Краткие теоретические сведения. Рабочеезаземление служит для подключения к земле аппаратуры

Заземления, устраиваемые на линиях AT, предназначены для обеспечения нормальных условий работы аппаратуры и защиты людей от опасных напряже­ний и токов. Различают следующие типы заземления (по выполняемым функ­циям): рабочее, защитное, линейно-защитное и измерительное.

Рабочее заземление служит для подключения к земле аппаратуры, рабо­тающей с использованием земли в качестве обратного провода.

Защитное заземление служит для присоединения к земле разрядников, мол­ниеотводов, брони и оболочек кабелей, а также металлических частей оборудо­вания, которые нормально не находятся под напряжением, но могут оказаться под ним при пробое или повреждении изоляции.

Линейно-защитное заземление служит для заземления металлических оболочек, брони и экранов кабелей по трассе с целью улучшения их экрани­рующего действия и снижения тем самым опасных и мешающих влияний ли­ний сильного тока на кабельные цени, а также для защиты кабелей от ударов молнии.

Измерительное заземление является вспомогательным заземлением и ис­пользуется при проведении контрольных измерений сопротивления рабочих и защитных заземлений.

По своему устройству заземление представляет совокупность заземлителя (металлического электрода, находящегося в непосредственном соприкоснове­нии с грунтом) и заземляющей магистрали, называемой на воздушных линиях также спуском (проводов, соединяющих заземлитель с заземляемыми прибора­ми и оборудованием). При размещении в агрессивных 'грунтах, где заземлитель подвергается интенсивной коррозии, он выполняется из меди или цинкованного металла.

Заземляющая магистраль приваривается к заземлителю и состоит из не­скольких свитых в жгут стальных проволок. От магистрали ко всем приборам, подлежащим заземлению, устраиваются самостоятельные ответвления из стального провода. Не допускается последовательное соединение заземляемых объектов, так как при нарушении целостности соединения незаземленными оказываются сразу несколько объектов оборудования.

Основной характеристикой заземления является его электрическое сопро­тивление, которое определяется отношением потенциала заземлителя (напря­жения относительно точек земли с нулевым потенциалом) к стекающему с него току. Сопротивление заземления зависит от конструкции металлических заземлителей, их количества, расположения и глубины погружения в грунт, а также удельного сопротивления грунта.

Удельное сопротивление груша изменяется также с изменением влажно­сти и температуры, в особенности поверхностных слоев грунта. Поэтому для получения относительно стабильного сопротивления заземления, в течение продолжительного времени, заземлители закладываются в землю на такую глу­бину, при которой влажность остается практически постоянной (не менее 0,6 - 0,8 м от поверхности земли). Такая прокладка заземлителей предохраняет их также от механических повреждений. Удельное сопротивление грунта определяет со­противление растеканию тока в земле, которое является основной составляю­щей сопротивления заземления в целом. Ток, стекающий с заземилителя в землю (рис. 15), растекается по направлению радиусов от центра полусферы.

Рисунок 15 – Ток стекающий с заземлителя в землю

Поверхность полусферы (площадь поперечного сечения проводника-земли) вблизи заземлителя мала и поэтому значение общего сопротивления земли оказывается значительным, отчего оказывается значительным также и падение напряжения на этих участках земли. По мере удаления от заземлителя сечение проводника увеличивается, сопротивление его уменьшается, а следова­тельно, уменьшается и падение напряжения на нем.

На расстоянии 20 м поперечное сечение проводника-земли становятся на­столько большим, что сопротивление земли можно приравнять нулю и, следо­вательно, считать потенциал всех точек поверхности земли одинаковым и рап­ным нулю. Эти точки пулевого потенциала считаются находящимися вне зоны растекания тока и соответствуют понятию «земля» в электротехническом смысле этого слова.

Под напряжением прикосновения оказывается человек, коснувшийся по­врежденного электрооборудования, связанного с защитным заземлением. На­пряжение прикосновения равно разности потенциалов между корпусом повреж­денного оборудования и поверхностью земли в месте нахождения человека. Чем меньше сопротивление заземления, тем меньше напряжение прикосновения.

Чтобы обеспечить требуемую электробезопасность, нормами установлены допустимые значения сопротивления защитных заземлений.

