Что такое защитное заземление и как его устраивать. Часть 2.

Часть 2

МАРК РОМАНОВИЧ НАЙФЕЛЬД

1959 год
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО, МОСКВА / ЛЕНИНГРАД

В брошюре приводятся основные понятия о назначении защитных заземлений в электрических установках переменного тока напряжением до 35 кв и их устройстве. Приводятся краткие сведения по расчету и эксплуатации заземляющих устройств.
Брошюра предназначена для квалифицированных рабочих-элетриков, окончивших 7—10 классов средней школы.

СОДЕРЖАНИЕ

Часть 1

1. Введение

2. Защитное заземление в сети c изолированной нейтралью

3. Заземляющее устройство

4. Напряжение шага. Напряжение прикосновения. Выравнивание потенциалов

5. Защитное заземление в сети с заземленной нейтралью (зануление)

6. В каких случаях требуется заземление

Часть 2

7. Сопротивления заземляющих устройств

8. Влияние характера грунта и его состояния на сопротивление растеканию заземлителей

9. Естественные заземлители и заземляющие контуры

10. Заземляющие проводники

Часть 3

11. Прокладка заземляющих проводников, соединения и присоединения

12. Пример расчета заземляющего устройства

13. Правильная эксплуатация — основа безопасности

14. Измерение сопротивления заземляющих устройств

7. СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Из сказанного ранее следует, что для обеспечения безопасности заземляющее устройство должно иметь сопротивление, но возможности малое И ВО ВСЯКОМ случае не выше определенной величины.

Таблица 1

Максимальные сопротивления заземляющих устройств

Род установки	Сопротивление заземляющего устройства, ом
1. Электроустановки напряжением 6 000— 35 000 в:
а) при одновременном использовании заземляющего устройства в установках напряжением до 1 000 в	но не более 10
б) только для установок напряжением выше 1 000 в Iр —расчетный ток замыкания на землю (значение его задается энергосистемой).	но не более 10
2. Электроустановки напряжением до 1 000 в с заземленной нейтралью	4
То же при мощности генераторов и трансформаторов до 100 ква	10
3. Электроустановки напряжением до 1 000 в с изолированной нейтралью	4
То же при мощности генераторов и трансформаторов до 100 ква	10
4. Железобетонные и металлические опоры воздушных линий напряжением выше 1 000 с при удельном сопротивлении грунта:
до 104 ом·см	10
более 104 до 5·104 ом·см	15
„ 5·104 до 10·104 ом·см	20
„ 10·104 ом·см	30
5. Железобетонные и металлические опоры воздушных линий напряжением до 1 000 в при изолированной нейтрали	50
6. Железобетонные и металлические опоры воздушных линий напряжением до 1 000 в при заземленной нейтрали должны быть соединены с заземленным нулевым проводом (занулены)

Максимальные допустимые сопротивления заземляющих устройств, предписанные «Правилами», приведены в табл. 1.

8. ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРА ГРУНТА И ЕГО СОСТОЯНИЯ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ РАСТЕКАНИЮ ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ

В табл. 1 величина сопротивления заземляющего устройства воздушных линий дана в зависимости от удельного сопротивления грунта (удельное сопротивление принято обозначать греческой буквой ρ — «ро»). Эта величина определяет свойства грунта с точки зрения его электрической проводимости и чем она меньше, тем меньше сопротивление растеканию, а следовательно. благоприятнее условия для устройства заземления.

Удельным сопротивлением грунта называют сопротивление между противоположными плоскостями кубика грунта с ребрами размером 1 см; оно измеряется в ом-сантиметрах (ом·см).

В табл. 2 приведены приближенные значения удельных сопротивлений разных грунтов, а также речной и морской

Таблицa 2

Приближенные значения удельных сопротивлений грунтов и воды ρ, ом·см

воды. Точные значения удельных сопротивлений грунта должны определяться измерениями.

Зная величину удельного сопротивления грунта, можно определить сопротивление растеканию различных заземлителей. Приближенные их значения приведены в табл. 3.

