Конструктивное исполнение и порядок расчета защитного заземления

Для искусственных заземлителей в качестве вертикальных электродов обычно используются стальные стержни диаметром 10-16 мм и длиной до 10 м, угловую сталь от 40х40 до 60х60 мм и, как исключение, стальные трубы диаметром 50-60 мм с толщиной стенок не менее 3,5 мм и длиной 2,5-3,0 м. Для связи вертикальных электродов и в качестве самостоятельного горизонтального электрода применяют полосовую сталь шириной 20-40 мм и толщиной 4 мм, а также сталь круглого сечения диаметром 10-12 мм.

Для установки вертикальных заземлителей предварительно роют траншеи глубиной 0,7-0,8 м, после чего их заглубляют специальными механизмами (копры, гидропрессы, вибраторы и др.).

Расстояние между соседними вертикальными электродами (если позволяют размеры отведенной под заземлитель площади) берут не менее 2,5 м. Для заземлителей, расположенных в ряд, отношение этого расстояния к длине электрода предпочтительно выбирать равным 2-3, а при расположении электродов по контуру - равным 3.

Расчет защитного заземления в установках до 1000 В выполняют по допустимому сопротивлению заземляющего устройства растеканию тока. При этом определяют количество, размеры и схему размещения в земле электродов заземлителя и заземляющих проводников, при которых сопротивление заземляющего устройства растеканию тока для напряжения прикосновения при замыкании напряжения на заземленные части установок не превышают допустимых.

Сопротивление заземлителя определяют по допустимому напряжению на заземляющем устройстве и току замыкания на землю (рис. 2), который в сетях до 1000 В не превышает 10 А.

Если на территории проектируемого заземляющего устройства имеются естественные заземлители, которые можно использовать, то общее сопротивление заземляющего устройства (R_з.у.) будет складываться из сопротивления естественных (R_ест.) и искусственных (R_иск) заземлителей

.

Так как требуемое значение R_з.доп. может быть обеспечено только естественными заземлителями, то сначала производится расчет сопротивления естественных заземлителей и полученный результат сравнивается с требуемым значением сопротивления допустимого (R_з.доп.).

Если естественные заземлители отсутствуют или рассчитанное (измеренное) сопротивление их растеканию тока велико, то необходимо устраивать искусственные заземлители и подключать их параллельно к естественным.

Расчет искусственного заземлителя осуществляется в следующей последовательности.

Вначале рассчитывают сопротивление одиночного вертикального электрода с помощью соответствующих расчетных формул, которые зависят от вида материала, габаритов и взаимного расположения электродов.

Так, для трубчатых электродов длиной I и диаметром d, середина которых находится от поверхности грунта на глубине t (рис. 5), сопротивление растеканию тока такого электрода R_{эл.труб} определяется по формуле

,

где Р_рас. = , - удельное сопротивление земли, К - коэффициент сезонности.

Рис. 5 - Схема к расчету сопротивления растеканию тока вертикального электрода и горизонтального проводника

Далее определяют ориентировочное количество вертикальных электродов. Для этого используют известное соотношение для расчета общего сопротивления при наличии нескольких электродов. Для этого используют известное соотношение для расчета общего сопротивления при наличии нескольких электродов .

Подставляя вместо необходимое сопротивление заземляющего устройства R_з.у., находят ориентировочное количество одиночных электродов п

,

где - коэффициент использования вертикальных электродов (коэффициент экранирования).

Затем рассчитывают сопротивление растеканию тока горизонтального проводника, соединяющего одиночные электроды.

Если в качестве соединяющего проводника используется стальная полоса шириной b и длиной L (рис. 5), то сопротивление его растеканию тока рассчитывается по формуле

Результирующее сопротивление искусственного грунтового заземлителя будет равно

.

Отличие результирующего сопротивления от допустимого (нормируемого) по экономическим соображениям не должно быть значительным. Изменяя количество электродов, их размеры и повторяя расчет методом последовательного приближения, добиваются выполнения необходимого требования к сопротивлению проектируемого заземляющего устройства.

Зануление

Опасность электропоражения при прикосновении к корпусу или металлическим частям оборудования, оказавшихся под напряжением вследствие замыкания на них питающего напряжения и по другим причинам, может быть устранено быстрым отключением такой поврежденной установки от питающей сети.

