Расчет заземляющих устройств

 

8.1 Методические указания

 

Для обеспечения электробезопасности на рабочих местах, согласно ГОСТ 12.1.030, все металлические части электроустановок, доступные прикосновению человека, должны подлежать защитному заземлению:

- при номинальном напряжении В переменного и В постоянного тока - во всех случаях;

- при номинальном напряжении от 42 В до 380 В переменного и от 110 В до 440 В постоянного тока - только при работах в условиях (помещениях) с повышенной опасностью и особо опасных по степени поражения током (по ГОСТ 12.1.013-78);

- при любом номинальном напряжении переменного и постоянного тока - во взрывоопасных помещениях (установках).

Защитное заземление - это преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Цель защитного заземления - устранение опасности поражения человека электрическим током в случае прикосновения к корпусу электрооборудования, оказавшемуся под напряжением. Принцип действия защитного заземления основывается на снижении до безопасного уровня напряжения прикосновения к корпусу за счет уменьшения потенциала относительно земли из-за малого сопротивления заземления.

Заземляющим устройством называют совокупность заземлителей (металлических проводников), находящихся в непосредственном соприкосновении с грунтом, и проводников, соединяющих электроустановки с заземлителями.

 

8.1.1 Расчет сопротивления растеканию тока от железобетонного фундамента, используемого к качестве естественного заземлителя

 

В качестве естественных заземлителей могут использоваться электропроводящие части строительных и производственных конструкций и коммуникаций, имеющие хороший контакт с землей. Для этих целей широко применяются железобетонные фундаменты промышленных зданий.

Естественные заземлители наряду с экономичностью обеспечивают надежную работу защитного заземления, если их сопротивление растеканию электрического тока не превышает допустимого значения, установленного ГОСТ 12.1.030.

Соответствие сопротивления железобетонного фундамента допустимому определяется специальным расчетом. Процесс выявления этого соответствия включает 3 этапа:

1) определение исходных данных;

2) расчет сопротивления фундамента;

3) сопоставление результатов расчета с допустимым сопротивлением.

Определение исходных данных

При определении исходных данных собираются следующие сведения:

- Характеристика электроустановок (тип, виды основного оборудования, рабочее напряжение и т.п.);

- Схемы и размеры железобетонного фундамента промышленного здания по внешнему контуру, ограниченная параметром фундамента площадь, S, м³;

- Удельные электрические сопротивления верхнего r₁ и нижнего r₂ слоя земли, Ом×м;

- Мощность (толщина) верхнего слоя h₁ земли, м (под верхним слоем понимается слой земли, r₁ которого более чем в 2 раза отличается от r₂.

- Безразмерные коэффициенты a и b, зависящие от соотношения удельных электрических сопротивлений r₁ и r₂ слоев земли.

Расчет сопротивления железобетонного фундамента

растеканию электрического тока

Удельное эквивалентное сопротивление грунта r_э, Ом×м, определяется по формуле

(8.1)

где r_Э - удельное эквивалентное сопротивление грунта, Ом×м;

r₁, r₂ - удельные электрические сопротивления соответственно верхнего и нижнего слоя грунта, Ом×м (приложение R);

a, b - безразмерные коэффициенты, зависящие от соотношения удельных электрических сопротивлений грунта. При r₁ > r₂ коэффициенты a=3,6 и b=0,1; при r₂ > r₁ коэффициенты a=1,1×10² и b=0,3×10^-2;

S - площадь железобетонного фундамента, м²;

h₁ - мощность (толщина) верхнего слоя грунта, м;

е - основание натурального логарифма (е=2,71).

Сопротивление фундамента R, Ом, определяется по формуле

(8.2)

где R - сопротивление фундамента, Ом;

r_Э - удельное эквивалентное сопротивление грунта, Ом×м;

S - площадь железобетонного фундамента, м².

