Кафедра Электроэнергетики и автоматики
Расчетно-графическое задание
по дисциплине
«Основы профессиональной деятельности»
на тему:
«Расчет параметров заземляющего устройства электроустановки»
Вариант 33
Выполнил: ст.гр. ЭЛз-12
Иваницкий Е.
Принял: Ст.пр.
Вашуров А.В
Белгород 2018
ЗАДАНИЕ:
Рассчитать параметры заземляющего устройства электроустановки на основе исходных данных, приведенных в таблице 1.
В работе должны быть решены следующие задачи:
1) Расчет параметров заземляющего устройства электроустановки;
2) Проверка параметров заземляющего устройства электроустановки согласно ПУЭ;
В графической части задания показывается эскиз заземляющего устройства электроустановки
Таблица 1
Исходные данные
| Параметр | Вариант 33 |
| Uл, кВ | |
| Длина электрически связанных ВЛ, км | |
| Длина электрически связанных КЛ, км | |
| Климатическая зона | |
| Удельное сопротивление грунта, Ом·м | |
| Размещение вертикальных заземлителей | По периметру замкнутого контура |
| Материал вертикальных заземлителей | Стальной электрод (D18 мм2) |
| Материал протяженного заземлителя | Стальная полоса 20х4 мм |
Теоретическая часть
Защитное заземление – преднамеренное соединение с землей частей оборудования, не находящихся под напряжением в результате нарушения изоляции электроустановки.
Защитное заземление выполняют во всех случаях при переменном номинальном напряжении 380 В и выше и постоянном напряжении 440 В и выше; в помещениях с опасностью, особо опасных и в наружных установках при номинальном переменном напряжении от 42 В до 380 В и постоянном 110-440 В. Таким образом до 42 В и 110 В постоянного не требуется защитного заземления.
Заземляющее устройство состоит из заземлителя и проводника, соединяющего металлические части электроустановок с заземлителем. В качестве искусственных заземлителей применяют заглубляемые в землю стальные трубы, уголки, штыри или полосы; естественных – уложенные в землю водопроводные или канализационные трубы, кабели с металлической оболочкой (кроме алюминиевой), обсадные трубы артезианских колодцев и т.п.
Принцип действия защитного заземления заключается в снижении до безопасных значений напряжений прикосновения и шага в случае появления электрического потенциала вследствие замыкания тока на металлические корпуса электрооборудования, разряда молнии или других причин.
Каждую электроустановку следует присоединять к заземляющей магистрали отдельным проводником. Последовательное соединение заземляемых частей не допускается.
Заземление осуществляется с помощью специальных устройств — заземлителей. Заземлители бывают одиночные и групповые. Груповой заземлитель состоит из вертикальных стержней и соединяющей их горизонтальной полосы. Вертикальные электроды закладывают вместе с фундаментом зданий на определенном расстоянии друг от друга. С целью экономии средств ПУЭ [1] рекомендует использовать естественные заземлители.
В качестве естественных заземлителей рекомендуется использовать:
- проложенные в земле водопроводные и другие металлические трубопроводы за исключением трубопроводов горючих жидкостей, горючих или взрывчатых газов и смесей;
- обсадные трубы скважен;
- металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящихся в соприкосновении с землей;
- свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле;
- другие металлоконструкции, расположенные в грунте.
Естественные заземлители соединяются с магистралями заземления не менее, чем двумя проводниками в разных местах.
Методика расчета защитного заземления
Определяем расчетный ток замыкания на землю и соответствующее ему нормативное значение сопротивления растеканию тока защитного заземления.
Расчетный ток замыкания – это наибольший возможный в данной электроустановке ток замыкания на землю. Для электроустановок напряжением до 1000В ток однополюсного замыкания на землю не превышает 10А, т.к. даже при самом плохом состоянии изоляции и значительной емкости сопротивление фазы относительно земли не бывает менее 100 Ом. Нормативное значение сопротивления защитного заземления практически не зависит от этого тока и согласно ПУЭ [1] и ГОСТ 12.1.030-81 [5] не должно превышать значений, приведенных в табл. 2.
