Теоретические сведения о защитном заземлении, как способе обеспечения электробезопасности

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(Государственный технический университет)

филиал «Восход»

Кафедра ИТИиУ Составитель: Колодяжная И.Н.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторной работы

по дисциплине «БЖД»

На тему: “Расчет защитного заземления”

Одобрено

Ред.Советом

филиала «Восход» МАИ

Протокол № _____

«_____»_______2002 г.

Байконур

2002 г.

Аннотация

Методические указания предназначены для изучения студентами всех специальностей такого важного раздела курса «БЖД» как «Электробезопасность».

В пособии имеются два раздела:

1 раздел – это теоретические основы по расчету защитного заземления

2 раздел – методика проведения расчетов и вариантов заданий.

Выполнение лабораторной работы «Расчет защитного заземления» поможет студентам закрепить теоретические знания, полученные в лекционном курсе, а также в выполнении раздела БЖД при дипломном проектировании.

В методических указаниях также имеются справочные материалы, необходимые для выполнения заданий.

Содержание

стр.

Введение

Приступая к выполнению лабораторной работы, студент должен внимательно изучить теоретическую часть по расчету защитного заземления и разобраться с методикой проведения расчетов. На занятия студент должен представить отчет с теоретической частью, а затем во время лабораторной работы должен сделать задания, показать расчеты преподавателю и дооформить свой отчет, лабораторные работы заканчивается защитой.

Студент должен уметь рассчитывать защитное заземление, применяемое при работах на электроустановках, а также должен знать, где и как применяется этот вид электрозащиты, также должен знать и другие меры защиты человека от поражения электрическим током.

Отчет по лабораторной работе должен быть выполнен на листах формата А4 согласно ГОСТ 2.105-95.

Теоретические сведения о защитном заземлении, как способе обеспечения электробезопасности

Для устранения опасности поражения током в случае прикосновения к корпусу и дру­гим нетоковедущим металлическим частям электроустановки, оказавшимся под напряже­нием, наряду с другими мерами защиты в сетях с изолированной нейтралью широко приме­няется защитное заземление.

Защитное заземление – это преднамеренное электрическое соединение с землёй или её эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряже­нием вследствие замыкания на корпус и по другим причинам (например, индуктивное влия­ние соседних токоведущих частей, разряд молнии и т.п.).

Принцип действия защитного заземления заключается в уменьшении потенциала на корпусе заземлённого электрооборудования за счёт малого сопротивления заземлителя и в уменьшении напряжения прикосновения к оборудованию вследствие выравнивания потен­циалов основания, на котором стоит человек, и оборудования за счёт подъёма потенциала основания до значения, близкого к потенциалу на заземлённом оборудовании.

Область применения защитного заземления:

- сети напряжением до 1000 В переменного тока (трёхфазные трёхпроводные с изо­лированной нейтралью, однофазные двухпроводные, изолированные от земли), а также постоянного тока (двухпроводные с изолированной средней точкой обмоток источника тока);

- сети напряжением выше 1000 В переменного и постоянного тока с любым режи­мом нейтральной или средней точки обмоток источников тока (рисунок 1).

а) б)

1. Заземляемое оборудование,

2. Заземлитель защитного заземления,

3. Заземлитель рабочего заземления,

r_Р, r_З – сопротивление рабочего и защитного заземлений

Рисунок 1 - Принципиальные схемы защитного заземления в сетях трёхфазного тока

а) в сети с изолированной нейтралью до 1000 В и выше

б) в сети с заземлённой нейтралью выше 1000 В

Заземляющим устройством называется совокупность заземлителя, т.е. проводника (электрода) или группы соединённых между собой проводников, находящихся в соприкос­новении с землёй, и заземляющих проводников, т.е. проводников, соединяющих заземляе­мые части с заземлителем (рисунок 2).

1. Заземлитель,

2. Заземляющий проводник,

3. Заземляемое оборудование

Рисунок 2 - Схема заземляющего устройства

В зависимости от места размещения заземлителя относительно заземляемого оборудования различают два типа заземляющих устройств: выносное и контурное.

Выносное заземляющее устройство (сосредоточенное) характеризуется тем, что заземлитель его вынесен за пределы площадки, на которой размещено заземляемое оборудование, или сосредоточен на некоторой части этой площадки (рисунок 3).

1. Заземлители,

2. Заземляющие проводники,

3. Заземляемое оборудование

Рисунок 3 - Выносное заземляющее устройство

Существенный недостаток выносного заземляющего устройства – отдалённость заземлителя от защищаемого оборудования, вследствие чего на всей или на части защищаемой территории коэффициент прикосновения a=1. Поэтому заземляющие устройства этого типа применяются лишь при малых I_З, в частности в ЭУ до 1000 В, где по­тенциал заземлителя не превышает значения допустимого напряжения прикосновения.

Достоинством выносного заземляющего устройства является возможность выбора места размещения электродов заземлителя с наименьшим сопротивлением грунта (сырое, глинистое, в низинах и т.п.).

Контурное заземляющее устройство характеризуется тем, что электроды его заземлителя размещаются по контуру (периметру) площадки, на которой находится заземляемое оборудование, а также внутри этой площадки.

Рисунок 4 - Контурное заземляющее устройство

Заземлители различают искусственные, предназначенные исключительно для цели за­земления, и естественные (находящиеся в земле металлические предметы иного назначения).

В качестве естественных заземлителей могут использоваться проложенные в земле во­допроводные и другие металлические трубы, ободные трубы артезианских колодцев, сква­жин и т.п., металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, имеющие соединение с землёй, свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле и т.п.

Естественные заземлители можно использовать без искусственных, если они обеспечи­вают требуемое ПУЭ сопротивление растеканию тока.

Для искусственных заземлителей применяют обычно вертикальные и горизонтальные электроды.

В качестве вертикальных электродов используют стальные трубы диаметром 5-6 см с толщиной стенки не менее 3, 5 мм, угловую сталь с толщиной полок не менее 4 мм, и прут­ковую сталь диаметром не менее 10 мм.

Для связи вертикальных электродов и в качестве самостоятельного горизонтального электрода применяют полосовую сталь сечением не менее 4^Х12 мм и сталь круглого сечения диаметром не менее 6 мм.

Примечание: формулы для расчета сопротивления одиночных заземлителей смотреть в приложении А., таблица А.1.

Защитному заземлению подлежат металлические нетоковедущие части электрообору­дования, которые вследствие неисправности изоляции и других причин могут оказаться под напряжением и к которым возможно прикосновение людей и животных.

В помещениях с повышенной опасностью и особо опасных, а также в наружных уста­новках заземление обязательно при номинальном напряжении ЭУ выше 42 В переменного и 110 В постоянного тока, а в помещениях без повышенной опасности – при напряжении 380 В и выше переменного тока и 440 В и выше постоянного тока.

Примечание к рисунку 4:

Изменение потенциала в пределах площадки, на которой размещены электроды зазем­лителя, происходит плавно, при этом напряжение прикосновения U_ПР, и напряжение шага U_Ш имеют небольшие значения по сравнению с потенциалом заземлителя j_З.

Контурное заземление рекомендуется во всех случаях, а в установках напряжением до 1000 В оно является обязательным.

Расчёт защитного заземления имеет целью определить основные параметры заземления – число, размеры и порядок размещения одиночных заземлителей и заземляющих проводни­ков, при которых напряжения прикосновения и шага в период замыкания фазы на заземлён­ный корпус не превышает допустимых значений.

При этом расчёт производится обычно для случаев размещения заземлителей в одно­родной земле, учитывая, однако, иное сопротивление верхнего слоя земли (слоя сезонных изменений), обусловленное промерзанием или высыханием грунта.

Расчёт производят способом, основанном на применении коэффициентов использова­ния проводимости заземлителя, и называемым поэтому способом коэффициентов использо­вания. Его применяют как при простых, так и при сложных конструкциях групповых зазем­лителей.

Коэффициент использования проводимости заземлителя есть отношение действитель­ной проводимости группового заземлителя к возможной наибольшей его проводимости , т.е. при бесконечно больших расстояниях между его электродами.

(1)

Значение коэффициента использования зависит от формы, размеров и размещения электродов, составляющих групповой заземлитель, а также от их числа n и расстояния S ме­жду соседними электродами.

Для защитного заземления часто применяют электроды двух типов: стержневые, заби­ваемые в землю вертикально, и полосовые, которые укладываются в грунт горизонтально и предназначенные для соединения вертикальных электродов, при этом возникает взаимодей­ствие полей растекания тока вертикальных электродов не только между собой, но и с полями горизонтальных электродов. Однако степень этого взаимодействия различна для этих типов заземлителей и учитывается двумя коэффициентами использования вертикальных и горизон­тальных электродов h_В и h_Г (приложение А, таблица А.2 и А.3).

С увеличением расстояния между соседними электродами уменьшается взаимодейст­вие полей единичных заземлителей и h возрастает; при S³ 40 м проводимость заземлителей используется полностью и h=1. С увеличением числа заземлителей (при неизменном S) повышается взаимодействие полей и, следовательно, снижается h.

В таблице А.1 приведены коэффициенты использования вертикальных стержневых элек­тродов, расположенных на одной прямой или по контуру без учёта влияния горизонтального электрода, который связывает их. Сопротивление такой группы электродов будет:

, (2)

где R_ВО – сопротивление растеканию одного электрода, (Ом);

n – количество электродов.

Сопротивление растеканию горизонтального электрода с учётом экранирующего эф­фекта вертикальных электродов, которые он соединяет, определяется следующим выраже­нием:

, (3)

где R_ГО – сопротивление растеканию горизонтального одиночного электрода без учёта эк­ранирования, (Ом).

Сопротивление группового заземлителя R, состоящего из n вертикальных стержневых электродов и соединяющей их полосы (горизонтального электрода) будет:

(4)

Грунт, окружающий заземлители, не является однородным. Наличие в нём песка, строительного мусора и грунтовых вод оказывает большое влияние на сопротивление грунта. Поэтому ПУЭ рекомендуют определять удельное сопротивление грунта r_ИЗМ путём непо­средственных измерений в том месте, где будут размещаться заземлители.

Род грунта практически не оказывает влияние на его удельное сопротивление, по­скольку сухой грунт любого рода тока практически не проводит. Однако, грунты содержат неодинаковое количество растворимых веществ, обладают различной дисперсностью, имеют различную способность удерживать свободную воду и поэтому, будучи увлажнёнными ока­зывают различное сопротивление электрическому току. При отсутствии данных измерения для расчёта используются примерные значения удельных сопротивлений грунтов (приложение А, таблица А.4).

В расчёте также необходимо учитывать сезонные колебания удельного сопротивления грунта.

Расчётное значение удельного сопротивления грунта в месте устройства заземления:

r_РАСЧ = r_ИЗМ*y, (5)

где r_ИЗМ – измеренное удельное сопротивление грунта (целесообразно брать возможное наибольшее в течение года);

y - коэффициент сезонности, учитывающий возможное повышение сопротивления в течение года (приложение А, таблица А.5 и А.6).

Расчёт заземления производят по заранее заданным наибольшим допустимым значе­ниям сопротивления заземлителя растеканию тока R_З, установленными " Правилами Устрой­ства Электроустановок" (ПУЭ).

Для установок до 1000 В R_З составляет:

1) 10 Ом при суммарной мощности генераторов или трансформаторов, питающих данную сеть, не более 100 кВ*А;

2) 4 Ом – более 100 кВ*А.

Для установок выше 1000 В R_З составляет:

1) 0, 5 Ом при эффективно заземлённой нейтрали (т.е. при больших токах замыкания на землю);

2) R_З = < =10 Ом при изолированной нейтрали (т.е. при малых токах замыкания на землю);

3) R_З = < =10 Ом при изолированной нейтрали и условии, что заземлитель использу­ется одновременно и для ЭУ напряжением до 1000 В.

I_З – расчётный ток замыкания на землю, (А).

Емкостной ток замыкания на землю определяется по приближённой формуле:

, (6)

где U – линейное напряжение сети, (кВ);

l _КЛ, l _ВЛ – длины электрически связанных кабельных и воздушных линий, (км).

В целях упрощения допускается принимать в качестве расчётного 1, 5-кратный ток сра­батывания релейной защиты или 3-кратный номинальный ток плавления предохранителя.

При использовании естественных заземлителей (а это даёт значительную экономию средств и предписывается ПУЭ) сопротивление искусственного заземлителя R_И (Ом) равно:

, (7)

где R _l – сопротивление растеканию тока естественного заземлителя, (Ом).

Сопротивление естественных заземлителей можно вычислять по формулам, выведен­ным для искусственных заземлителей аналогичной формы (таблица 1).

Однако, поскольку на сопротивление естественных заземлителей влияют многие фак­торы, которые не учитываются этими формулами (антикоррозийная изоляция на трубах, ре­зиновые прокладки в стыках труб, различная глубина заложения заземлителя в земле и т.п.), указанные вычисления дают, как правило, большую ошибку. Поэтому сопротивление естест­венных заземлителей следует определять непосредственно измерениями.