Сопоставление результатов расчета с допустимым

сопротивлением фундамента

Полученное значение сопротивления фундамента не должно быть больше допустимых значений сопротивления заземляющего устройства (приложение Q).

 

8.1.2 Расчет искусственного контура заземляющего устройства

 

В качестве искусственных заземлителей используются заземлители различного трубчатого типа, рекомендуемые размеры которых представлены на рисунке 8.1

 

 

Сопротивление растеканию тока одиночного трубчатого заземлителя определяется по формуле

Rтр

(8.3)

где R_тр - сопротивление растекания тока одиночного трубчатого заземлителя, Ом;

r - удельное сопротивление грунта, Ом×м (приложение R);

l - длина вертикального электрода, м;

d - диаметр трубы, м;

h - расстояние от поверхности земли до середины заземлителя, забитого на некоторую глубину (h₀) от поверхности, м;

h₀ - расстояние от поверхности земли до заземлителя, м;

h_сез - коэффициент сезонности для трубчатого заземлителя (приложение Y).

При расчете заземлителей для заземляющего устройства следует учитывать возможное увеличение сопротивления заземлителей растеканию тока из-за явления экранирования, т.е. взаимного влияния заземлителей на величину результирующего сопротивления заземлителей, которое учитывается коэффициентом экранирования h_э.тр. <= 1.

Коэффициент экранирования зависит от отношения расстояния между заземлителями к их длине а/ l и числа заземлителей n (приложение S).

Для уменьшения явления экранирования рекомендуют трубы располагать по контуру на расстоянии друг от друга не менее 2,0-3,0 м.

Необходимое число заземлителей определяют по формуле

(8.4)

где R_тр - сопротивление растеканию тока одиночного трубчатого заземлителя, Ом;

R_доп - допустимое сопротивление осуществляемого заземления, Ом (приложение Q);

h_э.тр. - коэффициент экранирования для трубчатых заземлителей.

Так как формула (8.4) содержит два неизвестных n и h_{э.тр .}, то необходимо поступить следующим образом: принимаем h_э.тр.=1. Это будет возможно, если мы предположим, что трубчатые заземлители будут находиться на расстоянии 4 м друг от друга, т.к. экранирования в этом случае не будет; формула (8.4) примет следующий вид:

(8.5)

Задаемся отношением расстояния между заземлителями к длине а/ l и по приложению S находим для n₁ значение коэффициента экранирования h_{2 э.тр.}, которое будет отлично от единицы и меньше ее. Подставив найденное значение h_{2 э.тр.} в формулу (8.4), находим следующее значение:

(8.6)

Для n₂ по приложению S находим новое значение коэффициента экранирования h_{3 э.тр}, которое будет меньше предыдущего. Подставив h_{3 э.тр} в формулу (8.4), получим:

(8.7)

Определение необходимого количества n производим до тех пор, пока разница между n_m и n_m-1 будет равна 1-3 шт.

Все трубчатые заземлители соединяются между собой металлической полосой-сваркой. При прохождении тока по полосе он также растекается с полосы.

Поэтому следует при расчете определить сопротивление растекания тока соединительной полосы, которое определяем по формуле

(8.8)

где R_n - сопротивление растеканию тока соединительной полосы, Ом;

r - удельное сопротивление грунта, Ом×м;

h_сез.п. - коэффициент сезонности для полосового заземлителя;

h₀ - расстояние от поверхности земли до заземлителя, м;

в - ширина полосы, м;

l_п - длина полосы, соединяющей трубчатые заземлители.

Ширина полосы в выбирается из условия, что площадь сечения соединительной полосы S ³ 48 мм² в установках до 1000 В и S ³ 100 мм² - установках свыше 1000 В. Толщина полосы - d=4 мм. Длина полосы, соединяющей трубчатые заземлители, определяется по формуле

(8.9)

где 1,05 - коэффициент, который позволяет учесть длину полосы при сварке, т.к. полоса приваривается «внахлестку» к трубе;

а - расстояние между трубами, м;

n - количество труб, расположенных по контуру.

Результирующее сопротивление заземляющего устройства определяется по формуле

(8.10)

где R_З - результирующее сопротивление всего заземляющего устройства, Ом;

R_n - сопротивление растеканию тока соединительной полосы, Ом;

R_тр. - сопротивление растеканию тока трубчатых заземлителей, Ом;

h_э.п. - коэффициент экранирования полосы;

h_э.тр. - коэффициент экранирования трубчатых заземлителей;

R_доп - допустимое сопротивление осуществляемого заземления, Ом;

n - необходимое количество заземлителей в контуре.

 

8.2 Условия задач

 

ЗАДАЧА 29. Определить сопротивление естественного заземления железобетонного фундамента здания длиной L, шириной В, в котором размещены электроустановки, работающие при напряжении U. Толщина верхнего слоя грунта h₁.

Сделать вывод о возможности использования данного фундамента в качестве заземлителя.

Параметры	Варианты исходных данных
L, м					60,5
В, м
U, В
Вид грунта
Верхний слой	Песок	супесок	глина
Нижний слой	Супесок	глина	суглинок
h1, м	2,8	3,9	2,7	2,6	2,5
Характе-ристика	Изолированная нейтраль (защитное заземление)	Глухозаземленная нейтраль
электро- установок	(в остальных случаях)	мощность трансформа-тора 100 кВА	трансфор-маторы	все повторные заземления

 

ЗАДАЧА 30. Рассчитать искусственное защитное заземляющее устройство, состоящее из вертикальных стальных трубчатых электродов длиной l, диаметром d, верхние концы которых расположены на глубине h₀ и соединенных между собой горизонтальным электродом из стальной ленты толщиной d=4 мм. Отношение расстояния между вертикальными заземлителями к их длине n₀ Рабочее напряжение в электроустановках до 1000 В. Допустимое сопротивление контурного заземляющего устройства растеканию тока R_доп= 4 Ом. Зарисовать схему размещения заземлителя в грунте.

Параметры	Варианты исходных данных
Вид грунта	глина	Супесок	песок	торф	чернозем
l, м	2,0	3,6	2,8	3,0	4,0
d, м	0,030	0,025	0,040	0,030	0,025
h0, м	0,5	0,6	0,7	0,8	0,6
n0

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 9.

ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ

 

9.1 Методические указания

 

При прикосновении к одной фазе трехпроводной сети с изолированной нейтралью сила тока, протекающая через человека, определяется по формуле

(9.1)

где R_ч, r_Т.Ч., r_ОБ, r_ОП - электрическое сопротивление цепи человека, тела человека, обуви и опорной поверхности ног, Ом;

r_ИЗ - сопротивление изоляции, Ом;

U_Ф - фазное напряжение сети, В.

При однофазном включении человека в четырехпроводную сеть с глухозаземленной нейтралью проходящий через него ток определяется по формуле

(9.2)

где R₀ - сопротивление заземления нейтрали, Ом.

При двухфазном включении человека в трехфазную сеть проходящий через него ток будет равен:

(9.3)

где U_Л - линейное напряжение сети, В.

Сила тока является основным фактором, обусловливающим степень поражения человека, и в зависимости от этого установлены категории воздействия: пороговый ощутимый ток, пороговый неотпускающий ток и пороговый фибрилляционный ток.

Электрический ток наименьшей силы, вызывающий ощутимые человеком раздражения, называется пороговым ощутимым током. Человек начинает ощущать воздействие переменного тока частотой 50 Гц, силой в среднем около 1,1 мА, а постоянного тока около 6 мА. Оно воспринимается как слабый зуд и легкое покалывание при переменном токе или нагревание кожи при постоянном.

Увеличение сверхпорогового ощутимого тока вызывает у человека судороги мышц и болезненные ощущения. Так, при переменном токе 10-15 мА, а постоянном 50-80 мА человек не в состоянии преодолеть судороги мышц, разжать руку, которой касается токоведущей части, отбросить провод и оказывается как бы прикованным к токоведущей части. Такой ток называется пороговым неотпускающим.

Превышающий его ток усиливает судорожные сокращения мышц и болевые ощущения, распространяет их на обширную область тела. Это затрудняет дыхательные движения грудной клетки, вызывает сужение кровеносных сосудов, что приводит к повышению артериального давления и повышению нагрузки на сердце. Переменный ток 80-100 мА, а постоянный 300 мА непосредственно влияют на сердечную мышцу, и через 1-3с с начала его воздействия возникает фибрилляция сердца. В результате прекращается кровообращение и наступает смерть. Этот ток называется фибрилляционным. Переменный ток силой 100 мА и более мгновенно вызывает смерть от паралича сердца.

При системе зануления электрооборудования пробой изоляции на корпус превращается в однофазное короткое замыкание. Силу тока короткого замыкания рассчитывают по формуле

(9.4)

где R_ТР - сопротивление трансформатора, Ом;

r_ПР - сопротивление участка проводов, Ом;

R_М - сопротивление магистрали, Ом.

Номинальная сила тока плавкого предохранителя определяется по формуле:

(9.5)

где К - коэффициент надежности.

Напряжение прикосновения:

(9.6)

где r_о - сопротивление нулевого провода.

 

9.2 Условия задач

 

ЗАДАЧА 31. Определите величину тока, который пройдет через тело человека и исход поражения при следующих случаях его включения в 3-х фазную электрическую сеть: двухфазном, однофазном с глухозаземленной нейтралью, однофазном с изолированной нейтралью, если линейное напряжение сети U_Л, В; сопротивление тела человека - r_Т.Ч., Ом; r_ОБ - сопротивление обуви; r_ОП - сопротивление пола, Ом; R_о - сопротивление нейтрали, Ом; r_ИЗ - сопротивление изоляции.

Параметры	Варианты исходных данных
UЛ, В
rТ.Ч., Ом
rОБ, кОм
rОП, Ом
rИЗ, кОм
Rо, Ом

 

ЗАДАЧА 32. Определить силу тока, проходящего через человека и исход поражения при неблагоприятной и благоприятной ситуациях, в случаях однофазного включения в трехпроводную трехфазную сеть напряжением U_Л=380 В с изолированной нейтралью и четырехпроводную с глухозаземленной нейтралью: а)неблагоприятные условия: человек прикоснулся к одной фазе, стоит на токопроводящем полу (металлическом), обувь сырая. Сопротивление тела человека r_T.Ч, обуви - r_ОБ=0 Ом, опорной поверхности ног - r_ОП=0 Ом;

б)благоприятные условия - обувь сухая на резиновой подошве r_ОБ=500 кОм; человек стоит на сухом деревянном полу r_ОП=1500 кОм.

Параметры	Варианты исходных данных
rТ.Ч., кОм
Rо, Ом
rИЗ, МОм	0,5	1,0	1,2	0,9	2,0

 

ЗАДАЧА 33. Электропитание цеха напряжением 380В от трансформатора с глухозаземленной нейтралью. Сопротивление трансформатора R_ТР, Ом, сопротиление участков проводов длиной 100м r_ПР, Ом; сопротивление магистрали R_М, Ом. Требуется определить ток короткого замыкания в случае пробоя изоляции на корпус электроустановки; номинальный ток плавких вставок предохранителей; величину напряжения прикосновения. Коэффициент надежности равен 3. Сопротивление нулевого провода r_о, Ом.

Параметры	Варианты исходных данных
RТР, Ом	0,15	0,10	0,20	0,25	2,50
rПР, Ом	2,50	1,84	3,50	2,00	0,10
RМ, Ом	0,85	2,80	1,00	0,75	0,50
rо, Ом	0,176	0,560	0,300	0,250	0,200

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 10.

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: