Розрахунок захисного заземлення

Найпоширеніший і найнадійніший засіб електрозахисту – захисне заземлення, яке базується на зниженні до безпечних значень напруги дотику і крокової напруги, що зумовлені замиканням на корпус. Цього досягають шляхом зменшення опору заземлення.

Захисним улаштуванням називається сукупність заземлювача (металевого провідника або групи провідників, які знаходяться у безпосередньому зіткненні з ґрунтом) і заземлювальних провідників, які з’єднують заземлені частини устаткування із заземлювачами. Залежно від розташування заземлювачів по відношенню до заземленого обладнання, конструкції заземлення бувають виносними (зосередженими) і контурними (розподіленими).

У контурних заземлювальних пристроях заземлювачі розташовують по контуру (периметру) будівлі, в якій знаходиться електрообладнання, яке треба заземлити (мал. 2, а).

У місцях з високим питомим опором ґрунту економічно може бути більш доцільним влаштування виносних заземлювачів, які розміщують в більш провідних шарах землі (мал. 2, б).

Мал. 2. Схема контурного та виносного заземлення

Групи виносних заземлювачів з’єднують з об’єктом магістраллю заземлення, кабельною лінією. Виносне захисне заземлення захищає за рахунок малого опору розтіканню струму і невеликого струму замикання на землю.

При контурному заземленні заземлювачі розташовуються по периметру і всередині майданчика, на якому встановлено заземлене обладнання і електрично з’єднуються. Під час замикання на корпус струм стікає на землю і завдяки системі заземлювачів, розташованих у вершинах мережі з визначеним кроком, на поверхні території майданчика з’являється підвищений відносно підлеглої території потенціал.

Заземлювачі можуть бути природні і штучні. Як природні заземлювачі використовують різноманітні металоконструкції, які мають хороший контакт із землею: арматура залізобетонних конструкцій, трубопроводи (крім тих, що застосовуються для транспортування горючих і вибухових рідин та газів), металеві оболонки кабелів (за винятком алюмінієвих), обсадні труби тощо. Штучні заземлювачі являють собою спеціально влаштовані металоконструкції. У першу чергу, для заземлення слід використовувати природні заземлювачі, якщо вони є.

Характеристика стаціонарних заземлювачів та струмовідводів наведені в табл. 1.

Таблиця 1. Характеристика стаціонарних заземлювачів та струмовідводів

Ззовні будівель звичайно формують зовнішній заземлювальний контур. Для цього за межами відмостки будинку, в спеціально викопаній траншеї глибиною 0,6...0,8 м вбивають вертикальні заземлювачі на віддалі один від одного 1...3 м, що дорівнює довжині заземлювача. Вертикальні заземлювачі методом зварювання з’єднують між собою полосою. Утворюється замкнутий по периферії цеху зовнішній контур, від якого в середину цеху виводяться провідники. Останні також зварюванням з’єднуються з внутрішнім контуром.

Внутрішній контур, до якого приєднуються корпуси електроустановок – це закріплений на внутрішній стінці цеху провідник, який з’єднується із зовнішнім контуром. Велика увага надається надійності з’єднань в конструкції заземлення.

Опір розтіканню струму з одного заземлювача (труби, стержня) залежить від питомого опору ґрунту, глибини від поверхні землі до верху заземлювача і розмірів самого заземлювача (труби), визначають за виразом:

де ρ – питомий опір ґрунту, Ом·м;

l – довжина заземлювача, м;

d – діаметр заземлювача, м;

t – відстань від поверхні землі до середини вертикального заземлювача, м;

де h_в – глибина викопаної траншеї, в яку вбивають вертикальні заземлювачі, м (мал. 3).