В электроустановках напряжением свыше 1000В с изолированной нейтралью расчетное значение тока замыкания на землю может быть определено по следующей полуэмпирической формуле:
(1)
где 
– линейное напряжение сети (на высокой стороне трансформаторной подстанции), кВ;
– длина электрически связанных соответственно кабельных и воздушных линий, км;
А
Соответствующее полученному расчетному тока замыкания на землю нормативные значения сопротивления заземляющего устройства (ЗУ) выбираются по табл. 2 в соответствии с требованиями ПУЭ [1] и ГОСТ 12.1.030-81 [5].
Таблица 2
Допустимые сопротивления защитных заземляющих устройств
| Характеристика электроустановки | Наибольшие допустимые сопротивления заземляющего устройства, Ом |
| Электроустановки напряжением до 1000В Защитные заземляющие устройства сети с изолированной нейтралью при мощности генератора или трансформатора до 100 кВ·А более 100 кВ·А | |
| Электроустановки напряжением выше 1000В Защитные заземляющие устройства электроустановок сети с эффективно заземленной нейтралью (с большими токами замыкания на землю). Заземляющее устройство выполняется с соблюдением требований к его сопротивлению Защитные заземляющие устройства электроустановок сети с изолированной нейтралью (с малыми токами замыкания на землю). - если заземляющее устройство используется только для электроустановок выше 1000В - если заземляющее устройство используется только для электроустановок до 1000В | 0.5 250/I, но не более 10 (I – расчетный ток замыкания на землю, А) 125/ I, но не более 10 |
При совмещении ЗУ различных напряжений или назначений принимается меньшее из требуемых правилами значение сопротивлений.
При отсутствии естественных заземлителей требуемое сопротивление искусственного заземлителя равно рассчитанному нормируемому сопротивлению ЗУ:
Ом (2)
Принимаем схему заземления электроустановки (рис. 1).
В качестве искусственных заземлителей применяют стальные стержни, уголки, трубы, забиваемые в землю вертикально.
Расчет заземления сводится к определению числа стержней, уголков, полос, при котором общее их сопротивление растеканию будет равно сопротивлению, допустимому Правилами устройства электроустановок (ПУЭ).
Расстояние между стержнями a = l, где l – длина заземлителя, м.
1. Определяют сопротивление растеканию тока одного вертикального заземлителя:
, (3)
где t – расстояние от середины заземлителя до поверхности грунта, м;
t0 – расстояние от поверхности грунта до верхнего конца заземлителя, м;
где t – расстояние от середины заземлителя до поверхности земли, м;
м, (4)
здесь t0 – глубина заземления, м;
rрасч – расчетное удельное сопротивление земли, Ом·м, табл. 1;
D – диаметр заземлителя, м.
2. Определяют расчетное удельное сопротивление земли:
, (5)
где r – удельное сопротивление земли, Ом·м (табл. 1),
j – коэффициент сезонности, учитывающий возможность повышения сопротивления грунта в течение года (табл. 3).
