Заземление электроустановок осуществляется преднамеренным соединением их с заземляющим устройством. , Заземляющим устройством называется совокупность заземлителя и заземляющих проводников.
Заземлителем называется металлический проводник или группа проводников, находящихся в непосредственном соприкосновении с землей.
Заземляющими проводниками называются металлические проводники, соединяющие заземляемые части электроустановок с заземлителем.
Если через заземлитель пропустить ток, то на самом заземлителе и в точках земли, расположенных в непосредственной близости от него, возникнут потенциалы (относительно бесконечно удаленной точки), распределение которых показано на рис. 8-6. Из рисунка видно, что с удалением от места расположения заземлителя потенциал уменьшается, так как поперечное сечение земли, через которое протекает ток, увеличивается. В удаленных точках потенциалы близки к нулю. Таким образом, в качестве точек нулевого потенциала могут служить точки, достаточно удаленные от заземлителя, потенциалы которых практически равны нулю. Обычно достаточно расстояние несколько десятков метров. Крутизна кривой распределения потенциалов зависит от проводимости грунта: чем больше проводимость грунта, тем более пологую форму имеет кривая, тем дальше расположены точки нулевого потенциала.
Сопротивление, которое оказывает току грунт, называется сопротивлением растеканию. В практике сопротивление растеканию относят не к грунту, а к заземлителю и применяют сокращенный условный термин «сопротивление заземлителя».
Сопротивление заземлителя определяется отношением напряжения на заземлителе относительно точки нулевого потенциала к току, протекающему через заземлитель
(8-9)
Таким образом, сопротивление заземляющего устройства включает сопротивление заземлителя (активное) и сопротивление заземляющей сети (активное и индуктивное, доля индуктивного сопротивления растет при применении стальных проводников).
Удельное сопротивление грунта зависит от его характера, от температуры, от содержания в нем влаги и электролитов. Наибольшее сопротивление имеет место в зимнее время при промерзании грунта и в летнее время при его высыхании. Измерение удельного сопротивления грунта необходимо при проектировании заземляющих устройств, чтобы не затратить излишние средства на сооружение заземлений (а это будет ясно лишь по окончании работ по устройству заземления), а также чтобы не пришлось уже после сооружения установки осуществлять дополнительные мероприятия по расширению заземляющих устройств.
Измерение сопротивлений изоляции и заземления
... предназначен для измерения сопротивлений и испытания на электрическую прочность (т. е. на отсутствие электрического пробоя) изоляции электрооборудования, не ... ЭУ соединяют с помощью заземляющего проводника с заземлителем, надежно контактирующим с землей и предназначенным для отвода ... ЭУ. При этом может заземляться какая-либо точка токоведущей части ЭУ, например нейтраль источника питания сети ...
С целью получения достоверных результатов измерения удельного сопротивления грунта следует производить в теплое время года, а увеличение сопротивления вследствие высыхания или промерзания грунта учитывается повышающими коэффициентами.
Для устройства заземлений в установках переменного тока следует в первую очередь использовать естественные заземлители. Естественные заземлители — это различные конструкции и устройства, которые по своим свойствам могут одновременно выполнять функции заземлителей: водопровод, металлические оболочки кабелей, металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, имеющие надежное соединение с землей.
В водопроводной сети, если трубы не изолированы от земли и выполнены из стали или чугуна, происходит растекание тока в землю на большом протяжении. Водопроводные трубы укладываются ниже глубины промерзания (и высыхания), и поэтому сопротивление растеканию можно считать постоянным в течение всего года.
Свинцовые оболочки проложенных в земле кабелей могут обеспечивать достаточно малые сопротивления растеканию, и поэтому их использование рекомендуется. Алюминиевые оболочки кабелей, выпускающиеся с защитными покрытиями для предотвращения коррозии алюминия при соприкосновении с землей, для устройства заземлений применены быть не могут. Стальная броня кабелей как заземлитель в расчет не принимается.
