Расчет защитного заземления

Цель расчета 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 проводится в следующем порядке:

1. Определяют норму сопротивления заземления R_H (по ПУЭ) в зависимости от напряжения, режима работы нейтрали, мощности и других данных электроустановки.

2. Определяют расчетное удельное сопротивление грунта с учетом климатического коэффициента

р_расч = р_табл Ψ, (2.10)

где р_табл - удельное со­противление грунта по табл. 2.2.6;

Ψ- климатический коэффициент по таблице 2.14

Таблица 2.14 - Значения удельных сопротивлений грунтов при влажности 10... 12 % к массе грунта

Грунт	Удельное сопротивление, Ом ∙ м
Суглинок Чернозем Супесок

Таблица 2.15- Значения климатических коэффициентов и признаки зон

Тип заземлителя	Климатические зоны
I	III
Горизонтальные полосовые заземлители при глубине заложения Н= 0,8 м	4,5...7,0	2,0 - 3,5
Признаки климатических зон
Средняя температура января, °С	-20...-15	-10...0
Средняя температура июля, °С	16...18	22...24

3. Определяют сопротивление одиночного вертикального зазем­лителя R_c с учетом удельного сопротивления грунта.

(2.11)

где d - диаметр стержня, м;

Н = H₀ + l/2;

4. Учитывая норму сопротивления заземления R_н, определяют чис­ло вертикальных заземлителей без учета взаимного экранирования

n = R /R .

5. Разместив заземлители на плане и задавшись отношением г| расстояния между одиночными заземлителями S к их длине l_с, определяют с учетом коэффициента использования вертикальных стерж­ней (таблица 2.16) окончательно их число и сопротивление за­землителей - без учета соединительной полосы R_cc = R_c/( )

Таблица 2.16 -Коэффициенты использования вертикальных заземлителей

Отношение расстояния между заземлителями к их длине	Число заземлителей п
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

6. Определяют сопротивление соединительной полосы

(2.12)

где l_п = 1,05(n -1)S - длина соединительной полосы;

b, Н - ширина и глубина заложения полосы.

С учетом коэффициента использования полосы (таблица 2.17) уточняют

R'_П = R_П / .

Таблица 2.17 - Коэффициенты использования горизонтальной полосы, соединяющей вертикальные заземлители

Отношение расстояния между заземлителями к их длине	Число вертикальных заземлителей n
Вертикальные заземлители располагаются в ряд
	0,85	0,77	0,72	0,62	0,42	-	-	-
	0,94	0,89	0,84	0,75	0,56	-	—	—
Вертикальные заземлители располагаются 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

(2.13)

и проверяют, соответствует ли оно нормативному значению R_H..

Пример 4.1. Заземлению подлежит оборудование пони­жающей подстанции напряжением 6/0,4 кВ. Мощность трансформа­тора 200 кВА, схема соединения обмоток Y/∆_н, т.е. на стороне высо­кого напряжения - глухозаземленная нейтраль, на стороне низкого -изолированная нейтраль. Грунт - суглинок, климатическая зона - III.

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 40 х 4 мм.

1. Токи замыкания на землю в подобных установках меньше 500 А, поэтому для заданной мощности трансформатора нормиро­ванное сопротивление заземляющего устройства R_H<2 Ом.

2. Удельное сопротивление грунта р_табл =100 Ом ∙ м (таблица 2.14).

С учетом климатических коэффициентов Ψ_с = 1,4; Ψ_п = 2 (таблица 4.15) расчетные удельные сопротивления р_с= 100 • 1,4 = 140 Ом • м, р_п =100-2 = 200 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 (2.11):

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 2.5) с ориентировочным соотношением сторон 2x3.

Рисунок 2.5 - Схема заземления

Исходя из реальных условий, отношение берем S/l = 1. Тогда n_с =0,55 и n₁ =10/0,55 = 18 шт. Сопротивление заземлителей R_сс = 40,5/(18-0,55) = 4,1 Ом.

6. Длина соединительной полосы l_п =1,05-17-3 = 53,5м; Н берем равной Н₀ = 0,5 м. Тогда сопротивление соединительной полосы по формуле

С учетом коэффициента использования полосы η_п = 0,28 (табл. 2.14)

=7,45/0,28 = 26,6 Ом.

7. Общее сопротивление заземляющего устройства находим по формуле:

8.

Полученное расчетное сопротивление R удовлетворяет требова­ниям ПУЭ: R < R_H = 4 Ом. Стержневые заземлители длиной по 3 м в количестве 18 шт. расположены в прямоугольном размером контуре 11x16 м.

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. Принципиальная схема зануления представлена на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 - Схема зануления установки

При замыкании на зануленный корпус электроустановки ток ко­роткого замыкания 1_К проходит через следующие участки цепи: фаз­ный провод В, обмотки трансформатора Тр, нулевой проводник Н, а также по параллельной ветви: заземление нейтрали R₀ , участок грун­та, повторное заземление R_n. Сопротивление петли "фаза-нуль" обычно не превышает 2 Ом, а сопротивление R₀ + R_n, согласно ПУЭ, должно быть в пределах 7...28 Ом в зависимости от напряжения сети. Поэтому ток /₃, протекающий через землю, много меньше тока I_н , проходящего по нулевому проводнику, и можно считать I_к = I_н. Тогда

I_к ≥KI_ном, (2.14)

где I_{ном -} номинальный ток срабатывания устройства защиты П;

к - коэффициент кратности номинального тока.

Значение I_ном определяется мощностью подключенной электроус­тановки и выбирается из условия несрабатывания при протекании 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

(2.15)

где - фазное напряжение сети;

Z_T - сопротивление трансформатора.

Значения Z_T в зависимости от мощности трансформатора Р и схе­мы соединения обмоток "звезда-звезда" Y/Y_H или "треуголь­ник-звезда" ∆/Y_Н с четвертым нулевым защитным проводником с низкой стороны трансформатора приведены в табллице 2.18.

Таблица 2.18 - Расчетные сопротивления трансформаторов при вторичном напряжении 380/220В

Р,кВА	ZT
	YIYH	∆/Yн
	0,195	0,056
	0,129	0,042
	0,487	0,141

Для трансформаторов с вторичным напряжением 220/128 В Z_T следует умень­шить в 3 раза.

Полное сопротивление проводников петли "фаза-нуль"

(2.16)

где R_ф, R_H - активные сопротивления фазного и нулевого провода; х_ф, х_н - внутренние индуктивные сопротивления фазного и нуле­вого проводов;

х_П - внешнее индуктивное сопротивление петли "фаза-нуль".

Для медных и алюминиевых проводников фаз по известным дан­ным: сечению Sф (мм²), длине l (м) и удельному сопротивлению проводника р (Ом ∙ мм /м) (для меди р ⁼ 0,018, а для алюминия р = 0,028) - определяется сопротивление

R_ф = рl/ S_ф . (2.17)

Значение х_ф для медных и алюминиевых проводников мало, по­этому им можно пренебречь.

Если нулевой защитный проводник выполнен из стали прямо­угольного или круглого сечения, то

R_H = /, х_П = х l,

где и - ак­тивное и внутреннее индуктивное сопротивление / км проводника, значения которых указаны в таблице 2.19. Они зависят от его профиля и площади сечения S_H, а также от ожидаемой плотности тока в провод­нике i (А/мм²).

Таблица 2.19 - Значения и , Ом/км, стальных проводников при переменном токе (f = 50 Гц)

Размеры сечения, мм	SH, мм	h = 0,5	=1,0	=1,5	=2,0
20x4		5,24	3,14	4,20	2,52	3,48	2,09	2,97	1,78
30x4		3,66	2,20	2,91	1,75	2,38	1,43	2,04	1,22
30x5		3,38	2,03	2,56	1,54	2,08	1,25	1,60	0,98
40x4		2,80	1,68	2,24	1,34	1,81	1,09	1,54	0,92
60x4		2,28	1,37	1,79	1,07	1,45	0,87	1,24	0,74
50x5		2,10	1,26	1,60	0,96	1,28	0,77	-	—
60x5		1,77	1,06	1,34	0,80	1,08	0,65	—	-

. (2.18)

При выборе сечения нулевого проводника следует обеспечить = 0,5.. ,2,0 А/мм.

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, (2..19)

где Z_H и Z_ф - полные сопротивления соответственно нулевого и фаз­ного проводника.

Внешнее индуктивное сопротивление х_П , Ом, петли "фаза-нуль", если используется воздушная линия электропередачи и частота тока f= 50 Гц, можно определить по формуле

х_П = 0,1256l∙ In (2D/d), (2.20)

где l - длина линии, км;

D - расстояние между проводниками линии, м;

d - диаметр проводников, м.

Для грубых расчетов используют формулу х_П = 0,6l, что соответ­ствует D = 1 м. Для уменьшения значения х_П нулевой защитный про­водник следует прокладывать рядом с фазным. Если нулевой про­водник является четвертой жилой кабеля или металлической трубой, в которой расположены фазные проводники, то х_П мало по величине и им можно пренебречь.

Если источник питания и линия электропередачи заданы, то необ­ходимо выбрать соответствующий автоматический выключатель, используя приведенные выше рекомендации. Если автоматический выключатель задан, тогда необходимо определить сечение нулевого провода. В обоих случаях проводится расчет на срабатывание вы­ключателя. Если в результате расчета условие выполняется, то расчет окончен, а если нет, то его повторяют, выполнив одно из ме­роприятий: изменяют параметры выключателя; утолщают нулевой защитный проводник; измеряют параметры фазных проводников.

Пример 5.1. Электроустановка снабжается энергией от трансформатора мощностью 630 кВА, напряжением 10/0,4 кВ со схе­мой соединения обмоток Y/Y_H. Линия 380/220 В протяженностью 300 м состоит из трех проводников сечением 15 мм², нулевой защитный проводник - стальная полоса сечением 50x4 - 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 А.

Определяем по формуле для автоматического выключате­ля 1_К= 1,4 ∙ 60 = 84 А.

Находим сопротивление обмоток трансформатора Z_T = 0,129 Ом.

Далее рассчитываем по формуле полное сопротивление пет­ли "фаза-нуль".

По формуле 2.17 находам при l = 300 м, R_ф = 0,028 ∙ 300/15 = 0,56 Ом.

Согласно формуле 2.18 i_н = 84/(50 ∙ 4) = 0,42 А/мм².

Считая i_н = 0,5, по таблице 2.19 для нулевого защитного проводника находим r₁ = 2,28 Ом/км, x₁ = 1,37 Ом/км. Тогда R_H = 2,28 ∙ 0,3 = 0,684 Ом; х_п=1,73 ∙ 0,3 = 0,411 Ом.

Условие 2.19 выполняется: Z_H = 0,8; 2 ∙ Z_ф = 1,1; Z_H < 2 Z_ф.

Внешнее индуктивное сопротивление проводников согласно формуле 2.20 берем с запасом

х_п = 0,1256 ∙ 0,3 ∙ In (2 ∙ 0,2/0,00564) = 0,161 Ом.

По формуле 2.16 находим Z_П = 1,37 Ом, затем по формуле 2.15 определяем I_н = 156 А. Следовательно, условие 2.14 выполняется, и отключение распределительного щитка в аварийной ситуации также обеспечивается.

Расчет звукоизолирующих устройств.

Шум - это беспорядочное сочетание звуков различной частоты и интенсивности, возникающих при упругих колебаниях в твердых, жидких и газообразных средах.

Для частотной характеристики шума звуковой диапазон разбивают на октавные полосы частот, где верхняя граничная частота f_в равна удвоенной нижней частоте f_н, т.е. f_в/f_н = 2. Октавная полоса характеризуется среднегеометрической частотой f_ср = . В данном случае октавную полосу примем равной 500 Гц.

Уровень звука - это измеренное значение шума с учетом коррекции, приближенно отражающей чувствительность человеческого уха (по шкале ампер шумомера), измеряемое в децибел-амперах (дБА).

Уровни звука и звукового давления в октавных частотах для основного оборудования металлургического производства и предельно допустимые уровни звукового давления приведены в таблице 2.20 и 2.21 соответственно.

Таблица 2.20 - Уровень звукового давления в рабочей зоне промышленного оборудования

№ п/п	Наименование оборудования	Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц	Уровни звука, дБА
31,5
	ДСП (5 т)
	ДСП (200 т)
	Мартеновская печь 300 т
	Нагревательная печь
	Агрегат резки листа

Таблица 2.21 – Предельно допустимые уровни звукового давления для основных видов трудовой деятельности.

№ п/п	Вид трудовой деятельности	Уровни звукового давления, дБ, В октавных полосах частот Со среднегеометрическими частотами, Гц	Уровни звука, дБА
31,5
	Творческая деятельность, руководящая работа с повышенными требованиями, программирование, преподавание и обучение.
	Высококвалифицированная работа, рабочие места в помещениях цехового управленческого аппарата, в лабораториях.
	Рабочи места в помещениях диспетчерской службы, кабинетах и помещениях наблюдения и дистанционного управления с речевой связью по телефону, в помещениях мастеров, залах обработки информации на вычислительных машинах.
	Рабочие места за пультами в кабинах наблюдения и дистанционного управления без речевой связи по телефону, в помещениях лабораторий с шумным оборудованием.
	Выполнение всех видов работ на постоянных рабочих местах в производственных помещениях и на территории предприятия.

