М.: Изд-во стандартов, 2001.
22 Безопасность труда на производстве. Защитные устройства / Справочное пособие. Под ред. Б.М.Злобинского. — М.: Металлургия, 1971.
23 Руководство по проектированию виброизоляции машин и оборудования.- М.: Стройиздат. 1972.
24 Сборник типовых расчетов по курсу Охрана труда/ Под ред. С.B. Белова.- М.: МВТУ, 1979