Рис. 8-6. Распределение потенциалов при растекании тока в земле с одиночного вертикального заземлителя
Железобетонные фундаменты во влажных грунтах обладают высокой и стабильной в течение года проводимостью и рекомендуются в качестве естественных заземлителей в глинистых, суглинистых, супесчаных и других влажных грунтах. При использовании железобетонных конструкций для возможности их соединения между собой и сетью заземления должны заранее предусматриваться выводы арматуры наружу.
Преимуществом рассмотренных естественных заземлителей является малое сопротивление растеканию. Рациональное использование естественных заземлителей упрощает и удешевляет сооружение заземляющих устройств. Сопротивления естественных заземлителей зависят от многих местных факторов, и их значения могут быть получены только на основании замеров.
Под искусственными заземлителями понимают закладываемые в землю металлические электроды, специально предназначенные для устройства заземлений. Во избежание излишних затрат эти заземлители следует применять лишь при отсутствии естественных заземлителей, при невозможности их использования или при слишком высоком сопротивлении естественных заземлителей.
Рис. 8-7. Одиночные вертикальные заземлители а — с расположением конца у поверхности земли; б — с расположением верхнего конца ниже уровня земли
Искусственные заземлители обычно выполняют из вертикальных электродов (труб, уголков, стержней) с расположением верхнего конца у поверхности земли или ниже уровня земли на 0,5 — 0,8м (рис. 8-7).
При втором способе сопротивление заземления относительно стабильно, так как заземлитель соприкасается со слоями грунта, в которых относительно малы изменения влажности и температуры в течение года.
Методы и средства измерений сопротивления и давления
... измерительного прибора В практике для измерения сопротивлений применяют различные методы в зависимости от характера объектов и условий измерения (например, твердые и жидкие проводники, заземлители, электроизоляция); от требований к ...
Рис. 8-8. Расположение вертикальных заземлителей в ряд
Если заземлитель из одиночного вертикального электрода (рис. 8-7) не обеспечивает требуемого сопротивления заземления, то применяется расположение вертикальных электродов в ряд (рис. 8-8) или по контуру (рис. 8-9).
При выборе размеров вертикальных электродов исходят из трех условий: обеспечение требуемого сопротивления заземлителя при наименьшем расходе металла; обеспечение механической стойкости электрода при погружении в грунт; обеспечение стойкости к коррозии электродов, расположенных в грунте.
Стойкость проводника к коррозии в грунте определяется его толщиной и величиной поверхности на единицу длины, соприкасающейся с грунтом. Очевидно, что при равных сечениях наибольшую толщину и наименьшую поверхность имеют круглые стержни, которые и являются наиболее долговечными заземлителями.
Сопротивление растеканию электрода определяется в основном его длиной и почти не зависит от поперечных размеров электрода. Расход же металла прямо пропорционален поперечному сечению электрода, поэтому наиболее экономичными являются заземлители наименьших возможных сечений [4].
Наибольшую механическую прочность при погружении в грунт при одинаковом поперечном сечении имеют трубы и уголки и наименьшую — круглые стержни.
Исходя из механической прочности при погружении трубчатого заземлителя забивкой или вибрационным способом выбирают трубы диаметром 1,5″ и 2″ или угловую сталь размером 50 Ч 50 или 60 Ч 60 мм. Целесообразнее применять угловую сталь, так как она дешевле труб. Обычно применяемая длина вертикальных электродов 2 — 3 м.
Применение электродов большей длины (5 — 20 м) целесообразно при высоком сопротивлении грунта и малой площади, отводимой под устройство заземлителя.
Рис. 8-9. Контурный заземлитель
В последнее время получают распространение вертикальные заземлители в виде стержней из круглой стали диаметром 12 — 16 мм. Погружение их в грунт производится ввертыванием с оконцеванием стержня в виде буравчика. Применение стержней вместо труб и уголков приводит к экономии металла (примерно 6,5 т на 100 электродов).
Погруженные в грунт вертикальные электроды соединяют стальными полосами, проложенными на глубине 0,5 — 0,8 м и приваренными к верхним концам вертикальных электродов. Вместо полос часто применяется круглая сталь. Иногда горизонтально проложенные полосы или круглая сталь применяются как самостоятельные заземлители. Заземлители в виде пластины, кольца применяются реже.