Таблица 3
Приближенные значения удельных сопротивлений грунтов и воды, Ом×м
| Грунт и вода | Возможные пределы колебаний | При влажности 10 … 12% к массе грунта |
| Песок | 400 - 700 | |
| Супесок | 150 - 400 | |
| Суглинок | 40 - 150 | |
| Глина | 8 - 70 | |
| Чернозем | 9 - 53 | |
| Речная вода | 10 - 100 | - |
| Морская вода | 0,2 - 1 | - |
Рис. 1. Схема заземляющего устройства
Таблица 4
Признаки климатических зон для определения коэффициентов сезонности j
| Характер климатической зоны | Климатические зоны России | |||
| Средняя многолетняя низшая температура (январь), ºС | от -20 до -15 | от -14 до -10 | от -10 до 0 | от 0 до +5 |
| Средняя многолетняя высшая температура (июль), ºС | от +16 до +18 | от +18 до +22 | от +22 до +24 | от +24 до +26 |
| Среднегодовое кол-во осадков, см | ~ 40 | ~ 50 | ~ 50 | 30-50 |
| Продолжительность замерзания вод, дни | 190-170 | ~ 150 | ~ 100 |
Таблица 5
Коэффициент сезонности j для однородной земли
| Климатическая зона | Влажность земли во время измерения ее сопротивления | |||||
| Вертикальный электрод длиной 3 м (5 м) | Горизонтальный электрод длиной 10 м (50 м) | |||||
| Повышенная | Нормальная | Малая | Повышенная | Нормальная | Малая | |
| 1,9 (1,5) | 1,7 (1,4) | 1,5 (1,3) | 9,3 (7,2) | 5,5 (4,5) | 4,1 (3,6) | |
| 1,7 (1,4) | 1,5 (1,3) | 1,3 (1,3) | 5,9 (4,8) | 3,5 (3,0) | 2,6 (2,4) | |
| 1,5 (1,3) | 1,3 (1,2) | 1,2 (1,1) | 4,2 (3,2) | 2,5 (2,0) | 2,0 (1,6) | |
| 1,3 (1,2) | 1,1 (1,1) | 1,0 (1,0) | 2,5 (2,2) | 1,5 (1,4) | 1,1 (1,12) |
Примечания: 1. Земля считается повышенной влажности, если измерению ее сопротивления предшествовало выпадение большого количества (свыше нормы) осадков (дождей); нормальной (средней) влажности – если измерению предшествовало выпадение небольшого количества (близкое к норме) осадков; малой влажности – если земля сухая, количество осадков в предшествующий измерению период ниже нормы.
2. Заглубление электродов, т.е. расстояние от поверхности земли до верхнего конца вертикального электрода и до горизонтального электрода равно 0,7…0,8 м.
3. Определяют ориентировочное число вертикальных заземлителей:
, (6)
где R д – допустимое по нормам сопротивление заземляющего устройства.
4. Находим по табл. 3 ориентировочный коэффициент использования вертикальных электродов 
.
5. Уточняем число заземлителей по формуле:
(7)
6. Определяем длину соединительной полосы L n, м:
при расположении вертикальных электродов в ряд (рис. 2, а):
Ln = a·(n -1);
при расположении вертикальных электродов по контуру (рис. 2, б):
Ln = 1,05· a·n.
Рис. 2. Способы размещения электродов группового заземлителя
(вид в плане):
а – вертикальные электроды размещены в ряд;
б – вертикальные электроды размещены по контуру
Таблица 6
Коэффициенты использования ηВ вертикальных электродов группового заземления (труб, уголков и т.п.) без учета влияния полосы связи
| Число заземлителей, n | Отношение расстояний между электродами к их длине | |||||
| Электроды размещены в ряд (см. рис. I, а) | Электроды размещены по контуру (см. рис. I, б) | |||||
| 0,85 | 0,91 | 0,94 | - | - | - | |
| 0,73 | 0,83 | 0,89 | 0,69 | 0,78 | 0,85 | |
| 0,65 | 0,77 | 0,85 | 0,61 | 0,73 | 0,80 | |
| 0,59 | 0,74 | 0,81 | 0,56 | 0,68 | 0,76 | |
| 0,48 | 0,67 | 0,76 | 0,47 | 0,63 | 0,71 | |
| - | - | - | 0,41 | 0,58 | 0,66 | |
| - | - | - | 0,39 | 0,55 | 0,64 | |
| - | - | 0,36 | 0,52 | 0,62 |
7. Определим сопротивление растеканию тока R г, Ом, стальной полосы, соединяющей трубчатые вертикальные заземлители:
, (8)
где 
– расчетное удельное сопротивление грунта;
Ln –длина соединительной полосы м;
d п = 0,95b, b – ширина соединительной полосы, м.
8. Определяют расчетное удельное сопротивление земли: 
,
где 
– удельное сопротивление земли, Ом·м (табл. 1),
– коэффициент сезонности, учитывающий возможность повышения сопротивления грунта в течение года (табл. 2).
