Порядок расчёта
Принять допустимое сопротивление заземляющего устройства – Rз.
Определить величину удельного сопротивления грунта ρ ГР по таблице 2.
Определить сопротивление одиночного заземлителя (вертикального заглублённого в грунте).
Рассчитать количество заземлителей и выбрать способ расположения – в ряд или по контуру.
Определить сопротивление растеканию тока от полосы.
Определить коэффициент использования 
заземлителей из труб по таблице 3.
Определить коэффициент использования ηПОЛ соединительной полосы по табл 4.
Определить общее сопротивление заземляющего устройства.
Сделать вывод.
Пояснения к решению задачи
Защитное заземление - преднамеренное электрическое соединение корпусов электроустановки или оборудования с заземляющим устройством.
Для заземления электроустановок могут быть использованы искусственные и естественные заземлители.
В качестве естественных заземлителей могут быть использованы: металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящиеся в соприкосновении с землей, в том числе железобетонные фундаменты зданий и сооружений; металлические трубы водопровода, проложенные в земле. Не допускается использовать в качестве заземлителей трубопроводы горючих жидкостей, горючих или взрывоопасных газов и смесей и трубопроводов канализации и центрального отопления.
В качестве искусственного заземлителя применяют стальные трубы, стержни, уголки, расположенные в грунте горизонтально или вертикально. Искусственные заземлители могут быть из черной или оцинкованной стали или медными.
Назначение защитного заземления - это устранение опасности поражения электрическим током при прикосновении человека к корпусу электрической установки, находящемуся под напряжением в случае пробоя изоляции фаз. Защитное заземление применяется в электрических сетях напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью и в сетях напряжением более 1000 В с любым режимом нейтрали.
Принцип действия защитного заземления заключается в снижении напряжения на корпусе электроустановки до безопасного значения.
Величиной, характеризующей степень опасности прикосновения человека к корпусу электрической установки, находящейся под напряжением, является напряжение прикосновения, которое представляет собой разность потенциалов заземлителя φз и основания φос:
,
где α- коэффициент прикосновения;
r - радиус заземлителя;
х - расстояние от электрооборудования до заземлителя.
Потенциал заземлителя определяется величиной тока, замыкания на землю Iз и величиной сопротивления заземляющего устройства Rз:
φ з = Iз ∙ Rз
Величина потенциала основания, т.е. места, на котором установлено электрооборудование, зависит от расстояния его до заземлителя. В случае, когда заземлитель расположен непосредственно под защищаемым электрооборудованием, (х = r), потенциал основания равен потенциалу заземлителя и напряжение прикосновения равно нулю. Если же заземлитель удален от электроустановки на расстояние более 20 м (х ≥20), то потенциал основания можно считать равным нулю, а напряжение прикосновения будет максимальным и равным напряжению на корпусе электроустановки, которое соответствует потенциалу заземлителя φ з.
Величина тока замыкания на землю зависит от режима нейтрали сети. В случае трехфазной сети с изолированной нейтралью (рис.1) ток замыкания на землю:
где Uф~ фазное напряжение сети. В;
z - полное сопротивление фазных проводов относительно земли
;
r и с - соответственно активное сопротивление изоляции провода и емкость провода относительно земли;
j - оператор комплексной величины;
ω - угловая частота тока, с-1.
Минимальное сопротивление изоляции согласно ПУЭ составляет 0,5 МОм.
|
Рисунок 1 - Схема защитного заземления электроустановки (ЭУ)
1 - заземляющий проводник;
2 - заземлитель стержневой;
3 - кривая растекания тока в земле;
IЗ - ток замыкания на заземлитель, А;
RЗ - сопротивление заземляющего устройства, Ом;
Ih - ток, проходящий через человека, А;
Rh - сопротивление человека (активное), Ом;
Uпр - напряжение прикосновения, В;
UЗ - напряжение на заземлителе, В;
jос - потенциал основания в помещении;
a - коэффициент прикосновения, зависит от расстояния х между местом основания, на котором стоит человек и заземлителем и изменяется от 0 до 1.
Согласно “Правилам устройства электроустановок” допустимые значения сопротивления заземляющих устройств для электроустановок до 1000 В следующие:
- Rз = 4 Ом;
- Rз = 10 Ом, если мощность трансформаторов не превышает 100 кВ×А.
Сопротивление растеканию тока от одиночного заземлителя (вертикального заглублённого в грунте) определяется по формуле:
где l – длина заземлителя, м,
d - диаметр заземлителя, м,
H – глубина заложения середины электрода от поверхности грунта, м, определяемая по формуле 
.
где 
- глубина заложения, м.
Если сопротивление RОД меньше или равно допустимому сопротивлению Rз, то принимаем один заземлитель.
Если сопротивление RОД больше допустимого сопротивления Rз, то необходимо принять несколько заземлителей.
Количество заземлителей определяется по формуле:
где 
- коэффициент использования вертикальных заземлителей, определяемый из таблицы 2.
Сопротивление растеканию тока от соединительной полосы в грунте определяется по формуле:
где l ПОЛ - длина соединительной полосы, м,
b - ширина соединительной полосы, м,
- глубина заложения, м.
Длина соединительной полосы рассчитывается:
- при расположении заземлителей в ряд l ПОЛ =1,05∙ а ∙(n – 1);
- при расположении заземлителей по контуру l ПОЛ =1,05∙ а ∙ n;.