Таблицa 3

Приближенные значения сопротивления растеканию единичных заземлителей

Вид заземлителя	Сопротивление, ом
1. Трубчатый заземлитель диаметром 2″ при длине 250 см	0,00308ρ
2. Угловая сталь 50×50 мм длиной 250 см	0,00318ρ
3. Угловая сталь 60×00 мм длиной 250 см	0,00298ρ
4. Полосовая сталь шириной 40 мм или круглая диаметром 20 мм	См. рис. 10
Прямоугольная пластина (при небольшом отношении размеров сторон), заложенная вертикально	где a и b — размери сторон пластины, см

Рис. 10. Сопротивление растеканию полосовой стали шириной 40 мм или круглой диаметром 20 мм.

Приведенные в табл. 3 данные относятся к значениям при влажности 10—20% к весу грунта. Однако грунт может в летнее время просыхать, а в зимнее — промерзать. И в том и в другом случаях сопротивление растеканию заземлителей возрастает, часто довольно значительно.

Таблицa 4

Признаки климатических зон и приближенные значения повышающих коэффициентов к сопротивлениям заземляющих устройств

Приближенные значения этих коэффициентов для климатических зон СССР и различных заземлителей приведены в табл. 4.

9. ЕСТЕСТВЕННЫЕ ЗАЗЕМЛИТЕЛИ И ЗАЗЕМЛЯЮЩИЕ КОНТУРЫ

Чтобы получить заземляющие устройства с малым сопротивлением, широко используются так называемые естественные заземлители: водопроводные и иные трубы, проложенные в земле, металлические конструкции, хорошо связанные с землей, и т. п. Такие заземлители могут иметь сопротивление порядка долей ома и не требуют специальных затрат на их устройство. Поэтому они должны быть использованы в первую очередь.

В тех случаях, когда такие естественные заземлители отсутствуют, для заземляющих устройств приходится устраивать искуственные заземлители (рис. 11) в виде заземляющих контуров, представляющих собой ряды забитых в землю уголков или труб, соединенных стальными полосами, на глубине, указанной в § 8.

Рис. 11. Заземляющий контур подстанции.

Общее сопротивление растеканию заземляющего контура определяется сопротивлением растеканию отдельных заземлителей по известному закону электротехники (как сумма проводимостей параллельно включенных проводников) . Однако при контурных заземлителях приходится считаться с явлением так называемого взаимоэкранирования зазем лителей. Это явление приводит к увеличению сопротивления растеканию заземлителей, размещенных в заземляющем контуре, по сравнению с отдельными заземлителями (уголок, полоса и т. п.) примерно в 1,5 и даже до 5—6 раз (для особо сложных контуров). Чем ближе находятся заземлители один от другого, тем в большей степени взаимоэкранирование влияет на общее сопротивление растеканию. Поэтому отдельные заземлители следует располагать с расстояниями между ними не менее 2,5 и до 5 м.

Коэффициенты, учитывающие увеличение сопротивления растеканию вследствие взаимоэкранирования, называются «коэффициентами использования» заземлителей.

Все части заземляющего контура при протекании через него тока замыкания на землю получают примерно одинаковый потенциал. Поэтому заземляющие контуры, как это следует из изложенного в § 4, способствуют выравниванию потенциалов на занимаемой ими площади. В ряде случаев (например, в установках напряжением 110 кв и выше, лабораторных высоковольтных установках и др.) они специально для этой цели устраиваются в виде достаточно частой сетки из полос (помимо труб или уголков).

10. ЗАЗЕМЛЯЮЩИЕ ПРОВОДНИКИ

Выполнение сетей заземления облегчается при использовании в качестве заземляющих проводников стальных конструкций различного назначения. Будем называть их условно естественными проводниками.

В качестве естественных проводников могут служить:

а) металлические конструкции зданий (фермы, колонны и т. п.); б) металлические конструкции производственного назначения (подкрановые пути, каркасы распределительных устройств, галереи, площадки, шахты лифтов, подъемников и т. п.); в) металлические трубопроводы всех назначений — водопровод, канализация, теплофикация и т. п. (исключая трубопроводы для горючих и взрывоопасных смесей); г) стальные трубы электропроводок; д) свинцовые и алюминиевые оболочки (но не броня) кабелей.

Они могут служить единственными заземляющими проводниками, если удовлетворяют требованиям «Правил» в отношении сечения или проводимости (сопротивления).

Заземляющие проводники разделяются на основные (магистральные) и ответвления от них к отдельным электроприемникам.

Заземляющие проводники должны иметь минимальные размеры, приведенные в табл. 5 и 6.