9. Проверяют результирующее сопротивление всего заземления, по формуле:
, (9)
где 
, 
– коэффициент использования горизонтального и вертикального заземлителей соответственно, определяется по табл. 6, 7.
Таблица 7
Коэффициенты использования η г горизонтального полосового электрода, соединяющего вертикальные электроды (трубы, уголки и т.п.) группового
заземлителя
| Отношение расстояний между вертикальными электродами к их длине | Число вертикальных электродов | |||||||
| Вертикальные электроды размещены в ряд (см. рис.I, а) | ||||||||
| 0,85 | 0,77 | 0,72 | 0,62 | - | - | - | ||
| 0,94 | 0,80 | 0,84 | 0,75 | 0,56 | - | - | - | |
| 0,96 | 0,92 | 6,88 | 0,82 | 0,68 | - | - | - | |
| Вертикальные электроды размещены по контуру (см. рис. I, б) | ||||||||
| - | 0,45 | 0,40 | 0,34 | 0,27 | 0,22 | 0,20 | 0,19 | |
| - | 0,55 | 0,48 | 0,40 | 0,32 | 0,29 | 0,27 | 0,23 | |
| - | 0,70 | 0,64 | 0,56 | 0,45 | 0,39 | 0,36 | 0,33 |
10. Правильно рассчитанное заземляющее устройство должно отвечать условию: R рез≤Rд.
Расчет
Необходимо рассчитать заземляющее устройство для заземления электроустановки U = 6 кB в при следующих исходных данных:
грунт – с удельным электрическим сопротивлением ρ = 28 Ом•м;
в качестве заземлителей приняты стальные электроды диаметром
d = 0,018 м и длиной l = 2 м, располагаемые вертикально и соединенные на сварке стальной полосой 20×4 мм.
Климатическая зона – 2.
Определяем расчетный ток замыкания на землю и соответствующее ему нормативное значение сопротивления растеканию тока защитного заземления.
А
Ом
Принимаем 
0,5 Ом
1. Определяем расчетное удельное сопротивление земли для вертикального заземлителя:
Ом×м
2. Находим сопротивление одиночного вертикального заземлителя:
Ом
3. Находим ориентировочное число вертикальных заземлителей:
Принимаем 
38 шт.
4. Находим по табл. 6 ориентировочный коэффициент использования вертикальных электродов: 
.
5. Уточняем число заземлителей по формуле:
Принимаем 
66 шт. и находим 
.
6. Находим длину горизонтального электрода.
7. Ln = 1,05· a·n= 1,05·2·66=138,6 м
8. По формуле определяем расчетное удельное сопротивление земли для горизонтального заземлителя:
Ом
7. Находим сопротивление горизонтального электрода:
Ом
8. Находим по табл. 7 коэффициент использования горизонтального электрода: 
.
9. Находим сопротивление искусственного заземлителя:
Ом
Следовательно, расчет выполнен верно, так как полученный результат удовлетворяет условию 
(0,48 Ом £0,5 Ом): заземление состоит из 66 электродов диаметром 0,018 м, длиной 2 м, забитых вертикально на глубину 0,8 м, соединенных между собой соединительной полосой 20×4 мм. Длина горизонтального заземлителя 138,2 м, расстояние между вертикальными заземлителями 2 м.
Список литературы:
1. Правила устройства электроустановок (ПУЭ) 7-ое издание (утв. приказом Минэнерго РФ от 9 апреля 2003 г. N 150)
2. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации (утв. приказом Минэнерго РФ от 19 июня 2003 г. N 229)
3. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей (утв. приказом Минэнерго РФ от 13 января 2003 г. N 6)
4. Беляева В.И. Расчет средств обеспечения безопасности труда [Электронный ресурс]: учебное пособие/ Беляева В.И.— Электрон. текстовые данные.— Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, ЭБС АСВ, 2011.— 87 c.— Режим доступа: https://www.iprbookshop.ru/28393.— ЭБС «IPRbooks», по паролю
5. ГОСТ 12.1.030.-81. ССБТ. Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление.