Заземляющие устройства

СПРАВОЧНИК ПО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЮ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

ПРОМЫШЛЕННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ

Под общей редакцией А.А. Федорова и Г.В. Сербиновского
Второе издание, переработанное и дополненное МОСКВА «ЭНЕРГИЯ» 1980

Б. ЗАЗЕМЛЯЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

8-6. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

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.
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 (см. табл. 8-8).
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.

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 × 50 или 60 × 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.
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.