Расчет сопротивления растеканию тока одиночного заземлителя (стержня)

Занятие 6.

Расчет защитного заземления и зануления в практических схемах

 

Условия электробезопасности

Поражение человека электрическим током возможно как при случайном прикосновении его непосредственно к токоведущим частям, так и к металлическим нетоковедущим элементам электрооборудования (корпуса электрических машин, трансформаторов, светильников и т. д.), которые могут оказаться под напряжением в результате какой-либо аварийной ситуации (замыкания фазы на корпус, повреждения изоляции и т.п.).

На исход поражения электрическим током влияет целый ряд факторов: величина, род, частота тока, проходящего через тело человека; длительность прохождения и путь тока; величина электрического сопротивления тела человека, индивидуальные свойства организма и др.

Основным фактором, определяющим тяжесть исхода поражения, является величина проходящего через человека тока I_h. Она определяется напряжением между точками цепи тока, которых одновременно касается человек, т. е. напряжением прикосновения U_пр

,                                                              (1)

где – напряжение прикосновения, В;  – сопротивление тела человека, Ом.

Воздействие электрического тока на организм человека характеризуется пороговыми значениями токов (табл. 1.1).

При значениях токов более 100 мА (переменный ток) и более 300 мА (постоянный ток) происходит остановка сердца.

Таблица 1.1

Пороговые значения тока

Название тока	Величина тока, мА		Характер воздействия
	Переменный, 50 Гц	постоянный	Переменный ток, 50-60 Гц	Постоянный ток
Пороговый ощутимый	0,5 … 1,5	5,0 … 7,0	начало ощущения: легкое покалывание, тепло	ощущение нагрева, зуд
Пороговый неотпускающий	10 … 25	50 … 80	паралич рук, сильные боли, затруднено дыхание	сильное ощущение нагрева, сокращение мышц, судороги, затруднено дыхание
Пороговый фибрилляционный	50 … 80	300	остановка дыхания, начало фибрилляции сердца	остановка дыхания, начало фибрилляции сердца

Пороговый ощутимый ток – наименьшее значение тока, при котором рука, держащая проводник, ощущает тепло, покалывание, “зуд", т. е. оказывает воздействия на уровне ощущений.

Пороговый неотпускающий ток – наименьшее его значение, которое вызывает непреодолимое судорожное сокращение мышц, и рука, держащая проводник, не в состоянии самостоятельно разжаться.

Пороговый фибрилляционный ток – наименьшее значение тока, при котором происходит судорожное, неравномерное сокращение мышц сердца (фибрилляция).

В качестве критериев безопасности электрического тока приняты наибольшие допустимые для человека значения напряжений прикосновения U_пр и токов I_h, протекающих через его тело. Нормы наибольших допустимых для человека значений напряжений прикосновения и токов регламентируются ГОСТом 12.1.038-82ССБТ Электробезопасность. Предельно допустимые уровни напряжения прикосновения и токов. Изм. от 1.07.88 (табл. 1.2). При этом учитывается, что опасность поражения увеличивается при увеличении времени воздействия.

Таблица 1.2

Предельно допустимые значения напряжения прикосновения и токов

Нормируемая величина	Предельно допустимые значения напряжения прикосновения и токов (не более) при продолжительности воздействия тока t, с
	0,1	0,2	0,5	0,7	1,0	более 1,0
Uпр, В	340	160	105	85	60	20
Ih, мА	400	190	125	90	50	6

Для предотвращения опасного воздействия электрического тока на человека в электроустановках применяются следующие меры защиты (ГОСТ 12.1.030-81 ССБТ, изм. от 1.07. 87):

— защитное заземление;

— зануление;

— электрическое разделение сетей;

— применение малых напряжений;

— контроль и профилактика повреждения изоляции;

— компенсация емкостной составляющей тока замыкания на землю;

— двойная изоляция;

— защитное отключение;

— выравнивание потенциала;

— защита от случайного прикосновения к токоведущим частям;

— оградительные устройства;

— электрозащитные средства и приспособления;

— предупредительная сигнализация, блокировки, знаки безопасности.

Согласно ГОСТ 12.1.030-81 ССБТ электробезопасность и действие мер защиты от опасности поражения электрическим током обеспечиваются:

1. конструкцией электроустановки;

2. техническими способами и средствами защиты;

3. организационными и техническими мероприятиями.

Технические способы и средства применяются раздельно или в сочетании друг с другом, исходя из соображений обеспечения оптимальной защиты.

Значительное снижение показателей электротравматизма может быть достигнуто лишь применением защитных мер всех видов. Их сочетание определяется типом электроустановок и условиями их эксплуатации.

 

Защитное заземление

Наиболее распространенными и эффективными техническими методами защиты от поражения электрическим током являются защитное заземление и зануление.

Защитное заземление – это преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Принцип действия защитного заземления заключается в снижении до безопасных значений напряжения прикосновения U_пр и тока I_h, протекающего через человека. Назначение защитного заземления – устранение опасности поражения электрическим током в случае прикосновения человека к корпусу электрооборудования или к другим нетоковедущим металлическим частям, оказавшимся под напряжением. Оно служит для предотвращения, замыкания на корпус К, замыкание на землю за счет создания цепи с малым сопротивлением R_з. При этом необходимо иметь в виду, что сопротивление тела человека R_h может достигать значений порядка 10⁴-10⁶ Ом. Однако в расчетах, для обеспечения большей надежности при выборе средств защиты и мероприятий, обеспечивающих электробезопасность, применяется расчетное значение сопротивления тела человека R_h = 1000 Ом.

Таким образом, при возникновении аварийной ситуации, например, замыкания фазы на корпус, прикосновение человека к корпусу равносильно прикосновению к фазе. При этом через тело человека может пройти ток опасной величины. Опасность поражения при наличии надежного заземления снижается, так как для тока I_з создается цепь, имеющая малое сопротивление R_з (4 Ом или 10 Ом), вследствие чего происходит стекание тока по пути наименьшего сопротивления.

На рис. 2.1 показана принципиальная электрическая схема защитного заземления, а также потенциальная кривая, отражающая закон распределения потенциала на поверхности земли вокруг одиночного заземлителя φ . При возникновении замыкания в т. А закон распространения потенциала имеет гиперболический характер; максимальное значение потенциал принимает в т. А, снижаясь по мере удаления от места замыкания.

Конструктивно заземляющее устройство представляет собой совокупность вертикальных заземлителей (электродов), соединенных между собой полосовым горизонтальным заземлителем, находящихся в земле (грунте) на глубине Н₀ не менее 0,5 м (рис. 2.2). В качестве вертикальных заземлителей (электродов) используются металлические элементы в виде стержней, трубы, уголка, тавра и др.

 

 

2.1. Принципиальная схема защитного заземления

Потенциальная кривая φ(х).

К – корпус электроустановки,

R_з – сопротивление заземления,

R_h – электрическое сопротивление тела человека.

 

Рис. 2.2. Схема расположения заземляющего устройства в грунте

Полосовой заземлитель используется в виде металлической полосы сечением, например, 12х4; 14x4; 16x4 и др. Соединение вертикальных заземлителей и полосы производится только сваркой, другие виды соединений в соответствии с ПУЭ не допускаются. На практике используются групповые заземлители – параллельное соединение одиночных заземлителей и полосы. Групповой заземлитель обладает меньшим сопротивлением растеканию тока и обеспечивает лучшее выравнивание потенциала в объеме и на поверхности земли.

Требования к конструкции, устройству и параметрам защитного заземления и зануления определяются Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) и ГОСТом 12.1.030-81 ССБТ. «Электробезопасность. Защитное заземление, зануление».

ПУЭ предписывает обязательное использование помимо искусственных заземлителей, предназначенных исключительно для целей заземления, естественных заземлителей – то есть, находящихся в земле металлических предметов иного назначения. В качестве естественных заземлителей могут быть использованы проложенные в земле водопроводные и другие металлические трубы (за исключением трубопроводов горючих жидкостей, горючих или взрывоопасных газов); металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, имеющие соединение с землей, свинцовые оболочки кабелей и т. п.

