Расчёт заземляющего устройства

В задаче электроснабжения предприятия связи системы заземления играют важную роль и как рабочий элемент энергораспределения, и как гарант защиты персонала от поражения электрическим током. Заземление в электропитающих установках может выполняться на стороне переменного и на стороне постоянного тока. В курсовом проекте проводится расчет заземления на стороне переменного тока. В системах канализации электрической энергии находят применение четырёх- и пятипроводные линии (трёхпроводные линии используют крайне редко). Некоторые варианты систем заземления на стороне переменного тока приведены на рисунке 2.4. На рисунке обозначено:

Первая буква - характер заземления источника питания:

Т - непосредственное присоединение одной точки токоведущих частей источника питания к земле;

I - все токоведущие части изолированы от земли или одна точка заземлена через сопротивление.

Вторая буква - характер заземления открытых проводящих частей электро

установки:

Т - непосредственная связь открытых проводящих частей с землёй, независимо от характера связи источника питания с землёй;

а) система TN-S; б) система TN-C; в) система TT; г) система IT.

Рисунок 2.4 – Заземление на стороне переменного тока

N - непосредственная связь открытых проводящих частей с точкой заземления источника питания (в системах переменного тока обычно заземляется нейтраль).

Последующие буквы - устройство нулевого рабочего и нулевого защит

ного проводников:

S - функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников обеспечиваются раздельными проводниками.

С - функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников объединены в одном проводнике.

	нулевой рабочий проводник (N);
	нулевой защитный проводник (РЕ);
	совмещённый нулевой рабочий и защитный проводник (PEN)

1 – заземление источника энергии;

2 – открытые проводящие части;

3 – заземление корпуса оборудования;

4 – заземляющий резистор;

L1, L2, L3 – фазы сети.

В системе ТN-S нулевой рабочий и нулевой защитный проводники работают раздельно; в системе TN-С нулевой рабочий и нулевой защитный проводники объединены по всей сети; в системе TT корпуса оборудования заземляются отдельно; в системе IT заземление нейтрали проводится через сопротивление.

Заземляющие устройства делят на защитное и рабочее. Рабочее заземление предназначено для создания нормальных условий работы электроустановки. Защитное заземление – электрическое соединение части электроустановки, нормально не находящейся под напряжением с заземляющим устройством, обеспечивающим электробезопасность персонала. Для выполнения заземлений различных назначений и разных напряжений рекомендуется применять одно общее заземляющее устройство, удовлетворяющее требованиям к заземлению этих установок.

Заземляющее устройство состоит из заземлителя и заземляющих проводников.

В качестве заземлителей используются в первую очередь естественные заземлители: проложенные в земле стальные водопроводные трубы, стальная броня и свинцовые оболочки силовых кабелей, проложенных в земле, металлические конструкции зданий и сооружений, имеющие надёжный контакт с землей.

Если естественных заземлителей недостаточно, то применяют искусственные заземлители.

Конструктивно искусственный заземлитель выполняется в виде одного – двух рядов горизонтальных и вертикальных электродов. Для электродов искусственных заземлителей применяются забиваемые в землю отрезки труб диаметром 50...75 мм или стержни. Электроды должны иметь длину 2,5…5 м. Верхний конец каждого электрода должен находиться на глубине не менее 0,5…0,8 м от поверхности почвы. Электроды располагаются друг от друга на расстоянии не менее 2,5…3 м и соединяются между собой горизонтальными полосами.

В открытых распределительных устройствах с напряжением выше 1 кВ вокруг площади, занятой оборудованием, прокладывается замкнутый контур из горизонтальных заземлителей, к которому присоединяется оборудование.

Заземляемые части соединяются с заземлителем проводниками. В качестве заземляющих проводников могут использоваться специально предусмотренные для этой цели проводники, сечения которых не менее установленных в [5] или металлические конструкции зданий, подкрановые пути, каркасы распределительных устройств, стальные трубы электропроводок, алюминиевые оболочки кабелей, металлические кожухи шинопроводов, короба, лотки, открыто проложенные трубопроводы, кроме трубопроводов горючих и взрывоопасных веществ, канализации и центрального отопления. Расчёт заземляющего устройства сводится к выбору числа и диаметра заземляющих стержней в зависимости от типа грунтов и формы электродов. Для определения сопротивления заземляющего устройства сначала рассчитывается величина сопротивления одиночного заземлителя R_В. В качестве заземлителя можно принять стальную трубу, забитую вертикально в грунт на некоторую глубину h (рисунок 2.5, а).