Пластины в качестве заземлителей располагают вертикально во избежание нарушения соприкосновения с почвой и нарушения контакта при возможных осадках грунта.
Заземлитель в виде горизонтально расположенного в земле кольца выполняется из круглой или полосовой стали. Целесообразно размещение кольца ниже уровня промерзания.
Наименьшие размеры стальных заземлителей и проводников по условиям стойкости к коррозии следующие:
диаметр круглой стали 6 мм, толщина полос 4 мм, сечение полос 48 мм, толщина полок уголков 4 мм, толщина стенок труб 3,5 мм.
Рис. 8-10. Экранирование вертикальных заземлителей
Так как заземлитель обычно состоит из нескольких параллельно соединенных электродов, расположенных на сравнительно небольших расстояниях друг от друга, то возникает явление экранирования (рис. 8-10), приводящее к уменьшению объема грунта, в котором происходит растекание тока с каждого электрода и, как следствие этого, увеличение сопротивления заземлителя.
Защитное заземление электроустановок
... Это объясняется тем, что проводники заземления, сам заземлитель и земля имеют некоторое сопротивление. При повреждении ток протекает по корпусу электроустановки, заземлителю и далее по земле к нейтрали трансформатора, вызывая ... должно быть более: где I - расчетная сила тока заземления на землю, А. Расчетная сила тока замыкания на землю должна быть определена для той из возможных в эксплуатации ...
Таким образом, если заземлитель из одного электрода имеет сопротивление Rэд, то заземлитель из n параллельно включенных электродов будет иметь сопротивление не Rэд/n, а
(8-10)
где Ки, зм — коэффициент использования заземления.
Коэффициент использования уменьшается с увеличением числа электродов и уменьшением расстояния между ними. Вследствие этого увеличение числа вертикальных электродов при тех же размерах ряда или контура приводит к незначительному уменьшению сопротивления растеканию. По этой же причине дополнительное заполнение электродами внутренней части контура приводит к небольшому уменьшению его сопротивления.
заземляющее устройство электрод
Рис. 8-11. Выравнивание потенциалов с помощью дополнительных выравнивающих проводников при контурном заземлителе
Например, при токе короткого замыкания 6 кА на заземляющем устройстве будет напряжение 3 кВ. Поэтому дополнительно к ограничению сопротивления заземляющего устройства предусматривается также выполнение следующих мероприятий:
1) быстродействующее отключение при замыканиях на землю;
2) выравнивание потенциалов в пределах территории, на которой находится электроустановка, и на ее границах.
Для выравнивания потенциалов на территории электроустановки на глубине 0,5-0,8 м должна закладываться сетка из выравнивающих проводников (рис. 8-11).
Продольные проводники закладываются параллельно осям оборудования на расстоянии 0,8 — 1 м от фундаментов или оснований оборудования и соединяются между собой на всей площади поперечными проводниками с шагом не более 6 м. Для улучшения выравнивания на границе контура крайние проводники сетки, с которых происходит большее стекание тока в землю, укладываются на глубине около 1 м.
Выравнивание потенциалов должно быть также осуществлено у входов и въездов на территорию электроустановки путем укладки двух дополнительных полос с постепенным заглублением; на расстоянии 1 и 2 м от заземлителя на глубине 1 и 1,5 м соответственно.
При размещении электроустановки на достаточной площади расстояние от границ заземлителя до ограды электроустановки должно быть не менее 3 м, и ограда в этом случае не заземляется. В местах, часто посещаемых персоналом, и в местах входов и съездов целесообразно устраивать дорожки с покрытием асфальтом или гравием, имеющим малую проводимость.
В целях исключения выноса потенциала за пределы территории электроустановки с большим током замыкания на землю запрещается питание приемников, находящихся вне территории электроустановки, производить от трансформаторов с заземленной нейтралью при напряжениях 380/220 или 220/127 В, находящихся в пределах территории электроустановки. При необходимости питание таких приемников осуществляется от трансформаторов с изолированной нейтралью.
Для исключения выноса потенциала рельсовые пути, заходящие на территорию электроустановки, к заземляющему контуру электроустановки не присоединяются, а на выходе за пределы электроустановки рельсы заземляются в нескольких точках. Так как рельсы при этом имеют нулевой потенциал, должна быть исключена возможность попадания человека под значительное шаговое напряжение в пределах электроустановки, когда он одной ногой касается грунта, а другой — рельса. Возможность эта исключается при насыпи железнодорожного полотна из крупного щебня, гальки, ракушечника, имеющих малую проводимость.
Режим работы нейтралей в электроустановках
... режим нейтрали рекомендован ПУЭ во всех электроустановках. Причина широкого распространения режима работы с изолированной нейтралью заключается в том, что в такой сети замыкание одной фазы на землю ... применяют автоматическое ступенчатое или плавное регулирование сопротивления реактора по напряжению нейтрали. В режиме полной компенсации тока замыкания на землю реактор настроен на резонанс с ...
Если заземлитель не размещается внутри ограждаемой территории, он может быть расширен за пределы электроустановок с обязательным выравниванием потенциалов на границе контура путем постепенного заглубления крайних проводников сетки. При этом металлические части забора и арматура стоек железобетонного забора должны быть присоединены к заземлителю.
При расположении электроустановок с большим током замыкания на землю у цехов промышленных предприятий необходимо выполнять следующие мероприятия:
1) все прилегающие здания должны быть включены в общий контур заземления;
2) должны приниматься меры к выравниванию потенциалов внутри цехов;
3) вокруг зданий на расстоянии 1 м от стен на глубине 1 м должен быть проложен проводник, соединенный с заземляющими проводниками внутри здания, а у входов и въездов в здания должно быть выполнено выравнивание потенциалов путем прокладки дополнительных полос с постепенным заглублением;
4) вокруг зданий следует устраивать асфальтированные отмостки шириной 1-1,5 м.
Так как токи короткого замыкания на землю в рассматриваемых установках имеют большие значения, должна быть обеспечена термическая стойкость заземляющих проводников. Сечения заземляющих проводников должны быть выбраны такими, чтобы при протекании по ним расчетных токов однофазных замыканий на землю температура их за время до срабатывания основной защиты не превысила допустимой (400° С).
В соответствии с этим минимальные сечения проводников по допустимому нагреву током однофазного замыкания на землю определяются по формуле:
(8-11)
где I зм — установившийся ток к. з., А; t п — приведенное время прохождения тока на землю, с; с — постоянная: для стали 74, для толстых медных проводников 195, для кабелей напряжением до 10 кВ с медными жилами 182, для голых алюминиевых проводников и кабелей с алюминиевыми жилами напряжением до 10 кВ 112.
В качестве установившегося тока к. з. при расчетах принимается наибольший ток, проходящий через проводник при замыкании на рассматриваемом устройстве или при однофазных замыканиях на землю вне его, для возможной в эксплуатации схемы сети с учетом распределения тока к. з. на землю между заземленными нейтралями сети.
Электроустановки напряжением выше 1000 В с малыми токами замыкания на землю.
(8-12)
где I расч — расчетный ток через заземляющее устройство, А; U расч — расчетное напряжение на заземляющем устройстве по отношению к земле, В.
Расчетным током является полный тон замыкания на землю при полностью включенных присоединениях электрически связанной сети.
Расчетный ток замыкания на землю может быть найден из выражения, А.
где U — междуфазное напряжение сети, кВ; l к, l в — общая длина электрически связанных между собой кабельных и воздушных линий, км.
Технология монтажа заземляющих устройств
... отопления. Основной характеристикой заземляющего устройства является его сопротивление. Общее сопротивление заземляющего устройства равно сумме всех сопротивлений заземляющих проводников и сопротивлению самого заземлителя. Также сопротивление заземляющего устройства могут называть сопротивлением растекания тока. растеканию. Монтаж наружного контура заземляющего устройства должен производиться по ...
Если заземляющее устройство используется только для электроустановок напряжением выше 1000 В, I расч принимается равным 250 В; если заземляющее устройство одновременно используется и для электроустановок напряжением до 1000 В, I расч = 125 В.
Сопротивление заземляющего устройства для сетей напряжением выше 1000 В с малыми токами замыкания на землю должно быть не более 10 Ом.
В сетях с компенсацией емкостных токов сопротивление заземляющего устройства рассчитывается по формуле (8-12).
При этом в качестве расчетного тока следует принимать:
1) для заземляющих устройств, к которым присоединены компенсирующие аппараты, ток, равный 125% номинального тока этих аппаратов;
2) для заземляющих устройств, к которым не присоединены компенсирующие аппараты, наибольший остаточный ток замыкания на землю, который может иметь место в сети при отключении наиболее мощного из компенсирующий аппаратов, но не менее 30 А.
С целью облегчения устройства заземлений ПУЭ допускают во всех электроустановках с малыми токами замыкания на землю рассчитывать заземляющие устройства по формуле (8-12), принимая в качестве расчетного ток срабатывания релейной защиты или ток плавления предохранителей, если эта защита обеспечивает отключение замыканий на землю. При этом наименьший в условиях эксплуатации ток замыкания на землю должен быть не менее полуторакратного тока срабатывания релейной защиты или трехкратного номинального тока предохранителей.
Электроустановки напряжением до 1000 В с глухим заземлением нейтрали.
Части электроустановок, подлежащие заземлению, должны иметь надежную металлическую связь с нейтралью источника питания, выполняемую с помощью заземляющих проводников или нулевого провода. При воздушных линиях металлическая связь с нейтралью источника питания осуществляется при помощи специального нулевого провода, прокладываемого на опорах так же, как и фазные провода. При этом через каждые 250 м, а также на концах линий и ответвлений длиной более 200 м должны устраиваться повторные заземления нулевого провода. Сопротивление заземляющих устройств каждого из повторных заземлений должно быть не более 10 Ом. В сетях с суммарной мощностью питающих генераторов и трансформаторов 100 кВА и менее, для которых допущено cопротивление основного заземляющего устройства 10 Ом, сопротивление заземляющих устройств каждого из повторных заземлений должно быть не более 30 Ом при числе их не менее трех.
С целью обеспечения автоматического отключения участка с однофазным замыканием заземляющие проводники должны быть выбраны таким образом, чтобы при замыкании на корпус или на нулевой провод возникал ток короткого замыкания, превышающий:
1) в 3 раза номинальный ток плавкой вставки ближайшего предохранителя;
2) в 3 раза номинальный ток замедленного расцепителя автоматического выключателя, имеющего обратнозависимую от тока характеристику.
При защите сетей автоматическими выключателями, имеющими только электромагнитный расцепитель, заземляющие проводники должны быть выбраны таким образом, чтобы в петле фаза — нуль был обеспечен ток короткого замыкания, равный току уставки электромагнитного расцепителя, умноженному на коэффициент, учитывающий разброс, и на коэффициент запаса, равный 1,1. При отсутствии заводских данных по разбросу кратность тока короткого замыкания относительно тока уставки электромагнитного расцепителя следует принимать равной: для автоматов с номинальным током до 100 А 1,4; для прочих автоматов 1,25.
Защита от опасности поражения электрическим током
... повреждениями. В зависимости от условий возникновения различаются три вида ожогов: токовый, или контактный, возникающий при прохождении тока непосредственно через тело человека в результате контакта человека с ... тело человека электрической дуги, но без прохождения тока через тело человека; обычно это ожоги являются результатом случайных коротких замыканий в электроустановках 220-6000 В, например, при ...
Полная проводимость заземляющих проводников во всех случаях должна составлять не менее 50% проводимости фазного проводника.
Условия в отношении тока замыкания на землю должны проверяться испытаниями или измерениями до ввода электроустановки в эксплуатацию, а также периодически в процессе ее эксплуатации. В целях удовлетворения указанных требований в отношении тока замыкания заземляющие проводники рекомендуется прокладывать совместно или в непосредственной близости с фазными.
Не допускается использование свинцовых оболочек кабелей в качестве заземляющих проводников.
В условиях проектирования для проверки обеспечения отключения замыканий между фазным и нулевым проводами ток однофазного замыкания определяется по приближенной формуле:
(8-13)
где U ф — фазное напряжение сети; Z т. о — полное сопротивление нулевой последовательности трансформатора; Z — полное сопротивление петли фаза — нуль.
При совместной подвеске нулевого и фазных проводов линии удельное реактивное сопротивление проводов петли из цветных металлов принимается равным 0,6 Ом/км; при стальных проводах внешнее удельное реактивное сопротивление проводов петли принимается также равным 0,6 Ом/км, а внутренние реактивное и активное сопротивления определяются для тока, фактически проходящего по проводам в условиях однофазного замыкания. В качестве первого приближения их можно определять для тока замыкания, превышающего ток срабатывания защиты в указанное число раз.
Отмеченная приближенность формулы (8-13) заключается в замене геометрического сложения полных сопротивлений трансформатора и цепи фаза — нуль арифметическим, так как векторы этих сопротивлений почти параллельны и погрешность от такой замены не превышает 5% в сторону увеличения расчетного сопротивления.
В установках постоянного тока заземление выполняется так же, как и в установках переменного тока.
Особенностью прохождения постоянного тока в земле является электролитическая коррозия подземных сооружений (водопровод и другие трубопроводы, оболочки кабелей, конструкции зданий).
Опасность коррозии существует в установках с длительным протеканием рабочего тока через заземлитель (рабочее заземление одного полюса) или при наличии токов утечки (электролизные установки, рельсовый электрический транспорт).
Поэтому при устройстве заземлений в установках постоянного тока не следует использовать в качестве заземляющих устройств подземные сооружения, коррозия которых приводит к большим убыткам. Заземлители установок постоянного тока не должны объединяться с заземлителями других систем. Элементы заземлителей должны быть достаточной толщины для предотвращения быстрого разрушения. Если электроустановки постоянного тока связаны с электроустановками переменного тока (преобразователи), то могут быть применены общие заземляющие устройства.
В сетях постоянного тока повторные заземления нулевого провода должны осуществляться при помощи отдельных искусственных заземлителей, которые не должны иметь металлических соединений с подземными трубопроводами, оболочками кабелей и т.п.
Принцип работы машин постоянного тока конструкция машин постоянного тока
... постоянного тока из отдельных листов элек-тротехнической стали. Штамп в листе одновременно выру-бает ярмо, пазы, главные и дополнительные полюсы. Характеристики генератора ... созданный обмотками возбуждения. Для уменьшения магнитного сопротивления по пути этого потока все указан- ... условиях работы показал, что правильно спроектированная и качественно изготовлен-ная машина постоянного тока является не ...
Электроустановки напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью.
В месте установки трансформаторов при совместном использовании заземляющего устройства для сетей напряжением до 1000 В и выше сопротивление заземляющего устройства должно удовлетворять формуле (8-12) при расчетном напряжении на заземляющем устройстве U расч — 125 В. Это требование предусматривает снижение опасных последствии при повреждении трансформатора с замыканием между обмотками высшего и низшего напряжений. При этом, если при повреждении не произойдет отключения от действия защиты высшей стороны, через пробивной предохранитель и заземляющее устройство будет протекать ток замыкания на землю сети высшего напряжения.
При однофазных замыканиях в сетях до 1000 В в месте замыкания протекает ток, обусловленный проводимостями (активной и емкостной) фаз на землю.
Напряжение на заземлителе относительно точки нулевого потенциала равно:
U зм = I зм R зм
где I зм — ток замыкания, А; R зм — сопротивление заземляющего устройства, не превышающее 4 Ом (или 10).
Наибольшее значение напряжения прикосновения при этом составляет несколько десятков вольт. Поэтому в коротких сетях с малой проводимостью на землю неоспоримы преимущества сетей с изолированной нейтралью с точки зрения электробезопасности.
1. СПРАВОЧНИК ПО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЮ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
2. Промышленные электрические сети
3. Под общей редакцией А.А. Федорова и Г.В. Сербиновского Второе издание, переработанное и дополненное МОСКВА «ЭНЕРГИЯ» 1980