где а – расстояние между заземлителями,
n – количество заземлителей, принимаемое из расчёта.
Общее сопротивление растеканию тока от заземляющего устройства (заземлителей и соединительных полос) определяется по формуле
где 
- коэффициент использования соединительной полосы, (таблица 4),
- коэффициент использования заземлителей. (таблица 3).
Полученное значение полного сопротивления защитного заземления должно быть меньше допустимого сопротивления.
Таблица 2. - Удельные электрические сопротивления различных грунтов
| Грунт, вода | Удельные электрические сопротивления грунтов, Ом∙м |
| Глина | 8 – 70 |
| Суглинок | 40 - 150 |
| Песок | 400 – 700 |
| Супесок | 150 – 400 |
| Торф | 10 – 20 |
| Чернозём | 9 – 63 |
| Садовая земля | 30 – 60 |
| Каменистый | 500 – 800 |
| Скалистый | 
|
Таблица 3 - Коэффициенты использования заземлителей из труб
| Отношение расстояния между трубами к их длине | При размещении в ряд | При размещении по контуру | ||
| Число труб (уголков) |
| Число труб (уголков) |
| |
| 0,84-0,87 | 0,66-0,72 | |||
| 0,76-0,8 | 0,58-0,65 | |||
| 0,67-0,72 | 0,52-0,58 | |||
| 0,56-0,62 | 0,44-0,5 | |||
| 0,51-0,56 | 0,38-0,44 | |||
| 0,47-0,5 | 0,36-0,42 | |||
| 0,9-0,52 | 0,76-0,8 | |||
| 0,85-0,88 | 0,71-0,75 | |||
| 0,79-0,83 | 0,66-0,71 | |||
| 0,72-0,77 | 0,61-0,66 | |||
| 0,66-0,73 | 0,55-0,61 | |||
| 0,65-0,7 | 0,52-0,58 | |||
| 0,93-0,95 | 0,84-0,86 | |||
| 0,9-0,92 | 0,78-0,82 | |||
| 0,85-0,88 | 0,74-0,73 | |||
| 0,79-0,83 | 0,68-0,73 | |||
| 0,76-0,8 | 0,64-0,69 | |||
| 0,74-0,79 | 0,62-0,67 |
Таблица 4 - Коэффициент использования ηПОЛ соединительной полосы заземлителей
| Отношение расстояния между заземлителями к их длине | Число труб | |||||
| При расположении заземлителей в ряд | ||||||
| 0,77 | 0,67 | 0,62 | 0,42 | 0,31 | 0,21 | |
| 0,89 | 0,79 | 0,75 | 0,56 | 0,46 | 0,36 | |
| 0,92 | 0,85 | 0,82 | 0,68 | 0,58 | 0,49 | |
| При расположении заземлителей по контуру | ||||||
| 0,45 | 0,36 | 0,34 | 0,27 | 0,24 | 0,21 | |
| 0,55 | 0,43 | 0,40 | 0,32 | 0,30 | 0,28 | |
| 0,7 | 0,80 | 0,56 | 0,45 | 0,41 | 0,37 |
Пример расчета
Исходные данные
| Грунт | Мощность трансформа-тора, кВА | Размеры заземлителя и соединительной полосы | ||||
| Длина l, м | Диаметр d, м | Глубина заложения Н 0, м | Расстояние между заземлите-лями, а,м | Ширина соединительной полосы b, м | ||
| Глина | 5,5 | 0,028 | 0,55 | 0,023 |
Определение допустимого сопротивления заземляющего устройства
Rз= 4 Ом
Определение величины удельного сопротивления грунта
ρГР =50 Ом∙м.
Определение сопротивления растеканию тока от одиночного заземлителя (вертикального заглублённого в грунте) по формуле:
где l =5,5м длина заземлителя,
d =0,028м диаметр заземлителя,
=0,55м глубина заложения.
Глубина заложения середины электрода от поверхности грунта H:
Н = 3,3 м.
Сопротивление RОД больше допустимого сопротивления Rз, то принимаем несколько заземлителей.
Определить количество заземлителей по формуле
где η В =0,85 - коэффициент использования вертикальных заземлителей.
Принимаем количество заземлителей n =3 и располагаем их в ряд.
Сопротивление растеканию тока от соединительной полосы в грунте определяется по формуле
где l ПОЛ - длина соединительной полосы, м,
b = 0,023 м - ширина соединительной полосы,
=0,55 м - глубина заложения,
а =11 м – расстояние между заземлителями,
n = 3 – количество заземлителей.
Длина соединительной полосы при расположении заземлителей в ряд
l ПОЛ =1,05∙11∙(3-1)
l ПОЛ=23,1м
RПОЛ=3,91 Ом
Определение общего сопротивления растеканию тока от заземляющего устройства
где 
= 0,85 - коэффициент использования соединительной полосы,
= 0,89 - коэффициент использования заземлителей.
RОБЩ =1,98 Ом
Вывод: Рассчитанное заземляющее устройство из 3-х вертикальных заземлителей длиной 5,5м, расположенных в ряд и соединенных полосой имеет сопротивление растеканию тока меньше допустимого Rз = 4 Ом, что соответствует требованиям Правил устройства электроустановок.