Тяговые и трансформаторные подстанции — Конструкция заземляющих устройств
Основной частью заземляющего устройства является заземлитель, от правильного расчета и выполнения которого зависит надежность работы заземляющего устройства. Заземлители подразделяют на естественные и искусственные.
К естественным заземлителям относятся: проложенные в земле водопроводные трубы; обсадные трубы артезианских колодцев; металлические конструкции зданий и сооружений, имеющие надежное соединение с землей; металлические оболочки кабелей, проложенных в земле, при числе их не менее двух и т. п.
Рис. 202. Конструктивное выполнение заземления
Искусственные заземлители представляют собой специально заложенные в землю металлические электроды 5 (рис. 202) из труб, уголков, полос или стержней. Наибольшее применение на ранее выполненных электроустановках получили заземлители из стальных труб с внешним диаметром 35—50 мм, длиной 2—3 м и уголковой стали такой же длины с шириной полок 50—50 мм. В настоящее время вместо труб и уголковой стали ввиду их дефицитности рекомендуется применять стержневую арматурную сталь. Электроды забивают в грунт так, чтобы их верхние концы располагались на глубине 0,5—0,8 м от поверхности земли. К верхним концам электродов припаривают вертикальные соединительные полосы 4. Такое заглубление уменьшает колебания сопротивления заземления растеканию тока при сезонных изменениях проводимости верхних слоев грунта: зимой — от промерзания, летом — от уменьшения влажности. В заземляющем устройстве должно быть не менее двух электродов, которые соединяются между собой полосой 3 с помощью сварки. Сечение соединительных полос должно быть не менее 48 мм2. По условиям устойчивости против коррозии толщина соединительных полос и полок уголковой стали допускается не менее 4 мм, а стенок труб — не менее 3,5 мм. При наличии в почве большого процента содержания растворимых солей, кислот и щелочей на электроды целесообразно наносить защитные покрытия (омеднение или оцинкование, окраска категорически запрещается). В качестве заземляющих проводов 2, соединяющих заземляемый аппарат 1 с заземляющими электродами, применяют сталь прямоугольного или круглого сечения. При прокладке под землей сечение их не должно быть меньше сечения соединительных полос.
Одиночный заземлитель или группа сосредоточенных заземлителей при растекании через них тока не обеспечивает безопасного распределения потенциалов. Только контурное размещение заземлителей в защищаемой зоне дает возможность одновременно уменьшить напряжение прикосновения и шага до безопасной величины. Пример контурного заземления, выполненного из труб или стержней, забитых по периметру и в середине защищаемой территории, приведен на рис. 203, а (забивку электродов в середине контура производят при широкой защищаемой территории, а при небольшой ширине внутри контура укладывают только соединительные полосы для выравнивания потенциалов). Чем меньше расстояние между электродами-заземлителями, тем меньше напряжения прикосновения и шага. Однако это экономически невыгодно, так как уменьшается коэффициент использования электродов вследствие взаимного экранирования (рис. 203, б). Под экранированием понимают такое явление, когда каждый заземлитель вносит свое поле в поле других заземлителей и тем самым увеличивает сопротивление заземлителей растеканию. Построив в плоскости разреза А-А (рис. 203, в) для каждого электрода кривые распределения потенциала, а затем складывая ординаты этих кривых, получают примерную картину распределения потенциала (сплошная линия) в защищаемой зоне. Как видно из рис. 203, а, в защищаемой зоне искусственно поднят потенциал по отношению к нулевому потенциалу земли, чем обеспечивается безопасная разность потенциалов прикосновения и шага. Спад потенциала происходит за пределами контура. Для устранения опасных шаговых напряжений в этих местах стремятся создать кривую спада достаточно пологой. С этой целью вдоль проходов и проездов вне контура закладывают на расстоянии 1 и 2 м от заземлителя контура на глубине соответственно 1 и 1,5 м стальные шины, соединенные с контуром заземления. Указанные шины должны иметь длину, превышающую ширину входа или въезда на 1 м с каждой стороны.
Рис. 203. Распределение потенциалов на поверхности земли (а и в) и растекание токов замыкания (б) при контурном заземлении
В скалистых и каменистых грунтах, где забивка стержневых электродов невозможна, в качестве заземляющего электрода для контура применяют полосовые или ленточные заземлители, соединенные двумя стальными полосами с выносным заземлением из стержней. Выносное заземление устраивают около рек, озер и в других местах с большой проводимостью грунта. Вместо выносного заземления рекомендуется заглубление (с помощью бурения) электродов доводоносного слоя, если это возможно.
При сооружении заземляющих устройств встречаются случаи, когда удельное сопротивление грунта настолько велико, что необходимая проводимость не достигается даже при заложении в грунт очень большого количества заземлителей. В этом случае производят искусственное снижение удельного сопротивления путем обработки грунта растворимыми солями NaCl, СаС12, содой.
Внутреннюю часть заземления выполняют в виде магистралей заземления из полосовой или круглой стали, которые прокладывают в каждом этаже распределительного устройства и связывают между собой несколькими стояками. Сечение прямоугольных шин должно быть не менее 24 мм2 (толщина полосы не менее 3 мм), а диаметр круглых — не менее 5 мм.
Присоединение заземляющих проводников к заземлителям выполняют только сваркой, а к металлическим конструкциям, корпусам машин и аппаратов — с помощью болтов или сваркой. Каждый заземляемый элемент как внутренней, так и наружной установки присоединяют к заземлению или заземляющей магистрали отдельным проводником. Последовательное включение заземляемых элементов в заземляющий провод не допускается. Заземляющие провода и полосы, проложенные в помещениях, должны быть доступны для осмотра и предохранены от механических и химических повреждений. Голые заземляющие проводники, а также все конструкции и полосы сети заземления, расположенные не в земле, окрашивают в черный цвет. Допускается окраска открытых заземляющих проводников в другие цвета в соответствии с окраской помещения. В этом случае в местах присоединений и ответвлений наносят не менее двух полос черного цвета на расстоянии 150 мм друг от друга.
Конструкция и расчет заземляющих устройств
Для заземления электропотребителей различных назначений и напряжений следует применять одно общее заземляющее устройство с наименьшим сопротивлением (рис. 1).
В установках напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью сопротивление заземляющего устройства, к которому присоединяют нейтрали трансформаторов и генераторов, должно быть не более 4 Ом. Для трансформаторов и генераторов мощностью 100 кВ А и менее заземляющие устройства могут иметь сопротивление до 10 Ом.
Рис. 1. Устройство заземлений различных электропотребителей:
а, б — электрооборудования, питаемого от трехфазной сети соответственно с изолированной и глухозаземленной нейтралями; в — параллельно включенных электрических машин; г — электросверла; д, е — трансформаторов соответственно с неизолированной и изолированной нейтралями
Такие же пределы значений сопротивления установлены для заземляющих устройств, предназначенных для заземления электрооборудования в установках напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью.
Напряжение, под которым может оказаться человек, аналитически определить невозможно, поскольку оно зависит от множества факторов, в частности, от соотношения сопротивлений заземляющих устройств у приемников и источников электроэнергии. Если численные значения этих сопротивлений невелики, то на значение напряжения, под которым может оказаться человек, будут влиять соотношение параметров сети и ряд других показателей. Вот почему для сетей напряжением до 1000 В нет необходимости в определении точного значения сопротивления заземлителей.
Если же указанное заземляющее устройство одновременно используется для электроустановок напряжением свыше 1000 В с большими токами замыкания на землю (более 500 А), то его сопротивление в любое время года не должно превышать 0,5 Ом.
Для заземляющих устройств любого назначения необходимо использовать в первую очередь естественные заземлители и заземляющие проводники. Если естественных заземлителей нет или их использование не дает требуемых результатов, то применяют искусственные заземлители в виде стержней из угловой или прутковой стали, стальных полос. При этом необходимо так размещать искусственные заземлители, чтобы обеспечить по возможности равномерное распределение электрического потенциала на площади, запятой электрооборудованием.
Выбор материала заземлителей зависит от характера грунта и способа забивки стержней. Длину стержней и глубину их заложения выбирают в зависимости от климатических условий. В последнее время для всех групп грунтов, кроме вечномерзлых и скальных, рекомендуется применять в качестве материала заземлителей прутковую сталь диаметром 12 мм.
Геометрические параметры стальных заземлителей должны быть не менее указанных в нормативах.
Неизолированные заземляющие проводники, проложенные в земле, выполняют одновременно роль заземлителей.
Сопротивление заземляющих устройств растеканию тока зависит от удельного сопротивления грунта, так как именно он оказывает основное сопротивление растеканию.
Приближенные средние значения удельных сопротивлений р, Ом м, различных грунтов:
Песок. 700
Супесь. 300
Чернозем. 200
Суглинок, каменистая глина (верхний слой толщиной
1. 3 м — глина, глубже — гравий). 100
Глина. 40
Торф. 20
Эти значения надо умножать на коэффициент Км, зависящий от климатической зоны и вида заземлителя (табл. 2).
Если удельное сопротивление грунта в наиболее неблагоприятное время года превышает 200 Ом-м, то сооружение искусственных заземлителей требует проведения дополнительных мероприятий.
Рассчитывать сопротивление естественных заземлителей можно лишь весьма приближенно. Приведенные в табл. 3 и 4 значения следует пересчитывать пропорционально сопротивлению грунта р и умножать на коэффициент Кы (см. табл. 2).
Таблица 2. Зависимость коэффициента Км от климатических зон и вида заземлителя
Признаки климатической зоны
Значения коэффициента ЛГ
Средняя многолетняя температура, °С
Среднее годовое количество осадков, см
Продолжительность периода замерзания грунтовых вод, дни
при вертикальных заземлителях и глубине заложения 0,5. 0,8 м
при горизонтальных
заземлителях и глубине заложения 0,8 м
Конструкция заземляющих устройств
Основой заземляющего устройства является заземлитель, от конструкции которого во многом зависит безопасность людей на территории электроустановки. Одиночный заземлитель не обеспечивает безопасности людей. Распределение потенциалов на поверхности земли вокруг одиночного трубчатого заземлителя или пробое на корпус заземленного аппарата показано на рис. 1. Если измерить разность потенциалов между заземлителем в точке 0 и точками на поверхности земли а, в, с по любому из радиусов, то распределение потенциалов будет иметь форму кривой ОАВС.
Рис. 1. Распределение потенциалов на поверхности земли вокруг одиночного заземлителя
Ток замыкания 7, проходя через заземлитель и сопротивление растеканию тока с заземлителя, растекается в земле во всех направлениях. Вблизи заземлителя плотность тока максимальная. По мере удаления от заземлителя сопротивление земли из-за увеличения площади падает, что приводит к более плавному снижению потенциала земли: кривая ОАВС по мере приближения к точке С становится более пологой, а потенциал земли снижается до нуля. За пределами так называемой зоны растекания, начиная с точки с, находится зона нулевого потенциала.
Сопротивление растеканию тока с заземлителя с учетом сопротивления заземляющих проводников составляет сопротивление заземляющего устройства которое можно определить по выражению
где
U3 — напряжение на заземляющем устройстве, В;
I — ток, стекающий с заземлителя в землю, А.
Если человек попадает в зону растекания и подходит к аппарату, у которого изоляция одной из фаз повреждена, он попадает под шаговое напряжение между двумя точками земли, обусловленное растеканием тока замыкания на землю, при одновременном касании их ногами человека. Расстояние между двумя точками земли принимается равным 0,8 м.
Если человек коснется корпуса аппарата с поврежденной изоляцией, то он попадает под напряжение прикосновения, равное разности потенциалов между рукой и ногами.
Напряжением прикосновения называется напряжение между двумя точками цепи тока замыкания на землю (на корпус) при одновременном прикосновении к ним человека.
Вблизи одиночного заземлителя при пробое изоляции напряжение шага и прикосновения опасны для жизни людей, поэтому одиночные заземлители не решают проблему безопасности.
Рис. 2. Распределение потенциалов на поверхности земли:
а — при контурном выполнении заземления; б — вокруг отдельных заземлителей; в — растекание тока с заземлителем при их взаимном экранировании
Напряжения прикосновения и шага могут быть значительно снижены, если кривую снижения потенциала земли вблизи заземлителя сделать более пологой. В электроустановках напряжением свыше 1000 В, это достигается контурным размещением заземлителей в защищаемой зоне (рис. 2, а). Контур заземления состоит из ряда вертикальных заземлителей, соединенных металлической полосой. Потенциал земли в любой точке складывается из потенциалов, создаваемых отдельными электродами контура (рис. 2, б) Как видно на рис. 2, а в защищаемой зоне искусственно поднят потенциал земли по отношению к зоне нулевого потенциала, чем обеспечиваются безопасные напряжения шага и прикосновения. За пределами контура заземления происходит спад потенциала. Для устранения опасных шаговых напряжений в этих местах стремятся создать кривую спада потенциалов достаточно пологой.
При выполнении заземляющего устройства применяются естественные и искусственные заземлители. В первую очередь должны использоваться естественные заземлители, в качестве которых применяют: проложенные в земле стальные водопроводные трубы, соединенные в стыках сваркой; трубы артезианских скважин; стальная броня силовых кабелей, проложенных в земле, при их числе не менее двух; металлические конструкции зданий и сооружений, имеющие надежное соединение с землей; различного рода трубопроводы, проложенные под землей; свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле.
Не допускается использование в качестве естественных заземлителей трубопроводы горючих жидкостей и горючих или взрывчатых газов, алюминиевые оболочки кабелей, алюминиевые провода и кабели, проложенные в кабельных каналах, туннелях, блоках.
Искусственные заземлители применяются, если естественные заземлители не полностью удовлетворяют требованиям по значению сопротивления заземляющего устройства и по напряжениям прикосновения и шага.
По расположению в грунте и форме искусственные заземлители делятся на следующие группы:
углубленные: из круглой или полосовой стали, укладываемые на дно котлована по периметру фундаментов (зданий, опор, колонн);
вертикальные: из стальных вертикально ввинчиваемых или вдавливаемых в грунт стержней из круглой стали, а также из забиваемых отрезков угловой стали;
горизонтальные: из круглой или полосовой стали, уложенные горизонтально в траншею на глубине 0,5-0,7 м и используемые по прямому назначению и для связи между стержнями вертикальных заземлителей;
комбинированные, объединяющие в общую систему заземлители, перечисленные выше.
Для заземлителей обычно применяют круглую сталь диаметром 10-16 мм, полосовую сталь сечением 40 х 4 мм и угловую сталь 50 х 50 х 5 мм. Трубы для этой цели обычно не применяются из-за их дефицита.
Длина вертикальных заземлителей применяется равной: забиваемых — 2,5-3 м, ввинчиваемых и вдавливаемых 4,5-5 м. В последнее время стали применять вертикальные заземлители, погружаемые в землю на глубину от 10 до 30 м и располагаемых по контуру заземляющего устройства, выполняемого в виде сетки с квадратными или прямоугольными ячейками. Глубина заложения верха вертикальных заземлителей должна быть равна 0,6-0,7 м от уровня планировочной отметки земли, и заземлитель должен выступать над дном траншеи на 0,1-0,2 м для удобства приварки к ним соединительных горизонтальных круглых стержней (сталь круглого сечения более устойчива к коррозии, чем полосовая). Такое заглубление уменьшает сопротивление растеканию заземляющего устройства.
К каждому заземляемому элементу от заземляющей магистрали должен идти отдельный заземляющий проводник, присоединяемый сваркой к магистрали и болтом — к заземляемому элементу. Последовательное включение в заземляющий проводник заземляемых элементов не допускается.
Заземляющие и нулевые защитные проводники в электроустановках до 1 кВ должны иметь размеры не менее приведенных в табл. 1
Заглубление вертикальных заземлителей на 0,6-0,7 м уменьшает колебание сопротивления заземления растеканию тока при сезонных изменениях проводимости верхних слоев грунта: зимой — от промерзания, летом — от пересыхания. Сопротивление одного заземлителя определяется его конструктивными параметрами и удельным сопротивлением грунта. В районах с большим удельным сопротивлением земли, в скальных и каменистых структурах, где забивка вертикальных электродов невозможна, допускается прокладка горизонтальных заземлителей на меньшей глубине, чем указывалось выше, но не менее 0,15 м. Кроме того рекомендуются следующие мероприятия:
устройство вертикальных заземлителей увеличенной длины, если с глубиной удельное сопротивление земли снижается, а естественные углубленные заземлители (например, скважины с металлическими обсадными трубами) отсутствуют;
укладка вокруг горизонтальных заземлителей в скальных структурах влажного глинистого грунт с последующей трамбовкой и засыпкой щебнем до верха траншеи;
применение искусственной обработки грунта растворимыми солями NaСl, содой с целью снижения его удельного сопротивления, если другие способы не дают необходимого эффекта;
Таблица 1.
Правила выполнения работ по устройству заземления
Заземляющее устройство – это совокупность заземлителя и заземляющих проводников.
Заземлитель – представляет собой металлический проводник, находящийся в непосредственном соединении с землёй.
Заземляющими проводниками являются металлические проводники, соединяющие заземляемые части электроустановки с заземлителем.
Заземлением какой либо части электроустановки называют преднамеренное электрическое соединение с заземляющим устройством.
Напряжением относительно земли при замыкании на корпус называют напряжение между этим корпусом и точками земли, находящимися вне зоны токов в земле, но не ближе 20 м.
Сопротивление заземляющего устройства – это сумма сопротивлений, состоящие из сопротивления заземлителя относительно земли и сопротивления заземляющих проводников.
Сопротивление заземлителя – отношение напряжения на заземлителе относительно земли к току, проходящему через заземлитель.
Искуственные и естественные заземлители
Искусственные заземлители применяют тогда, когда естественные заземлители не не удовлетворяют требования ПУЭ. В качестве естественных заземлителей используются: проложенные в земле стальные водопроводные трубы, соединённые в стыках газо- или электросваркой; трубы артезианских скважин; металлические конструкции зданий и сооружений, имеющие надёжное соединение с землёй; различного рода трубопроводы, проложенные под землей.
Не допускается использовать в качестве естественных заземлителей нефтепроводы бензопроводы газопроводы и м подобные.
Для искусственных заземлителей применяют отрезки угловой стали 50 мм. Длинной 2,5 – 3 метра, которые забивают вертикально в траншее глубиной 70 см., оставляя над поверхностью дна траншеи 10 см. заземлителя. К этим заземлителям приваривают, проложенную в траншее круглую сталь диаметром 10 – 16 мм. или полосовую сталь сечением мм. по всему контуру.
Сопротивление заземляющего устройства
По ПУЭ в электроустановках до 1000 В с глухим заземлением нейтрали сопротивление заземляющие устройства должно быть не боле 4 Ом. Для электроустановок выше 1000 В.с большими токами замыкания на землю сопротивление заземляющего устройство должно быть не более 0,5 Ом.
Для электроустановок выше 1000 В с малыми токами замыкания на землю сопротивление заземляющего устройства удовлетворять условию R з з/ I з, где U з = 250 В., если заземляющее устройство используется только для установок напряжением выше 1000 В, U з=125 В., если заземляющее устройство одновременно используется и для установок до 1000 В., I з- расчетный ток замыкания на землю.
Если заземляющее устройство является общим для РУ электроустановок различных напряжений, то за расчетную сопротивлений заземления принимается наименьшая из требуемых величин. Емкостной ток замыкания на землю определяют по приближенной формуле. I з = U(35l х + l в)/350, где U — линейное напряжение сети, l х и l в- суммарная длинна электрически связанных между собой кабельных и воздушных линий, км.
Монтаж заземляющего устройства
Все соединения в цепях заземлителей выполняют сваркой внахлёстку. Качество сварных швов проверяют осмотром, а прочность – ударом молотка массой 1 кг. Места сварки покрывают битумным лаком против коррозии.
Монтаж заземляющих и нулевых защитных проводников. Заземляющие проводники прокладывают горизонтально и вертикально по конструкциям зданий.
В сухих помещениях заземляющие проводники укладывают непосредственно по бетонным или кирпичным стенам с краплением полос под дюбель, а в сырых помещениях на подкладках на расстоянии не мене 10 мм. от стены.
Проводники крепят на расстояниях 600 – 1000 мм., на прямых участках, и 100 мм на поворотах, 400 – 600 мм от уровня пола. Заземляющие проводники к корпусам машин и аппаратов присоединяют под болт.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: