Расчет защитного заземления

Наиболее распространенное и надежное средство электрозащиты - защитное заземление, которое базируется на снижении к безопасным значениям напряжения прикосновения и шагового напряжения, которые обусловлены замыканием на корпус. Этого достигают путем уменьшения сопротивления заземления.

Защитным устройством называется совокупность заземлителя (металлического проводника или группы проводников, которые находятся в непосредственном соприкосновении с грунтом) и заземлительных проводников, которые соединяют заземленные части оборудования с заземлителями. В зависимости от расположения заземлителей по отношению к заземленному оборудованию, конструкции заземления бывают выносными (сосредоточенными) и контурными (распределенными).

В контурных заземлительных устройствах заземлители располагают по контуру (периметру) здания, в котором находится электрооборудование, которое нужно заземлить (рис. 2, а).

В местах с высоким удельным сопротивлением грунта экономически может быть более целесообразным устройство выносных заземлителей, которые размещают в более проводящих пластах земли (рис. 2, б).

Рис. 2. Схема контурного и выносного заземления

Группы выносных заземлителей соединяют с объектом магистралью заземления, кабельной линией. Виносное защитное заземление защищает за счет малого сопротивления растеканию тока и небольшого тока замыкания на землю.

При контурном заземлении заземлители располагаются по периметру и внутри площадки, на которой установлено заземленное оборудование и электрически соединяются. Во время замыкания на корпус ток стекает на землю и благодаря системе заземлителей, расположенных в вершинах сети с определенным шагом, на поверхности территории площадки появляется повышенный относительно подчиненной территории потенциал.

Заземлители могут быть естественные и искусственные. Как естественные заземлители используют разнообразные металлоконструкции, которые имеют хороший контакт с землей: арматуры железобетонных конструкций, трубопроводы (кроме тех, что применяются для транспортировки горючих и взрывных жидкостей и газов), металлические оболочки кабелей (за исключением алюминиевых), обсадные трубы и т.п.. Искусственные заземлители представляют собой специально устроенные металлоконструкции. В первую очередь, для заземления нужно использовать естественные заземлители, если они есть.

Характеристика стационарных заземлителей и токоотводов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Характеристика стационарных заземлителей и токоотводов

Снаружи зданий обычно формируют внешний заземлительный контур. Для этого за пределами отмостки дома, в специально выкопанной траншее глубиной 0,6...0,8 м вбивают вертикальные заземлители на расстоянии друг от друга 1...3 м, что равняется длине заземлителя. Вертикальные заземлители методом сваривания соединяют между собой полосой. Образовывается замкнутый по периферии цеха внешний контур, от которого в середину цеха выводятся проводники. Последние также свариванием соединяются с внутренним контуром.

Внутренний контур, к которому присоединяются корпусы электроустановок - это закрепленный на внутренней стенке цеха проводник, который соединяется с внешним контуром. Большое внимание уделяется надежности соединений в конструкции заземления.

Сопротивление растеканию тока с одного заземлителя (трубы, стержня) зависит от удельного сопротивления грунта, глубины от поверхности земли к верху заземлителя и размеров самого заземлителя (трубы), определяют по выражению:

где ρ - удельное сопротивление грунта, Ом·м;

l – длина заземлителя, м;

d – диаметр заземлителя, м;

t – расстояние от поверхности земли к середине вертикального заземлителя, м;

где h_в – глубина выкопанной траншеи, в которую вбивают вертикальные заземлители, м (рис. 3).

Удельное сопротивление грунта зависит от его строения, содержимых в нем растворимых веществ, влаги, температуры воздуха. Оно изменяется сезонно, а следовательно - сезонно изменяется и значение сопротивления растеканию тока заземлительной системы. Наибольшее значение удельное сопротивление имеет засушливым летом и зимой в большой мороз. Наилучшие грунты для устройства заземления - влажные (торф, чернозем, глина, садовая земля). Самым плохим является скалистый грунт. Можно уменьшить удельное сопротивление грунта внесением кухонной соли вокруг вертикальных заземлителей, подливанием перегноя. Пласт соли и земли поочередно укладывают в грунт на глубину 1/3 длины заземлителя и поливают водой. Для снижения удельного сопротивления используют также намоченный водой шлак или раствор глины в воде.

Рис. 3. Схема размещения заземлителей (труб) группового заземления:

1 – соединительная лента; 2 – заземлитель (труба); h_в – глубина закладывания заземлителей; L – расстояние между заземлителями; t – расстояние от середины заземлителя к поверхности грунта; l – длина заземлителя (стержня или трубы); b – ширина соединительной ленты

Удельное электрическое сопротивление грунта зависит от его структуры, влажности, температуры, твердости и времени года (табл. 2).

Таблица 2. Удельное электрическое сопротивление грунта

Удельное электрическое сопротивление грунта с учетом коэффициента сезонности определяется по формуле:

где р_в – измерительное удельное электрическое сопротивление, Ом·м;

η_с – коэффициент сезонности.

Коэффициент сезонности зависит от влажности земли при измерении (табл. 3).

Таблица 3. Значение коэффициента сезонности для вертикального

заземлителя и горизонтальной ленты

Групповое расположение вертикальных заземлителей (труб) оказывает взаимное влияние полей растекания (экранирование) тока, увеличивая сопротивление растеканию тока.

Учитывая коэффициент экранирования, получим:

где R_тр – сопротивление растеканию тока одного заземлителя, Ом·м;

г – количество заземлителей, шт;

η_с – коэффициент экранирования.

Значение коэффициента экранирования вертикальных заземлителей (труб) для контурного заземления представлено в табл. 4.

Таблица 4. Значение коэффициента экранирования

С учетом коэффициентов сезонности и экранирования количество заземлителей (труб) определяется по формуле:

где R_тр – сопротивление одного заземлителя (трубы), Ом;

R _д = 4 Ом - допустимое сопротивление растекания тока заземления. Длину соединительной ленты определяют по формуле:

где L - расстояние между заземлителями (трубами), м.

Сопротивление растеканию тока в соединительной ленте можно определить по формуле:

где р – удельное электрическое сопротивление грунта с учетом коэффициента сезонности, Ом ·м;

l _стр – длина соединительной ленты, м;

h – глубина (траншеи) закладывания соединительной ленты, м;

b – ширина соединительной ленты, м;

η_стр – коэффициент экранирования соединительной ленты.

Коэффициент экранирования соединительной ленты для контурного заземления принимают в зависимости от количества заземлителей (табл. 5).

Таблица 5. Значение коэффициента экранирования для контурного заземления

Общее сопротивление растеканию тока заземлителей (труб) и соединительной ленты определяется по формулам:

или

Защитное заземление устанавливают в трехфазных сетях с заземленной нейтралью напряжением до 1000 В, а выше 1000 В – при любом режиме работы нейтрали. Заземлению подлежат электроустановки напряжением выше 42 В сменного тока в помещениях с повышенной опасностью и особо опасных, а также во внешних установках.

В условиях деревообрабатывающих производств заземляют все стационарное и передвижное технологическое и транспортное оборудования, которое питается электрическим током.

Ручные электрифицированные инструменты, которые работают с напряжением выше 42 В, подключают в сеть через штепсельные розетки, которые, кроме фазных контактов, имеют и заземлительный контакт. Штепсельные соединения выполненные так, что во время включения заземляющий контакт входит раньше фазных контактов, за счет чего обеспечивается безопасность при обслуживании электрооборудования. Заземляющий контакт длиннее от фазных, что исключает ошибочное включение.