Питомий опір ґрунту залежить від його будови, вмісту в ньому розчинних речовин, вологи, температури повітря. Він змінюється сезонно, а відтак - сезонно змінюється і значення опору розтіканню струму заземлювальної системи. Найбільше значення питомий опір має засушливим літом і взимку у великий мороз. Найкращі ґрунти для влаштування заземлення - вологі (торф, чорнозем, глина, садова земля). Найгіршим є скелястий ґрунт. Можна зменшити питомий опір ґрунту внесенням кухонної солі навколо вертикальних заземлювачів, підливанням гноївки. Шар солі і землі почергово вкладають в ґрунт на глибину 1/3 довжини заземлювача і поливають водою. Для зниження питомого опору використовують також намочений водою шлак або розчин глини у воді.

Мал. 3. Схема розміщення заземлювачів (труб) групового заземлення:

1 – з’єднувальна стрічка; 2 – заземлювач (труба); h_в – глибина закладання заземлювачів; L – відстань між заземлювачами; t – відстань від середини заземлювача до поверхні ґрунту; l – довжина заземлювача (стержня або труби); b – ширина з’єднувальної стрічки

Питомий електричний опір ґрунту залежить від його структури, вологості, температури, затверділості і пори року (табл. 2).

Таблиця 2. Питомий електричний опір ґрунту

Питомий електричний опір ґрунту з врахуванням коефіцієнта сезонності визначається за формулою:

де р_в – вимірювальний питомий електричний опір, Ом·м;

η_с – коефіцієнт сезонності.

Коефіцієнт сезонності залежить від вологості землі при вимірюванні (табл. 3).

Таблиця 3. Значення коефіцієнта сезонності для вертикального

заземлювача та горизонтальної стрічки

Групове розташування вертикальних заземлювачів (труб) спричиняє взаємний вплив полів розтікання (екранування) струму, збільшуючи опір розтіканню струму.

Враховуючи коефіцієнт екранування, отримаємо:

де R_тр – опір розтіканню струму одного заземлювача, Ом·м;

п – кількість заземлювачів, шт;

η_с – коефіцієнт екранування.

Значення коефіцієнта екранування вертикальних заземлювачів (труб) для контурного заземлення подано у табл. 4.

Таблиця 4. Значення коефіцієнта екранування

Із врахуванням коефіцієнтів сезонності та екранування кількість заземлювачів (труб) визначається за формулою:

де R_тр – опір одного заземлювача (труби), Ом;

R_д = 4 Ом - допустимий опір розтікання струму заземлення. Довжину з’єднувальної стрічки визначають за формулою:

де L – віддаль між заземлювачами (трубами), м.

Опір розтіканню струму в з’єднувальній стрічці можна визначити за формулою:

де р – питомий електричний опір ґрунту з врахуванням коефіцієнта сезонності, Ом ·м;

l_стр – довжина з’єднувальної стрічки, м;

h – глибина (траншеї) закладання з’єднувальної стрічки, м;

b – ширина з’єднувальної стрічки, м;

η_стр – коефіцієнт екранування з’єднувальної стрічки.

Коефіцієнт екранування з’єднувальної стрічки для контурного заземлення приймають залежно від кількості заземлювачів (табл. 5).

Таблиця 5. Значення коефіцієнта екранування для контурного заземлення

Загальний опір розтіканню струму заземлювачів (труб) та з’єднувальної стрічки визначається за формулами:

Захисне заземлення влаштовують у трифазних мережах з заземленою нейтраллю напругою до 1000 В, а вище 1000 В – за будь-якого режиму робота нейтралі. Заземленню підлягають електроустановки напругою вище 42 В змінного струму у приміщеннях з підвищеною небезпекою та особливо небезпечних, а також у зовнішніх установках.

Ручні електрифіковані інструменти, які працюють з напругою вище 42 В, підключають у мережу через штепсельні розетки, які, крім фазних контактів, мають і заземлювальний контакт. Штепсельні з’єднання виконані так, що під час вмикання заземлюючий контакт входить раніше фазних контактів, за рахунок чого забезпечується безпека при обслуговуванні електрообладнання. Заземлюючий контакт довший від фазних, що виключає помилкове вмикання.