Exemplary Design of Grounding System for a Control Station Using Coke Fines

Task:

Facility: control station;
facility dimensions: 12 x 14 m;
soil: sandy;
soil resistivity: 2,000 Ohm*m;
required resistance of the grounding arrangement: 4 Ohm;
climatic zone - III.

Solution

The technical solutions adopted in design documents comply with the requirements of environmental protection, sanitary and hygienic, fire safety as well as other standards effective in the territory of the Russian Federation and provide operation of the facility in a way safe for lives and health of people while complying with the events provided for by design drawings. Design documentation complies with the requirements of the effective regulatory documents.

This section considers a solution of grounding arrangement for a control station. The resistance of the grounding arrangement should not exceed 4 Ohm as per GOST 464-79, item 1.4 and the EIC, item 1.7.101. According to the EIC, item 1.7.101, rated resistance may be increased 10 times, and the resistance of the grounding arrangement should not exceed 40 Ohm, respectively.

A galvanized steel L-shaped member 50 x 50 mm, 3 m long, is used as a vertical grounding electrode. L-shaped members are combined using a horizontal grounding electrode.

A galvanized steel bar 40 x 4 mm is used as a horizontal grounding electrode.

The grounding arrangement is made as a grounding circuit and ten vertical grounding electrodes. The circuit is made at the distance of at least 1 m from the facility's walls. Trench depth is 0.7 m.

Since the soil resistivity is high, the soil is replaced by fine cokes in vertical grounding electrodes locations. Electrical resistivity of coke fines does not exceed 2.5 Ohm*m. Volume of the replaced soil is 0.25 m x 0.25 m for the entire length of the vertical and horizontal grounding electrodes. The grounding electrode is located at the center of the replaced volume. The total volume of the replaced soil is 12.1875 m3.

This solution allows to save in area for installation of the grounding arrangement and to significantly reduce metal and work effort.

Calculation of resistance of the grounding arrangement:

Dissipation resistance of a single vertical electrode installed in coke fines is determined as:

Акт - Act
Ом - Ohm

where k₁ is freezing ratio considering seasonal fluctuations of soil temperature for vertical grounding electrode, 1.6 (for climatic zone III);
ρ is soil resistivity, 2,000 Ohm × m;
l_в is vertical electrode length, 3 m;
t_в is average electrode depth equal to the distance from the soil surface to the electrode center, 2 m;
d_в is outer electrode diameter;
ρ_акт is coke fine resistivity, 2.5 Ohm × m;
d_акт is outer diameter of coke fines filling, 0.25 m.

To recalculate L-shaped member to diameter: d = 0.95b, where b is the width of the L-shaped member leg, m.

d_v = 0,95 * 0,05 = 0,0475 m

R_E = 1535 Ohms

Resistance of a horizontal electrode installed in coke fines is determined as:

Г - H
Ом - Ohm
Акт - Act

where k₂ is freezing ratio considering seasonal fluctuations of temperature in soil for horizontal grounding electrodes, 1.7 (for climatic zone 3);
ρ is soil resistivity, 2,000 Ohm × m;
l_Г is horizontal grounding electrode length, 164 m;
t_Г is electrode depth, 0.5 m;
d_Г is outer horizontal electrode diameter;
ρ_акт is coke fines resistivity, 2.5 Ohm × m;
d_акт is outer diameter of coke fines filling, 0.25 m.

For electrodes made of L-shaped or bar steel members, an equivalent value equal to the width of leg b of the L-shaped member with ratio of 0.95 is used instead of diameter.

d_h = 0,95 * 0,04 = 0,038 m

R_E = 31,62 Ohm.

Electrical impedance of the grounding arrangement:

ЗУ - GA
Исп гр - Util

where
n is number of sets, 10 pcs (vertical grounding electrodes); 1 pc (horizontal grounding electrode);
k_util is utilization ratio, 0.63 (for vertical grounding electrodes); 0.7 (for horizontal grounding electrode).

R_ЗУ = 30,98 Ohm.

List of required materials:

Appendix: design in DWG and PDF formats

Условные обозначения: Legend:
- полоса стальная оцинкованная 40х4 мм - galvanized steel bar
- место сварки - welding point
- стальной оцинкованный уголок 50х50 мм, длиной 3 м - galvanized steel L-shaped element 50 x 50 mm, length 3 m
Согласовано Approved by
Взам. Инв. Repl. Inv.
Подп. и дата Sign. and date
Инв. № подл. Inv. No. orig.
1. В качестве вертикальных заземлителей применяются стальные оцинкованные уголки 50х50 мм, длиной 3 м. 1. Galvanized steel L-shaped elements 50 x 50 mm, length 3 m, are used as vertical grounding electrodes.
2. В качестве горизонтального заземлителя используется стальная оцинкованная полоса сечением 40 х 4 мм, в виде контура. Расстояние до стен объекта – не менее 1 м. Заглубление полосы 0,7 м. 2. Galvanized steel bar 40 x 4 mm as a circuit is used as a horizontal grounding electrode. Distance to the facility’s walls is at least 1 m. Bar depth is 0.7 m.
3. В местах установки заземлителей выполняется замена грунта на коксовую мелочь с целью снижения удельного электрического сопротивления грунта. Объем заменяемого грунта составляет 0,25 х 0,25 м по всей длине заземлителей. 3. In locations of grounding electrodes, the soil is replaced by coke fines to reduce soil resistivity. Replaced soil volume is 0.25 x 0.25 m along the entire electrodes’ length.
4. Расчетное значение сопротивления заземляющего устройства – 38.11 Ом. 4. Estimated grounding arrangement resistance is 28.11 Ohm.
5. Подключение выполняется при помощи сварки. 5. Method of connection is welding.
6. Сварной шов должен быть с двух сторон от края до края. 6. Welding seam should be present from both side, from edge to edge.
7. Подвод к электрощитовой выполняется стальной оцинкованной полосой 40 х 4 мм. 7. Supply to electrical cabinet is provided by a galvanized steel bar 40 x 4 mm.
8. В соответствии с ПУЭ-7 изд., п. 1.7.55 – Заземляющее устройство защитного заземления электроустановок зданий и сооружений и молниезащиты 2-й и 3-й категорий этих зданий и сооружений, как правило, должны быть общими. 8. According to the EIC Rev. 7, item 1.7.55, “Grounding arrangement of the protective grounding system for electrical installations in buildings and structures and of the lightning protection system with the lightning protection Categories 2 and 3 should typically be common.”
Диспетчерский пункт Control station
Изм. Rev.
Колич. Q-ty
Лист Sheet
№ док. Doc. No.
Подп. Sign.
Дата Date
Разраб. Dev. by
Утвердил Approved by
ГИП CPE
Проверил Checked by
Н.контр. Verified by
«Заземляющее устройство» “Grounding arrangement”
Стадия Stage
Лист Sheet
Листов Sheet(s)
Расчет заземляющего устройства Calculation of grounding arrangement
Расчет сопротивления заземляющего устройства: Calculation of grounding arrangement resistance:
Сопротивление растеканию одиночного вертикального электрода в коксовой мелочи определяется по формуле: Dissipation resistance of a single vertical electrode installed in coke fines is determined as где k1 – коэффициент промерзания, учитывающий сезонные колебания температуры грунта для вертикального заземления, 1,6 (для III климатической зоны);ρ – удельное сопротивление грунта, 2000 Ом × м;lв – длина вертикального электрода, 3 м;tв – средняя глубина установки электрода, равная расстоянию от поверхности земли до середины электрода, 2 м;dв – наружный диаметр электрода;ρакт – удельное электрическое сопротивление коксовой мелочи, 2,5 Ом × м;dакт – наружный диаметр коксовой засыпки, 0,25м. where k1 is freezing ratio considering seasonal fluctuations of soil temperature for vertical grounding electrode, 1.6 (for climatic zone III);ρ is soil resistivity, 2,000 Ohm × m;lv is vertical electrode length, 3 m;tv is average electrode depth equal to the distance from the soil surface to the electrode center, 2 m;dv is outer electrode diameter;ρact is coke fine resistivity, 2.5 Ohm × m;dact is outer diameter of coke fines filling, 0.25 m.
Для перевода уголка в диаметр: d = 0,95b, где b – ширина полки уголка в м. To recalculate L-shaped element to diameter: d = 0.95b, where b is the width of the L-shaped element shoulder, m.
Сопротивление горизонтального электрода в коксовой мелочи, определяется по формуле: Resistance of a horizontal electrode installed in coke fines is determined as:
где k2 – коэффициент промерзания, учитывающий сезонные колебания температуры грунта для горизонтальных заземлителей, 1,7 (для 3 климатической зоны);ρ – удельное сопротивление грунта, 2000 Ом × м;lГ – длина горизонтального заземлителя, 164 м;tГ – глубина прокладки электрода, 0,5 м;dГ – наружный диаметр горизонтального электрода;ρакт – удельное электрическое сопротивление коксовой мелочи, 2,5 Ом × м;dакт – наружный диаметр коксовой засыпки, 0,015м. where k2 is freezing ratio considering seasonal fluctuations of temperature in soil for horizontal grounding electrodes, 1.7 (for climatic zone 3);ρ is soil resistivity, 2,000 Ohm × m;lh is horizontal grounding electrode length, 164 m;th is electrode depth, 0.5 m;dh is outer horizontal electrode diameter;ρact is coke fines resistivity, 2.5 Ohm × m;dact is outer diameter of coke fines filling, 0.015 m.
Для электродов из угловой или полосовой стали вместо диаметра, подставляется эквивалентная величина, равная ширине стороны b уголка с коэффициентом 0,95) For electrodes made of L-shaped or bar steel elements, an equivalent value equal to the width of shoulder b of the L-shaped element with ratio of 0.95 is used instead of diameter.
Полное сопротивление заземляющего устройства: Electrical impedance of the grounding arrangement:
гдеn – количество комплектов, 10 шт (вертикальные заземлители); 1 шт (горизонтальный заземлитель);kисп – коэффициент использования, 0,63 (для вертикальных заземлителей); 0,7 (для горизонтального заземлителя). where n is number of sets, 10 pcs (vertical electrodes); 1 pc (horizontal electrode);kutil is utilization ratio, 0.63 (for vertical electrodes); 0.7 (for horizontal electrode).

DWG and PDF files are available for download by the logged-in users only.

Need a design of grounding and lightning protection? Order now by contacting the ZANDZ Technical Center

Typical Lightning Protection for Open-Type GDPs Example of lightning protection and grounding the runway supervistory unit Sample calculation of lightning protection for an astrophysics observatory CALCULATION EXAMPLE OF WORKING GROUNDING FOR AN ELECTRIC LABORATORY