Таблицa 5

Минимальные размеры стальных заземляющих проводников (и заземлителей) в установках
до 1 000 в и выше 1 000 в

Таблицa 6

Минимальные сечения медных и алюминиевых заземляющих проводников в электроустановках
напряжением до 1 000 в

В электроустановках напряжением до 1 000 в с изолированной нейтралью допустимая нагрузка на магистральные заземляющие проводники в соответствии с требованием «Правил» должна быть не менее 50% допустимой длительной нагрузки на фазный провод наиболее мощной линии данного участка сети, а допустимая нагрузка на ответвления заземляющих проводников к отдельным электроприемникам — не менее ¹/₃ допустимой нагрузки фазных проводов, питающих эти электроприемники.

Для заземляющих проводников при напряжении как до так и выше 1 000 в не требуются сечения больше 100 мм² — для стали, 35 мм² — для алюминия и 25 мм² — для меди.

Таким образом, выбор проводников для заземления оборудования достаточно прост, поскольку допустимая нагрузка на различные проводники может быть получена из таблиц «Правил» или справочников.

Пример. Наиболее мощная линия, отходящая в цех от щита напряжением 380 в, — кабель с бумажной изоляцией сечением 3×50 мм², проложенный в канале. Необходимо выбрать сечение заземляющей магистрали из стали.

Наибольшая допустимая нагрузка на фазу кабеля 155 а. Стальная магистраль должна иметь допустимую нагрузку не менее 77,5 а (50% от 155). По таблицам нагрузок для стальных шин выбираем сечение полосы 25×3 мм (допустимая нагрузка 80 а).

В цепь однофазного замыкания в сети с заземленной нейтралью входят сопротивления (рис. 9): обмоток (и магнитной цепи) трансформатора, фазного провода, нулевого провода (зануляющего проводника). Трансформатор и фазный провод выбираются по нагрузке и другим факторам, не относящимся к системе зануления.

Для нулевого провода (зануляющего проводника) «Правилами» предписывается следующее требование: его сопротивление не должно превышать более чем в 2 раза сопротивление фазного провода наиболее мощной линии из числа питающих электроустановку или электроприемник (или проводимость должна составлять не менее 50% проводимости фазного провода). Таково второе требование «Правил» в отношении устройств зануления.

Первое требование в большинстве случаев автоматически выполняется, если обеспечено выполнение второго требования. Таким образом, необходимо главным образом обеспечить требуемую величину сопротивления нулевого провода (зануляющего проводника).

При медных или алюминиевых проводах это сделать просто: необходимо принять сечение нулевого (зануляющего) провода равным 50% фазного. Если же фазный провод медный или алюминиевый, а зануляющий — стальной, как это часто бывает в промышленных установках, или если линия выполнена из стальных проводников, то уже выбирать нулевой провод исходя из сечения фазных нельзя. Дело в том, что сопротивление стальных проводников переменному току зависит от величины протекающего по проводнику тока; кроме того, оно зависит от профиля стали (круглый провод, полоса и т. д.), так как в стальном проводнике переменный ток распределяется неравномерно и по большей части протекает по его периметру, т. е. по части, прилегающей к внешним поверхностям. Поэтому, например, круглая сталь как проводник имеет менее выгодный профиль, чем полосовая.

Таблицa 7

Сечения стальных зануляющих проводников, соответствующие медным нулевым проводам

В табл. 7 приведены рекомендованные «Правилами» сечения проводников из полосовой стали, примерно соответствующие сечениям медных нулевых проводов при протекании токов замыкания на корпус в установках до 1 000 в с заземленной нейтралью. При алюминиевых фазных проводах тех же сечений, что и медные, можно пользоваться той же таблицей, но принимать стальные проводники сечением на одну ступень меньше.

Для зануляющих проводников во всех случаях не требуются сечения более 70 мм² для алюминиевых, 50 мм² — для медных и 800 мм² — для стальных проводников (табл. 7).

Если в качестве зануляющих проводников используются дополнительно металлические конструкции зданий, трубопроводы, оболочки кабелей (табл. 8) и другие естественные проводники, то не требуется применять специально проложенные стальные проводники сечением более 160 мм².

Из сказанного выше следует, что правильный выбор зануляющих проводников имеет особо важное значение для обеспечения безопасности.

Таблицa 8

Эквивалентные сечения металлических оболочек трехжильных кабелей с бумажной изоляцией по ГОСТ 340-53 и 6515-55

• Дачные приближенные.