Эту роль выполняет зануление, электрическая схема которого показана на рис. 6.

Рис. 6 - Электрическая схема зануления

Зануление - это преднамерен-ное электрическое соединение с нуле-вым защитным проводником сети металлических нетоковедущих частей оборудования, которые могут оказаться под напряжением.

Нулевым защитным проводником называется проводник, соединяющий зануляемые части с заземленной нейтральной точкой источника в трехфазных сетях или с заземленным выводом любого источника.

Принцип действия зануления состоит в превращении замыкания напряжения на зануленные части оборудования в короткое замыкание источника тока (например, однофазное замыкание в трехфазных сетях) с целью образования большого тока, способного обеспечить срабатывание защиты и тем самым автоматически отключить поврежденную установку от питающей сети.

В качестве срабатывающей защиты могут использоваться плавкие предохранители или автоматические выключатели (магнитные пускатели со встроенной тепловой защитой, контакторы в сочетании с тепловыми реле и др.).

Так как плавкие предохранители и автоматические выключатели с тепловой защитой срабатывают в течении нескольких секунд, для снижения напряжения по отношению к земле на зануленных частях в течение этого времени обязательно применение повторного заземления (r_повт.) нулевого защитного проводника (рис. 6). При этом напряжение прикосновения будет равно

,

где - ток, протекающий через повторное заземление r_повт..

Для надежной работы зануления необходимо обеспечить следующие требования:

1) Ток короткого замыкания I_к.з. должен в несколько раз превышать номинальный ток I_н. срабатывания защиты, т.е.

I_к.з. I_н.,

где k - коэффициент кратности. Для плавких предохранителей он выбирается равным 3 (во взрывоопасных помещениях 4). При использовании автоматических выключателей k > 1,25 (для автоматов с номинальным током до 100 А k > 1,4).

2) Полная проводимость защитного проводника должна быть не менее 50% проводимости фазных проводов, т.к.

Z_н. 2 Z_ф..

3) Чтобы обеспечить непрерывность цепи зануления, запрещается установка в нулевой провод предохранителей и выключателей.

4) Для уменьшения опасности поражения персонала током, возникающей при обрыве защитного проводника, обязательно применение повторного его заземления.

Сопротивление току растекания повторных заземлений не должно превышать 5, 10 или 20 Ом при напряжениях в сети соответственно 660/380, 380/220 и 220/127 В.

5) Зануление однофазных потребителей должно осуществляться специальным проводником (или жилой кабеля), который не может одновременно служить проводником для рабочего тока.

Зануление применяется только в сетях с заземленной нейтралью (или заземленным полюсом, проводом), т.к. в противном случаепри аварийном режиме работы сети, когда одна из фаз сети замыкается на землю через незначительное сопротивление (r_зм.), человек, касающийся корпуса запуленной установки окажется под фазным напряжением (в трехфазных сетях), а при пробое питающего напряжения (одной фазы) на корпус до срабатывания защиты - под линейным (рис. 7).

Рис. 7 - Схема зануления в трехфазной сети с изолированной централью

При заземленной же нейтрали в аварийном режиме работы сети, напряжение, действующее на человека, будет равно

,

что значительно ниже U_ф.

Применение защитного заземления в сетях с заземленной нейтралью (заземленным полюсом или проводом) малоэффективно, т.к. при замыкании питающего напряжения на нем по отношению к земле напряжение достигнет значения больше или равного половине фазного (в трехфазных сетях при R_з = )

.

В этом случае ток замыкания на землю через защитное заземление R_з будет недостаточным для срабатывания защиты (рис. 7).

Расчет зануления

Цель расчета - определить условия надежной работы зануления. Для этого оно рассчитывается на отключающую способность и на безопасность прикосновения к корпусу при замыкании фазы на землю (в этом случае производится расчет заземления нейтрали) и замыкании на корпус (в этом случае производится расчет повторного заземления нулевого защитного проводника).

Расчет заземлений осуществляется по методике, аналогичной расчету защитного заземления.

Расчет на отключающую способность заключается в проверке правильности выбора проводимости нулевого защитного проводника и всей петли "фаза-нуль", то есть соблюдения условия надежности срабатывания защиты

I_к.з. I_ном..