а) вертикальный электрод; б) горизонтальный электрод

Рисунок 2.5 – Расположение заземлителей в грунте

Сопротивление R_В зависит от удельного сопротивления грунта r Ом×см (сопротивление образца грунта объемом 1 см³), длина трубы l [см], находящейся в грунте, наружного диаметра трубы d см и определяется по формуле:

Ом,

где t –расстояние от поверхности до середины трубы (электрода), см.

Большое влияние на сопротивление R_В оказывает сезонное колебание проводимости верхних слоев грунта в зависимости от влажности и температуры воздуха. Чтобы уменьшить это влияние, необходимо трубу забивать в землю на глубину h=0,5…1,5 м от поверхности грунта до верхнего конца трубы (рис. 2.5, а).

Сопротивление заземлителя из стальной полосы прямоугольного сечения, уложенной горизонтально (рис. 2.5, б.), определяется по формуле

Ом,

где l₁ – длина полосы, см; b – ширина полосы, см (b=4…6 см); h – глубина заложения полосы, см (h=40…60 см).

Наиболее важным фактором, влияющим на сопротивление растекания тока в земле, является удельное сопротивление грунта Ом×м. При проектировании заземления величину r₀ определяют опытным путём для того грунта, где будет сооружено заземляющее устройство, а коэффициент сезонности h_С выбирают по таблицам. Наименьшее значение h_С =1 – для марта, наибольшее значение h_С =1,75…2,2 – для июля.

Согласно ПУЭ, в электроустановках напряжением до 1 кВ и выше с изолированной нейтралью, сопротивление заземляющего устройства в любое время года допускается , но не более 4 Ом, где I_3АМ – расчётный ток замыкания на землю, в амперах. Если в нейтраль включен заземляющий резистор, то за расчётный ток принимают ток, равный 125% его номинального значения (1,25I₂) .

В установках до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью применяется защитное зануление - металлическая связь защищаемых частей электроустановки с нейтралью источника. Заземление нейтрали источника является рабочим, и сопротивление его не должно превышать 4 и 8 Ом соответственно при линейных напряжениях 380 и 220 В источника трёхфазного тока. Соединение нейтрали трансформатора или генератора с заземлителем осуществляется специальным проводником, сечение которого не меньше допустимого по ПУЭ. Заземлитель нейтрали должен располагаться вблизи трансформатора (генератора), а для внутрицеховых подстанций около стены здания.

Нулевой рабочий проводник от трансформатора до распределительного шкафа выполняется шиной, жилой кабеля, алюминиевой оболочкой кабеля, проводимость которых, должна составлять не менее 50% проводимости фазных проводов.

В качестве нулевых защитных проводников используются изолированные и неизолированные проводники, нулевые жилы кабелей и проводов, полосовая и угловая сталь, а также металлические конструкции зданий, подкрановые пути, стальные трубы электропроводок, металлические кожухи шинопроводов и др. На воздушных линиях зануление осуществляется специальным проводом, проложенным на тех же опорах, что и фазные провода. Нулевой рабочий провод должен повторно заземляться: на концах воздушных линий длиной более 200 м; на ответвлениях от воздушной линии; на вводах от воздушной линии к электроустановке.

Сопротивление каждого повторного заземлителя не должно превышать 30, 60 Ом, а общее сопротивление всех повторных заземлителей – не более 10, 20 Ом для электроустановок 380, 220 В, соответственно. При выполнении повторных заземлений в первую очередь используются естественные заземлители (подземные части опор, грозозащитные заземления).

При повреждении изоляции в установке с глухозаземлённой нейтралью возникает однофазное короткое замыкание (КЗ), ток которого равен

где U_Ф – фазное напряжение сети; - полное сопротивление петли фаза – нулевой провод; Z_Т – полное сопротивление трансформатора при замыкании на корпус, значение которого приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Полное сопротивление КЗ трансформатора

Мощность трансформатора, кВ×А
Расчетное сопротивление, ZT, Ом	0,65	0,413	0,26	0,162	0,104	0,065	0,043	0,027

С допустимой для практики точностью принята алгебраическая сумма Z_П и Z_Т вместо геометрической. Ток I_К , протекающий по петле фаза – нулевой проводник, должен привести к немедленному отключению повреждённого участка, для этого кратность тока КЗ к току уставки автоматического выключателя (номинальному току расцепителя I_НР) или номинальному току плавкого элемента ближайшего предохранителя I_Н.ВСТ должна иметь нормируемую величину , которая приведена в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Кратность тока КЗ в сетях зануления