На воздушных линиях AT и С условия работы защитных заземлений во многом определяются числом сигнальных проводов. Известно, что при косвен­ных разрядах молнии индуктированные перенапряжения возникают одновре­менно на всех сигнальных проводах, поэтому через заземлитель разрядников будет проходить суммарный ток молнии от всех проводов. С увеличением чис­ла проводов напряжение на заземлителе будет повышаться. Снижение его до установленного значения требует уменьшения сопротивления заземления.

Значения сопротивлений линейно-защитных заземлений установлены дос­таточно низкими, что объясняется условиями зашиты кабелей от ударов мол­нии, а также улучшения экранирующего действия их оболочек. Чем лучше за­землена оболочка кабеля, тем больше протекающий по ней индуктированный ток и тем выше ее экранирующее (защитное) действие по отношению к индук­тированному напряжению в жилах кабеля.

Аналогичные требования к сопротивлению заземления определяются и ус­ловиями защиты кабелей от ударов молнии. При ударе молнии ее ток растека­ется по земле во все стороны и при нахождении кабеля вблизи места удара час­тично попадает на его металлическую оболочку, обладающую более низким со­противлением по сравнению с сопротивлением земли в зоне растекания тока молнии. По оболочке кабеля ток растекается влево и вправо, постепенно стекая с нее в землю и одновременно индуктируя в жилах кабеля напряжение по от­ношению к оболочке (земле). Его напряжение может достигать опасных для изоляции жил значений. Устройство в местах возможных ударов молнии линейно-защитных заземлений с низким сопротивлением приводит к существен­ному уменьшению пути протекания тока молнии по оболочке и, как следствие, уменьшению индуктируемого в жилах напряжения. Во всех случаях сопротив­ление измерительного заземления не должно превышать 100 Ом.

В устройствах железнодорожной автоматики и связи при оборудовании заземлений применяются в основном заземлители вертикальной или горизон­тальной формы. При этом для вертикальных заземлителей обычно используют­ся стальные трубы, стержни или уголки, а для горизонтальных заземлителей, применяемых обычно для молниеотводов - стальная линейная проволока.

Если при одиночном заземлителе сопротивление заземления не удовлетво­ряет норме, то устраивается сложный (многоэлектродный) заземлитель. электро­ды которого располагаются по прямой, в виде контура или лучей (контурное или многолучевое заземляющее устройство). В условиях железнодорожного транс­порта в качестве заземлителей во многих случаях используются рельсы. Из-за большой протяженности рельсы обладают низким переходным сопротивлением по отношению к земле (на многих участках 1-3 Ом). Кроме того, по отношению к поверхности земли подошва рельса образует значительную распределенную ем­кость, способствующую рассеянию энергии. Например грозового разряда, гораз­до лучше, чем самые хорошие заземлители.

Заземления на рельсы широко используются в цепях автоматики в каче­стве защитных заземлений, а на кабельных магистралях связи в ряде случаев как линейно-защитные заземления. Сопротивление заземления, как известно, представляет собой совокупность сопротивления электрода-заземлителя, со­противления проводов, соединяющих заземлитель с заземляемым оборудова­нием, переходного сопротивления между заземлителем и грунтом и сопро­тивления грунта в месте расположения заземлителя (сопротивления растека­нию тока в земле). Необходимость учета условий растекания тока в земле, од­носторонность доступа к заземлению, возможность протекания блуждающих токов в земле определяют всю сложность и особенности измерения сопротив­ления заземлений.

Как известно, электрический ток, стекая с заземлителя, растекается в земле, охватывая все больший ее объем, при этом в непосредственной близости от за­землителя площадь поперечного сечения земли (площадь поверхности полу­сферы), через которую проходит ток, является небольшой, а поэтому плотность тока, сопротивление земли и падение напряжения на ней оказываются значи­тельными. По мере удаления от заземлителя площадь поперечного сечения земли увеличивается, а поэтому плотность тока, сопротивление земли и падение напряжения на пей уменьшаются. На расстоянии 20 м от заземлителя объем земли, по которой проходит ток, становится обычно настолько большим, что плотность тока, сопротивление земли и падение напряжения на ней становятся практически равными нулю.