Расчет проводят в такой последовательности:

1. Выбирают материал ограждающей конструкции: стены, перегородки, кожуха и т.п.

2. Определяют требуемую звукоизоляцию

, (2.21)

В случае необходимости следует учесть влияние на звукоизоляцию оконных и дверных проемов

, (2.22)

где L - октавный уровень звукового давления в помещении, дБ;

L_доп - допустимый октавный уровень звукового давления в защищаемом помещении, дБ;

n - общее число ограждающих конструкций или их элементов, через которые проникает шум;

S – площадь ограждающей конструкции, через которую проникает шум в помещение, м²;

S₀ и S_c – площади окна и стены, включая окно, соответственно, м²;

R₀ и R_c – звукоизоляция соответственно окна и глухой части стены, дБ;

В — постоянная защищаемого от шума помещения (м²), которую можно определить по формуле

, (2.23)

где B₁₀₀₀ - постоянная помещения на среднегеометрической частоте 1000 Гц, определяемая по таблице 2.23 в зависимости от объема V и типа помещения;

μ - частотный множитель, определяемый по таблице 2.24.

Таблица 2.23 - Определение постоянной помещения B₁₀₀₀.

Описание помещения	B1000
С небольшим числом людей (металлургическое производство, металлообрабатывающие цеха, машинные залы и т. п.)	V/20
С жесткой мебелью и большим числом людей или с небольшим числом людей и мягкой мебелью (лаборатории, кабинеты, деревообрабатывающие цехи и т. п.)	V/10
С большим числом людей и мягкой мебелью (конструкторские бюро, аудитории учебных заведений, операторские и т.п.)	V/6

Таблица 2.24 – Значение частотного множителя μ.

Объём помещения, м3	Октавные полосы частот со среднегеометрическими частотами, Гц
31,5
Менее 200	0,82	0,8	0,75	0,7	0,8		1,4	1,8
200…1000	0,67	0,65	0,62	0,64	0,75		1,5	2,4
Более 1000	0,52	0,5	0,5	0,55	0,7		1,6

3. Определяют толщину материала однослойного ограждения для максимального значения требуемой звукоизоляции по формуле

, (2.24)

где f =1000 Гц - частота звука, соответствующая максимальному значению требуемой звукоизоляции;

ρ – плотность материала ограждения, кг/м³;

h – толщина материала однослойного ограждения, м.

Расчет звукопоглощающих устройств.

Под звукопоглощением понимают свойство поверхностей уменьшать интенсивность отраженных ими звуковых волн за счет преобразования звуковой энергии в тепловую. Коэффициент звукопоглощения характеризует потерю энергии при отражении звуковой волны от твердой поверхности. Коэффициент звукопоглощения зависит от свойств поверхности, частоты звука и угла падения звуковых волн.

Наиболее распространенными звукопоглощающими материалами являются пористые волокнистые изделия и материалы, закрытые со стороны помещения перфорированными экранами, которые защищают звукопоглощающий материал от механических повреждении и обеспечивают удовлетворительный декоративный вид. Толщина звукопоглощающего материала составляет 50... 100 мм.

Звукопоглощающие облицовки обычно размещают на потолке и стенах. Площадь обрабатываемой поверхности для достижения максимально возможного эффекта должна составлять не менее 60 % общей площади поверхностей. При необходимости снижения шума преимущественно в области низких частот звукопоглощающие мате риалы следует располагать на расстоянии 100... 150 мм от поверхности стен, оставляя между потолком и стеной воздушный зазор.

Расчет звукопоглощающих устройств проводят в такой последовательности:

1. Выбирают звукопоглощающий материал и определяют суммарную площадь обработки стен и потолка данным материалом (не менее 60 %);

2. Определяют значения всех составляющих снижения шума по формулам указанным в таблице 2.25 и последовательно заносят их непосредственно в саму таблицу.

Таблица 2.25 - Расчет снижения октавных уровней звукового давления звукопоглащающим материалом

№ п/п	Величина	Среднегеометрические частоты октавных полос, Гц
31,5
	(табл. 2.23)
	(табл. 2.24)
	(рис. 2.7)
	(табл. 2.26)

Примечание: S_огр и S_обл – площади ограждающих и звукопоглощающих конструкций;

Ψ и ψ₁ – коэффициенты диффузности до и после обработки помещения;

α и α₁ – коэффициенты звукопоглощения ограждающих конструкций и помещения с звукопоглощающими конструкциями;

α_обл – коэффициент звукопоглощения выбранного материала;

∆L – снижение шума звукопоглощающим материалом;

∆A и A – звукопоглощение звукопоглощающих и суммарное звукопоглощение ограждающих конструкций;

B₁ – постоянная помещения после обработки помещения звукопоглощающим материалом.

В табл. 7.10 представлены коэффициенты звукопоглощения наиболее распространенных звукопоглощающих материалов.

Таблица 2.26 - Коэффициент звукопоглощения различных материалов

№ п/п	Материал, изделие, конструкция, размеры	Тол- щина, мм	Коэффициент звукопоглощения а при среднегеометрической частоте октавной полосы
	Плиты марки ПА/О с не- сквозной перфорацией размером 500x500 мм		0,01	0,02	0,03	0,17	0,68	0,98	0,86	0,45	0,20
	Минераловатные акусти- ческие плиты		0,15	0,02	0,05	0,21	0,66	0,91	0,95	0,89	0,70
	Плита АГП гипсовая с заполнением из минераль- ной ваты		0,01	0,03	0,09	0,26	0,54	0,94	0,67	0,40	0,39

Коэффициенты фиффузности до и после обработки помещения определяют по рисунку 2.7.

Рисунок 2.7 – Зависимость коэффициента диффузности ψ от постоянной помещения B и площади ограждения S_огр.

3. Делают вывод об эффективности звукопоглощающих устройств.

Категорирование помещений по взрывоопасной и пожарной опасности.

Категорирование - это установление категории помещений и зданий (или частей зданий между противопожарными стенами - пожарных отсеков) производственного и складского назначения в соответствии с номенклатурой категорий и методикой их определения, регламентированными НПБ 105-03, в зависимости от количества и характеристик пожаровзрывоопасности находящихся (обращающихся) в них веществ и материалов с учетом особенностей технологических процессов размещенных в них производств.

В случае, когда обоснован вывод об отнесении помещения к категории В, необходимо решить вопрос о выборе разновидностей пожароопасной категории В1-В4.

Пожароопасная категория помещения определяется сравниванием максимального значения удельной временной пожарной нагрузки на любом из участков с величиной удельной пожарной нагрузки, приведенной в таблице 2.27.

Таблица 2.27 - Определение категории пожароопасных помещений

Категория	Удельная пожарная нагрузка, МДж/м2
В1	Менее 2200
В2	1401...2200
ВЗ	181...1401
В4	1...181

Пожарная нагрузка помещений может включать в себя различные сочетания горючих и трудногорючих жидкостей и твердых материалов в пределах пожароопасного участка. Пожарная нагрузка (МДж) определяется по формуле

, (2.25)

где Gj - количество j-го материала пожарной нагрузки, кг;

- низшая теплота сгорания i-го материала пожарной нагрузки, МДж/кг (таблица 2.28).

Удельная пожарная нагрузка (МДж/м²) определяется по формуле

, (2.26)

где S - площадь размещения пожарной нагрузки, м (но не менее 10м²).

Если по указанной методике помещение отнесено к категориям В2 или ВЗ, то проверяется выполнение условия

.

Если это условие не выполняется, помещение относят соответственно к категориям В1 или В2.

Таблица 2.28 - Теплота сгорания пожароопасных материалов

Материал или вещество	Низшая теплота сгорания материалов, кДж/кг
Алюминий
Ацетон
Бензин
Бензол
Бумага
Дерево
Керосин
Кремний
Магний
Толуол
Резина
Фенол
Этанол
Полиэтилен

Список использованных источников

ГОСТ 8.417-2002. Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин [Текст]. - Введен 2003-09-01. - М.: Изд-во стандартов, 2003. - 51 с.: ил.

ГОСТ 7.32-2001. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правило оформления [Текст]. - Введен 2002-07-01. - М.: Изд-во стандартов, 2001. - 16 с.: ил.; 29 см.

ГОСТ 9327-60. Бумага и изделия из бумаги. Потребительские форматы [Текст] - Введен 1961-01-01. – Переизд. 1987 с изм. 2-4. – М.: Изд-во стандартов, 1987.

ГОСТ 2.105. Единая система конструкторской документации. Общие требования к текстовым документам [Текс]. - Введен 1996-07-01. - М.: Изд-во стандартов, 1996. - 19 с.: ил.

ГОСТ 7.1-2003. Библиографическая запись. Библиографическое описание. Общие требования и правила составления [Текст]. - Введен 2004-07-01. - М.: Изд-во стандартов, 2004. - 166 с.: ил.

Приложение А