Вид защитного аппарата	Кратность k в помещениях
с нормальной средой	с взрывоопасной средой
Плавкие предохранители	3 IН.ВСТ	4 IН.ВСТ
Автоматические выключатели с обратнозависимой характеристикой	3 IН.Р	6 IН.Р
Автоматические выключатели с электромагнитным расцепителем	1,4 IН.Р при IНОМ £ 100 А 1,25 IН.Р при IНОМ > 100 А	1,4 IН.Р при IНОМ £ 100 А 1,25 IН.Р при IНОМ > 100 А

В качестве нулевых защитных проводников применяются те же элементы, что и для заземляющих проводников, но к ним предъявляются дополнительные требования.

Расчёт зануления заключается в определении сопротивления фазных и нулевых проводников по схеме сети, подсчете тока КЗ по (1) и сравнении кратности тока КЗ с нормируемой величиной. Сопротивления петли фаза – нуль шинопроводов, кабелей, стальных труб, полос и других проводников, применяемых для зануления, можно определить и найти в литературе [5, 6].

Расчёт заземляющих устройств с достаточной для практических целей точностью, выполняется в следующем порядке:

а) выбираем схему заземления на стороне переменного тока и указываем её тип (см. рис. 2.4).

б) определяем расчётный ток замыкания (I₂ берётся из таблицы 1.1) и из соотношения , но не более 4 Ом.

в) принимаем отсутствие естественных заземлителей. Коэффициент сезонности для вертикальных электродов принимаем равным h_С =1.4, для горизонтальных - h_С =3. Находим удельные сопротивления грунта для вертикальных и горизонтальных электродов, где удельное сопротивление r₀ определяем из таблицы 1.2.

г) рассчитываем сопротивление R_В одного вертикального электрода

,

где l и h выбираются с учётом вышеизложенных рекомендаций, а t определяется по выбранным параметрам l, h электрода.

д) Находим число вертикальных электродов:

где h_В – коэффициент использования вертикальных электродов, зависящий от числа электродов и соотношения a / l ( a - расстояние между электродами длиной l ). Соотношение a / l зависит от выбранных параметров a и l, которые определяются местностью и грунтом, они лежат в диапазонах а ≥ 2,5м и l=2,5…5 м. В контрольной работе a / l выбираем произвольно. Из таблицы 2.3, составленной для крайнего случая R₃ равному 4 Ом, определяем h_В .

Таблица 2.3 - Коэффициенты использования вертикальных и горизонтальных электродов из угловой стали или труб

Отношение	Количество труб в ряду	hВ	hГ
		0,85	0,80
	0,80	0,80
	0,70	0,75
	0,60	0,60
		0,90	0,90
	0,85	0,90
	0,80	0,85
	0,75	0,75
		0,95	0,95
	0,90	0,90
	0,85	0,80

е) Определяем общую длину заземляющего устройства . Рассчитываем сопротивление горизонтальных электродов (соединительной полосы контура)

выбрав l₁ , b, h с учетом рекомендаций приложения П2.

По таблице 2.3 определяем коэффициент использования полосы h_Г и находим:

ж) Определяем общее сопротивление ряда заземляющего устройства, состоящего из вертикальных электродов и соединительных полос по формуле:

Это сопротивление должно быть меньше определённого в пункте б (R_З).

Выбор автомата защиты

В современных системах электропитания используются автоматические выключатели – расцепители, которые автоматически отключают установку при увеличении тока выше некоторого порога (автоматы максимального тока) или уменьшения напряжения до заданной величины (автоматы минимального напряжения), или до нуля (нулевые автоматы). Автоматические выключатели тока служат также для защиты установок от перегрузок и токов короткого замыкания, заменяя, таким образом, плавкие предохранители. В настоящее время широкое использование нашли автоматические выключатели серии DPX фирмы Legrand. Выключатели оснащаются магнитотермическими или (и) электронными расцепителями. Конструкция корпуса выполнена из изоляционного материала, способного выдержать предельные термические и механические напряжения. Управляющие устройства автоматических выключателей могут выполнять следующие функции:

- дистанционное отключение и включение DPX;

- взведение автоматического выключателя в случае его отключения;

- электрическая блокировка между несколькими автоматическими выключателями:

- автоматический ввод резерва, подключенный к щиту управления и сигнализации.

Автоматические выключатели выбирают согласно номинальным значениям напряжения, линейного тока сети I_Л и условиям перегрузки по таблице П5. Номинальный ток выключателя равен I_{НОМ.АВТ.} » 1,5I_Л..