Поскольку грунт обладает свойствами электролита, то при прохождении постоянного тока через заземлитель па его границе с грунтом могут протекать электрохимические процессы, сопровождаемые выделением водорода, обра­зующиеся пузырьки которого ухудшают контакт между заземлителем и землей (явление поляризации). Для устранения поляризации заземлителя в измеряемой цепи заземлений используется переменный ток. В то же время и цепи логометра используется постоянный ток, позволяющий применить для измерений высоко­чувствительную магнитоэлектрическую систему. Преобразование постоянного тока в переменный производится коммутатором (прерывателем), а переменного тока в постоянный - коммутатором (выпрямителем).

Расчет сопротивления заземления одного заземлителя вертикального типа определяется:

R=(P/2пl)х In(4l/do)

где Р - удельное сопротивление фунта, (Омхм);

l - длина; (м)

do - диаметр вертикального заземлителя (м)

In — знак десятичного логарифма.

Расчет выполняется без учета глубины заложения заземлителя, так как предполагается однородность грунта.

При расчете сопротивления заземлителя из угловой стали, его диаметр принимается равным ширине стороны уголка do = b, при полосовом заземлителе его диаметр вычисляем по формуле: do = b/2, где b- ширина полосы.

Нормы сопротивления заземления Rн для различных объектов приведены в учебнике.

Если расчет показывает, что сопротивление одного заземлителя значитель­но превышает норму, то расчет следует продолжить, так как заземление в этом случае выполняется в виде контура из нескольких заземлителей.

Значение удельных сопротивлений используемых грунтов представлены в табл. 7.

Число заземлителей определяется по формуле: n= R 0,8 R н

Порядок выполнения

1. Выбрать тип и место устраиваемого заземления в соответствии с вариан­том по таблице 8.

2. Удельное сопротивление грунта выбрать по таблице 7.

3. Рассчитать сопротивление заземления объекта (методика расчета указа­на в теоретических сведениях).

4. Сравнить с нормальным значением сопротивления заземления,

5. Определить число заземлителей, если расчетное сопротивление заземле­ния превышает нормальное.

Содержание отчета

1. Описать тип заземления и ею применение.

2. Полученные результаты занести в таблицу 9.

Таблица 9 – Результаты расчетов

Выводы:

Контрольные вопросы

1. Назначение заземлений и их типы по выполняемым функциям.

2. Из каких основных элементов состоит заземление?

3. Каково определение понятия «электрическое сопротивление заземления»?

4. Что следует понимать под удельным сопротивлением грунта?

5. Каково определение понятия «зона растекания тока в земле»?

6. Почему заземляющая магистраль соединяется с заземлителем только сваркой? Почему не допускается последовательное соединение заземляемых объектов?

7. Какому требованию должно удовлетворять объединенное (общее) зазем­ление? Почему измерительные заземления не объединяются с другими типами заземлений?

8. Какие точки земли считаются точками нулевою потенциала?

9. Каковы существующие конструктивные разновидности заземлителей? В каком случае устраиваются сложные заземлители?

10. В чем заключаются особенности измерения сопротивления заземлений
и удельного сопротивления груша?

Рекомендуемая литература

1. Михайлов А.Ф. Частоедов Л.А. Электропитающие устройства и линейные сооружения автоматики телемеханики и связи железнодорожного транспорта. М; Транспорт, 1987.

2. Виноградов В.В Кустышев С.Е. Прокофьев В.А. Линии железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. М. «Маршрут» 2002.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Правила технической эксплуатации железнодорожного транспорта Российской Федерации; утв. Приказом Минтранса России от 21 декабря 2010 г. № 286. - М.: ОАО «РЖД», 2011.

2. Инструкция по технической эксплуатации устройств и систем сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) 939р; утв. и введена в действие Распоряжением ОАО «РЖД» от 17 апреля 2014 г. № 939р. – М.: ОАО «РЖД», 2014.

3. Инструкция по защите железнодорожных подземных сооружений от
коррозии блуждающими токами (ЦЭ-3551). М.: Транспорт, 1979.

4. Виноградов В.В Кустышев С.Е. Прокофьев В.А. Линии железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. М. «Маршрут» 2002.

5. Михайлов А.Ф. Частоедов Л.А. Электропитающие устройства и линейные сооружения автоматики телемеханики и связи железнодорожного транспорта. М; Транспорт, 1987.

6.