В электроустановках напряжением до 1000 В указанные документы устанавливают значения наибольшего допустимого сопротивления защитного заземляющего устройства в сети с изолированной нейтралью при мощности генератора или трансформатора до 100 кВА – 10 Ом, а при мощности более 100 кВА – 4 Ом.

Расчет заземляющего устройства заключается в определении типа заземлителя, количества, размеров и вида размещения одиночных заземлителей таким образом, чтобы расчетное значение сопротивления группового заземлителя было не более допустимого по нормам. Для электроустановок напряжением до 1000 В расчет выполняется методом коэффициентов использования.

Область применения защитного заземления:

– сети до 1000 В переменного тока – трехфазные трехпроводные с изолированной нейтралью; однофазные двухпроводные, изолированные от земли; а также постоянного тока двухпроводные с изолированной средней точкой обмоток источника тока;

– сети выше 1000 В переменного и постоянного тока с любым режимом нейтральной или средней точки обмотки источника тока.

В соответствии с ПУЭ заземление или зануление электроустановок следует выполнять:

– при напряжении 380 В и выше переменного тока (во всех электроустановках);

– 440 В и выше постоянного тока (во всех электроустановках) при номинальных напряжениях выше 42 В, но ниже 380 В переменного тока (только в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных установках);

– выше 110 В, но ниже 440 В постоянного тока (только в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных установках).

Проверка состояния заземляющих устройств электроустановок предусматривает:

– измерение сопротивления заземляющего устройства после монтажа, через год после включения в эксплуатацию и в последующем не реже:

1) чем через 10 лет на электростанциях, подстанциях и ЛЭП энергосистем;

2) через 3 года на подстанциях потребителей;

3) через 1 год в цеховых электроустановках потребителей;

4) внеплановые измерения после их переустройства, капитального ремонта, осадки грунта;

– выборочное вскрытие грунта для осмотра элементов заземляющего устройства каждый раз при измерении сопротивления заземления;

– проверку наличия цепи между заземленными объектами и заземлителями – при каждом ремонте или перестановке оборудования;

– проверку надежности соединения естественных заземлителей после каждого их ремонта;

– периодический осмотр наземной части заземляющего устройства.

Каждое заземляющее устройство должно иметь паспорт, содержащий схему устройства, основные технические и расчетные данные, сведения о произведенных ремонтах и внесенных изменениях.

Зануление

 Опасность поражения электрическим током при прикосновении к корпусу и другим нетоковедущим металлическим частям электрооборудования, оказавшимся под напряжением, может быть устранена быстрым отключением поврежденного электрооборудования от питающей сети. Для этой цели используется зануление, принципиальная схема которого в сети трехфазного тока показана на рис. 3.1..

Зануление– это преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.

 

Рис. 3.1. Принципиальная схема зануления:

1 – корпус электроустановки;

2 – аппараты защиты от токов короткого замыкания (предохранители, автоматические выключатели);

R₀ –- сопротивление заземления нейтрали источника тока;

R_n – сопротивление повторного заземления нулевого защитного проводника;

I_к –- ток короткого замыкания;

1_н – часть тока короткого замыкания, протекающая через нулевой провод;

1_з – часть тока короткого замыкания, протекающая через землю;

0 (н. з.) – нулевой защитный проводник.

Принцип действия зануления – превращение замыкания на корпус в однофазное короткое замыкание (между фазным и нулевым проводником) с целью вызвать большой ток, способный обеспечить срабатывание защиты и автоматически отключить поврежденное электрооборудование от питающей сети.

 В качестве отключающих аппаратов используются: плавкие предохранители; автоматические выключатели; магнитные пускатели и т. д. При этом необходимо учесть, что с момента возникновения аварии (замыкания на корпус) до момента автоматического отключения поврежденного оборудования от сети имеется небольшой промежуток времени. В течение этого времени прикосновение к корпусу опасно, так как корпус находится под напряжением U_ф (рис. 3.1) и отключение его от сети еще не произошло. В этот период работает заземление корпуса оборудования через нулевой защитный проводник R_n.

Из рис.3.1. видно, что схема зануления требует наличия в сети следующих элементов: нулевого защитного проводника; заземления нейтрали источника тока; повторного заземления нулевого защитного проводника.

Нулевой защитный проводник предназначен для создания для тока короткого замыкания цепи с малым сопротивлением, чтобы этот ток был достаточным для срабатывания защиты и быстрого отключения поврежденной установки от сети.

Назначение заземления нейтрали – снижение напряжения зануленных корпусов относительно земли до безопасного значения при замыкании фазы на землю.

Назначение повторного заземления нулевого защитного проводника – снижение напряжения на корпусе относительно земли при замыкании фазы на корпус в случае исправной схемы и при обрыве нулевого защитного проводника, а так же для заземления корпуса элекгрооборудования через R_п и обеспечения стекания тока в землю через R_п в случае обрыва или другого повреждения нулевого защитного проводника или при замыкании фазы на корпус.

Согласно ПУЭ в электроустановках напряжением до 1 кВ с глухо заземленной нейтралью сопротивление заземляющего устройства R₀ и сопротивление заземления нулевого защитного проводника R_п, должны быть не более величин, указанных в таблице 3.1 при линейных напряжениях U_л сети.

Таблица 3.1

Нормативные значения параметров схемы зануления

Uл, В	660	380	220
R0, Ом	2	4	8
Rп, Ом	15	30	60

Расчет зануления имеет целью определить условия, при которых в схеме происходит быстрое отключение поврежденного оборудования от сети, и одновременно обеспечивается безопасность прикосновения человека к зануленному корпусу в аварийный период. В соответствии с этим, расчет зануления производится в следующих направлениях:

– на отключающую способность;

– расчет заземления нейтрали;

– расчет повторного заземления нулевого защитного проводника.

Область применения зануления:

– трехфазные четырехпроводные сети напряжением до 1000 В с заземленной нейтралью;

– сети постоянного тока, если средняя точка источника заземлена;

– однофазные сети переменного тока с заземленным выводом.

По окончании монтажных и ремонтных работ, а также в процессе эксплуатации системы зануления необходимо проводить проверку соответствия зануления требованиям ПУЭ:

– измерять сопротивления заземления нейтрали и повторных заземлений нулевого проводника;

– проверять состояние элементов заземляющих устройств;

– проверять целостность зануляющей сети, в том числе наличие цепи, между нулевым защитным проводником и зануленным оборудованием;

– измерять сопротивление петли фаза-нуль.

Расчет защитного заземления

(метод коэффициентов использования)

Исходные данные для расчета приведены в табл. 4.1. Вариант для расчета задается преподавателем. Допустимая величина сопротивления проектируемого заземляющего устройства R_доп определяется по заданным значениям напряжения и суммарной мощности электроустановки в соответствии с нормами.

Расчет сопротивления растеканию тока одиночного заземлителя (стержня).

Основная формула:

                              (4.1)

Приближенная формула (погрешность 5–10 %):

,                                            (4.2)

где  – удельное сопротивление грунта, Ом.м;

d – диаметр стержня – трубы или круга (если в качестве одиночного заземлителя принят электрод с профилем в виде уголка, то , где  – ширина полки уголка), м;

 – длина стержня, м;

H₀ – глубина заложения верхнего конца стержня и горизонтального полосового заземлителя в грунте, м;

H – параметр, определяемый по формуле: .

Cхема расположения одиночного электрода в грунте приведена на рис. 4.1.

 

 

Рис. 4.1. Одиночный стержневый заземлитель

Таблица 4.1

Исходные данные для расчета защитных заземляющих устройств

Наименование, размерность	В а р и а н т ы
	1	2	3	4	5	6
1. Напряжение э/установок, В	до 1000
2. Суммарная мощность э/установок, кВА	150	200	250	120	300	220
3. Грунт	торф	чернозем	глина	суглинок	супесь	песок
4. Удельное сопротивление грунта, ρ, Ом.м	30	53	70	150	400	700
5. Тип заземлителя и размеры сечения, d, мм	труба 32	труба 40	уголок 50х50х4	уголок 60х60х4	круг 12	круг 14
6. Расстояние между стержнями, а, м	9	7	9	7	14	10
7. Длина стержня зазаемлителя, , м	3,0	3,5	3,0	3,5	7,0	10,0
8. Отношение расстояния между заземлителями к их длине, а/	3	2	3	2	2	1
9. Глубина заложения верхних концов стержней и горизонтальных проводников, H0, м	0,7	0,7	0,7	0,7	0,8	0,8
10. Размеры сечения заземляющих соединительных проводников (полоса, сталь), мм	12х4	12х4	12х4	12х4	12х4	12х4
11. Способ заложения заземлителей	в ряд			по контуру

 

4.2. Количество стержней-заземлителей без учета работы соединительных полос

,                                                          (4.3)

где  – коэффициент использования вертикального стержневого заземлителя (находится из табл. 4.2 по предварительному значению n, определяемому при =1); R_доп = 4 Ом при напряжении до 1000 В и суммарной мощности электроустановок более 100 кВА; R_доп = 10 Ом при суммарной мощности менее 100 кВА.

4.3. Длина горизонтального полосового заземлителя (рис. 4.2) вычисляется по формуле

, м – при расположении стержней в ряд;

, м – при расположении стержней по контуру;

где  –расстояние между заземлителями, м; n – количество стержней-заземлителей

*Примечание. Значение n следует округлить и принять несколько меньшим, чем вычисленное в п. 4.2, т. к. заземляющие соединительные проводники одновременно работают как заземлители.

 

Таблица 4.2

Коэффициент использования  вертикальных стержней заземлителей

(без влияния полосы связи)

Число стержней	Способ заложения заземлителей
	в ряд				по контуру
	Отношение расстояний между заземлителями к их длине а/
	1	2	3	1		2	3
2	0,85	0,91	0,94	-		-	-
4	0,73	0,83	0,89	0,69		0,78	0,80
6	0,65	0,77	0,85	0,61		0,73	0,80
10	0,59	0,74	0,81	0,55		0,68	0,76
20	0,48	0,67	0,76	0,47		0,63	0,71
40	-	-	-	0,41		0,58	0,66
60	-	-	-	0,39		0,55	0,64
100	-	-	-	0,36		0,52	0,62

.

 

Рис. 4.2. Горизонтальный полосовый заземлителъ

4.4. Расчет сопротивления растеканию тока горизонтального электрода (полосового заземлителя, соединяющего вертикальные электроды между собой).

Основная формула:

.                                  (4.4)

Приближенная формула (погрешность 25%)

,                                              (4.5)

где  – длина горизонтального полосового заземлителя, м; в – ширина сечения полосового заземлителя, м (большая сторона сечения, рис. 4.2).

4.5. Сопротивление группового искусственного заземлителя R_гр, состоящего из параллельно включенных стержней заземли гелей и полосы, равно

,                                    (4.6)

где  – коэффициент использования горизонтального полосового заземлителя (табл. 4.3).

Проверить выполнение условия: сопротивление заземляющего устройства растеканию тока должно быть равно или меньше допустимого сопротивления по ГОСТ 12.1.030-81 ССБТ или ПУЭ (R_гр ≤ R_доп,). Если R_гр > R_доп произвести перерасчет заземляющего устройства, приняв большее количество стержней.

 

 

Таблица 4.3

Коэффициент использования  горизонтального полосового электрода,

соединяющего вертикальные электроды

Отношение расстояния между стержневыми заземлителями к их длине, а/	Число стержневых заземлителей
	2	4	6	10	20	40	60	100
Стержневые заземлители расположены в ряд
1	0,85	0,77	0,72	0,62	0,42	-	-	-
2	0,94	0,89	0,84	0,75	0,56	-	-	-
3	0,96	0,92	0,88	0,82	0,68	-	-	-
Стержневые заземлители расположены по контуру Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 1102; Мы поможем в написании вашей работы! Поделиться с друзьями: 12Следующая ⇒ Мы поможем в написании ваших работ! . . © 2014-2024 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.106)